全息存储的记录材料课件

全息存储的记录材料3.4.1光折变材料的全息存储机理与特性

3.4.1光折变效应简介光折变效应是光致折射率变化效应的简称，其含义是电光材料在光辐照下，折射率随光强的空间分布而变化。光折变效应首先是由贝尔实验室工作的Ashkin等人于60年代发现的。当初称为光损伤。光致折射率变化与通常在强光作用下所引起的非线性折射率变化的机制完全不同，后者起因于光致瞬态非线性电极化。光折变材料具有较大的电光系数，与一般在高功率激光场作用下的非线性光学材料相比有两个显著的特点（1）光折变材料的光学非线性效应与光强无关。（2）光折变材料具有非局域响应。

光折变材料能做成各种用途的非线性光学器件。如体全息实时存储器、光放大器、光振荡器、相位共轭器、空间光调制器等。折射率光栅的建立(1)在适当波长的空间非均匀分布的光辐照下，晶体内的施主(受主)心被电离产生电子(空穴)；同时电子(空穴)从中间能级受激跃迁至导带(价带)。(2)

光激发载流子在导带(价带)内可自由迁移；光激发载流子具有三种迁移机制：扩散(载流子由于浓度不同而扩散迁移)、漂移(载流子在外场或晶体内极化电场作用下的漂移)和异常光生伏打效应(均匀铁电体材料在均匀光照下，产生沿自发极化方向的光生伏打电流)。在光折变效应中，上述三种迁移机制单独作用或联合作用完成了光折变晶体内部载流子的迁移过程。折射率光栅的建立(3)

迁移的电子(空穴)可以被重新俘获，经过再激发、再迁移、再俘获，最终离开光照区而在暗光区被电子(空穴)陷阱俘获。由此导致晶体内空间电荷分布的变化，使空间电荷分离，从而形成了相应于光场分布的空间电荷场。

(4)

空间电荷场通过线性电光效应(泡克尔斯效应)，在晶体内形成折射率的空间调制变化，产生折射率调制的位相光栅。折射率光栅的建立光折变效应的物理过程可概括为：（1）非均匀分布的光激发载流子的过程；（2）光激载流子迁移和被俘获导致空间电荷场产生的过程；（3）空间电荷场通过线性电光效应引起的折射率调制过程。光折变过程的能级图以Fe:LiNbO3为例说明Fe3+和Fe2+(a)光电离，(b)扩散，(c)复合，(d)形成空间电荷并产生电场。Fe2+杂质中心作为施主，电离后变成Fe3+，而Fe3+中心作为陷阱，复合后变成Fe2+。

光折变过程1.带输运模型不动的电离施主随时间的变化率方程：自由电子的连续性方程：电流方程：空间电荷分布形成局域电场，满足高斯定理：2.驱动光强2.驱动光强3.光致空间电荷场带输运模型是一组非线性偏微分耦合方程，通常只有数值解。为了获得空间电荷场的解析解，需要引入以下近似处理：3.光致空间电荷场（3）认为光强的调制度M(z)<<1且

M(z)/x<<k，则可以忽略受空间调制的各个参数N+D、

、及Esc的傅立叶级数展开式中的高阶项，认为它们与光强有相同的分布，其形式为：这种近似的线性化处理带输运模型，其结果只对调制度M(z)<<1的情况有效，但是在光栅周期很小（不超过几微米）情况下，对任意调制度，其结果也是较好的，或者在调制度小于0.6∽0.8的情况下，对大光栅周期，其结果也是较好的3.光致空间电荷场在图3-6所示的对称记录光路中，（3-13）所示的正弦调制光强为根据假设（2），带输运模型可以改写为：3.光致空间电荷场接下来的内容是根据带输运模型，在前面的假设条件和对称记录光路下求解空间电荷场。因为知道了空间电荷场后，就可以通过线性电光效应求解折射率的分布，从而利用耦合波理论可以确定衍射效率等重要参数，这是我们最关心的。3.光致空间电荷场由方程(5)知，在初始状态(t=0)时，有将方程（1）~（4）代入方程(5)，并且对应exp(-iKx)前的系数，可得到：3.光致空间电荷场将(7)代入方程(6)有：将方程（1）~（4）代入（12）式，并且对应exp(-iKx)前的系数，然后令，可求出

1，将其代入（11）式，可得到3.光致空间电荷场其中式中为导带中电子的介电驰豫率3.光致空间电荷场一些电场的定义如下：光伏打电场饱和极限场扩散电场3.光致空间电荷场那么方程（15）（16）可以写成3.光致空间电荷场由方程(13)可推出所以，空间电荷场可以表示成因为3.光致空间电荷场电子光栅建立时间光栅建立和擦除过程的振荡频率3.光致空间电荷场（完）令所以（21）式与书（3-19）式略有不同，那么空间电荷场相对与记录光的干涉条纹的空间相移

g也会与书（3-20）式有所不同，它可以由（21）式确定。作业请详细描述在光折变材料中，折射率光栅的建立过程。4.折射率调制的位相光栅晶体光学基础知识电光效应两波耦合晶体光学基础知识晶体结构的主要特点是组成晶体的各基元（原子、分子、离子或其集团）在空间排列组合时，表现出一定的空间周期性和对称性。这种特点导致了晶体宏观性质的各向异性。光学特性也表现出各向异性。晶体光学基础知识晶体光学基础知识晶体光学基础知识晶体光学基础知识单轴晶体电光效应当加到介质上的电场较大，足以将原子内场（约为3*108

V/cm）扰乱到有效程度，就可以使本来是各向同性的介质产生双折射，本来是光学各向异性的晶体其双折射特性发生变化。这种因外加电场使介质光学性质发生变化的效应，叫电光效应。电光效应电光效应电光效应电光效应电光效应电光效应电光效应电光效应电光效应电光效应3.4.2光折变晶体内的两波耦合和衍射效率在光折变晶体内，由入射光波所写入的相位光栅又同时引起入射光波的相互耦合，从而使它们的光强和位相随传播距离而不断变化。光波的这种变化又影响后继光栅的写入，这样在光折变晶体内所记录的是一种动态的体相位栅。与以前介绍的恒定光栅不同，这里是一种自洽偶合过程。下面推导双光束在其所写入的动态体相位光栅作用下的耦合波方程。两波耦合两波耦合两波耦合两波耦合两波耦合两波耦合将复振幅分成大小和相位两部分，即两波耦合对称记录光路电场振动方向应沿y轴无吸收情况下两波耦合无吸收情况下两波耦合无吸收情况下两波耦合无吸收情况下两波耦合无吸收情况下两波耦合无吸收情况下两波耦合由方程（3-52）和（3-53）可知从上式可知，如果

g

/2且Ir

Is，则两写入光束间存在位相耦合，即双光束之间位相转移变化。由于光折变效应的惯性，这种位相转移将导致双光束之间发生瞬态能量转移，见下图。由位相转移产生的

瞬态能量转移反射型光栅反射型光栅反射型光栅由上面对光折变晶体内光栅形成过程的讨论可知，由于动态耦合和自衍射，晶体内光栅的调制度和相移都随晶体内的深度而变化，呈现出与常规（静态）全息图很不相同的特点。读出光衍射效率透射型光栅反射型光栅作业用波长为532nm的激光在LiNbO3晶体中记录非倾斜透射光栅，参考光与物光的夹角为30o（空气中）。欲用波长为633nm的探测光实时监测光栅记录过程中衍射效率的变化，计算探测光的入射角（假设在此二波长晶体折射率均为2.27）。3.4.3光折变晶体的全息时间常量由于折射率光栅的形成和擦除均需要时间,为此引入响应时间常数描述光栅建立和擦除的快慢。响应时间是全息存储的重要特性参量，它表征了体全栅光栅的动态特征。全息时间常量光折变效应是一种电光过程，涉及光激发载流子的产生、迁移和俘获，以及由空间电荷场引起的一阶线性电光效应。空间电荷场形成需要时间。（写入时间常量）从光折变光栅的形成机理可知,已经写入了光栅的晶体被其敏感波长的均匀光照射后，陷阱中被捕俘的电子再次被激发，并在晶体内重新分布，会使晶体内相位光栅消失，使光折变晶体恢复常态。

这种现象称为光擦除。（擦除时间常量）全息时间常量全息时间常量以上这种写入擦除时间特性的对称性得到许多人的论证，但是在某些情况下，擦除灵敏读比写入灵敏度要低，即意味着写入、擦除时间常量是不对称的。3.4.4光折变材料的全息存储特性1、体全息存储对材料的要求（1）光谱响应

用于全息存储的光折变材料应当对写入激光波长敏感。目前，全息记录主要采用连续的可见激光如氩离子（488/514nm谱线）和氦氖（633nm谱线）激光。随着光电子技术的发展，半导体激光器和倍频固体激光器等光源，在全息存储中的作用也愈来愈重要。已经发现了一些光折变材料并且进行适当的掺杂和热处理，使得敏感波长的范围覆盖了从近紫外到近红外。

1、体全息存储对材料的要求（2）动态范围通常指最大可能的折射率

nsat，指的是当光照时间与响应时间相比为足够长时所达到的折射率变化。给定这一指标，可以根据耦合波理论近似地确定晶体中光栅可能达到的最大衍射效率。此外，这一特性还决定了在给定体积中所能存储的全息图的数目。

1、体全息存储对材料的要求（3）灵敏度一种较实用的定义是在一毫米厚的晶体中记录衍射效率为1％的光栅所需要的能量密度W(1％)，单位为mJ/cm2。目前比较普遍接受的另一种定义是：在记录的初始阶段，灵敏度正比于单位写入光强在单位厚度的材料中产生的折射率变化速率，即灵敏度已经证明，减少材料中空陷阱（例如掺铁铌酸锂中的三价铁离子）密度，可以改善灵敏度。同时，理论和实验都证明，Fe:LiNbO3的灵敏度正比于Fe2+的数密度，而其最大折射率改变则正比于Fe3+的数密度。1、体全息存储对材料的要求（4）存储持久性全息图的存储持久性用其暗存储时间（即记录以后在黑暗条件下初始的折射率变化的分布仍然保存的时间）来表征。它决定于材料的介电常数和暗电导率。

存储持久性较短的材料适合于实时信号处理、相干光放大、和光学位相共轭。然而，只读存储器要求长的存储持久性。在这种情况下可以采用固定（定影）技术，使固定后的光栅有较长的存储寿命并且对读出光不敏感。

1、体全息存储对材料的要求（6）散射噪声散射噪声是光折变晶体的本质性问题。材料中任何缺陷会使光散射成球面波，这些散射波会与初始的入射波相干涉，形成噪音位相光栅；与此同时，入射光作为读出光通过噪音光栅的自衍射（此时布喇格条件自动满足），入射光能量向散射光转移，产生放大的散射光，并且晶体中存在的多束散射光同时写入了多组位相光栅。由于散射光在空间无规分布，因此这些位相光栅迭加成噪声光栅。

扇形效应。1、体全息存储对材料的要求（8）晶体尺寸及光学质量（9）空间频率响应（空间分辨率）大部分光折变材料是单晶，其空间分辨率原则上由陷阱间的距离决定。2、光折变晶体光折变材料可以分为无机材料(光折变晶体)和有机材料（光折变聚合物）。其中光折变晶体又可分为三类：

(1)铁电晶体：铌酸锂(LiNbO3)，钽酸锂(LiTaO3)，钛酸钡(BaTiO3)，铌酸钾(KNbO3)等。(2)铋硅族氧化物：硅酸铋(Bi12SiO20—BSO)，锗酸铋(Bi12GeO20)，钛酸铋(Bi12TiO20)等。(3)化合物半导体：磷化铟(InP)，砷化镓(GaAs)，磷化镓(GaP)，碲化镉(CdTe)，硫化镉(CdS)，硒化镉(CdSe)，硫化锌(ZnS)等。

3、有机光折变材料