KNSBN晶體全息再現(xiàn)像質(zhì)量的研究＊

范 蕾，王曉穎，李武軍，孫平平

（西安工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，西安710021）

體全息是在面全息的基礎(chǔ)上提出的一種全息術(shù)．當(dāng)記錄介質(zhì)較厚（厚度比記錄的干涉條紋間距大得多）時，兩相干光束在介質(zhì)內(nèi)相互作用，形成三維光柵狀全息圖，這種現(xiàn)象稱之為體全息．體全息存儲具有存儲容量大、存取時間短、可擦除且可重復(fù)寫入、實時性強(qiáng)等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景［1］．體全息再現(xiàn)像質(zhì)量的研究是體全息存儲的一個重要的研究方向［2］；在全息圖再現(xiàn)時，如果系統(tǒng)中任一個參數(shù)（如波長、曲率半徑、衍射效率等）與原記錄系統(tǒng)有所不同，結(jié)果都會影響再現(xiàn)圖像的質(zhì)量，尤其是晶體中體光柵的衍射效率，對再現(xiàn)像質(zhì)量及再現(xiàn)像強(qiáng)度都有影響［3］．目前，研究文獻(xiàn)多針對鈮酸鋰晶體的體全息存儲特性進(jìn)行了研究［4］；在研究文獻(xiàn)中，為了得到更好的再現(xiàn)圖像，達(dá)到最佳的存儲效果，主要通過改變外部因素，如增加外部電場［5］，使用不同參考光照射等來提高衍射效率［6］，從而改善再現(xiàn)像的質(zhì)量．

KNSBN晶體是一種優(yōu)良的新型光折變晶體［7］，其具有居里點高，高溫?zé)o相變，響應(yīng)靈敏度高等顯著優(yōu)點，因而在非線性光學(xué)研究領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用［8］．特別是該晶體的非全充滿結(jié)構(gòu)和響應(yīng)靈敏度高特性使得該晶體可做為一種良好的全息存儲材料［9］．目前人們對KNSBN晶體作為全息存儲介質(zhì)的研究還相對較少，特別是對KNSBN晶體進(jìn)行體全息存儲時，再現(xiàn)像質(zhì)量的研究尚未見到．文中擬針對KNSBN晶體進(jìn)行體全息存儲時，影響再現(xiàn)像質(zhì)量的因素進(jìn)行實驗研究，以期得到外界因素不變時，再現(xiàn)像質(zhì)量與晶體特性的關(guān)系．

1 實驗裝置及方法

1．1 實驗裝置

如圖1所示為KNSBN晶體作為全息記錄介質(zhì)的實驗裝置示意圖．激光束經(jīng)過1／2波片后相對于晶體作為e光入射；S為分束鏡，入射光束經(jīng)分束鏡S后被分為兩束光，其中反射光束經(jīng)過反射鏡M1反射后，再經(jīng)過擴(kuò)束鏡L1擴(kuò)束后照射物體成為攜帶物信息的物光，物光經(jīng)過透鏡L2聚焦后通過可變光闌D1入射KNSBN晶體；另一束通過分束鏡S的透射光經(jīng)過反射鏡M2反射后通過可變光闌D2作為參考光入射KNSBN晶體，在KNSBN晶體中相遇形成體相位柵，從而記錄物光的信息．本實驗用激光器為南京三樂光電子有限公司生產(chǎn)的氬離子激光器，入射光波長為514．5nm；實驗采用的晶體是山東大學(xué)研制的KNSBN晶體，尺寸為6mm×6mm×8mm，屬4m點群，光軸方向沿8 mm棱長的方向．

圖1 實驗裝置示意圖Fig．1 Schematic of experimental setup

1．2 實驗方法

實驗時先固定晶體在旋轉(zhuǎn)位移臺中心位置，調(diào)整兩支光路的各元件同軸等高，調(diào)整反射鏡M2的位置和方位角，確定物光與參考光的夾角，并使物光與參考光光程比接近1∶1．可變光闌D1和D2的通光直徑固定均為1．5mm．實驗初始時，使晶體的前端面（光束入射面）剛好處于兩支光路光束重疊點處，實驗中可通過調(diào)整放置晶體的旋轉(zhuǎn)位移臺的縱向位移螺旋旋鈕改變物光與參考光重疊點在晶體內(nèi)的位置，即改變其形成的相位柵在晶體中的位置；測量時每次平移0．5mm位置，存儲一次物信息，記錄時間均為3min，記錄時同時觀察對比再現(xiàn)像在記錄時間段內(nèi)的變化情況．實驗中入射到KNSBN晶體中的光束的各參量如圖2所示．

圖2 KNSBN晶體的記錄光路Fig．2 The optical path of KNSBN crystal

使用被記錄的物體為一透明米尺的刻度，實物如圖3所示．實驗中采用的物光與參考光夾角θ為34．6°，物光與參考光疊加形成的相位柵位置為Q點，相位柵位置Q點到晶體前端面的距離為d．

圖3 物體Fig．3 Object

2 實驗結(jié)果與分析

2．1 實驗結(jié)果

實驗時取相位柵在晶體中不同位置時，記錄下物信息．然后使用再現(xiàn)光路觀察比較再現(xiàn)像，研究再現(xiàn)像質(zhì)量．實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)d＝-2．0mm和d＝7．0 mm時沒有再現(xiàn)像；當(dāng)d＝-1．5mm時出現(xiàn)再現(xiàn)像，但是再現(xiàn)像不清晰且再現(xiàn)像持續(xù)時間短，再現(xiàn)像如圖4（a）所示；當(dāng)d＝0（即Q點恰好與與晶體前端面接觸）時，再現(xiàn)圖像逐漸開始清晰，再現(xiàn)像持續(xù)時間時間相對延長；當(dāng)d為2．0～3．5mm時，形成的體相位柵幾乎完全在晶體內(nèi)部，再現(xiàn)圖像質(zhì)量最好，再現(xiàn)像持續(xù)時間時間最長且相對穩(wěn)定，d＝2 mm時，觀察到的再現(xiàn)像如圖4（b）所示；隨后繼續(xù)移動晶體，相位柵的位置Q點逐漸穿過晶體，再現(xiàn)圖像質(zhì)量又開始逐漸下降，再現(xiàn)像持續(xù)時間同時減短，直至沒有再現(xiàn)圖像出現(xiàn)．當(dāng)d＝5．5mm時實驗所得再現(xiàn)圖像如圖4（c）所示．

物光與參考光疊加形成的相位柵在晶體中不同位置時，觀察再現(xiàn)像持續(xù)時間得到的關(guān)系如圖5所示．由圖5可以看出，當(dāng)物光與參考光疊加形成的體相位柵的位置處于KNSBN晶體中心附近時，記錄下的全息圖再現(xiàn)像保持時間較長；當(dāng)體相位柵位置向晶體前后端面靠近時，再現(xiàn)像保持時間逐漸減??；直至體相位柵完全移出晶體，此時晶體中未記錄下物信息，因而無再現(xiàn)像出現(xiàn)．

圖4 相位柵距離晶體前端面d時的再現(xiàn)圖像Fig．4 Holographic reproduced image of the distance dof phase grating from crystal front face

2．2 結(jié)果分析

在光折變晶體作為記錄介質(zhì)的體全息存儲中，再現(xiàn)圖像質(zhì)量的主要影響因素是光折變相位柵的衍射性質(zhì)［3］．描述相位柵衍射性質(zhì)的物理量是體相位柵的衍射效率［8］．衍射效率描述了讀出光束流經(jīng)光柵衍射后流入衍射光束中的光能量，可表示為

式中：IR（O）為入射的讀出光強(qiáng)；IS（L）為出射的衍射光強(qiáng)．光折變晶體KNSBN晶體屬于相位移Φ＝π／2的相移型光柵．如圖2所示，光束對稱入射到Z＝0的晶體表面上，此時有cosθS＝cosθR．實驗在固定讀出光強(qiáng)度下，用激光功率計測量體相位柵在KNSBN晶體中的不同位置處得到的再現(xiàn)圖像的光功率，計算相應(yīng)的衍射效率，得到衍射效率與體相位柵在晶體中的位置關(guān)系如圖6所示；其中當(dāng)d＝3．0mm時，衍射效率值最大為31%．

根據(jù)式（1）可知，當(dāng)讀出光強(qiáng)IR（O）不變時，衍射光強(qiáng)IS（L）越大衍射效率越高，由實驗測量結(jié)果可見，物光與參考光形成的體相位柵距位置距離晶體前端面1．5～3．5mm時，再現(xiàn)圖像的飽和光功率逐漸增大，出射的衍射光強(qiáng)IS（L）增大，則衍射效率增大，相應(yīng)的再現(xiàn)像質(zhì)量好；當(dāng)形成的體相位柵位置距離晶體中心越遠(yuǎn)，再現(xiàn)像的飽和光功率逐漸減弱，即衍射光強(qiáng)IS（L）減小，衍射效率減小，圖像清晰度降低．該測量結(jié)果與實驗觀察得到的再現(xiàn)像保持時間與體相位柵位置的關(guān)系一致．

圖5 再現(xiàn)像保持時間與相位柵在晶體中的位置的關(guān)系Fig．5 The reproducing image keeping time and phase grating position in the crystal

圖6 衍射效率與體相位柵在晶體中位置的關(guān)系Fig．6 The relation between the diffraction efficiency and the volume phase grating position in the crystal

3 結(jié) 論

文中通過改變物光與參考光形成的體相位柵在KNSBN中位置，研究了體相位柵在晶體中不同位置時再現(xiàn)像質(zhì)量的改變，測量并計算出相應(yīng)位置的衍射效率，得出的結(jié)論為

1）當(dāng)物光與參考光的形成的體相位柵完全在晶體內(nèi)部時，體相位光柵衍射效率可達(dá)到31%，再現(xiàn)像持續(xù)時間為262s．為本實驗中衍射效率最高值，再現(xiàn)像質(zhì)量最好，且在再現(xiàn)時再現(xiàn)像的保持時間較長．表明衍射效率測量結(jié)果與實驗觀察得到的再現(xiàn)像保持時間與體相位柵位置的關(guān)系一致．

2）體全息的現(xiàn)階段研究的主流趨勢依然是信息存儲，存儲信息質(zhì)量的好壞是信息存儲的一個重要參考因素．通過本實驗證實了KNSBN晶體可以做為光存儲材料，也對今后該晶體的全息存儲特性的研究提供了實驗基礎(chǔ)．

3）有關(guān)KNSBN晶體作為體全息存儲材料的其他存儲特性，如響應(yīng)時間，存儲的信息量、存儲持久性等特性還有待進(jìn)一步研究，尤其是對于體全息存儲的信息量的研究，較長的再現(xiàn)像持續(xù)時間對其提供了有利的實驗條件．

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