利用鈮酸鋰晶體制作體全息光柵的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

陳劉偉，孟惠云，王東旭，任建文，張 明

（浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，浙江杭州310023）

1 引 言

全息技術(shù)早在1948年就已經(jīng)出現(xiàn)，目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往會(huì)開設(shè)“全息照相”和“全息光柵制作”實(shí)驗(yàn)[1].這2個(gè)實(shí)驗(yàn)利用光的干涉原理，在全息干板上記錄2列有一定夾角的光波相干后的干涉條紋，達(dá)到成像和光柵制作的目的.但實(shí)際上全息技術(shù)發(fā)展十分迅速，已在許多新領(lǐng)域中得到應(yīng)用和發(fā)展，例如：以體全息存儲(chǔ)為核心的光學(xué)圖像存儲(chǔ)與識(shí)別系統(tǒng)，在模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)航、非接觸測(cè)量[2]等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景；體全息技術(shù)在波分復(fù)用技術(shù)中的應(yīng)用，大大促進(jìn)了光通信的發(fā)展[3－5].顯然現(xiàn)階段的大學(xué)物理全息實(shí)驗(yàn)已經(jīng)無法適應(yīng)全息技術(shù)的飛快發(fā)展，因此筆者在已有全息實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上開展設(shè)計(jì)性全息實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生了解全息技術(shù)在科研與實(shí)踐中的應(yīng)用.

本文利用雙光束干涉的方法，通過控制雙光束的記錄角度，在鈮酸鋰晶體中寫入了光折變體全息布拉格光柵.將該光柵應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中，利用ASE光源對(duì)此光柵進(jìn)行了濾波實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了透射光譜，獲得了比較理想的濾波效果.由于鈮酸鋰晶體具有造價(jià)低廉、不易退極化、可多次寫入等優(yōu)點(diǎn)，因此用鈮酸鋰晶體代替常規(guī)全息實(shí)驗(yàn)中的全息干板可以達(dá)到節(jié)約和提高實(shí)驗(yàn)效果的目的.由于本實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)效果比較明顯，可以引入到本科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及物理相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中.不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力和綜合實(shí)驗(yàn)技能，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)全息技術(shù)的理解，激發(fā)他們對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)還可以讓學(xué)生拓寬專業(yè)知識(shí)面，使他們了解全息技術(shù)領(lǐng)域的最新發(fā)展前沿.

2 實(shí)驗(yàn)原理

LiNbO3是一種鐵電晶體[6]，在空間調(diào)制光或非均勻光強(qiáng)的輻照下光照區(qū)內(nèi)會(huì)激發(fā)出光生載流子.光生載流子在光生伏打效應(yīng)的作用下產(chǎn)生遷移運(yùn)動(dòng)，最終到達(dá)暗區(qū)被處于深能級(jí)的陷阱俘獲，形成與光強(qiáng)的空間分布相對(duì)應(yīng)的空間電荷場(chǎng)[7].該電荷場(chǎng)再通過電光效應(yīng)調(diào)制晶體的折射率，即可在晶體中寫入體相位光柵[8].

在光折變晶體中，布拉格光柵的光柵周期Λ由2束記錄光的夾角2θw和波長λw決定：

當(dāng)讀出光投射到光柵上并滿足布拉格條件

時(shí)，才能形成明顯的衍射，其中n為在讀出光波長下的材料折射率，θ0為布拉格角，m為衍射級(jí)次，λp為讀出光波長.式（2）表明，對(duì)于特定角度入射的光，只有滿足布拉格條件才會(huì)發(fā)生衍射.

在此實(shí)驗(yàn)方案中，采取反射式讀出全息光柵的方法，即在讀出時(shí)θ0＝90°.此時(shí)，濾波波長為

由此可得到記錄角度與濾波波長的關(guān)系，見圖1.

圖1 記錄角度θw與布拉格波長λp的關(guān)系

帶有光折變?nèi)⒐鈻诺腖iNbO3晶體可用作光學(xué)濾波器，衍射效率是其重要指標(biāo)，此處采用Kogelnik[9]理論對(duì)其進(jìn)行分析.非嚴(yán)格布拉格衍射時(shí)，定義Δθ＝θ－θ0，為入射角偏移程度；Δλ＝λ－λ0，為波長偏移量，θ和λ分別為實(shí)際讀出光的入射角和波長.由于上述兩偏移量的存在，會(huì)導(dǎo)致兩耦合波發(fā)生相位失配，失配因子為

式中φ為光柵傾斜角，如圖2所示，它是光柵矢量K與晶體c軸（圖2中的z軸）的夾角，｜K｜＝2π／Λ是光柵矢量，｜kw｜＝2π／λw是記錄光波矢.

圖2 體全息光柵的記錄

非傾斜反射光柵的衍射效率η取決于折射率調(diào)制度Δn和讀出光的波長λ：

圖3 讀出光波長與衍射效率的關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 體全息光柵的制作

制作體全息光柵的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示.實(shí)驗(yàn)中使用532nm的微腔倍頻Nd∶YAG連續(xù)激光器，這是由于鈮酸鋰對(duì)藍(lán)綠光敏感，并且Nd∶YAG激光器具有高單色和高相干性，對(duì)全息實(shí)驗(yàn)十分有利.從激光器出射的o偏振光先經(jīng)過光衰減器，用以調(diào)節(jié)光強(qiáng)，再經(jīng)過λ／2波片轉(zhuǎn)化為e偏振，這更有利于光柵的建立[10]，再經(jīng)（45°）1∶1分光鏡分成2束光，M1和M2為反射鏡，L1（L2）和L3（L4）分別為焦距1cm及10cm的透鏡，組成反望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，起到擴(kuò)束的作用，最終2光束在晶體表面干涉，形成體全息光柵.記錄材料為x，y，z方向上尺寸為10mm×10mm×5mm的鈮酸鋰晶體，c軸與z軸平行，飽和折射率調(diào)制度為Δns＝2.8×10－5.

圖4 制作體全息光柵的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

針對(duì)光通信應(yīng)用，選取波長為1 550nm的光作為讀出光，并且要求1級(jí)衍射光與入射光反向，即θ0＝90°.當(dāng)記錄光波長λw＝532nm，λp＝1 550nm，鈮酸鋰折射率n＝2.21時(shí)，由式（1）和（3）可解得θ＝49.335°，所以記錄角度2θ＝98.67°.如圖4所示，調(diào)整L1和L3，L2和L4之間距離，使光束擴(kuò)束后保持準(zhǔn)直.最后光斑的直徑為50mm，2束記錄光的功率分別為P1＝230mW，P2＝260mW，記錄時(shí)間為20min.記錄完成之后調(diào)節(jié)衰減器，把光強(qiáng)調(diào)小至5mW（光強(qiáng)太大會(huì)對(duì)光柵產(chǎn)生擦除效果），擋住其中的一路記錄光，如擋住L1和L3一路，同時(shí)撤去L2和L4使得檢測(cè)光不經(jīng)擴(kuò)束直接入射到晶體上，然后在晶體后觀察光斑情況，結(jié)果在原來L1和L3一路光的透射位置處發(fā)現(xiàn)了衍射光斑，說明L2和L4一路光在晶體中發(fā)生了衍射，即在晶體中已經(jīng)建立光柵.

3.2 體全息光柵的應(yīng)用

為了使學(xué)生體會(huì)到全息技術(shù)在工程技術(shù)和科學(xué)研究中的應(yīng)用，將上述光折變光柵應(yīng)用到光通信系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置，檢測(cè)體全息光柵的濾波效果.鈮酸鋰晶體放置于2個(gè)光纖準(zhǔn)直器中間，使光柵矢量方向（晶體c軸）與圖5中z軸方向一致，ASE光源輸出的信號(hào)光沿著光柵矢量方向入射進(jìn)體全息布拉格光柵，其中滿足布拉格條件的峰值波長λp被反射，其余波長的信號(hào)光透射后被光譜儀接收.

圖5 濾波器在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

體全息光柵的濾波效果如圖6所示，圖6（a）是ASE光源的光譜圖，圖6（b）～（d）是ASE光源通過已寫入光柵的鈮酸鋰晶體之后的光譜圖.在圖6（b）中，除了在1 550nm附近有1個(gè)吸收峰之外，在1 534nm附近也有1個(gè)吸收峰，這是記錄期間由于器件震動(dòng)或空氣擾動(dòng)而產(chǎn)生的誤差.如果在記錄過程中，存在更多的外界干擾，就會(huì)記錄上更多的光柵，從而有多個(gè)波長被反射，如圖6（c）中所示.

圖6 ASE光源光譜和光柵濾波光譜

通過增強(qiáng)設(shè)備穩(wěn)定度，在1 548nm處得到峰值半高全寬為4nm，衍射效率為10%的濾波效果，如圖6（d）所示.其中吸收峰波長為1 548nm，與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的1 550nm相差2nm，這是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)雙光束夾角的誤差所致.利用式（1）和（3）分析可知，當(dāng)兩干涉光的夾角為98.67°，即與λp＝1 550nm對(duì)應(yīng)的記錄夾角相差0.17°時(shí)，體全息光柵的布拉格波長為1 548nm.這可以通過在實(shí)驗(yàn)中增加更精確的角度控制裝置來避免.從圖6（d）中可以看出鈮酸鋰晶體上形成的體全息光柵的濾波效果良好，從而說明鈮酸鋰晶體上體全息光柵的記錄比較成功，達(dá)到了預(yù)期的要求.整個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，而且實(shí)驗(yàn)操作和全息干板實(shí)驗(yàn)相同，并沒有增加難度.實(shí)驗(yàn)適合引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).

4 結(jié)束語

對(duì)鈮酸鋰晶體進(jìn)行全息寫入，應(yīng)用其光折變效應(yīng)制作出全息光柵，從而制作了基于鈮酸鋰晶體的體全息濾波器.對(duì)此光柵濾波器進(jìn)行了濾波實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了濾波效果.用鈮酸鋰晶體記錄的體全息光柵具有濾波效果明顯、可擦除和重復(fù)記錄、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，克服了全息干板不能重復(fù)利用的缺點(diǎn).通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生一方面可以了解到全息技術(shù)的應(yīng)用、光柵的制作過程，另一方面還可以了解到全息技術(shù)在科研中的一些前沿，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探索精神.

[1] 耿濤，王彪，滕東東，等.體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)中的相關(guān)識(shí)別[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29（1）：35－37.

[2] 陳云鵬，胡易，陳黎暄，等.基于動(dòng)態(tài)全息光柵轉(zhuǎn)換技術(shù)的壓電陶瓷特性測(cè)量[J].物理實(shí)驗(yàn)，2009，29（4）：6－10.

[3] 王小懷.基于體全息技術(shù)的波分復(fù)用（WDM）器件研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2006，27（4）：350－354.

[4] 尤政，孫文泱，藍(lán)強(qiáng).波導(dǎo)全息指紋圖像傳感器實(shí)驗(yàn)研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，41（11）：68－70.

[5] Liu Dong，Wang Dayong，Tao Shiquan，et al.Improvement of the wavelength selectivity of volume holographic gratings for optical communication[J].J.Opt.A：Pure Appl.Opt.，2009，11（6）：65404－65409.

[6] Arizmendi L.Photonic applications of lithium niobate crystals[J].Phys.Stat.Sol.A，2004，201（2）：253－283.

[7] Chen F S，LaMacchia J T，F(xiàn)raser D B.Holographic storage in lithium niobate[J].Appl.Phys.Lett.，1968，13（7）：223－224.

[8] Hukriede J，Runde D，Kip D.Fabrication and application of holographic Bragg gratings in lithium niobate channel waveguides[J].J.Phys.D：Appl.Phys.，2003，36（3）：1－16.

[9] Kogelnik H.Bragg diffraction in hologram gratings with multiple internal reflections[J].J.Opt.Soc.Am.，1967，57（3）：431－433.

[10] Chen Hong－shyuan，Lin Tzu－wei，Liu Jung－ping，et al.Holographic recording in LiNbO3using various polarized lights[J].Opt.Rev.，2009，16（3）：332－334.