CN101788474B - 定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的方法 - Google Patents

Abstract

定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的方法，涉及光折变材料的参数测试领域，解决了尚无可行方案对光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值进行定量测试的问题。该方法的过程为：偏振入射光经衰减后垂直入射至光折变晶体表面，入射光偏振方向平行于光折变晶体c轴，利用功率计接收透射光；保持入射光光功率密度不变，每隔固定时间记录功率计接收的光功率，然后获得透射光光功率密度随时间的变化曲线，进而获得散射光光功率密度随时间的变化曲线及散射比的平方根随时间的变化曲线；利用

对散射比的平方根随时间的变化曲线进行拟合，获得散射时间常数τ，再根据公式S＝τ×I _in计算并获得所述曝光能量密度阈值。本发明可用于光信息体全息存储领域。

Description

定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的方法

技术领域

本发明涉及光折变材料的参数测试领域，具体涉及一种定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的方法。

背景技术

光折变晶体用于全息存储系统时，由于其存在多种噪声，严重影响了体全息存储再现图像的质量。噪声的主要来源之一是晶体的散射噪声，即光感应光散射。它是一种非线性光散射过程，散射噪声的存在，导致记录介质有效动态范围减小，从而使存储全息图的数目下降，它是光折变体全息存储器实用化过程中最大的障碍之一。现有技术方案采用光致散射光强阈值来表征材料的抗光散射能力，但其实际效果却不尽理想。主要原因是，材料的光致光散射应该是入射光强对时间的累积效应，即使再弱的入射光光强，在足够长时间的照射下仍然能够产生光损伤。而光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值能够从本质上反映光折变材料光致光散射，然而目前尚无可行方案来对其进行定量测试。

发明内容

本发明的目的是解决目前尚无可行方案对光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值进行定量测试的问题，提供了一种定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的方法。

定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的方法，它基于定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的装置实现，所述装置包括激光器、可调衰减器、光折变晶体、光阑和功率计；激光器输出的激光束经可调衰减器衰减后，入射至光折变晶体，经过光折变晶体透射的透射光通过光阑后，由功率计接收；

所述定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的方法，它的过程为：

步骤一、激光器输出一束偏振激光作为入射光发射至可调衰减器，所述入射光经可调衰减器衰减后，垂直入射至光折变晶体表面上，且所述入射光的偏振方向平行于光折变晶体的c轴方向，然后，经过光折变晶体透射的透射光通过光阑后，由功率计接收；

步骤二、保持激光器输出的入射光的光功率密度不变，然后每隔时间间隔T记录功率计接收到的透射光的功率及其对应时刻，共记录M次，令t_i表示功率计第i次接收到透射光时对应的时刻，i＝1，2，...，M，其中t₁表示功率计初次接收到透射光时对应的时刻，t_i满足：t_i＝t₁+(i-1)×T；其中，T为正数，M为大于5的正整数；

步骤三、根据功率计的受光面积及M个时刻的透射光的功率，分别计算并获得M个时刻对应的透射光的光功率密度；根据M个时刻的透射光的光功率密度，获得透射光的光功率密度随时间的变化曲线；

步骤四、令I_t(t_i)表示功率计在t_i时刻接收到的透射光的光功率密度，I_s(t_i)表示t_i时刻的散射光的光功率密度，其中i＝1，2，...，M，根据公式I_s(t_i)＝I_t(t₁)-I_t(t_i)及步骤二获得的透射光的光功率密度随时间的变化曲线，获得散射光的光功率密度随时间的变化曲线；

步骤五、令I_in表示入射光的光功率密度，R_S(t_i)表示t_i时刻的散射比，根据步骤四获得的散射光的光功率密度随时间的变化曲线、入射光的光功率密度以及公式R_S(t_i)＝I_s(t_i)/I_in，获得散射比随时间的变化曲线R_S(t)，进而获得散射比的平方根随时间的变化曲线其中t为时间变量；

步骤六、利用 $\sqrt{R_S\left(t\right)}=\sqrt{R_{S,\mathrm{sat}}}(1-\exp (-t/\mathrm{\τ}))$ 对所述散射比的平方根随时间的变化曲线进行拟合，并获得散射时间常数τ，其中R_S，sat为所述散射比随时间的变化曲线中的散射比的最大值；

步骤七、令S表示光折变晶体中光折变材料的曝光能量密度阈值，根据公式S＝τ×I_in计算并获得所述曝光能量密度阈值。

利用本发明的方法，能够对光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值进行定量测试。本发明可用于光信息体全息存储领域。

附图说明

图1为实施方式一中定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的装置的结构示意图；图2为实施方式二中定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的装置的结构示意图；图3为实施方式一的方法的流程图；图4为应用本发明方法获得的透射光光功率密度随时间的变化曲线图；图5为应用本发明方法获得的散射比的平方根随时间的变化曲线图；图6为散射时间常数的倒数对入射光光功率密度的变化关系图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的方法，它基于定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的装置实现，所述装置包括激光器1、可调衰减器2、光折变晶体3、光阑4和功率计5；激光器1输出的激光束经可调衰减器2衰减后，入射至光折变晶体3，经过光折变晶体3透射的透射光通过光阑4后，由功率计5接收；

所述定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的方法，它的过程为：

步骤一、激光器1输出一束偏振激光作为入射光Q_in发射至可调衰减器2，所述入射光Q_in经可调衰减器2衰减后，垂直入射至光折变晶体3表面上，且所述入射光的偏振方向平行于光折变晶体3的c轴方向，然后，经过光折变晶体3透射的透射光Q_t通过光阑4后，由功率计5接收；

步骤二、保持激光器1输出的入射光Q_in的光功率密度不变，然后每隔时间间隔T记录功率计5接收到的透射光Q_t的功率及其对应时刻，共记录M次，令t_i表示功率计5第i次接收到透射光Q_t时对应的时刻，i＝1，2，...，M，其中t₁表示功率计5初次接收到透射光Q_t时对应的时刻，t_i满足：t_i＝t₁+(i-1)×T；其中，T为正数，M为大于5的正整数；

步骤三、根据功率计5的受光面积及M个时刻的透射光Q_t的功率，分别计算并获得M个时刻对应的透射光Q_t的光功率密度；根据M个时刻的透射光Q_t的光功率密度，获得透射光Q_t的光功率密度随时间的变化曲线；

步骤四、令I_t(t_i)表示功率计5在t_i时刻接收到的透射光Q_t的光功率密度，I_s(t_i)表示t_i时刻的散射光Q_s的光功率密度，其中i＝1，2，...，M，根据公式I_s(t_i)＝I_t(t₁)-I_t(t_i)及步骤二获得的透射光Q_t的光功率密度随时间的变化曲线，获得散射光Q_s的光功率密度随时间的变化曲线；

步骤五、令I_in表示入射光Q_in的光功率密度，R_S(t_i)表示t_i时刻的散射比，根据步骤四获得的散射光Q_s的光功率密度随时间的变化曲线、入射光Q_in的光功率密度以及公式R_S(t_i)＝I_s(t_i)/I_in，获得散射比随时间的变化曲线R_S(t)，进而获得散射比的平方根随时间的变化曲线其中t为时间变量；

步骤六、利用 $\sqrt{R_S\left(t\right)}=\sqrt{R_{S,\mathrm{sat}}}(1-\exp (-t/\mathrm{\τ}))$ 对所述散射比的平方根随时间的变化曲线进行拟合，并获得散射时间常数τ，其中R_S，sat为所述散射比随时间的变化曲线中的散射比的最大值；

步骤七、令S表示光折变晶体3中光折变材料的曝光能量密度阈值，根据公式S＝τ×I_in计算并获得所述曝光能量密度阈值。

所述散射时间常数τ的定义为：从开始时刻到散射比的平方根

达到饱和值

的(1-1/e)时所耗用的时间。在本实施方式中，步骤二中所述的时间间隔T可根据实际需要设定其大小，通常设定的时间间隔越小，获得的各个曲线越精确；记录的次数M也可根据需要选择不同的正整数，通常记录的次数越多，获得的各个曲线也越精确。

应用本实施方式，选择不同的入射光(Q_in)的光功率密度，对于同一个光折变晶体(3)所获得的曝光能量密度阈值是相同的。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一的进一步限定，所述的定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的装置还包括透镜6，且所述透镜6置于可调衰减器2和光折变晶体3之间；

所述定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的方法中，步骤一的过程如下：

激光器1输出一束偏振激光作为入射光Q_in发射至可调衰减器2，所述入射光Q_in经可调衰减器2衰减后，再经透镜6会聚后，垂直入射至光折变晶体3表面上，且所述入射光的偏振方向平行于光折变晶体3的c轴方向，然后，经过光折变晶体3的透射光Q_t通过光阑4后，由功率计5接收。

在本实施方式中，激光器1选择半导体泵浦固体激光器，入射光采用所述半导体泵浦固体激光器输出的e偏振光，波长为532nm；光折变晶体3选取铌酸锂晶体；入射到光折变晶体3上的光斑直径为2.0mm，光阑4的大小应使得功率计5能够完全接收到所有透射光，且基本接收不到散射光。

经步骤三可获得透射光Q_t的光功率密度随时间的变化曲线，如图4所示。在图4中，“△”表示的数据点为在入射光Q_in的光功率密度等于260mW/cm²时，获得的不同时刻的透射光Q_t的光功率密度，“◇”表示的数据点为在入射光Q_in的光功率密度等于110mW/cm²时，获得的不同时刻的透射光Q_t的光功率密度。

根据图4，经步骤五后可获得散射比的平方根随时间的变化曲线，如图5所示。在图5中，“△”表示的数据点为在入射光Q_in的光功率密度等于260mW/cm²时，获得的不同时刻的散射比的平方根，“◇”表示的数据点为在入射光Q_in的光功率密度等于110mW/cm²时，获得的不同时刻的散射比的平方根，曲线A1为利用 $\sqrt{R_S\left(t\right)}=\sqrt{R_{S,\mathrm{sat}}}(1-\exp (-t/\mathrm{\τ}))$ 对“△”表示的数据点进行拟合后获得的曲线，曲线A2为利用 $\sqrt{R_S\left(t\right)}=\sqrt{R_{S,\mathrm{sat}}}(1-\exp (-t/\mathrm{\τ}))$ 对“◇”表示的数据点进行拟合后获得的曲线。其中，当入射光Q_in的光功率密度等于260mW/cm²时， $\sqrt{R_{S,\mathrm{sat}}}=0.25,$ 获得的散射时间常数τ＝11.19，获得的铌酸锂晶体的曝光能量密度阈值S＝τ×I_in＝2909.4mW/cm²；当入射光Q_in的光功率密度等于110mW/cm²时， $\sqrt{R_{S,\mathrm{sat}}}=0.24,$ 获得的散射时间常数τ＝26.44，获得的铌酸锂晶体的曝光能量密度阈值S＝τ×I_in＝2908.4mW/cm²。上述两次测量的结果也说明了光折变晶体(3)的曝光能量密度阈值与入射光(Qⁱⁿ)的光功率密度无关。

本实施方式还在不同光功率密度的入射光(Qⁱⁿ)条件下，求取相应散射时间常数的倒数进而获得

关于I_in的变化曲线，参见图6，可知

关于I_in几乎成线性正比例关系。而由公式S＝τ×I_in变换可得， $\frac{1}{\mathrm{\τ}}=\frac{1}{S}\×I_{\mathrm{in}},$ 若使

关于I_in成正比例变化，则需

为固定常数，也即S为固定常数。因此可知，光折变晶体的曝光能量密度阈值为固定值，它属于材料的固有特性，与测试用的入射光光功率密度(或光强)大小无关。

将本实施方式应用于体全息存储系统，利用本实施方式的方法即可获得光折变材料的曝光能量密度阈值，再根据公式S＝τ×I_in，亦可获得任意入射光光功率密度I′(或光强)对应的散射时间常数τ′；对于光功率密度为I′的入射光，令曝光时间不大于光功率密度为I′对应的散射时间常数τ′，即可使得再现图像的质量相对较好。

本发明测试出了影响光折变材料光致光散射的本质因素——曝光能量密度阈值，它可以作为评价光折变材料光致光散射的指标，并为体全息存储系统中光折变材料曝光能量密度的选取提供依据，能够大幅提高体全息存储系统的性能。

Claims (2)

1.定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的方法，其特征在于它基于定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的装置实现，所述装置包括激光器(1)、可调衰减器(2)、光折变晶体(3)、光阑(4)和功率计(5)；激光器(1)输出的激光束经可调衰减器(2)衰减后，入射至光折变晶体(3)，经过光折变晶体(3)透射的透射光通过光阑(4)后，由功率计(5)接收；

所述定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的方法，它的过程为：

步骤一、激光器(1)输出一束偏振激光作为入射光(Q_in)发射至可调衰减器(2)，所述入射光(Q_in)经可调衰减器(2)衰减后，垂直入射至光折变晶体(3)表面上，且所述入射光的偏振方向平行于光折变晶体(3)的c轴方向，然后，经过光折变晶体(3)透射的透射光(Q_t)通过光阑(4)后，由功率计(5)接收；

步骤二、保持激光器(1)输出的入射光(Q_in)的光功率密度不变，然后每隔时间间隔T记录功率计(5)接收到的透射光(Q_t)的功率及其对应时刻，共记录M次，令t_i表示功率计(5)第i次接收到透射光(Q_t)时对应的时刻，i＝1，2，…，M，其中t₁表示功率计(5)初次接收到透射光(Q_t)时对应的时刻，t_i满足：t_i＝t₁+(i-1)×T；其中，T为正数，M为大于5的正整数；

步骤三、根据功率计(5)的受光面积及M个时刻的透射光(Q_t)的功率，分别计算并获得M个时刻对应的透射光(Q_t)的光功率密度；根据M个时刻的透射光(Q_t)的光功率密度，获得透射光(Q_t)的光功率密度随时间的变化曲线；

步骤四、令I_t(t_i)表示功率计(5)在t_i时刻接收到的透射光(Q_t)的光功率密度，I_s(t_i)表示t_i时刻的散射光Q_s的光功率密度，其中i＝1，2，…，M，根据公式I_s(t_i)＝I_t(t₁)-I_t(t_i)及步骤二获得的透射光(Q_t)的光功率密度随时间的变化曲线，获得散射光Q_s的光功率密度随时间的变化曲线；

步骤五、令I_in表示入射光(Q_in)的光功率密度，R_S(t_i)表示t_i时刻的散射比，根据步骤四获得的散射光Q_s的光功率密度随时间的变化曲线、入射光(Q_in)的光功率密度以及公式R_S(t_i)＝I_s(t_i)/I_in，获得散射比随时间的变化曲线R_S(t)，进而获得散射比的平方根随时间的变化曲线 

其中t为时间变量；

步骤六、利用 

对所述散射比的平方根随时间的变化曲线进行拟合，并获得散射时间常数τ，其中R_S，sat为所述散射比随时间的变化曲线中的散射比的最大值；

步骤七、令S表示光折变晶体(3)中光折变材料的曝光能量密度阈值，根据公式S＝τ×I_in计算并获得所述曝光能量密度阈值。

2.根据权利要求1所述的定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的方法，其特征在于所述的定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的装置还包括透镜(6)，且所述透镜(6)置于可调衰减器(2)和光折变晶体(3)之间；

所述定量测试光折变材料的光致光散射曝光能量密度阈值的方法中，步骤一的过程如下：

激光器(1)输出一束偏振激光作为入射光(Q_in)发射至可调衰减器(2)，所述入射光(Q_in)经可调衰减器(2)衰减后，再经透镜(6)会聚后，垂直入射至光折变晶体(3)表面上，且所述入射光的偏振方向平行于光折变晶体(3)的c轴方向，然后，经过光折变晶体(3)的透射光(Q_t)通过光阑(4)后，由功率计(5)接收。 

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