CN1645169A - 电控体全息的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种电控体全息的制备方法，其特征在于包括下列步骤：①获得确定光轴方向的铌酸锂单晶；②将参考光与信息光在铌酸锂单晶内部相互干涉，形成带有信息光信息的相干图样；③利用紫外激光透过率较高的高压电极在铌酸锂单晶的+C面加正脉冲高压，－C面接地，通过控制外加电场大小，使之大于明亮区域矫顽场，小于暗区域矫顽场，以实现明亮区域的畴反转而暗区域的畴不反转。本发明利用电压调节可以控制再现信息的强度，衍射效率接近100％。在使用过程中体全息记录不会被均匀光破坏，是一种永久性全息记录，可广泛应用于光存储、光通信、光计算等领域。

Description

电控体全息的制备方法

技术领域

本发明涉及体全息，特别是一种利用铌酸锂晶体畴结构实现电控体全息的制备方法。

背景技术

体全息光栅具有严格的Bragg选择条件，对波长和角度有很高的选择性，在光学信息处理中有广泛的应用。利用掺杂铌酸锂晶体中的光折变效应可实现体全息记录，并且铌酸锂晶体中还有电光、压电和双折射等多种效应，同时考虑铌酸锂晶体中的多种效应可实现基于局域体全息的三维光学集成系统，在光计算和光通信领域中有重要的应用前景。利用掺杂铌酸锂晶体中的光折变效应实现体全息的记录是常见的一种体全息记录方案，为防止铌酸锂晶体中的光折变体全息在均匀光照射下记录被擦除，发展了热固定、电固定和双波长光固定等多种全息固定方案。当然还有利用其它的效应和原理制作体全息的方案，如在光折变晶体KTa_1-xNb_xO₃(KLTN)实现的电控体全息，该方案是基于KLTN晶体处于顺电相时，利用电场控制全息再现[参见Applied Optics.2000，39(5)：746-758]。

通过外加电场实现周期性极化铌酸锂(PPLN)是一种较为成熟的技术，但由于铌酸锂晶体中存在很高的矫顽电场，晶片的厚度和畴结构的周期都受到很大的限制。近期报道了一种新的畴结构控制方法，即Miiller、Buse等人提出的激光诱导电场极化法制备PPLN(参见AppliedPhysics Letter.2003，83(9)：1824-1826)，具体实现如下：由于紫外激光对铌酸锂的矫顽场有明显的降低作用，且激光对畴反转过程中畴核的形成也有一定辅助作用，在室温下均匀高压电场极化铌酸锂时将两相干紫外激光照射在晶体上，就能在激光相干条纹明亮处实现畴反转，而暗处畴保持不变，这样就成功地制备了PPLN，其周期与激光相干条纹的周期相当，可以小到1.0微米以下。而且畴反转一旦制备成功，一般作用，如激光照射，低电压作用不会破坏畴结构。该方案可以实现更大厚度和更小极化周期，在铌酸锂周期性畴反转中将有重要应用。

发明内容

本发明在先前技术的基础上，提出一种电控体全息的制备方法，其特点在于利用铌酸锂晶体或掺杂铌酸锂晶体在紫外激光照射下矫顽场明显降低的性质，通过极化反转过程，将紫外激光携带的信息记录在铌酸锂晶体的畴结构中，形成一个体全息光栅；在全息再现过程中，利用铌酸锂晶体的电光效应控制信息再现的强度，当铌酸锂上下表面不加电压时，参考光就像通过普通的铌酸锂晶体一样；而在电压作用下，通过的激光就能再现出记录在铌酸锂晶体畴结构中的信息，并且调节电压可以控制再现信息的强度。这样的体全息记录不会在使用过程中被均匀光破坏，实现信息的永久性全息记录，广泛适用于光存储、光通信、光计算等领域的应用。

本发明的技术解决方案如下：

一种电控体全息的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

①获得确定光轴方向的铌酸锂单晶；

②将参考光与信息光在铌酸锂单晶内部相互干涉，形成带有信息光信息的相干图样；

③利用紫外激光透过率较高的高压电极在铌酸锂单晶的+C面加正脉冲高压，-C面接地，通过控制外加电场大小，使之大于明亮区域矫顽场，小于暗区域矫顽场，以实现明亮区域的畴反转而暗区域的畴不反转。

所述的高压电极为对313nm至365nm波长段的紫外激光透过率在30％以上的电极。

所述的高压电极为液体电极。

本发明的技术效果：

本发明利用电压调节可以控制再现信息的强度，衍射效率接近100％。在使用过程中体全息记录不会被均匀光破坏，是一种永久性全息记录，可广泛应用于光存储、光通信、光计算等领域。

附图说明

图1为全息记录过程示意图，也是参考光与信息光在晶体内部相干的示意图，

图2为不加直流电压时参照光无法再现信息的示意图，

图3为参照光通过加直流电压的铌酸锂畴结构再现出信息的示意图。

图4为铌酸锂单晶示意图，

图5为架设好铌酸锂单晶样品后的液体电极示意图，

图6为实现参照光与信息光在铌酸锂晶体内部干涉的光路图，

图7为实现全息再现的光路图，

图中：1-参考光，2-信息光，3-正脉冲高压电源，4-铌酸锂单晶晶片，5-微安表，6-光轴方向，7-记录信息的铌酸锂晶片，8-正直流电源，9-第零级衍射光，10-第一级衍射光，11-直角坐标系，12-电极引柱，13-导电液体，14-石英玻璃块，15-固定螺丝及螺母，16-橡胶O型圈，17-氩离子激光，18-第一透镜、19-第二透镜，20-分束器，21-反射镜，22-信息调制器，23-第一反射镜组、24-第二反射镜组，25-信息读取设备。

具体实施方式

下面就结合附图和具体实施例说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。

首先，全息记录过程是一个将信息记录到全息介质的过程：

1、获得已经确定光轴方向+C的铌酸锂单晶4；

2、参考光1与信息光2在铌酸锂单晶4内部相互干涉，形成带有信息光2信息的相干图样，即明暗相间的条纹；

3、在铌酸锂单晶4的+C面加正脉冲高压3，-C面接地，通过控制外加电场大小以满足：大于明亮区域矫顽场，小于暗区域矫顽场，以实现明亮区域的畴反转，而暗区域的畴不反转。

这一过程就将信息光2的信息记录在反转后的铌酸锂晶体畴结构中，同时实现了全息固定。

其中包括几个关键技术：

1、电极：要求电极能够防止室温下高压电击穿空气，且对313nm至365nm波段的紫外激光透过率在30％以上，液体电极能有效地满足这两个要求。

2、激光：对于不同的掺杂铌酸锂晶体有不同的波长要求，如334nm左右波长的激光适用于同成分比和掺镁的铌酸锂晶体。

3、相干图样：相干图样是由参考光1与信息光2干涉形成的，其周期与两光的交角、波长有关：

设两束光都是偏振方向垂直于铌酸锂晶体光轴的寻常光(o光)，则干涉条纹周期为(参见Optics Communications，1999，Vol163，Page310-316)：

$\mathrm{\Λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{2n_o\sin [\mathrm{\θ}-\arcsin \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{n_o}\right)]}---\left(1\right)$

其中λ是波长，n_o是波长为λ的o光折射率，θ是入射角。

故我们可以通过控制激光的入射角来获得希望的相干图样周期，这也就是铌酸锂晶体极化反转后的畴结构周期。

当然偏振方向平行于铌酸锂晶体光轴的异常光(e光)也有类似的结果，只需将式(1)中的n_o替换为n_e。

4、极化过程：脉冲电压的脉宽保持在1s以下，占空比小于50％，极化过程中缓慢增加电压值的速率(10V/s～30V/s)，由于激光作用及样品厚度不同，没有固定的极化反转电压值，故需要观察电路中的电流变化，当微安表5显示电流值出现第一个极大峰值时，就应该立即停止增加电压，并在该电压下维持一段时间，待确认没有电流峰值出现后逐渐降低电压。

其次，体全息再现的过程是一个将畴反转铌酸锂晶体上记录的信息通过参考光再现出来的过程。如图2示意，只用参考光1以和体全息记录过程中相同的角度入射到具有体全息的铌酸锂晶体7中，当记录信息的铌酸锂晶体7上下表面没有加电压时，参考光1通过具有体全息的铌酸锂晶体7就像通过普通的铌酸锂晶体一样，不出现信息光。而当上下表面加上适当的均匀电场后(如图3)，具有体全息的铌酸锂晶体7就成了体全息光栅，参考光1通过具有体全息的铌酸锂晶体7后就能再现出信息光10来，具体原理如下：

记录信息的具有体全息的铌酸锂晶体7的畴结构的正畴光轴方向与原铌酸锂单晶4的光轴方向+C相同，反畴光轴方向恰好相反。当铌酸锂晶片上下表面加上适当的均匀电场后，在具有体全息的铌酸锂晶体7内畴结构上形成均匀的电场(E)。根据铌酸锂晶体的电光效应理论，正畴和反畴部分的折射率变化不同，刚好相差“+，-”，

当参考光1的偏振方向垂直于晶体光轴时：

$\mathrm{\Δ}{n}_1=\±\frac{1}{2}{n}_0^3{\mathrm{\γ}}_{13}E---\left(2\right)$

式中：γ₁₃是电光系数，“+”对应于反畴的折射率变化，“-”对应于正畴的折射率变化。

当参考光1的偏振方向平行于晶体光轴时：

$\mathrm{\Δ}{n}_2=\±\frac{1}{2}{n}_e^3{\mathrm{\γ}}_{33}E---\left(3\right)$

式中γ₃₃是此时的电光系数。

因此在均匀电场作用下，具有体全息的铌酸锂晶体7就成了一个折射率随畴结构而变化的布拉格体光栅。根据布拉格衍射理论，用参考光照射时，只要参考光入射角满足布拉格衍射条件：

2n_oΛsinθ_B＝λ                                  (5)

式中：n_o是波长λ的o光在铌酸锂晶体中的平均折射率，Λ是畴结构周期，θ_B是布拉格角，布拉格衍射光的0级和1级衍射光强表达式近似表示为：

$I_0=I_i{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\πL\Δn}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(6\right)$

$I_1=I_i{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\πL\Δn}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(7\right)$

其中I_i是入射光光强，I₀、I₁分别是0级和1级衍射光强，L是光在晶体中经过的实际长度，

设入射光是o光： $\mathrm{\Δn}=n_o^3{\mathrm{\γ}}_{13}E---\left(8\right)$

当电场 $E=\frac{(m\±\frac{1}{2})\mathrm{\λ}}{n_o^3{\mathrm{\γ}}_{13}L}$ 时，式中m是整数，可实现 ${\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\πL\Δn}}{\mathrm{\λ}}\right)\→1,$ ${\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\πL\Δn}}{\mathrm{\λ}}\right)\→0,$ 即参考光1的全部能量转移到再现光10中去，衍射效率趋近100％。也就是说，参考光1经过畴结构发生布拉格衍射，就能清晰的再现出全息记录过程中记录的信息(原信号光的信息)。当然，如果原来信息光2带的信息并不是周期性的，那么全息记录形成的畴结构也不是周期性的，但是根据布拉格衍射理论，在全息再现过程中我们总可能找到一个最佳角度来再现出清晰信息的。

这就是铌酸锂晶体畴结构电控体全息的基本实现原理。

本发明电控体全息的制备方法的具体步骤是：

首先是准备实验用品，包括晶体、电极、电源、电路和光源等，具体要求如下：

1.铌酸锂晶体样品：铌酸锂单晶(光轴方向已确定)，厚度0.5mm，上下面大小20*18mm²、抛光且与其光轴6严格垂直，上表面称为+C面，下表面称为-C面，如图4所示。

2.液体电极：组装好的液体电极如图5所示，两块钻有孔的石英块14通过O型橡胶圈16将铌酸锂晶体样品4夹在中间，通过石英块上的孔将O型橡胶圈16与铌酸锂晶片4中间注满导电液体13，在石英块14开口处插上电极引柱12。其中导电液体13最便宜的是纯净水，因为在高电压下纯净水也能导电；电极引柱12可以用石墨电极或铜棒；橡胶O型圈16可用普通橡胶皮自行剪成圆形或矩形圈。

3.电源：直流高压数显电源8和脉冲式高压电源3，输入AC220V，输出直流高压可在0～20kV间任意调节，并能精确显示输出电压值(3位有效数字)，脉冲电源可以调节脉冲周期和占空比。市场上有现成的产品。

4.极化电路：由于铌酸锂单晶的击穿电场小于矫顽场，如果直接加直流高压，必将在实现畴反转前击穿铌酸锂晶体，所以我们采用脉冲电路提供极化反转电场。极化电路如图1右边部分，高压脉冲电源产生的高压脉冲的脉宽小于1.0s，占空比为50％。

5.光源：由于波长在334nm附近的紫外激光对铌酸锂单晶4的矫顽场降低作用较明显，所以334nm的Ar⁺激光17是理想的，功率需要能在光斑大小不小于4.7mm²(相当于＝3mm的圆面积)时稳定在30mW/mm²以上。实现参考光1与信息光2在晶体内部相干的光路如图6，激光通过扩束系统18、19后的平行光束，被分束器20分成两束，其中一束透射光作参考光1，经反射镜组23射向铌酸锂晶体4，另一束光经过信息调制器22加载信息，经反射镜组24后成信息光2，与参考光1在铌酸锂晶体4内部以某一预定角度相交并干涉。

其次，具体全息记录步骤如下。

1.根据图5将铌酸锂晶体样品4架设在液体电极上，并使光轴方向指向激光光源。按图1连接好电路，并判断电极是否架得完好，有无短路漏电现象等。

2.按图6摆放好光路，调节第一反射镜组23和第二反射镜组24，获得恰当的入射角，以便产生1.0微米的相干图样，并且干涉条纹垂直于+C面入射，条纹方向平行于x轴，参考图4。根据室温下铌酸锂晶体样品4的具体数据，可以预先求得入射角。o光射率n_o＝2.16，波长λ＝334nm，根据式(1)可以求得1.0微米周期相应的入射角为：θ＝8.24°。

3.通激光一段时间后开始加脉冲电压，以30V/s的速率缓慢增加直流电压值。随着电压增加，会出现0.5μA以下的电流波动，当电流第一次出现极大峰值，即明显大于之前的电流时就停止增加电压，此时电压在9kV左右，在这一电压上持续几个脉冲周期后，按15V/s的速率缓慢地降低电压，直至电压为0，全息记录过程结束。

最后，全息再现过程，或检验全息记录是否成功：

1.按图7摆放光路，相当于撤去图6中的信息光路部分，包括光学器件分束器16，反射镜17，信息调制器18，第二反射镜组62，并调节第一反射镜组23使参考光1的入射角为布拉格衍射角θ_B，这儿θ_B＝9.6°(其中λ＝334nm，Λ＝1.0μm)。当铌酸锂晶体样品7的±C面未加电压时，参考光1直接穿过铌酸锂晶体样品7，如图2。

2.给晶体加上稳定的直流电压U，电路如图3，直流电压8直接连接在铌酸锂晶体样品7表面上。这时参考光1通过铌酸锂晶体样品7后的第一级衍射光10，即再现出晶体样品7畴结构记录的信息。

根据式(9)计算出恰当的电压值，利用此电压可以使参考光1光强几乎全部转为再现光10的光强(即衍射效率最高)。具体数值如下：

λ＝334nm，n_o＝2.16，L＝0.5mm，γ₁₃＝8.6×10^-12m/V，得：

E＝7.70×10³V/mm，相应的电压U＝EL＝15.4kV

这就实现了铌酸锂晶体畴结构电控体全息。

Claims (3)

1、一种电控体全息的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

①获得确定光轴方向(6)的铌酸锂单晶(4)；

②将参考光(1)与信息光(2)在铌酸锂单晶(4)内部相互干涉，形成带有信息光(2)信息的相干图样；

③利用紫外激光透过率较高的高压电极在铌酸锂单晶(4)的+C面加正脉冲高压(3)，-C面接地，通过控制外加电场大小，使之大于明亮区域矫顽场，小于暗区域矫顽场，以实现明亮区域的畴反转而暗区域的畴不反转。

2、根据权利要求1所述的电控体全息的制备方法，其特征在于所述的高压电极为对313nm至365nm波长段的紫外激光透过率在30％以上的电极。

3、根据权利要求1或2所述的电控体全息的制备方法，其特征在于所述的高压电极为液体电极。

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