利用铌酸锂晶体制作体全息光栅的设计性实验

陈刘伟，孟惠云，王东旭，任建文，张 明

（浙江工业大学理学院，浙江杭州310023）

1 引 言

全息技术早在1948年就已经出现，目前大学物理实验教学中往往会开设“全息照相”和“全息光栅制作”实验[1].这2个实验利用光的干涉原理，在全息干板上记录2列有一定夹角的光波相干后的干涉条纹，达到成像和光栅制作的目的.但实际上全息技术发展十分迅速，已在许多新领域中得到应用和发展，例如：以体全息存储为核心的光学图像存储与识别系统，在模式识别、神经网络、导航、非接触测量[2]等领域有着广阔的应用前景；体全息技术在波分复用技术中的应用，大大促进了光通信的发展[3－5].显然现阶段的大学物理全息实验已经无法适应全息技术的飞快发展，因此笔者在已有全息实验基础上开展设计性全息实验，帮助学生了解全息技术在科研与实践中的应用.

本文利用双光束干涉的方法，通过控制双光束的记录角度，在铌酸锂晶体中写入了光折变体全息布拉格光栅.将该光栅应用于光通信系统中，利用ASE光源对此光栅进行了滤波实验，测量了透射光谱，获得了比较理想的滤波效果.由于铌酸锂晶体具有造价低廉、不易退极化、可多次写入等优点，因此用铌酸锂晶体代替常规全息实验中的全息干板可以达到节约和提高实验效果的目的.由于本实验操作简便，实验设备相对简单，实验效果比较明显，可以引入到本科大学物理实验教学以及物理相关专业的实验教学中.不仅可以培养学生的实际操作能力和综合实验技能，加深学生对所学全息技术的理解，激发他们对物理的学习兴趣，同时还可以让学生拓宽专业知识面，使他们了解全息技术领域的最新发展前沿.

2 实验原理

LiNbO3是一种铁电晶体[6]，在空间调制光或非均匀光强的辐照下光照区内会激发出光生载流子.光生载流子在光生伏打效应的作用下产生迁移运动，最终到达暗区被处于深能级的陷阱俘获，形成与光强的空间分布相对应的空间电荷场[7].该电荷场再通过电光效应调制晶体的折射率，即可在晶体中写入体相位光栅[8].

在光折变晶体中，布拉格光栅的光栅周期Λ由2束记录光的夹角2θw和波长λw决定：

当读出光投射到光栅上并满足布拉格条件

时，才能形成明显的衍射，其中n为在读出光波长下的材料折射率，θ0为布拉格角，m为衍射级次，λp为读出光波长.式（2）表明，对于特定角度入射的光，只有满足布拉格条件才会发生衍射.

在此实验方案中，采取反射式读出全息光栅的方法，即在读出时θ0＝90°.此时，滤波波长为

由此可得到记录角度与滤波波长的关系，见图1.

图1 记录角度θw与布拉格波长λp的关系

带有光折变全息光栅的LiNbO3晶体可用作光学滤波器，衍射效率是其重要指标，此处采用Kogelnik[9]理论对其进行分析.非严格布拉格衍射时，定义Δθ＝θ－θ0，为入射角偏移程度；Δλ＝λ－λ0，为波长偏移量，θ和λ分别为实际读出光的入射角和波长.由于上述两偏移量的存在，会导致两耦合波发生相位失配，失配因子为

式中φ为光栅倾斜角，如图2所示，它是光栅矢量K与晶体c轴（图2中的z轴）的夹角，｜K｜＝2π／Λ是光栅矢量，｜kw｜＝2π／λw是记录光波矢.

图2 体全息光栅的记录

非倾斜反射光栅的衍射效率η取决于折射率调制度Δn和读出光的波长λ：

图3 读出光波长与衍射效率的关系

3 实验设计与实现

3.1 体全息光栅的制作

制作体全息光栅的实验装置如图4所示.实验中使用532nm的微腔倍频Nd∶YAG连续激光器，这是由于铌酸锂对蓝绿光敏感，并且Nd∶YAG激光器具有高单色和高相干性，对全息实验十分有利.从激光器出射的o偏振光先经过光衰减器，用以调节光强，再经过λ／2波片转化为e偏振，这更有利于光栅的建立[10]，再经（45°）1∶1分光镜分成2束光，M1和M2为反射镜，L1（L2）和L3（L4）分别为焦距1cm及10cm的透镜，组成反望远镜系统，起到扩束的作用，最终2光束在晶体表面干涉，形成体全息光栅.记录材料为x，y，z方向上尺寸为10mm×10mm×5mm的铌酸锂晶体，c轴与z轴平行，饱和折射率调制度为Δns＝2.8×10－5.

图4 制作体全息光栅的实验装置示意图

针对光通信应用，选取波长为1 550nm的光作为读出光，并且要求1级衍射光与入射光反向，即θ0＝90°.当记录光波长λw＝532nm，λp＝1 550nm，铌酸锂折射率n＝2.21时，由式（1）和（3）可解得θ＝49.335°，所以记录角度2θ＝98.67°.如图4所示，调整L1和L3，L2和L4之间距离，使光束扩束后保持准直.最后光斑的直径为50mm，2束记录光的功率分别为P1＝230mW，P2＝260mW，记录时间为20min.记录完成之后调节衰减器，把光强调小至5mW（光强太大会对光栅产生擦除效果），挡住其中的一路记录光，如挡住L1和L3一路，同时撤去L2和L4使得检测光不经扩束直接入射到晶体上，然后在晶体后观察光斑情况，结果在原来L1和L3一路光的透射位置处发现了衍射光斑，说明L2和L4一路光在晶体中发生了衍射，即在晶体中已经建立光栅.

3.2 体全息光栅的应用

为了使学生体会到全息技术在工程技术和科学研究中的应用，将上述光折变光栅应用到光通信系统中，设计了如图5所示的实验装置，检测体全息光栅的滤波效果.铌酸锂晶体放置于2个光纤准直器中间，使光栅矢量方向（晶体c轴）与图5中z轴方向一致，ASE光源输出的信号光沿着光栅矢量方向入射进体全息布拉格光栅，其中满足布拉格条件的峰值波长λp被反射，其余波长的信号光透射后被光谱仪接收.

图5 滤波器在光通信系统中的应用实验装置示意图

体全息光栅的滤波效果如图6所示，图6（a）是ASE光源的光谱图，图6（b）～（d）是ASE光源通过已写入光栅的铌酸锂晶体之后的光谱图.在图6（b）中，除了在1 550nm附近有1个吸收峰之外，在1 534nm附近也有1个吸收峰，这是记录期间由于器件震动或空气扰动而产生的误差.如果在记录过程中，存在更多的外界干扰，就会记录上更多的光栅，从而有多个波长被反射，如图6（c）中所示.

图6 ASE光源光谱和光栅滤波光谱

通过增强设备稳定度，在1 548nm处得到峰值半高全宽为4nm，衍射效率为10%的滤波效果，如图6（d）所示.其中吸收峰波长为1 548nm，与实验设计的1 550nm相差2nm，这是由于实验时双光束夹角的误差所致.利用式（1）和（3）分析可知，当两干涉光的夹角为98.67°，即与λp＝1 550nm对应的记录夹角相差0.17°时，体全息光栅的布拉格波长为1 548nm.这可以通过在实验中增加更精确的角度控制装置来避免.从图6（d）中可以看出铌酸锂晶体上形成的体全息光栅的滤波效果良好，从而说明铌酸锂晶体上体全息光栅的记录比较成功，达到了预期的要求.整个实验现象明显，而且实验操作和全息干板实验相同，并没有增加难度.实验适合引入到大学物理实验教学.

4 结束语

对铌酸锂晶体进行全息写入，应用其光折变效应制作出全息光栅，从而制作了基于铌酸锂晶体的体全息滤波器.对此光栅滤波器进行了滤波实验，实现了滤波效果.用铌酸锂晶体记录的体全息光栅具有滤波效果明显、可擦除和重复记录、操作简便等优点，克服了全息干板不能重复利用的缺点.通过该实验，学生一方面可以了解到全息技术的应用、光栅的制作过程，另一方面还可以了解到全息技术在科研中的一些前沿，有利于激发学生的创新思维和探索精神.

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