KNSBN晶体全息再现像质量的研究＊

范 蕾，王晓颖，李武军，孙平平

（西安工业大学 理学院，西安710021）

体全息是在面全息的基础上提出的一种全息术．当记录介质较厚（厚度比记录的干涉条纹间距大得多）时，两相干光束在介质内相互作用，形成三维光栅状全息图，这种现象称之为体全息．体全息存储具有存储容量大、存取时间短、可擦除且可重复写入、实时性强等特点，具有广阔的应用前景［1］．体全息再现像质量的研究是体全息存储的一个重要的研究方向［2］；在全息图再现时，如果系统中任一个参数（如波长、曲率半径、衍射效率等）与原记录系统有所不同，结果都会影响再现图像的质量，尤其是晶体中体光栅的衍射效率，对再现像质量及再现像强度都有影响［3］．目前，研究文献多针对铌酸锂晶体的体全息存储特性进行了研究［4］；在研究文献中，为了得到更好的再现图像，达到最佳的存储效果，主要通过改变外部因素，如增加外部电场［5］，使用不同参考光照射等来提高衍射效率［6］，从而改善再现像的质量．

KNSBN晶体是一种优良的新型光折变晶体［7］，其具有居里点高，高温无相变，响应灵敏度高等显著优点，因而在非线性光学研究领域具有重要的应用［8］．特别是该晶体的非全充满结构和响应灵敏度高特性使得该晶体可做为一种良好的全息存储材料［9］．目前人们对KNSBN晶体作为全息存储介质的研究还相对较少，特别是对KNSBN晶体进行体全息存储时，再现像质量的研究尚未见到．文中拟针对KNSBN晶体进行体全息存储时，影响再现像质量的因素进行实验研究，以期得到外界因素不变时，再现像质量与晶体特性的关系．

1 实验装置及方法

1．1 实验装置

如图1所示为KNSBN晶体作为全息记录介质的实验装置示意图．激光束经过1／2波片后相对于晶体作为e光入射；S为分束镜，入射光束经分束镜S后被分为两束光，其中反射光束经过反射镜M1反射后，再经过扩束镜L1扩束后照射物体成为携带物信息的物光，物光经过透镜L2聚焦后通过可变光阑D1入射KNSBN晶体；另一束通过分束镜S的透射光经过反射镜M2反射后通过可变光阑D2作为参考光入射KNSBN晶体，在KNSBN晶体中相遇形成体相位栅，从而记录物光的信息．本实验用激光器为南京三乐光电子有限公司生产的氩离子激光器，入射光波长为514．5nm；实验采用的晶体是山东大学研制的KNSBN晶体，尺寸为6mm×6mm×8mm，属4m点群，光轴方向沿8 mm棱长的方向．

图1 实验装置示意图Fig．1 Schematic of experimental setup

1．2 实验方法

实验时先固定晶体在旋转位移台中心位置，调整两支光路的各元件同轴等高，调整反射镜M2的位置和方位角，确定物光与参考光的夹角，并使物光与参考光光程比接近1∶1．可变光阑D1和D2的通光直径固定均为1．5mm．实验初始时，使晶体的前端面（光束入射面）刚好处于两支光路光束重叠点处，实验中可通过调整放置晶体的旋转位移台的纵向位移螺旋旋钮改变物光与参考光重叠点在晶体内的位置，即改变其形成的相位栅在晶体中的位置；测量时每次平移0．5mm位置，存储一次物信息，记录时间均为3min，记录时同时观察对比再现像在记录时间段内的变化情况．实验中入射到KNSBN晶体中的光束的各参量如图2所示．

图2 KNSBN晶体的记录光路Fig．2 The optical path of KNSBN crystal

使用被记录的物体为一透明米尺的刻度，实物如图3所示．实验中采用的物光与参考光夹角θ为34．6°，物光与参考光叠加形成的相位栅位置为Q点，相位栅位置Q点到晶体前端面的距离为d．

图3 物体Fig．3 Object

2 实验结果与分析

2．1 实验结果

实验时取相位栅在晶体中不同位置时，记录下物信息．然后使用再现光路观察比较再现像，研究再现像质量．实验发现当d＝-2．0mm和d＝7．0 mm时没有再现像；当d＝-1．5mm时出现再现像，但是再现像不清晰且再现像持续时间短，再现像如图4（a）所示；当d＝0（即Q点恰好与与晶体前端面接触）时，再现图像逐渐开始清晰，再现像持续时间时间相对延长；当d为2．0～3．5mm时，形成的体相位栅几乎完全在晶体内部，再现图像质量最好，再现像持续时间时间最长且相对稳定，d＝2 mm时，观察到的再现像如图4（b）所示；随后继续移动晶体，相位栅的位置Q点逐渐穿过晶体，再现图像质量又开始逐渐下降，再现像持续时间同时减短，直至没有再现图像出现．当d＝5．5mm时实验所得再现图像如图4（c）所示．

物光与参考光叠加形成的相位栅在晶体中不同位置时，观察再现像持续时间得到的关系如图5所示．由图5可以看出，当物光与参考光叠加形成的体相位栅的位置处于KNSBN晶体中心附近时，记录下的全息图再现像保持时间较长；当体相位栅位置向晶体前后端面靠近时，再现像保持时间逐渐减小；直至体相位栅完全移出晶体，此时晶体中未记录下物信息，因而无再现像出现．

图4 相位栅距离晶体前端面d时的再现图像Fig．4 Holographic reproduced image of the distance dof phase grating from crystal front face

2．2 结果分析

在光折变晶体作为记录介质的体全息存储中，再现图像质量的主要影响因素是光折变相位栅的衍射性质［3］．描述相位栅衍射性质的物理量是体相位栅的衍射效率［8］．衍射效率描述了读出光束流经光栅衍射后流入衍射光束中的光能量，可表示为

式中：IR（O）为入射的读出光强；IS（L）为出射的衍射光强．光折变晶体KNSBN晶体属于相位移Φ＝π／2的相移型光栅．如图2所示，光束对称入射到Z＝0的晶体表面上，此时有cosθS＝cosθR．实验在固定读出光强度下，用激光功率计测量体相位栅在KNSBN晶体中的不同位置处得到的再现图像的光功率，计算相应的衍射效率，得到衍射效率与体相位栅在晶体中的位置关系如图6所示；其中当d＝3．0mm时，衍射效率值最大为31%．

根据式（1）可知，当读出光强IR（O）不变时，衍射光强IS（L）越大衍射效率越高，由实验测量结果可见，物光与参考光形成的体相位栅距位置距离晶体前端面1．5～3．5mm时，再现图像的饱和光功率逐渐增大，出射的衍射光强IS（L）增大，则衍射效率增大，相应的再现像质量好；当形成的体相位栅位置距离晶体中心越远，再现像的饱和光功率逐渐减弱，即衍射光强IS（L）减小，衍射效率减小，图像清晰度降低．该测量结果与实验观察得到的再现像保持时间与体相位栅位置的关系一致．

图5 再现像保持时间与相位栅在晶体中的位置的关系Fig．5 The reproducing image keeping time and phase grating position in the crystal

图6 衍射效率与体相位栅在晶体中位置的关系Fig．6 The relation between the diffraction efficiency and the volume phase grating position in the crystal

3 结 论

文中通过改变物光与参考光形成的体相位栅在KNSBN中位置，研究了体相位栅在晶体中不同位置时再现像质量的改变，测量并计算出相应位置的衍射效率，得出的结论为

1）当物光与参考光的形成的体相位栅完全在晶体内部时，体相位光栅衍射效率可达到31%，再现像持续时间为262s．为本实验中衍射效率最高值，再现像质量最好，且在再现时再现像的保持时间较长．表明衍射效率测量结果与实验观察得到的再现像保持时间与体相位栅位置的关系一致．

2）体全息的现阶段研究的主流趋势依然是信息存储，存储信息质量的好坏是信息存储的一个重要参考因素．通过本实验证实了KNSBN晶体可以做为光存储材料，也对今后该晶体的全息存储特性的研究提供了实验基础．

3）有关KNSBN晶体作为体全息存储材料的其他存储特性，如响应时间，存储的信息量、存储持久性等特性还有待进一步研究，尤其是对于体全息存储的信息量的研究，较长的再现像持续时间对其提供了有利的实验条件．

［1］ 马晨．用于海量信息快速读写的光敏感全息存储材料及技术［J］．传感器世界，2012，8（6）：6．MA Chen．Light-Sensitive Holographic Storage Materials and Technologies for Read-Writing of Mass Information［J］．Sensor World，2012，8（6）：6．（in Chinese）

［2］ 刘威，姬广举，陈鹏，等．体全息存储技术研究［J］．哈尔滨工业大学学报，2008，13（6）：69．LIU Wei，JI Guang-ju，CHEN Peng，et al．The Study of Volume Holographic Storage［J］．Journal of Harbin Institute of Technology，2008，13（6）：69．（in Chinese）

［3］ 陶世荃，王大勇，江竹青，等．光全息存储［M］．北京：北京工业大学出版社，1998．TAO Shi-quan，WANG Da-yong，JIANG Zhu-qing，et al．Holography Storage［M］．Beijing：Beijing Industrial University Press，1998．（in Chinese）

［4］ 杨飞．掺杂铌酸锂晶体体全息存储特性研究［D］．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2007．YANG Fei．The Research on Volume Holographic Storage of Doping LiNbO3Crystal［D］．Harbin：Harbin University of Science and Technology，2007．（in Chinese）

［5］ 闫爱民，刘德安，柴志芳，等．组合外加电场提高Fe：LiNbO3中900记录体全息的衍射效率［J］．中国激光，2005，32（12）：1659．YAN Ai-min，LIU De-an，CHAI Zhi-an，et al．Enhancement of Diffraction Efficiency for 900Recording Geometry Hologram by the Application of Combined External Electric Fileds in Fe-Doped LiNbO3Crystals［J］．Chinese Journal of Lasers，2005，32（12）：1659．（in Chinese）

［6］ 郝锐．不同参考光条件下全息存储的衍射特征［J］．燕山大学学报，2007，31（4）：325．HAO Rui．Diffraction Properties of Holographic Storage with Different Reference Waves Incident［J］．Journal of Yanshan University，2007，31（4）：325．（in Chinese）

［7］ 宋永远，孙大亮．光折变晶体铌酸锶钡和钾钠铌酸锶钡的研究［J］．人工晶体学报，1989，18（3）：248．SONG Yong-yuan，SUN Da-liang．Studies of Photorefractive Crystals-Strontium Barium Niobate and Potassium Sodium Barium Niobate［J］．Journal of Synthetic Crystals，1989，18（3）：248．（in Chinese）

［8］ 刘思敏，郭儒，凌振芳，等．光折变非线性光学及其应用［M］．北京：科学出版社，1992．LIU Si-min，GUO Ru，LING Zhen-fang，et al．Photorefractive Nonlinear Optics and Its Applications［M］．Beijing：Science Press，1992．（in Chinese）

［9］ 李铭华，杨春晖，徐玉恒，等．光折变晶体材料科学导论［M］．科学出版社，2003．LI Ming-hua，YANG Chun-hui，XU Yu-heng，et al．Optical Crystal Materials Science［M］．Science Press，2003．（in Chinese）