光折變晶體中全息存儲的原理和應用-北京工業(yè)大學

1、光折變晶體中全息存儲的原理和應用 - 北京工業(yè)大學光折變晶體中全息存儲的原理和應用09061221 石磊 摘 要 自光折變晶體的存儲特性被發(fā)現(xiàn)后，體全息存儲技術(shù)以迅猛的姿態(tài)發(fā)展并站到了社會的舞臺上，目前，全息存儲技術(shù)相對而言已成熟，相 比傳統(tǒng)的存儲技術(shù)擁有容量大，傳輸速率高，不易受電磁干擾等優(yōu)點， 其發(fā)展有著不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，我相信，將來全息存儲技術(shù)必將成為最 主流的存儲方式為大家所接受。關(guān)鍵詞 光折射效應 全息存儲 熱固定技術(shù)引言當代，科技的水平可以說愈來愈高，全息存儲這一名詞相信大多數(shù)人都接觸過并有一定的了解，本文主要針對全息存儲的實現(xiàn)原理進行了一個稍詳細的介紹，并略介紹了其發(fā)展歷史，通過一

2、個學期對光學信息存儲的自習，在課程末，我以此作為自己的結(jié)課論文。由于資源有限，我的認識可能不完全正確，大部分信息由我從網(wǎng)上學習篩選，并進行思考，錯誤的地方請老師批評指正。 光折變晶體光折變晶體是眾多晶體中最奇妙的一種晶體。當外界微弱的激光照到這種晶體上時, 晶體中的載流子被激發(fā), 在晶體中遷移并重新被捕獲, 使得晶體內(nèi)部產(chǎn), 通過電光效應,空間電荷場改變晶體中折射率的空間分布, 生空間電荷場, 然后形成折射率光柵,從而產(chǎn)生光析變效應(摘自互動百科)。由定義我們可以知道光折變晶體對外界微弱的激光有著較為敏感的反應，換句話說，光折變晶體能將其接收到的光信號在其內(nèi)部變相放大，而產(chǎn)生較為明顯的反應。例

3、如，在自泵浦相位共軛實驗中,一束毫瓦級的激光與光折變晶體作用就可以產(chǎn)生相位共軛波(如果沒有經(jīng)過光折變晶體的作用，毫瓦級的激光是不可能做到這一點的)，從而使畸變得無法辨認的圖像清晰如初。同時，由于折射率光柵在空間上是非局域的, 它在波矢方向相對于干涉條紋有一定的空間相移, 因而能使光束之間實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。如兩波耦合實驗中, 當一束弱信號光和一束強光在光折變晶體中相互作用時, 弱信號光可以增強 1000 倍。此外, 憑借著光折變效應, 光折變晶體還具有以下特殊的性能:31)在 3cm 的體積中存儲 5000 幅不同的圖像, 并可以迅速顯示其中任意一幅;-72)精密地探測出小得只有 10 米的距離改變

4、;3) 濾去靜止不變的圖像，專門跟蹤剛發(fā)生的圖像改變;4) 甚至還可以模擬人腦的聯(lián)想思維能力(這一點我自學中沒有涉及)。由于這些特性的存在，當前, 光折變晶體已發(fā)展成一種新穎的功能晶體, 在光的圖像和信息處理、相位共軛、全息存儲、光通訊和光計算機神經(jīng)網(wǎng)絡等方面展示著良好的應用前景。光折變效應光折變效應是電光材料在光輻照下，折射率隨光強的空間分布而發(fā)生變化。進而在晶體內(nèi)形成體相位光柵。對光折變晶體來說，光折變晶體內(nèi)載流子被激發(fā)后有三種遷移方式:擴散、漂移(當有外電場存在時)和光生伏打效應。其過程可以簡述為:光激發(fā)電荷?離別光照區(qū)?空間電荷分布?空間電荷場?晶格畸變?線性電光效應(左)?寫入與讀出

5、同時。圖示如下:光折變晶體中的光存儲以 fe:linbo 晶體為例，其光激發(fā)的載流子主要是晶體中的雜質(zhì)，即鐵離子。3 在光輻照下，二價鐵離子被光電離成三價鐵離子，激發(fā)至導帶中的光電子遷移到暗區(qū)被三價鐵離子陷阱俘獲而形成二價鐵離子，從而導致空間電荷分離，在晶體內(nèi)產(chǎn)生空間電荷場，因而形成位相柵。在摻鐵鈮酸鋰晶體中所發(fā)生的光折變過程， 可看做是在光子協(xié)助下發(fā)生的二價鐵離子于三價鐵離子和一個電子之間的相互轉(zhuǎn)化過程，其實質(zhì)是二價鐵離子和三價鐵離子雜質(zhì)按光強重新分布的結(jié)果。對于光折變晶體，我們可以利用雙光束耦合法來實現(xiàn)在其中記錄信息，這樣就完成了全息存儲的第一步。其工作的大概流程為:兩束相干的寫入光?干涉

6、圖形?周期性變換光強?位相光柵?讀出光束的衍射?讀出信息。簡化的記錄信息的原理圖如下:* 器件 1,8，10,13 構(gòu)成寫/讀光路，器件 14,19，5,8，20,21 構(gòu)成擦除光路。一些關(guān)鍵器件的作用如下:1 寫、讀激光器;5 二向色反射鏡，為一干涉濾光鏡，只反射特定波長的入射光;11 刀口，將從光盤反射回來的激光分割為兩部分，分別進入探測器 12 和13，得到讀出和聚焦、跟蹤誤差信號; 14 擦除激光器;17 偏振分束器;18 /19 對正負柱面透鏡，改變光束為橢圓截面，以利擦除。其中涉及到雙光束耦合問題，對于二波耦合公式有詳細的推導過程，參考文獻列表中第 3 篇文章。影響光折變晶體性能的

7、因素一般來說，自然生長的東西用到實際中去的時候總是不能完全切合實際需求， 總需要對其進行加工改善。像溫度，壓力，濕度，以及材料純度都會對晶體的性能產(chǎn)生影響。通過前輩們的研究，改善光折變晶體性能的最有效且實用的手段就是向材料中參雜金屬離子。對 linbo 而言，摻雜可以有效地改善其光折變性能，如摻鎂可提高晶體的 3 抗光損傷能力，摻鐵可提高其光折變靈敏度。要說明的是參雜不是唯一使用的手段，有時候適當?shù)难趸瓦€原處理可以改變晶體中摻雜離子的價態(tài)和晶體中的缺陷分布, 從而影響晶體的光折變性能。實驗證明:對 fe:linbo 晶體進行氧化和還原處理, 可以改變晶體的光折變性能, 32+還原使得低價 f

8、e 離子的濃度增大, 光折變性能指標大大提高, 但同時伴隨著明顯的光散射現(xiàn)象。氧化處理的結(jié)果恰恰相反, 此時晶體的輸出光斑質(zhì)量得到改善, 但同時光折變性能降低。因此, 應該根據(jù)實際應用的需要, 對 fe:linbo 晶 3 體進行適當?shù)难趸蜻€原處理。光折變晶體全息存儲技術(shù)的發(fā)展應用史1975 年，由美國 rca 公司實已經(jīng)現(xiàn)了在 1 立方厘米摻鐵鈮酸鋰晶體中記錄了500 個全息圖。隨后的幾十年，體全息圖存儲技術(shù)發(fā)展的很快，存儲容量和讀寫速度都有了很大得提升，為全息存儲技術(shù)的高速發(fā)展期。*2003 年北京工業(yè)大學光信息存儲課題組采用空間角度復用與球面參考光波相結(jié)合的盤式全息存儲方案samhd，

9、在 5.0mm 厚的盤片狀 linbo:fe 晶體中存儲了10000 幅高分辨率全息圖像，實現(xiàn)了存儲面密度 323 為 33.7 bits/m、體密度為 6.7gb/cm 的高密度信息存儲。隨著體全息存儲技術(shù)的發(fā)展，研究人員的眼光不僅僅停留在單方面提高存儲容量上，同時考慮到了光信息存儲的時效性。實驗中發(fā)現(xiàn)，由于光折變晶體對光照敏感，存入的信息在讀出過程中會受到光擦除，導致所存信息的丟失，為了解決這一問題，熱固定技術(shù)也隨之得以發(fā)展。熱固定技術(shù)初始于 1971 年，在 rca 實驗室，amodei 和 staebler 等人首次對記錄了全息電子光柵的摻鐵鈮酸鋰晶體進行了熱固定。熱固定技術(shù)是利用電子

10、和離子在不同溫度下的傳導能力的不同，對已記錄信息的光折變晶體加熱，使得晶體中的離子在高溫下運動，實現(xiàn)離子對電子光柵的補償，形成了與電子光柵互補的離子光柵;室溫顯影，光照擦除電子光柵，得到可以長久保存的離子光柵。固定后的離子光柵可以實現(xiàn)高衍射效率和長壽命，室溫下的存儲壽命可以達到 100 年?，F(xiàn)今的研究不僅只針對單個全息圖的熱固定，在定影過程、顯影過程、多重全息圖存儲和熱固定材料等方面都得到了深入的研究。參考文獻:1. 李銘華.趙業(yè)權(quán).許克彬.徐玉恒.韓愛珍，氧化和還原處理對 fe:linbo 晶體光 3折變效應的影響，科學通報，19952. 張曰理，鉀鈉鈮酸鍶鋇晶體生長及其光折變性能研究，中山大學博士論文，1997 3.王韌.莫黨，光折變晶體中與光強有關(guān)的二波禍合及能量轉(zhuǎn)移，中山大學學報，19924. 張都應.劉勁松.梁昌洪，高斯光束在光伏光折變晶體中的孤波演化，光學學報，2