專(zhuān)利名稱(chēng)：電控體全息的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及體全息，特別是一種利用鈮酸鋰晶體疇結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電控體全息的制備方法。
背景技術(shù)：
體全息光柵具有嚴(yán)格的Bragg選擇條件，對(duì)波長(zhǎng)和角度有很高的選擇性，在光學(xué)信息處理中有廣泛的應(yīng)用。利用摻雜鈮酸鋰晶體中的光折變效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)體全息記錄，并且鈮酸鋰晶體中還有電光、壓電和雙折射等多種效應(yīng)，同時(shí)考慮鈮酸鋰晶體中的多種效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)基于局域體全息的三維光學(xué)集成系統(tǒng)，在光計(jì)算和光通信領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用前景。利用摻雜鈮酸鋰晶體中的光折變效應(yīng)實(shí)現(xiàn)體全息的記錄是常見(jiàn)的一種體全息記錄方案，為防止鈮酸鋰晶體中的光折變體全息在均勻光照射下記錄被擦除，發(fā)展了熱固定、電固定和雙波長(zhǎng)光固定等多種全息固定方案。當(dāng)然還有利用其它的效應(yīng)和原理制作體全息的方案，如在光折變晶體KTa1-xNbxO3(KLTN)實(shí)現(xiàn)的電控體全息，該方案是基于KLTN晶體處于順電相時(shí)，利用電場(chǎng)控制全息再現(xiàn)[參見(jiàn)Applied Optics.2000，39(5)746-758]。
通過(guò)外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)周期性極化鈮酸鋰(PPLN)是一種較為成熟的技術(shù)，但由于鈮酸鋰晶體中存在很高的矯頑電場(chǎng)，晶片的厚度和疇結(jié)構(gòu)的周期都受到很大的限制。近期報(bào)道了一種新的疇結(jié)構(gòu)控制方法，即Miiller、Buse等人提出的激光誘導(dǎo)電場(chǎng)極化法制備PPLN(參見(jiàn)AppliedPhysics Letter.2003，83(9)1824-1826)，具體實(shí)現(xiàn)如下由于紫外激光對(duì)鈮酸鋰的矯頑場(chǎng)有明顯的降低作用，且激光對(duì)疇反轉(zhuǎn)過(guò)程中疇核的形成也有一定輔助作用，在室溫下均勻高壓電場(chǎng)極化鈮酸鋰時(shí)將兩相干紫外激光照射在晶體上，就能在激光相干條紋明亮處實(shí)現(xiàn)疇反轉(zhuǎn)，而暗處疇保持不變，這樣就成功地制備了PPLN，其周期與激光相干條紋的周期相當(dāng)，可以小到1.0微米以下。而且疇反轉(zhuǎn)一旦制備成功，一般作用，如激光照射，低電壓作用不會(huì)破壞疇結(jié)構(gòu)。該方案可以實(shí)現(xiàn)更大厚度和更小極化周期，在鈮酸鋰周期性疇反轉(zhuǎn)中將有重要應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在先前技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種電控體全息的制備方法，其特點(diǎn)在于利用鈮酸鋰晶體或摻雜鈮酸鋰晶體在紫外激光照射下矯頑場(chǎng)明顯降低的性質(zhì)，通過(guò)極化反轉(zhuǎn)過(guò)程，將紫外激光攜帶的信息記錄在鈮酸鋰晶體的疇結(jié)構(gòu)中，形成一個(gè)體全息光柵；在全息再現(xiàn)過(guò)程中，利用鈮酸鋰晶體的電光效應(yīng)控制信息再現(xiàn)的強(qiáng)度，當(dāng)鈮酸鋰上下表面不加電壓時(shí)，參考光就像通過(guò)普通的鈮酸鋰晶體一樣；而在電壓作用下，通過(guò)的激光就能再現(xiàn)出記錄在鈮酸鋰晶體疇結(jié)構(gòu)中的信息，并且調(diào)節(jié)電壓可以控制再現(xiàn)信息的強(qiáng)度。這樣的體全息記錄不會(huì)在使用過(guò)程中被均勻光破壞，實(shí)現(xiàn)信息的永久性全息記錄，廣泛適用于光存儲(chǔ)、光通信、光計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種電控體全息的制備方法，其特征在于包括下列步驟①獲得確定光軸方向的鈮酸鋰單晶；②將參考光與信息光在鈮酸鋰單晶內(nèi)部相互干涉，形成帶有信息光信息的相干圖樣；③利用紫外激光透過(guò)率較高的高壓電極在鈮酸鋰單晶的+C面加正脈沖高壓，-C面接地，通過(guò)控制外加電場(chǎng)大小，使之大于明亮區(qū)域矯頑場(chǎng)，小于暗區(qū)域矯頑場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)明亮區(qū)域的疇反轉(zhuǎn)而暗區(qū)域的疇不反轉(zhuǎn)。
所述的高壓電極為對(duì)313nm至365nm波長(zhǎng)段的紫外激光透過(guò)率在30％以上的電極。
所述的高壓電極為液體電極。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明利用電壓調(diào)節(jié)可以控制再現(xiàn)信息的強(qiáng)度，衍射效率接近100％。在使用過(guò)程中體全息記錄不會(huì)被均勻光破壞，是一種永久性全息記錄，可廣泛應(yīng)用于光存儲(chǔ)、光通信、光計(jì)算等領(lǐng)域。


圖1為全息記錄過(guò)程示意圖，也是參考光與信息光在晶體內(nèi)部相干的示意圖，圖2為不加直流電壓時(shí)參照光無(wú)法再現(xiàn)信息的示意圖，圖3為參照光通過(guò)加直流電壓的鈮酸鋰疇結(jié)構(gòu)再現(xiàn)出信息的示意圖。
圖4為鈮酸鋰單晶示意圖，圖5為架設(shè)好鈮酸鋰單晶樣品后的液體電極示意圖，圖6為實(shí)現(xiàn)參照光與信息光在鈮酸鋰晶體內(nèi)部干涉的光路圖，圖7為實(shí)現(xiàn)全息再現(xiàn)的光路圖，圖中1-參考光，2-信息光，3-正脈沖高壓電源，4-鈮酸鋰單晶晶片，5-微安表，6-光軸方向，7-記錄信息的鈮酸鋰晶片，8-正直流電源，9-第零級(jí)衍射光，10-第一級(jí)衍射光，11-直角坐標(biāo)系，12-電極引柱，13-導(dǎo)電液體，14-石英玻璃塊，15-固定螺絲及螺母，16-橡膠O型圈，17-氬離子激光，18-第一透鏡、19-第二透鏡，20-分束器，21-反射鏡，22-信息調(diào)制器，23-第一反射鏡組、24-第二反射鏡組，25-信息讀取設(shè)備。
具體實(shí)施例方式
下面就結(jié)合附圖和具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
首先，全息記錄過(guò)程是一個(gè)將信息記錄到全息介質(zhì)的過(guò)程1、獲得已經(jīng)確定光軸方向+C的鈮酸鋰單晶4；2、參考光1與信息光2在鈮酸鋰單晶4內(nèi)部相互干涉，形成帶有信息光2信息的相干圖樣，即明暗相間的條紋；3、在鈮酸鋰單晶4的+C面加正脈沖高壓3，-C面接地，通過(guò)控制外加電場(chǎng)大小以滿(mǎn)足大于明亮區(qū)域矯頑場(chǎng)，小于暗區(qū)域矯頑場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)明亮區(qū)域的疇反轉(zhuǎn)，而暗區(qū)域的疇不反轉(zhuǎn)。
這一過(guò)程就將信息光2的信息記錄在反轉(zhuǎn)后的鈮酸鋰晶體疇結(jié)構(gòu)中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了全息固定。
其中包括幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)1、電極要求電極能夠防止室溫下高壓電擊穿空氣，且對(duì)313nm至365nm波段的紫外激光透過(guò)率在30％以上，液體電極能有效地滿(mǎn)足這兩個(gè)要求。
2、激光對(duì)于不同的摻雜鈮酸鋰晶體有不同的波長(zhǎng)要求，如334nm左右波長(zhǎng)的激光適用于同成分比和摻鎂的鈮酸鋰晶體。
3、相干圖樣相干圖樣是由參考光1與信息光2干涉形成的，其周期與兩光的交角、波長(zhǎng)有關(guān)設(shè)兩束光都是偏振方向垂直于鈮酸鋰晶體光軸的尋常光(o光)，則干涉條紋周期為(參見(jiàn)Optics Communications，1999，Vol163，Page310-316)Λ=λ2nosin[θ-arcsin(sinθno)]---(1)]]>其中λ是波長(zhǎng)，no是波長(zhǎng)為λ的o光折射率，θ是入射角。
故我們可以通過(guò)控制激光的入射角來(lái)獲得希望的相干圖樣周期，這也就是鈮酸鋰晶體極化反轉(zhuǎn)后的疇結(jié)構(gòu)周期。
當(dāng)然偏振方向平行于鈮酸鋰晶體光軸的異常光(e光)也有類(lèi)似的結(jié)果，只需將式(1)中的no替換為ne。
4、極化過(guò)程脈沖電壓的脈寬保持在1s以下，占空比小于50％，極化過(guò)程中緩慢增加電壓值的速率(10V/s～30V/s)，由于激光作用及樣品厚度不同，沒(méi)有固定的極化反轉(zhuǎn)電壓值，故需要觀察電路中的電流變化，當(dāng)微安表5顯示電流值出現(xiàn)第一個(gè)極大峰值時(shí)，就應(yīng)該立即停止增加電壓，并在該電壓下維持一段時(shí)間，待確認(rèn)沒(méi)有電流峰值出現(xiàn)后逐漸降低電壓。
其次，體全息再現(xiàn)的過(guò)程是一個(gè)將疇反轉(zhuǎn)鈮酸鋰晶體上記錄的信息通過(guò)參考光再現(xiàn)出來(lái)的過(guò)程。如圖2示意，只用參考光1以和體全息記錄過(guò)程中相同的角度入射到具有體全息的鈮酸鋰晶體7中，當(dāng)記錄信息的鈮酸鋰晶體7上下表面沒(méi)有加電壓時(shí)，參考光1通過(guò)具有體全息的鈮酸鋰晶體7就像通過(guò)普通的鈮酸鋰晶體一樣，不出現(xiàn)信息光。而當(dāng)上下表面加上適當(dāng)?shù)木鶆螂妶?chǎng)后(如圖3)，具有體全息的鈮酸鋰晶體7就成了體全息光柵，參考光1通過(guò)具有體全息的鈮酸鋰晶體7后就能再現(xiàn)出信息光10來(lái)，具體原理如下記錄信息的具有體全息的鈮酸鋰晶體7的疇結(jié)構(gòu)的正疇光軸方向與原鈮酸鋰單晶4的光軸方向+C相同，反疇光軸方向恰好相反。當(dāng)鈮酸鋰晶片上下表面加上適當(dāng)?shù)木鶆螂妶?chǎng)后，在具有體全息的鈮酸鋰晶體7內(nèi)疇結(jié)構(gòu)上形成均勻的電場(chǎng)(E)。根據(jù)鈮酸鋰晶體的電光效應(yīng)理論，正疇和反疇部分的折射率變化不同，剛好相差“+，-”，當(dāng)參考光1的偏振方向垂直于晶體光軸時(shí)Δn1=±12n03γ13E---(2)]]>
式中γ13是電光系數(shù)，“+”對(duì)應(yīng)于反疇的折射率變化，“-”對(duì)應(yīng)于正疇的折射率變化。
當(dāng)參考光1的偏振方向平行于晶體光軸時(shí)Δn2=±12ne3γ33E---(3)]]>式中γ33是此時(shí)的電光系數(shù)。
因此在均勻電場(chǎng)作用下，具有體全息的鈮酸鋰晶體7就成了一個(gè)折射率隨疇結(jié)構(gòu)而變化的布拉格體光柵。根據(jù)布拉格衍射理論，用參考光照射時(shí)，只要參考光入射角滿(mǎn)足布拉格衍射條件2noΛsinθB＝λ (5)式中no是波長(zhǎng)λ的o光在鈮酸鋰晶體中的平均折射率，Λ是疇結(jié)構(gòu)周期，θB是布拉格角，布拉格衍射光的0級(jí)和1級(jí)衍射光強(qiáng)表達(dá)式近似表示為I0=Iicos2(πLΔnλ)---(6)]]>I1=Iisin2(πLΔnλ)---(7)]]>其中Ii是入射光光強(qiáng)，I0、I1分別是0級(jí)和1級(jí)衍射光強(qiáng)，L是光在晶體中經(jīng)過(guò)的實(shí)際長(zhǎng)度，設(shè)入射光是o光Δn=no3γ13E---(8)]]>當(dāng)電場(chǎng)E=(m±12)λno3γ13L]]>時(shí)，式中m是整數(shù)，可實(shí)現(xiàn)sin2(πLΔnλ)→1,]]>cos2(πLΔnλ)→0,]]>即參考光1的全部能量轉(zhuǎn)移到再現(xiàn)光10中去，衍射效率趨近100％。也就是說(shuō)，參考光1經(jīng)過(guò)疇結(jié)構(gòu)發(fā)生布拉格衍射，就能清晰的再現(xiàn)出全息記錄過(guò)程中記錄的信息(原信號(hào)光的信息)。當(dāng)然，如果原來(lái)信息光2帶的信息并不是周期性的，那么全息記錄形成的疇結(jié)構(gòu)也不是周期性的，但是根據(jù)布拉格衍射理論，在全息再現(xiàn)過(guò)程中我們總可能找到一個(gè)最佳角度來(lái)再現(xiàn)出清晰信息的。
這就是鈮酸鋰晶體疇結(jié)構(gòu)電控體全息的基本實(shí)現(xiàn)原理。
本發(fā)明電控體全息的制備方法的具體步驟是首先是準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)用品，包括晶體、電極、電源、電路和光源等，具體要求如下1.鈮酸鋰晶體樣品鈮酸鋰單晶(光軸方向已確定)，厚度0.5mm，上下面大小20*18mm2、拋光且與其光軸6嚴(yán)格垂直，上表面稱(chēng)為+C面，下表面稱(chēng)為-C面，如圖4所示。
2.液體電極組裝好的液體電極如圖5所示，兩塊鉆有孔的石英塊14通過(guò)O型橡膠圈16將鈮酸鋰晶體樣品4夾在中間，通過(guò)石英塊上的孔將O型橡膠圈16與鈮酸鋰晶片4中間注滿(mǎn)導(dǎo)電液體13，在石英塊14開(kāi)口處插上電極引柱12。其中導(dǎo)電液體13最便宜的是純凈水，因?yàn)樵诟唠妷合录儍羲材軐?dǎo)電；電極引柱12可以用石墨電極或銅棒；橡膠O型圈16可用普通橡膠皮自行剪成圓形或矩形圈。
3.電源直流高壓數(shù)顯電源8和脈沖式高壓電源3，輸入AC220V，輸出直流高壓可在0～20kV間任意調(diào)節(jié)，并能精確顯示輸出電壓值(3位有效數(shù)字)，脈沖電源可以調(diào)節(jié)脈沖周期和占空比。市場(chǎng)上有現(xiàn)成的產(chǎn)品。
4.極化電路由于鈮酸鋰單晶的擊穿電場(chǎng)小于矯頑場(chǎng)，如果直接加直流高壓，必將在實(shí)現(xiàn)疇反轉(zhuǎn)前擊穿鈮酸鋰晶體，所以我們采用脈沖電路提供極化反轉(zhuǎn)電場(chǎng)。極化電路如圖1右邊部分，高壓脈沖電源產(chǎn)生的高壓脈沖的脈寬小于1.0s，占空比為50％。
5.光源由于波長(zhǎng)在334nm附近的紫外激光對(duì)鈮酸鋰單晶4的矯頑場(chǎng)降低作用較明顯，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(相當(dāng)于＝3mm的圓面積)時(shí)穩(wěn)定在30mW/mm2以上。實(shí)現(xiàn)參考光1與信息光2在晶體內(nèi)部相干的光路如圖6，激光通過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)18、19后的平行光束，被分束器20分成兩束，其中一束透射光作參考光1，經(jīng)反射鏡組23射向鈮酸鋰晶體4，另一束光經(jīng)過(guò)信息調(diào)制器22加載信息，經(jīng)反射鏡組24后成信息光2，與參考光1在鈮酸鋰晶體4內(nèi)部以某一預(yù)定角度相交并干涉。
其次，具體全息記錄步驟如下。
1.根據(jù)圖5將鈮酸鋰晶體樣品4架設(shè)在液體電極上，并使光軸方向指向激光光源。按圖1連接好電路，并判斷電極是否架得完好，有無(wú)短路漏電現(xiàn)象等。
2.按圖6擺放好光路，調(diào)節(jié)第一反射鏡組23和第二反射鏡組24，獲得恰當(dāng)?shù)娜肷浣?，以便產(chǎn)生1.0微米的相干圖樣，并且干涉條紋垂直于+C面入射，條紋方向平行于x軸，參考圖4。根據(jù)室溫下鈮酸鋰晶體樣品4的具體數(shù)據(jù)，可以預(yù)先求得入射角。o光射率no＝2.16，波長(zhǎng)λ＝334nm，根據(jù)式(1)可以求得1.0微米周期相應(yīng)的入射角為θ＝8.24°。
3.通激光一段時(shí)間后開(kāi)始加脈沖電壓，以30V/s的速率緩慢增加直流電壓值。隨著電壓增加，會(huì)出現(xiàn)0.5μA以下的電流波動(dòng)，當(dāng)電流第一次出現(xiàn)極大峰值，即明顯大于之前的電流時(shí)就停止增加電壓，此時(shí)電壓在9kV左右，在這一電壓上持續(xù)幾個(gè)脈沖周期后，按15V/s的速率緩慢地降低電壓，直至電壓為0，全息記錄過(guò)程結(jié)束。
最后，全息再現(xiàn)過(guò)程，或檢驗(yàn)全息記錄是否成功1.按圖7擺放光路，相當(dāng)于撤去圖6中的信息光路部分，包括光學(xué)器件分束器16，反射鏡17，信息調(diào)制器18，第二反射鏡組62，并調(diào)節(jié)第一反射鏡組23使參考光1的入射角為布拉格衍射角θB，這兒θB＝9.6°(其中λ＝334nm，Λ＝1.0μm)。當(dāng)鈮酸鋰晶體樣品7的±C面未加電壓時(shí)，參考光1直接穿過(guò)鈮酸鋰晶體樣品7，如圖2。
2.給晶體加上穩(wěn)定的直流電壓U，電路如圖3，直流電壓8直接連接在鈮酸鋰晶體樣品7表面上。這時(shí)參考光1通過(guò)鈮酸鋰晶體樣品7后的第一級(jí)衍射光10，即再現(xiàn)出晶體樣品7疇結(jié)構(gòu)記錄的信息。
根據(jù)式(9)計(jì)算出恰當(dāng)?shù)碾妷褐?，利用此電壓可以使參考?光強(qiáng)幾乎全部轉(zhuǎn)為再現(xiàn)光10的光強(qiáng)(即衍射效率最高)。具體數(shù)值如下λ＝334nm，no＝2.16，L＝0.5mm，γ13＝8.6×10-12m/V，得E＝7.70×103V/mm，相應(yīng)的電壓U＝EL＝15.4kV這就實(shí)現(xiàn)了鈮酸鋰晶體疇結(jié)構(gòu)電控體全息。
權(quán)利要求
1.一種電控體全息的制備方法，其特征在于包括下列步驟①獲得確定光軸方向(6)的鈮酸鋰單晶(4)；②將參考光(1)與信息光(2)在鈮酸鋰單晶(4)內(nèi)部相互干涉，形成帶有信息光(2)信息的相干圖樣；③利用紫外激光透過(guò)率較高的高壓電極在鈮酸鋰單晶(4)的+C面加正脈沖高壓(3)，-C面接地，通過(guò)控制外加電場(chǎng)大小，使之大于明亮區(qū)域矯頑場(chǎng)，小于暗區(qū)域矯頑場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)明亮區(qū)域的疇反轉(zhuǎn)而暗區(qū)域的疇不反轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電控體全息的制備方法，其特征在于所述的高壓電極為對(duì)313nm至365nm波長(zhǎng)段的紫外激光透過(guò)率在30％以上的電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電控體全息的制備方法，其特征在于所述的高壓電極為液體電極。
全文摘要
一種電控體全息的制備方法，其特征在于包括下列步驟①獲得確定光軸方向的鈮酸鋰單晶；②將參考光與信息光在鈮酸鋰單晶內(nèi)部相互干涉，形成帶有信息光信息的相干圖樣；③利用紫外激光透過(guò)率較高的高壓電極在鈮酸鋰單晶的+C面加正脈沖高壓，－C面接地，通過(guò)控制外加電場(chǎng)大小，使之大于明亮區(qū)域矯頑場(chǎng)，小于暗區(qū)域矯頑場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)明亮區(qū)域的疇反轉(zhuǎn)而暗區(qū)域的疇不反轉(zhuǎn)。本發(fā)明利用電壓調(diào)節(jié)可以控制再現(xiàn)信息的強(qiáng)度，衍射效率接近100％。在使用過(guò)程中體全息記錄不會(huì)被均勻光破壞，是一種永久性全息記錄，可廣泛應(yīng)用于光存儲(chǔ)、光通信、光計(jì)算等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B27/00GK1645169SQ20051002320
公開(kāi)日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月10日
發(fā)明者奚慶新, 劉立人, 劉德安, 欒竹 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所