范 蕾，王曉穎，李武軍，孫平平

（西安工業(yè)大學 理學院，西安710021）

體全息是在面全息的基礎上提出的一種全息術．當記錄介質較厚（厚度比記錄的干涉條紋間距大得多）時，兩相干光束在介質內相互作用，形成三維光柵狀全息圖，這種現(xiàn)象稱之為體全息．體全息存儲具有存儲容量大、存取時間短、可擦除且可重復寫入、實時性強等特點，具有廣闊的應用前景［1］．體全息再現(xiàn)像質量的研究是體全息存儲的一個重要的研究方向［2］；在全息圖再現(xiàn)時，如果系統(tǒng)中任一個參數(shù)（如波長、曲率半徑、衍射效率等）與原記錄系統(tǒng)有所不同，結果都會影響再現(xiàn)圖像的質量，尤其是晶體中體光柵的衍射效率，對再現(xiàn)像質量及再現(xiàn)像強度都有影響［3］．目前，研究文獻多針對鈮酸鋰晶體的體全息存儲特性進行了研究［4］；在研究文獻中，為了得到更好的再現(xiàn)圖像，達到最佳的存儲效果，主要通過改變外部因素，如增加外部電場［5］，使用不同參考光照射等來提高衍射效率［6］，從而改善再現(xiàn)像的質量．

KNSBN晶體是一種優(yōu)良的新型光折變晶體［7］，其具有居里點高，高溫無相變，響應靈敏度高等顯著優(yōu)點，因而在非線性光學研究領域具有重要的應用［8］．特別是該晶體的非全充滿結構和響應靈敏度高特性使得該晶體可做為一種良好的全息存儲材料［9］．目前人們對KNSBN晶體作為全息存儲介質的研究還相對較少，特別是對KNSBN晶體進行體全息存儲時，再現(xiàn)像質量的研究尚未見到．文中擬針對KNSBN晶體進行體全息存儲時，影響再現(xiàn)像質量的因素進行實驗研究，以期得到外界因素不變時，再現(xiàn)像質量與晶體特性的關系．

1 實驗裝置及方法

1．1 實驗裝置

如圖1所示為KNSBN晶體作為全息記錄介質的實驗裝置示意圖．激光束經過1／2波片后相對于晶體作為e光入射；S為分束鏡，入射光束經分束鏡S后被分為兩束光，其中反射光束經過反射鏡M1反射后，再經過擴束鏡L1擴束后照射物體成為攜帶物信息的物光，物光經過透鏡L2聚焦后通過可變光闌D1入射KNSBN晶體；另一束通過分束鏡S的透射光經過反射鏡M2反射后通過可變光闌D2作為參考光入射KNSBN晶體，在KNSBN晶體中相遇形成體相位柵，從而記錄物光的信息．本實驗用激光器為南京三樂光電子有限公司生產的氬離子激光器，入射光波長為514．5nm；實驗采用的晶體是山東大學研制的KNSBN晶體，尺寸為6mm×6mm×8mm，屬4m點群，光軸方向沿8 mm棱長的方向．

圖1 實驗裝置示意圖Fig．1 Schematic of experimental setup

1．2 實驗方法

實驗時先固定晶體在旋轉位移臺中心位置，調整兩支光路的各元件同軸等高，調整反射鏡M2的位置和方位角，確定物光與參考光的夾角，并使物光與參考光光程比接近1∶1．可變光闌D1和D2的通光直徑固定均為1．5mm．實驗初始時，使晶體的前端面（光束入射面）剛好處于兩支光路光束重疊點處，實驗中可通過調整放置晶體的旋轉位移臺的縱向位移螺旋旋鈕改變物光與參考光重疊點在晶體內的位置，即改變其形成的相位柵在晶體中的位置；測量時每次平移0．5mm位置，存儲一次物信息，記錄時間均為3min，記錄時同時觀察對比再現(xiàn)像在記錄時間段內的變化情況．實驗中入射到KNSBN晶體中的光束的各參量如圖2所示．

圖2 KNSBN晶體的記錄光路Fig．2 The optical path of KNSBN crystal

使用被記錄的物體為一透明米尺的刻度，實物如圖3所示．實驗中采用的物光與參考光夾角θ為34．6°，物光與參考光疊加形成的相位柵位置為Q點，相位柵位置Q點到晶體前端面的距離為d．

圖3 物體Fig．3 Object

2 實驗結果與分析

2．1 實驗結果

實驗時取相位柵在晶體中不同位置時，記錄下物信息．然后使用再現(xiàn)光路觀察比較再現(xiàn)像，研究再現(xiàn)像質量．實驗發(fā)現(xiàn)當d＝-2．0mm和d＝7．0 mm時沒有再現(xiàn)像；當d＝-1．5mm時出現(xiàn)再現(xiàn)像，但是再現(xiàn)像不清晰且再現(xiàn)像持續(xù)時間短，再現(xiàn)像如圖4（a）所示；當d＝0（即Q點恰好與與晶體前端面接觸）時，再現(xiàn)圖像逐漸開始清晰，再現(xiàn)像持續(xù)時間時間相對延長；當d為2．0～3．5mm時，形成的體相位柵幾乎完全在晶體內部，再現(xiàn)圖像質量最好，再現(xiàn)像持續(xù)時間時間最長且相對穩(wěn)定，d＝2 mm時，觀察到的再現(xiàn)像如圖4（b）所示；隨后繼續(xù)移動晶體，相位柵的位置Q點逐漸穿過晶體，再現(xiàn)圖像質量又開始逐漸下降，再現(xiàn)像持續(xù)時間同時減短，直至沒有再現(xiàn)圖像出現(xiàn)．當d＝5．5mm時實驗所得再現(xiàn)圖像如圖4（c）所示．

物光與參考光疊加形成的相位柵在晶體中不同位置時，觀察再現(xiàn)像持續(xù)時間得到的關系如圖5所示．由圖5可以看出，當物光與參考光疊加形成的體相位柵的位置處于KNSBN晶體中心附近時，記錄下的全息圖再現(xiàn)像保持時間較長；當體相位柵位置向晶體前后端面靠近時，再現(xiàn)像保持時間逐漸減?。恢敝馏w相位柵完全移出晶體，此時晶體中未記錄下物信息，因而無再現(xiàn)像出現(xiàn)．

圖4 相位柵距離晶體前端面d時的再現(xiàn)圖像Fig．4 Holographic reproduced image of the distance dof phase grating from crystal front face

2．2 結果分析

在光折變晶體作為記錄介質的體全息存儲中，再現(xiàn)圖像質量的主要影響因素是光折變相位柵的衍射性質［3］．描述相位柵衍射性質的物理量是體相位柵的衍射效率［8］．衍射效率描述了讀出光束流經光柵衍射后流入衍射光束中的光能量，可表示為

式中：IR（O）為入射的讀出光強；IS（L）為出射的衍射光強．光折變晶體KNSBN晶體屬于相位移Φ＝π／2的相移型光柵．如圖2所示，光束對稱入射到Z＝0的晶體表面上，此時有cosθS＝cosθR．實驗在固定讀出光強度下，用激光功率計測量體相位柵在KNSBN晶體中的不同位置處得到的再現(xiàn)圖像的光功率，計算相應的衍射效率，得到衍射效率與體相位柵在晶體中的位置關系如圖6所示；其中當d＝3．0mm時，衍射效率值最大為31%．

根據(jù)式（1）可知，當讀出光強IR（O）不變時，衍射光強IS（L）越大衍射效率越高，由實驗測量結果可見，物光與參考光形成的體相位柵距位置距離晶體前端面1．5～3．5mm時，再現(xiàn)圖像的飽和光功率逐漸增大，出射的衍射光強IS（L）增大，則衍射效率增大，相應的再現(xiàn)像質量好；當形成的體相位柵位置距離晶體中心越遠，再現(xiàn)像的飽和光功率逐漸減弱，即衍射光強IS（L）減小，衍射效率減小，圖像清晰度降低．該測量結果與實驗觀察得到的再現(xiàn)像保持時間與體相位柵位置的關系一致．

圖5 再現(xiàn)像保持時間與相位柵在晶體中的位置的關系Fig．5 The reproducing image keeping time and phase grating position in the crystal

圖6 衍射效率與體相位柵在晶體中位置的關系Fig．6 The relation between the diffraction efficiency and the volume phase grating position in the crystal

3 結 論

文中通過改變物光與參考光形成的體相位柵在KNSBN中位置，研究了體相位柵在晶體中不同位置時再現(xiàn)像質量的改變，測量并計算出相應位置的衍射效率，得出的結論為

1）當物光與參考光的形成的體相位柵完全在晶體內部時，體相位光柵衍射效率可達到31%，再現(xiàn)像持續(xù)時間為262s．為本實驗中衍射效率最高值，再現(xiàn)像質量最好，且在再現(xiàn)時再現(xiàn)像的保持時間較長．表明衍射效率測量結果與實驗觀察得到的再現(xiàn)像保持時間與體相位柵位置的關系一致．

2）體全息的現(xiàn)階段研究的主流趨勢依然是信息存儲，存儲信息質量的好壞是信息存儲的一個重要參考因素．通過本實驗證實了KNSBN晶體可以做為光存儲材料，也對今后該晶體的全息存儲特性的研究提供了實驗基礎．

3）有關KNSBN晶體作為體全息存儲材料的其他存儲特性，如響應時間，存儲的信息量、存儲持久性等特性還有待進一步研究，尤其是對于體全息存儲的信息量的研究，較長的再現(xiàn)像持續(xù)時間對其提供了有利的實驗條件．

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