（光学专业论文）双掺杂铌酸锂晶体全息存储性能的理论研究.pdf

摘要 摘要 体全息存储技术以其存储密度高、存储容量大，数据传输速率高、寻址时 间短等优势成为一种颇具潜力的海量信息存储技术。光折变铌酸锂晶体是适合 大容量全息存储的材料，但其信息易失性问题亟待解决。双色全息存储技术是 克服光折变晶体存储信息易失性的有效方法。 本论文立足于国内外研究现状，以双掺杂铌酸锂晶体为研究对象，以扩展 的带输运方程组为基础，主要采用r u n g e - k u t t a 数值方法，理论研究了双掺杂 铌酸锂晶体的双色全息性能( 记录灵敏度、动态范围、时间常数等) 和复用特 性。 本论文首先从双色全息存储的基本理论入手，阐述了双掺杂铌酸锂晶体中 双色全息存储的基本原理，然后详细介绍了描述双色全息存储的动力学方程组 扩展的k u k h t a r e v 方程组。对双掺杂l i n b 0 3 ：f e ：m n 和l i n b 0 3 ：f e ：c u 晶体 的理论分析就是以扩展的k u k h t a r e v 方程组为基础的。 本论文研究了不同的晶体条件和记录条件对双掺杂l t t n b 0 3 ：f e ：m n 晶体的 记录灵敏度和动态范围影响。在分析得到c u 在l i n b 0 3 晶体中的激发系数、复 合系数和光伏系数的基础上，进一步理论研究了深浅能级的掺杂组分比、晶体 的氧化还原状态和光束比对双掺杂l i n b 0 3 ：f e ：c u 晶体的记录灵敏度和动态范 围影响。 研究中发现敏化后的晶体在全息光栅记录的初始阶段产生振荡现象。通过 对振荡现象的分析，认为此阶段浅能级电子数目呈现逐渐减小的趋势，振荡是 由于大量的浅能级的电子在记录的初始阶段向深能级迁移造成的。理论和实验 研究了不同的晶体条件和记录条件对振荡强度的影响。依据振荡阶段浅能级电 子数目逐渐减小的特点以及全息复用记录中的光擦除特性，探讨了利用等时曝 光实现等衍射效率全息复用的可能性，得到了理论与实验相符的结果，说明在 预敏化的晶体中是可以用等时曝光实现等衍射效率复用的。对双色全息存储的 记录时间常数和擦除时间常数进行了初步的理论研究，并且发现红光固定阶段 不是简单的单指数擦除过程。 北京工业大学理学硕士学位论文 关键词：体全息存储，双色全息存储，双掺杂l i n b 0 3 晶体，记录灵敏度，动 态范围 a b s t r a c t a b s 仃a c t 1 1 p r o m i s eo fan e x t - g e n e r a t i o no p t i c a ls t o r a g et e c h n o l o g yt h a to f f e r sb o t h h i g h - d e n s i t yv o l u m e t r i cs t o r a g ea n df a s tp a g e o r i e n t e do u t p u th a sd r i v e nr e c e n t r e s e a r c hi nh o l o g r a p h i cd a t as t o r a g e d o p a n tl i t h i u mn i o b a t e ( l l 爪 b 0 3 ) i so n eo f p r o m i s i n gh o l o g r a p h i cr e c o r d i n gm a t e r i a l s h o w e v e r ，t h ei n f o r m a t i o nr e c o r d e di n d o p e dl i n b o sc r y s t a l sc a l lb ee r a s e dd u r i n gr e a d o u tp r o c e s sb e c a l l s eo f t h ed y n a m i c b a t u r eo fp h o t o r e f i a e f i v em e d i u m t h ev o l a t i l i t yo fs t o r e dd a t ai np h o t o r e f f a e t i v e m a t e r i a l sc a l lb eo v e r c o m eb yu s i n gas t o r a g es c h e m eo ft w o - c e n t e rh o l o g r a p h i c r e c o r d i n g i nt h i st h e s i s w e m a i n l yi n v e s t i g a t e t h eo p t i m i z a t i o no f h o l o g r a p h i c p e r f o r m a n c e sf o rt w o - c e n t e rh o l o g r a p h i cs t o r a g ew i t hd i f f e r e n tc r y s t a lc o n d i t i o n s ( i n c l u d i n g t h e d o p a n t c o n c e n t r a t i o no ft h e d e e p e r a n ds h a l l o w e r t r a p s ， o x i d i z a t i o n - r e d u c t i o ns t a t e ) a n dt h er e c o r d i n gc o n d i t i o n s ( t h ei n t e n s i t yr a t i oo f r e c o r d i n gl i g h tt og a t el i g h t ) ，b yu s i n gt h er u n g e - k u t t am e t h o d w ee x p l a i nt h em e c h a n i s ma n dp r o c e d u r eo ft w o - c e n t e rh o l o g r a p h i cs t o r a g e ， a n dd e s c r i b et h ed y n a m i ce q u a t i o n so ft w o - c e n t e rh o l o g r a p h i cr e c o r d j l l g 一一 e x t e n d e dk u k h t a r e ve q u a t i o n si nd e t a i l a l lt h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n si nt h i s p a p e ra r eb a s e d 0 nt h o s ee q u a t i o n s w es t u d yt h eh o l o g r a p h i cp e r f o r m a n c e so f s e n s i t i v i t ym a dd y n a m i cr a n g ei nt h e d o u b l yd o p e dl i n b 0 3 ：f e ：m nc r y s t a l a f t e rh a v i n gf o u n do u tt h ep h o t o - e x c i t a t i o n c o e f f i c i e n t , e l e c t r o nr e c o m b i n a t i o nc o e f f i c i e n ta n db u l kp h o t o v o l t a i ec o e f f i c i e n to f c ui nd o u b l yd o p e dl f n b 0 3 ：f e ：c uc r y s t a l s ，i t sh o l o g r a p h i cp e r f o r m a n c e sa r e i n v e s t i g a t e d i nd o u b l yd o p e dl i n b 0 3 ：f e ：c uc r y s t a l s ，w es t u d yt h ev a r i a t i o no f s e n s i t i v i t y a n dd y n a m i cr a n g ew i t hd i f f e r e n t d o p a n t c o n c e n t r a t i o nr a t i o ， o x i d i z a t i o n - r e d u c t i o ns t a t e sa n di n t e n s i t yr a t i o w ei n v e s t i g a t et h eo s c i l l a t i o ni nt h ei n i t i a lp h a s eo fg r a t i n gf o r m a t i o n t h e o s c i l l a t i o nc a nb ea t t r i b u t e dt ot h ed e c a yo fe l e c t r o n si nt h es h a l l o w e rt r a pc e n t e r s b yc o n s i d e r i n gb o t hf e a t u r e so ft h ee l e c t r o nd e c a yi ns h a l l o w e rt r a pc e n t e r si n r e c o r d i n gp h a s ea n do p t i c a le r a s l l r ei nm u l t i p l e x i n gh o l o g r a m s ，w ea n a l y z et h e f e a s i b i l i t yo fm u l t i p l e x i n gh o l o g r a m sw i t he q u a ld i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yb yu s i n gt h e r e c o r d i n gs c h e d u l eo fe q u a l - t i m ee x p o s u r e t h et h e o r e t i c a lr e s u l ti si nc o n s i s t e n t w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to f1 5g r a t i n g sm u l t i p l e x i n g 、 i 廿l1 0 0 s - e q u a l - t i m e n t 北京工业大学理学硕士学位论文 e x p o s u r e t h er e c o r d i n gt i m ec o n s t a n ta n d ! r a s u r et i m ec o n s t a n to ft w o - c e n t e r h o l o g r a p h i cr e c o r d i n ga r ea l s op r e l i m i n a r ys t u d i e di nt h i st h e s i s ， k e yw o r d s ：v o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e ；t w o - c e n t e rh o l o g r a p h i cr e c o r d i n g , d o u b l y d o p e dl i n b 0 3c r y s t a l s ；s e n s i t i v i t y ；d y n a m i cr a n g e - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第1 章绪论 1 1 课题背景 第l 章绪论 随着社会的进步和科学技术的迅速发展，需要存储、传播、处理和利用的 信息量急剧增加。当今时代被称为“信息爆炸的时代”，信息产业成为当今最优 先发展的产业，信息产业的迅猛发展对包括信息存储在内的信息科学的发展和 技术的提高提出了越来越高的要求。 1 1 1体全息存储技术的特点 为了实现存储容量大、存取时间短、信息价位低的存储器系统，光存储技 术应运而生，并迅速发展成为信息技术中的支柱产业；而光学体全息存储技术 则作为最具有特色和最有潜力的存储技术1 】【2 】，成为光学存储领域的研究重点。 与现行的光盘数据存储技术相比，光学全息存储技术具有其独有的特点和 优点【3 】： 1 ，高冗余度。以全息图的形式存储的信息是分布式的，每一信息单元都存 储在全息图的整个表面上( 或整个体积中) ，故记录介质局部的缺陷和损伤不会 引起信息的丢失。这得益于全息图的波前重现性质，是其他任何存储技术所无 法具有的。 2 高存储容量。三维光学存储的存储容量上限为l 肿，a 为记录波长。体 全息存储的理论存储密度可达1 0 1 2 b i t s c m 3 。 3 高数据传输速率和快的存取时间。全息图采用面向页面的数据存储方式， 即数据是以页面的形式存储和恢复的。一页中的所有信息位都是并行地记录和 读出，而不像磁盘和光盘那样，数据位以串行方式逐点存取。因此，全息存储 器可以用无惯性的光束偏转、参考光束的位相调制或波长调谐等手段，在数据 检索过程中进行非机械的寻址，使数据传输速率和存取速度可以非常高。 4 可进行并行内容寻址。全息存储器能够直接输出数据页或图像的光学重 构信息，在光学神经网络、光学互联，以及模式识别和自动控制等应用领域有 着广阔的应用前景。 北京工业大学理学硕士学位论文 1 1 _ 2非易失性全息存储技术 光折变铌酸锂晶体作为一种适合大容量全息存储的材料，以其灵敏度高、 动态范围大、以及光学质量好、易于制成大块晶体等优良特性，成为当代高密 度全息存储技术的研究热点h h 9 】。光折变晶体中的体全息存储是依据晶体的光 折变效应，利用晶体中光激发载流子的激发和输运机制，将光场的空间变化转 变为晶体的折射率变化，将光信息以全息光栅的形式存储于光折变晶体中。但 由于光折变材料的动态特性，一方面随着电荷扩散使以电子光栅形式存在的信 息逐渐丢失，导致暗保存时间短；另一方面在读出信息的过程中，介质仍然对 读出光敏感，读出光会对信息造成擦除，导致存储的信息难以长期保存和无损 读出。由此，研究如何在光折变晶体中实现信息的非易失性读出，是推动高密 度全息存储技术向实用化发展的关键之一。 现行的光折变晶体存储器非易失性全息存储技术包括电固定技术 1 0 - 1 2 1 、热 固定技术 1 3 - 1 4 1 ，和双色存储技术1 1 5 2 0 】。它们的技术特点如下： 电固定技术一般适用于光折变铁电材料，它通过施加外部强电场，改变铁 电体的极化方向，建立对光照不敏感的、与电子光栅相同的极化强度光栅，然 后用均匀光照擦除掉电子光栅，保留对光不敏感的极化强度光栅，从而实现了 对所存储信息的固定。 热固定技术的基本方法是将记录了全息电子光栅的晶体加热到8 0 1 8 0 ，晶体中离子( 在l i ! x v 0 0 3 晶体中为矿离子) 的电导率发生变化，在电子光 栅形成的空间电荷场驱动下迁移去补偿电子光栅，形成与电子光栅互补的离子 光栅。当样品被冷却到室温后，用均匀光束辐照晶体，这样对光敏感的电子光 栅被擦除掉，只剩下对光辐照不敏感的离子光栅。室温下晶体中离子比电子稳 定，因此无论在光照还是黑暗中，离子光栅的信息存储时间比电子光栅长，从 而达到非易失性全息存储的目的。 传统的双色全息存储如双光子存储【2 0 】，是利用短波长( a 1 ) 的光束作为门 光束，它将载流子激发到带隙中的束缚态，然后用两束调制的长波长( 如) 的 光束来记录，将束缚态的载流子激发到导带，这些在导带中的载流子又被晶体 的深能级俘获从而在深能级记录上调制的光栅。以后用长波长( 屯) 的光束来 读出信息。长波长的光束能量不足以激发晶体深能级的电子，从而实现了非易 失性的全息存储。双光子全息存储的晶体能级示意图如图i - i 所示。 第1 章绪论 图1 1 双光子全息存储的能带示意图 f i g 1 1e n e r g yb a n da h g r a mo f t w o - p h o t oh o l o g r a p h i cr e c o r d i n gd ，d e e p u a p ；li n t e r m e d i a t es t a t e ；v b ，v a l u eb a n d ；c b ，c o n d u c t i o nb a n d 上述三种非易失性全息存储技术中，电固定技术由于需要通过控制外加电 场使铁电单畴晶体极化反转被普遍认为不具备通用性；而热固定技术需要加热 和冷却过程，比较费时、操作复杂且精度低。这两种方法不适于用光学方法直 接擦除，不利于体全息存储技术向实用化发展。而双色存储技术直接利用光学 方法进行记录和擦除，既克服了光折变存储材料的易失性又无需其它后处理， 能真正实现对所存储信息的全光学无损读出，在记录的同时完成信息的固定， 是一种比较理想的全息存储技术，具有极好的实际应用前景。 1 2 双色全息存储技术的国内外研究现状 双色存储技术是d v o nd e rl i n d e 等人1 2 1 】在1 9 7 4 年首先提出的。他们在 c u ：l f i q b 0 3 晶体中，使用波长为1 0 6 4 n m 和5 3 2 n m 的激光首次实现了全息图的 无损读出。此后几十年，国内外对双色存储的材料、存储条件、复用存储及其 内在的物理机制进行了大量的研究。 但是，双光子存储技术对激光器的要求比较高，需要大功率的脉冲激光器， 且记录灵敏度比较低 2 2 】，这影响着它向实用化方向发展。1 9 9 8 年，k b u s e 等 人【2 3 捷出，并在实验上实现了用双掺杂l i n b 0 3 ：f e ：m n 晶体中来实现非易失性 记录的双色全息存储技术，这种方法亦称之为双中心全息存储。双掺杂晶体有 深浅两个能级，电子大部分填充在深能级，浅能级几乎没有电子，其能级结构 示意图如图1 - 2 所示。双中心全息存储的基本思想是：用紫外光通过导带把深 能级的电子转移到浅能级，然后借助于长波长的红光记录全息信息，最终在红 光和紫外光的共同作用下把这些调制光栅形式记录的信息从浅能级转移到深能 级，这样记录在深能级的光栅对红光的读出是不敏感的，从而实现非易失性的 北京工业大学理学硕士学位论文 全息存储。 图1 - 2 双中心全息存储的能带示意图 f 培1 - 2 e n e r g y b a n d d i a g r a m o f t w o c e n t e r h o l o g r a p h i cr e c o r d d 塔d , d e e p t r a p ； s ，s h a l l o w t r a p ；c b ，c o n d u c t i o n b a n d ；v b ，v a l u e b a n d 双中心全息存储的实现通常有以下三个步骤来完成：首先，用紫外光对晶 体进行预敏化，利用晶体的光色效应，紫外光通过导带把电子从深能级转移到 浅能级，改变晶体对光的吸收，使晶体对可见光产生吸收，从而可用可见光对 晶体进行全息记录；第二步，在紫外光存在的条件下，用空间干涉的调制红光 同时照射晶体进行存储记录，这样在紫# b f - j 光束和记录光的共同作用下在晶体 的深浅能级同时记录下折射率调制的空间电荷场；第三步，用红光去抹除浅能 级的电子光栅，只留下对红光不再敏感的深能级电子光栅。这样，当用红光再 进行读出时，储存在深能级的电子光栅就不会被抹除，从而达到信息的长期储 存。这种方法利用了双掺杂晶体的双中心特性，把电子光栅存储在对读出光不 敏感的深能级掺杂中心，以达到非易失性全息存储的目的。 在双掺杂铌酸锂晶体中实现双色全息存储，这种方法原理简单，易于实现， 除了兼具有传统双色全息存储技术的优点外，对激光器要求也不高，用普通的 h e - n e 激光器和紫外点光源即可实现全息存储，它还对记录灵敏度和动态范围 等全息性能参数都有很大的改进( 2 2 l ，是一种非常实用的全息存储技术，成为近 期全息存储技术的研究热点。 本课题主要对双掺杂l i n b 0 3 晶体的双色全息存储性能( 记录灵敏度和动态 范围) 、双色全息复用特性及时间常数进行研究，以期对双掺杂晶体的优化和双 色复用记录提供一定的参考。 1 2 1双中心全息存储的理论研究现状 k u k h t a r e v 等人剀提出的带输运模型，对光折变效应稳态和动态过程作出了 令人信服的解释。双掺杂l i n b 0 3 晶体中有深浅两个能级中心，人们常用扩展 第1 章绪论 的k u k h t a r e v 方程组对双掺杂晶体中光栅的形成过程进行解释。2 0 0 0 年中科院 上海光机所的刘友文、刘立人等人 2 5 】【婀就建立了包括扩散、漂移和光伏效应三 钟输运机制下双掺杂l i n b 0 3 晶体的双色全息记录的带输运方程，得出了小调 制度下稳态空间电荷场的解析解，对记录光和敏化光的光束比、体光栅的波矢、 双掺杂的浓度和晶体的氧化还原程度对空间电荷场的影响进行了数值计算和讨 论。2 0 0 1 年，a a d i b i ，kb u s e 等人 2 刀借助于l i n b 0 3 ：f e 晶体的双中心电荷输 运模型用扩展的k u k h t a r e v 方程组建立了在双掺杂l i n b 0 3 晶体中实现全息记录 的带输运方程，讨论了对双色全息记录的优化，研究了光束比、深浅能级的掺 杂浓度、氧化还原状态、门光束波长对全息记录性能的影响，并与l i n b 0 3 ：f e ：m n 的实验结果得到很好的契合。2 0 0 2 年，刘友文，刘, - r j k t ” 等人系统地研究了双 掺杂l i n b 0 3 晶体非挥发性全息记录的相关机制，用扩展的k u k h t a r e v 方程组分 析了记录和固定的动力学方程，得到了记录和固定过程的稳态空间电荷场的解 析表达式，分析了微观物理量对记录和固定稳态空间电荷场以及最终固定效率 的影响。2 0 0 3 年，o m o m t a h a n 和a a d i b i - 2 8 1 利用双中心理论模型，考虑了记 录介质对紫外光的吸收，对l n b 0 3 ：f e ：m n 晶体中进行双色存储时的动态范围 和记录灵敏度进行了优化研究，并指出这两个量在理论上是相互牵制的，不可 能同时达到最大值。2 0 0 4 年，任立勇等人【2 9 】踟通过联立双中心带输运物质方程 和双光束耦合波方程，建立了双掺杂l i n b 0 3 晶体采用双色光( 紫外敏化光和 h e - n e 记录光) 实现非挥发性全息记录的动力学方程，理论上分析了微观光学 参量( 包括敏化光的深中心和浅中心光激发系数、记录光的浅中心激发系数以 及深中心和浅中心的复合系数) ，对饱和记录衍射效率和固定衍射效率的影响， 认为要得到高的衍射效率，应选择复合系数较大、记录光激发系数较高、敏化 光激发系数较低的浅杂质中心以及敏化光激发系数较高、复合系数较高的深杂 质中心。 1 2 2双掺杂铌酸锂晶体全息存储性能的研究现状 在理论研究的同时，人们也对双色存储性能及存储条件的优化进行了广泛 的研究。2 0 0 0 年，a a d i b i ，kb o s e 等人p ”在一致熔融的o8 5 m m 厚的l i n b 0 3 ： f e ：m u 晶体中用蓝绿光代替红光记录，用紫外光做门光束，获得了0 0 7 c m j 的 灵敏度，高于红光时灵敏度o0 0 3 3 c m j 近2 0 倍。2 0 0 1 年，刘德安等人【3 2 】d 3 l 实验中发现了自衍射效应，并且在记录过程中利用自衍射效应有效地提高了在 l i n b 0 3 ：f e ：m n 中进行双色存储的衍射效率。2 0 0 3 年，o m o m t a h a n 和a a d i b i 对双掺杂l i n b 0 3 ：f e ：m n 晶体的记录灵敏度和动态范围进行了全方位的优化研 北京工业大学理学硕士学位论文 究1 2 2 】【2 8 】【蚓，用3 6 5 n m 的敏化光和6 3 3 n m 的记录光记录时，得到的动态范围和 灵敏度的最大值分别是o 7 6 e r a 和o 1 7 c m j ；用4 0 4 r i m 波长的光作为敏化光和 5 1 4 n m 波长的光作为记录光( 浅能级中心对5 1 4 n m 的光更敏感) 时，得到动态 范围和灵敏度的最大值分别为2 1 3 e r a 和0 4 3 e m j 。2 0 0 5 年，o m o m t a h a n 等 人口5 】通过实验验证了灵敏度只是记录光强和门光束光强比的函数，而与绝对的 记录光强无关，并在2 m m 厚l i n b 0 3 ：f e ：m n 晶体中，用4 0 4 r i m 的蓝光做门光 束，5 3 2 n m 的绿光记录，在记录光和门光束光强比i ，g = o 5 4 时，获得了高达 o 1 5 c m j 的灵敏度。 在研究中发现，对于浅能级掺杂中心除f e 之外还有c e 可作为掺杂离子； 同样的，在深能级掺杂中心除了m n 外还有c u 可作为掺杂离子。这样，在双 掺杂的l i n b 0 3 ：f e ：c u ，l i f 0 3 ：c u ：c e ，l i f 0 3 ：c e ：m n 晶体中也可以实现双色 全息存储。人们对在l i n b 0 3 ：f e ：c u ，l i n b 0 3 ：c u ：c e ，l i n b 0 3 ：c e ：m n 晶体中进 行双色全息存储也进行了大量的卓有成效的研究【3 5 4 ” 1 2 3双掺杂晶体的复用技术研究现状 在双色复用时，由于短波长门光束的存在，对全息图擦除比较严重，不易 得到很好的复用效果，因此双色复用方面的研究成果较少。相关的报道有：1 9 9 9 年，a a d i b i 等人 4 5 1 使用6 0 0 m w e m 2 的记录光( 6 3 3 n m ) 在一致熔融的 l i n b 0 3 ：f e ：m r t 晶体中记录了5 0 幅全息光栅，固定后( 记录光照射l 小时) 的 衍射效率约为32 x l o - 5 ，动态范围为0 2 9 ；2 0 0 3 年，赵健等人 4 3 1 l i n b 0 3 ：c e ：c u 晶体中用6 3 3 n m 的红光作为记录光，4 8 8 n m 的蓝光作为门光束，采用顺序曝光 方案，角度复用了5 0 幅简单光栅，得到了近似等衍射效率的记录结果。 可以看出，双掺杂铌酸锂晶体的双色全息存储的研究主要是集中对全息性 能的研究和对晶体条件的优化。本论文在前人研究的基础上，以扩展的 k u k h t a r e v 方程组为基础，采用r u n g e k u t t a 数值方法来理论研究不同的晶体条 件和记录条件对双色全息的记录灵敏度和动态范围的影响，并深入探讨预敏化、 记录和固定阶段深浅能级电子的变化特性，利用电子在记录过程中的迁移特点， 研究双色复用的情况。 1 2 4本实验室的研究现状 2 0 0 2 年以来，本实验室一直致力于双掺杂l i n b 0 3 ：f e ：c u 和l i n b 0 3 ：f e ：m n 晶体的双色全息记录的研究。2 0 0 3 年，侯金英等人e 4 4 1 t 4 5 j 通过大量实验，全面研 第1 章绪论 究了l i n b 0 3 ：f e ：c u 晶体的双色存储性能，并通过适当的预敏化，在门光束光强 与记录光强分别为2 0 m w e m 2 和3 9 0r o w e r a 2 时，得到了0 0 0 4c m j 的记录灵 敏度和3 7 的饱和衍射效率；同时还研究了l i n b 0 3 ：f e ：c u 晶体中的暗保 存时间、光擦除时间常数以及用脉冲光作为门光束时的双色全息存储性能。2 0 0 6 年，孔芳等人 4 6 4 7 1 在双掺杂l i n b 0 3 ：f e ：c u ( 掺杂为f e0 1 5 ；c uo 0 1 ) 晶体 中实现了2 0 幅全息光栅的双色复用记录和固定，平均固定效率达到7 9 ，。实 验还研究了预敏化、门光束光强、记录光与门光束光的光强比对双色复用存储 性能的影响。她们卓有成效的研究为我的工作奠定了坚实的基础。 1 3 课题来源和本论文的研究内容 本课题来源于国家自然科学基金资助项目( 6 0 3 7 7 0 0 3 ) ：光折变晶体存储器 的双色多重存储技术研究。 本论文立足于体全息存储技术的研究前沿，着重理论研究不同的晶体条件 ( 包括深、浅能级的掺杂浓度、晶体的氧化还原状态) 和记录条件对记录灵敏 度和动态范围的影响，为晶体的优化提供一定的依据；在此基础上研究双色复 用记录，通过研究晶体条件和记录条件对双色全息记录性能和擦除性能的影响， 给双色全息复用记录提供一定的参考。 在结构安排上，本论文第1 章为绪论。简述双色体全息存储的国内外发展 现状，指出本论文的主要工作内容。 第2 章为全息存储的基本理论。首先介绍了光折变晶体中全息存储的基本 理论，然后用双中心模型阐述了在双掺杂铌酸锂晶体中进行全息存储的原理， 并详细介绍了描述双中心全息存储的方程扩展的k u k h t a r e v 方程组；紧接 着介绍了描述双色全息的性能参数，最后讨论了影响双色全息存储效果的因素。 第3 章利用扩展的k u k h t a x e v 方程组，理论上研究了在双掺杂l i n b 0 3 ：f e ：m n 晶体中进行双色全息记录时，晶体的深浅能级掺杂浓度、氧化还原状态等晶体 条件和光束比对记录灵敏度和动态范围的影响。 第4 章是本论文的工作重点。本章以双掺杂l i n b 0 3 ：f e ：c u 晶体为研究对象， 在分析得到c u 在l n b 0 3 晶体中对应于3 6 5 n m 和6 3 3 n m 的激发系数、复合系 数、光伏系数的基础上，首先理论上研究了晶体条件和记录条件对双色全息存 储性能( 包括记录灵敏度和动态范围) 的影响；然后深入分析了在全息记录过 程初始阶段出现振荡现象的物理机制，并研究了晶体条件和记录条件对振荡强 度的影响；利用敏化后的晶体在记录初期电子数目逐渐减少的特点，研究了采 用等时曝光实现等衍射效率全息复用的可能性，并得到了实验验证；最后初步 北京工业大学理学硕士学位论文 探讨了晶体条件对记录时间常数和擦除时间常数的影响。 第5 章为结论。总结本论文的各项工作，并对今后本实验室的双色全息存 储研究提出建议。 第2 章双色全息存储的基本理论 第2 章双色全息存储的基本理论 本章从体全息存储的基本原理入手，首先介绍了光折变晶体中体全息存储 的机理和特性，随后利用带输运模型和扩展的k t t l d a t a r e v 方程组详细介绍了双 色全息存储的基本原理及其动力学过程，紧接着介绍了描述双色全息的性能参 数，最后讨论了影响双色全息存储性能的因素。 2 1 体全息存储的基本原理 体全息存储依据全息学原理，记录全息图时，由一束携带物信息的物光波 与另一束参考光波在记录介质中相互干涉形成干涉图样，此全息图中存储了能 够恢复原物信息的振幅和位相信息。若用参考光照射全息图，可以完全重构出 所存储的原物信息。若全息存储是在厚记录介质中进行的，记录介质的整个体 积均会对全息存储过程有贡献，故称之为体全息存储。 2 1 1体全息存储的基本原理 体全息就是在厚记录介质内部记录下物光与参考光的干涉图样，其在记录 介质内部形成的干涉条纹面是三维光栅，如图2 - 1 所示。图中o r 是参考光在介 质内部与z 轴的夹角，a 是条纹面的间距，0 是读出光在记录介质内与峰值条 纹面之间的夹角，称为布拉格角。 震 r 一 ， 黟 一 7 物光 图2 - 1 体光栅衍射示意图 f i g 2 1d i f f r a c t i o nb yav o l u m eh o l o g r a p h i cg r a t i n g 北京工业大学理学硕士学位论文 i ii q | 目e 皇 根据三维光栅衍射理论，当三维光栅的总衍射波振幅达到最大值时，三维 光栅的衍射应该满足布拉格条件“s 1 2 h a s i n 目= a ( 2 - 1 ) 式( 2 - 1 ) 中，h 是介质的折射率，a 是入射光波在真空中的波长。对于体全 息而言，当物光波与参考光波在记录介质内干涉记录下体全息图后，若以满足 布拉格条件的再现光照射全息图，不同条纹面的反射光相干加强形成衍射级， 才能再现出原物光波信息。 根据布拉格条件( 2 一1 ) 式，如果读出光的波长和光栅间距确定，则读出光的 入射角是唯一确定的了。体全息图总是在满足布拉格条件时才能衍射出最强的 再现像，若读出光入射角度或波长不满足布拉格条件，均会引起再现像衍射效 率的急剧下降。体全息图的这种角度或波长选择性，允许我们在进行体全息存 储时，采用不同入射角或不同波长的参考光，在记录介质的同一体积中记录多 个不同的全息图，实现高密度全息复用存储。 2 1 2光折变晶体的全息存储机理 光折变效应是光致折射率变化效应的简称，它是发生在电光材料内部的一 种复杂的光电过程。在光辐照下，含有一定杂质或缺陷的电光晶体内部形成与 辐照光强空间分布对应的空间电荷分布，并且由此产生相应的空间电荷场。由 于线性电光效应，在晶体内形成折射率的空间调制即位相光栅；与此同时入射 光又被自身写入的位相光栅衍射。由此可见，光折变效应能够将光强的调制变 化实时地转化为介质的折射率变化，即实时写入位相光栅；与此同时，入射光 受到自写入光栅的衍射作用被实时读出，相当于全息光栅的再现过程。因此， 光折变晶体中的折射率位相光栅属于动态光栅，利用此特点能够在光折变晶体 中实现实时体全息存储。 电光晶体中的杂质、缺陷和空位，在晶体禁带隙中形成中间能级，即构成 施主和受主能级，成为光激发电荷的主要来源。目前普遍采用k u k h t a r e v 带输 运模型描述光折变效应的物理过程。光折变材料内复杂的电光过程可描述如下： ( 1 ) 在适当波长的空间非均匀分布的光辐照下，晶体内的施主( 受主) 被 电离产生电子( 空穴) ；同时电子( 空穴) 从中间能级受激跃迁至导带( 价带) 。 ( 2 ) 光激发载流子在导带( 价带) 内可自由迁移；光激发载流子具有三种 迁移机制：扩散( 光激发载流子由于浓度不同而扩散迁移) 、漂移( 载流子在外 场或晶体内极化电场作用下的漂移) 和异常光生伏打效应( 均匀铁电体材料在 均匀光照下，产生沿自发极化方向的光生伏打电流的一种异常光生伏打效应) 。 第2 章双色全息存储的基本理论 在光折变效应中，上述三种迁移机制单独作用或联合作用完成了光折变晶体内 部载流子的迁移过程。 ( 3 ) 迁移的电子( 空穴) 可以被重新俘获，经过再激发、再迁移、再俘获， 最终离开光照区而在暗光区被电子( 空穴) 陷阱俘获，由此导致晶体内空间电 荷分布的变化，使空间电荷分离，从而形成了相应的空间电荷场。 ( 4 ) 空间电荷场通过线性电光效应( 泡克尔斯效应) ，在晶体内形成折射 率的空间调制变化，产生折射率调制的相位光船。 通过光折变效应形成相位光栅的过程如图2 - 2 所示。 0 硼c a lg r a t i n g ， c h a r g eg e n e l a t i o n ，- c h a r g ep r o f i l e 1 ， s p a l j a l f l d d ，- i n d e xg r a t i n g 图2 - 2 光折变效应形成光栅的过程 f 蟾2 - 2t h ef o r mo f g r a t i n g s 缸o u g hp h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t 目前普遍采用k u k h t a r e v 带输运模型描述光折变效应的动力学过程【2 4 】。该 理论考虑到晶体内光激发载流子的三种可能迁移机制，概括了光折变效应的物 理过程，并给出了描述光折变效应的一组动力学方程。由于该理论较全面的分 析了光折变效应的微观过程，对稳态和动态光折变现象给出了令人信服的结论， 目前已成为描述光折变效应最具权威性的理论。 2 2 双色全息存储的基本理论 在光折变晶体中存储信息是通过写入体积位相型全息图，形成电子空间电 荷场( 称之为电子光栅) 来实现的，然而由于这些晶体是动态介质，所存储的 信息会随着电荷的扩散而逐步丢失；另一方面，电子对光照非常敏感，多次光 读出后，已记录的全息图会受到光擦除。这两方面都会导致信息的丢失。为了 实现信息的长期保存和无损读出，人们研究了电固定技术 1 0 1 2 、热固定技术 1 3 1 1 4 】和双色全息存储技术【1 5 制。前两种方法虽然能实现无损读出，但外加空间 电荷场或者对晶体进行加热处理都不利于体全息存储技术向实用化方向发展； 而双色存储技术能真正实现对所存储信息的全光无损读出，有利于实现全息存 北京工业大学理学硕士学位论文 储系统的紧凑性和小型化，是一种较理想的固定技术，但传统的双色存储技术 ( 如双光子存储) 灵敏度较低，也影响着它向实用化方向发展。近年来提出的 在双掺杂铌酸锂晶体中实现的双中心全息存储技术 ，除了兼具有传统双色全 息存储技术的优点外，还对记录灵敏度和动态范围等全息性能参数都有大的改 进 4 9 1 m l ，是一种非常实用的全息存储技术，成为近期全息存储技术的研究热点。 2 2 1 双中心全息存储的基本原理 对于在双掺杂l i n b 0 3 晶体中双色全息存储的机理，人们常采用双中心模型 进行解释【2 5 】 2 0 3 。在双掺杂l i n b 0 3 晶体中，有深浅两个掺杂能级中心( 以双掺 杂l i n b 0 3 ：f e ：c u 晶体为例，深、浅能级中心分别为c u 和f e ) ，在初始状态晶 体中的电子大部分填充在深能级，浅能级几乎没有电子。双中心全息存储的基 本思想为：用短波长敏化光通过导带把深能级的电子转移到浅能级；然后借助 于两束干涉调制的长波长的记录光把浅能级的电子激发到导带，然后在记录光 和门光束的共同作用下，晶体的深浅能级会同时记录下以电子光栅形式存在的 信息；最后借助于长波长的记录光把浅能级的电子光栅擦除掉，只留下深能级 的对长波长读出光不再敏感的电子光栅，从而实现了非易失性的全息存储。 双中心全息存储的实现一般分三个过程：l 预敏化过程。用短波长的敏化光 ( 紫外光) 对晶体进行预照明处理，利用晶体的光致变色效应，通过导带把深 能级掺杂中心的电子转移到浅掺杂能级中心，以增加晶体对记录光的灵敏度： 2 记录过程。紫外光作为门光束，在紫外光继续照射的同时，用两束干涉调制 的记录光照射晶体，周期性干涉的光强分布会在深能级中心和浅能级中心中形 成空间电荷场，并通过线性电光效应形成折射率调制的相位光栅；3 周定过程。 关闭门光束，只用一束记录光照射晶体，长波长的记录光在擦除浅能级的电子 光栅的同时把部分浅能级电子光栅转移到深能级，这样信息就只存储在深能级 中心。保存下来的光栅对长波长的记录光的读出是不可擦除的，从而实现信息 的长期存储。在双掺杂铌酸锂晶体中实现双色全息存储的典型实验图如图2 - 3 所示，其中( a ) 段为记录阶段，在紫外光存在的条件下用两束相干的红光进行 记录，记录一段时间后空间电荷场达到饱和；( b ) 为单束红光的固定阶段，可 以看出红光照射一段时间后，衍射效率不再变化，此时红光已经擦除了浅能级 的电子光栅，剩下的深能级电子光栅对红光的读出不敏感的，从而实现了红光 的非易失性存储。 第2 章双色全息存储的基本理论 厂 蠢 t i m e ( s ) 图”典型的双色全息实验曲线 f i g 2 - 3 d i f f x a o i o ne f f i c i e n c yo f t w o - c e n t e rh o l o g r a p h i cr e c o r d i n g 2 2 2 双色全息存储的动力学方程 k u k h t a r e v 等人提出的带输运模型【2 4 】，概括了光折变效应的物理过程，给出 了描述了光折变效应的物理方程，对稳态和动态光折交现象给出了令人信服的 结论。在此基础上，对于双掺杂晶体中的全息存储，由于有两个掺杂中心，人 们常用扩展的带输运模型职中心模型进行描述嘲。 图2 4 分别以掺l i n b 0 3 ：f e 和l i n b 0 3 ：f e ：c u 为例，描述了通常的单色存储 和双中心存储的电子输运模型。在l i n b 0 3 ：f e 中进行单色记录时，记录光激发 施主中心( f e 2 + ) 产生电子到达导带，并在导带经过各种迁移机