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摘 要： 研究了以掺铁铌酸锂（Fe ∶ LiNbO3）晶体为记录介质的光折变体的全息记录和读出特性.搭建了角度复用光折变体全息记录的实验光路，记录了光折变全息图.实验研究了Fe ∶ LiNbO3晶体的响应灵敏度，测量了光折变体全息记录和读出的衍射效率，测量了最小角度复用间隔，实验结果有助于评估和优化角度复用全息图的容量.
关键词： 角度复用; 掺铁铌酸锂（Fe ∶ LiNbO3）晶体; 体全息存储
中图分类号： O 438.1 文献标志码： A 文章编号： 10005137（2019）04040006
Abstract： In this paper，the recording and readout characteristics of photorefractive volume hologram were studied by using Fe ∶ LiNbO3 crystal as the recording medium.The optical experimental setup for angular multiplexing photorefractive volume holographic was constructed in which several photorefractive holograms were recorded.The response sensitivity of Fe ∶ LiNbO3 crystal was studied by experiment.The diffraction efficiencies of photorefractive volume hologram in holographic recording and readout stage were measured.Besides，the minimum interval in angle multiplexing hologram was measured.The results of those measurements would contribute to evaluate and optimize the capacity of angle multiplexing hologram.
Key words： angular multiplexing hologram; Fe ∶ LiNbO3 crystal; volume holographic recording
0 引 言
光折变晶体因为在许多领域，如濾波器、脉冲整形、全息资料存储和加密等领域中有重要的应用而引起人们广泛的兴趣[1-4].铌酸锂（LiNbO3）晶体由于具有稳定性高、光学质量好和光折变性能显著等特点，而有着非常广泛的实际应用.在LiNbO3晶体中掺铁杂质可以用来提高信息存储的灵敏度，所记录的全息图对光学擦除不敏感，有利于复用体全息的存储[5].在掺铁铌酸锂（Fe ∶ LiNbO3）晶体中记录体全息图是通过电场诱导空间电荷场导致的折射率调制产生的，其理论模型和无掺杂的LiNbO3晶体类似.在记录全息图时，由两束交叉相干光照射到晶体上形成干涉条纹.激光激发陷阱内的电子产生自由电子，这些电子因为电场内漂移或者自由电荷浓度的梯度产生扩散，再经过激发、迁移和重新捕获的过程，产生空间电荷场.调制的空间电荷场又通过电光效应引起折射率的调制变化，形成折射率位相光栅[6-7].光折变全息记录是一个光场调制记录介质以及介质又反作用于光场的动态过程，其动力学过程对于体全息的形成是十分关键的.另一方面，随着现代社会信息领域的快速发展，人们需要传递或存储的信息量越来越大，信息的高密度存储和快速提取是实际应用需要解决的问题之一.多重全息记录是实现信息高密度存储的重要技术手段，而存储的容量与存储晶体的动态记录范围、复用记录的方式、同一位置存储全息图的最大数目和每一页数据包含的比特数等多种因素有关.在实际的全息数据的高密度存储应用中，角度复用是一种非常有效的全息储存方式[8-13].而且对于角度复用的光折变体全息存储系统，衍射效率和角度选择性是人们在进行器件设计时首要考虑的关键问题.
本文作者通过实验深入研究了弱氧化条件下，掺杂浓度（质量分数）为0.15%的Fe ∶ LiNbO3晶体的光折变体全息动态过程，用532.0 nm和632.8 nm两种激光波长记录了光折变体全息图，实验结果表明：Fe ∶ LiNbO3中记录的体全息光栅有较高的衍射效率和很好的角度选择性.
3 结 论
基于光折变体全息记录的原理，设计并搭建了角度复用全息记录光路.实验研究了波长分别为532.0 nm和632.8 nm的激光在Fe ∶ LiNbO3晶体中的光折变体全息动态记录过程，测量了全息记录和读出过程的衍射效率.2种波长的激光所形成的光折变体全息光栅都有很好的角度选择性，测量了体全息图的最小复用角度间隔，使得在全息记录时能最大限度地提高信息记录密度，同时避免通道间的串扰噪声.这些研究有助于在实际应用中针对不同的波长选择合适的最小复用角度间隔，进行多重角度复用全息存储，提高信息存储密度，能对角度复用全息存储器的优化设计有所帮助.
参考文献：
[1] JONATHAN P M，RAPHAEL A A G.Selfimaging，selfhealing beams generated by photorefractive volume holography [J].Optical Engineering，2015，54（10）：104113. [2] YAN Y，LI Y，HU C，et al.Diffraction of an ultrashort pulsed beam with arbitrary polarization state from multilayer volume holographic grating in LiNbO3 crystals [J].Optik，2013，124（20）：4566-4570.
[3] 阎晓娜，赵嘉渊，陈园园，等.利用多层体光栅产生飞秒脉冲串 [J].光学学报，2017，37（7）：0705001.
YAN X N，ZHAO J Y，CHEN Y Y，et al.Generation of femtosecond pulse train by stratified volume holographic grating [J].Acta Optica Sinica，2017，37（7）：0705001.
[4] KWAK C H，KIM G，JAVIDI Y B.Volume holographic optical encryption and decryption in photorefractive LiNbO3 ∶ Fe crystal [J].Optics Communications，2019，437（4）：95-103.
[5] LIU Y，LIU L.Theoretical investigation of nonvolatile holographic storage in doubly doped lithium niobate crystals [J].Journal of the Optical Society of America B，2002，19（10）：2413-2422.
[6] XU D，LU M，JIA C，et al.Angularmultiplexing optical multipleimage encryption based on digital holography and random amplitude mask [J].Journal of Russian Laser Research，2017，38（1）：1-9.
[7] TAKEKAWA L M，FURUKAWA S，KITAMURA Y，et al.Anglemultiplexed hologram storage in LiNbO3 ∶ Tb ∶ Fe [J].Optics Letters，2000，25（18）：1337-1339.
[8] UTSUGI T.Holographic scattering in an angularmultiplexed hologram on a photopolymer [J].Applied Optics，2018，57（3）：527-537.
[9] CHIANG C S，SHIU M T，WU W H，et al.Multiplehologram recording with onebeam encoding [J].Optics Express，2012，20（7）：6897-6904.
[10] FUSTER V N，ORTUNO M，FERNANDEZ R.Peristrophic multiplexed holograms recorded in a low toxicity photopolymer [J].Optical Materials Express，2017，7（1）：133-147.
[11] TAN X，MATOBO O，SHIMURA T，et al.Improvement in holographic storage capacity by use of doublerandom phase encryption [J].Applied Optics，2001，40（26）：4721-4727.
[12] ORCID S G，NEIPP C，ESTEPA L A，et al.Volume holograms in photopolymers：comparison between analytical and rigorous theories [J].Materials，2012，5（8）：1373-1388.
[13] 孫砚宾，江竹青，李熊，等.LiNbO3 ∶ Ce ∶ Cu 晶体中全息图像的双色复用记录 [J].中国激光，2008，35（10）：1538-1541.
SUN Y B，JIANG Z Q，LI X，et al.Anglemultiplexed storage of holographic images in LiNbO3 ∶ Ce ∶ Cu crystal [J].Chinese Journal of Lasers，2008，35（10）：1538-1541.
[14] KOGELNIK H.Coupled wave theory for thick hologram gratings [J].The Bell System Technical Journal，1969，48（9）：2909-2947.
（责任编辑：顾浩然）
关键词： 角度复用; 掺铁铌酸锂（Fe ∶ LiNbO3）晶体; 体全息存储
中图分类号： O 438.1 文献标志码： A 文章编号： 10005137（2019）04040006
Abstract： In this paper，the recording and readout characteristics of photorefractive volume hologram were studied by using Fe ∶ LiNbO3 crystal as the recording medium.The optical experimental setup for angular multiplexing photorefractive volume holographic was constructed in which several photorefractive holograms were recorded.The response sensitivity of Fe ∶ LiNbO3 crystal was studied by experiment.The diffraction efficiencies of photorefractive volume hologram in holographic recording and readout stage were measured.Besides，the minimum interval in angle multiplexing hologram was measured.The results of those measurements would contribute to evaluate and optimize the capacity of angle multiplexing hologram.
Key words： angular multiplexing hologram; Fe ∶ LiNbO3 crystal; volume holographic recording
0 引 言
光折变晶体因为在许多领域，如濾波器、脉冲整形、全息资料存储和加密等领域中有重要的应用而引起人们广泛的兴趣[1-4].铌酸锂（LiNbO3）晶体由于具有稳定性高、光学质量好和光折变性能显著等特点，而有着非常广泛的实际应用.在LiNbO3晶体中掺铁杂质可以用来提高信息存储的灵敏度，所记录的全息图对光学擦除不敏感，有利于复用体全息的存储[5].在掺铁铌酸锂（Fe ∶ LiNbO3）晶体中记录体全息图是通过电场诱导空间电荷场导致的折射率调制产生的，其理论模型和无掺杂的LiNbO3晶体类似.在记录全息图时，由两束交叉相干光照射到晶体上形成干涉条纹.激光激发陷阱内的电子产生自由电子，这些电子因为电场内漂移或者自由电荷浓度的梯度产生扩散，再经过激发、迁移和重新捕获的过程，产生空间电荷场.调制的空间电荷场又通过电光效应引起折射率的调制变化，形成折射率位相光栅[6-7].光折变全息记录是一个光场调制记录介质以及介质又反作用于光场的动态过程，其动力学过程对于体全息的形成是十分关键的.另一方面，随着现代社会信息领域的快速发展，人们需要传递或存储的信息量越来越大，信息的高密度存储和快速提取是实际应用需要解决的问题之一.多重全息记录是实现信息高密度存储的重要技术手段，而存储的容量与存储晶体的动态记录范围、复用记录的方式、同一位置存储全息图的最大数目和每一页数据包含的比特数等多种因素有关.在实际的全息数据的高密度存储应用中，角度复用是一种非常有效的全息储存方式[8-13].而且对于角度复用的光折变体全息存储系统，衍射效率和角度选择性是人们在进行器件设计时首要考虑的关键问题.
本文作者通过实验深入研究了弱氧化条件下，掺杂浓度（质量分数）为0.15%的Fe ∶ LiNbO3晶体的光折变体全息动态过程，用532.0 nm和632.8 nm两种激光波长记录了光折变体全息图，实验结果表明：Fe ∶ LiNbO3中记录的体全息光栅有较高的衍射效率和很好的角度选择性.
3 结 论
基于光折变体全息记录的原理，设计并搭建了角度复用全息记录光路.实验研究了波长分别为532.0 nm和632.8 nm的激光在Fe ∶ LiNbO3晶体中的光折变体全息动态记录过程，测量了全息记录和读出过程的衍射效率.2种波长的激光所形成的光折变体全息光栅都有很好的角度选择性，测量了体全息图的最小复用角度间隔，使得在全息记录时能最大限度地提高信息记录密度，同时避免通道间的串扰噪声.这些研究有助于在实际应用中针对不同的波长选择合适的最小复用角度间隔，进行多重角度复用全息存储，提高信息存储密度，能对角度复用全息存储器的优化设计有所帮助.
参考文献：
[1] JONATHAN P M，RAPHAEL A A G.Selfimaging，selfhealing beams generated by photorefractive volume holography [J].Optical Engineering，2015，54（10）：104113. [2] YAN Y，LI Y，HU C，et al.Diffraction of an ultrashort pulsed beam with arbitrary polarization state from multilayer volume holographic grating in LiNbO3 crystals [J].Optik，2013，124（20）：4566-4570.
[3] 阎晓娜，赵嘉渊，陈园园，等.利用多层体光栅产生飞秒脉冲串 [J].光学学报，2017，37（7）：0705001.
YAN X N，ZHAO J Y，CHEN Y Y，et al.Generation of femtosecond pulse train by stratified volume holographic grating [J].Acta Optica Sinica，2017，37（7）：0705001.
[4] KWAK C H，KIM G，JAVIDI Y B.Volume holographic optical encryption and decryption in photorefractive LiNbO3 ∶ Fe crystal [J].Optics Communications，2019，437（4）：95-103.
[5] LIU Y，LIU L.Theoretical investigation of nonvolatile holographic storage in doubly doped lithium niobate crystals [J].Journal of the Optical Society of America B，2002，19（10）：2413-2422.
[6] XU D，LU M，JIA C，et al.Angularmultiplexing optical multipleimage encryption based on digital holography and random amplitude mask [J].Journal of Russian Laser Research，2017，38（1）：1-9.
[7] TAKEKAWA L M，FURUKAWA S，KITAMURA Y，et al.Anglemultiplexed hologram storage in LiNbO3 ∶ Tb ∶ Fe [J].Optics Letters，2000，25（18）：1337-1339.
[8] UTSUGI T.Holographic scattering in an angularmultiplexed hologram on a photopolymer [J].Applied Optics，2018，57（3）：527-537.
[9] CHIANG C S，SHIU M T，WU W H，et al.Multiplehologram recording with onebeam encoding [J].Optics Express，2012，20（7）：6897-6904.
[10] FUSTER V N，ORTUNO M，FERNANDEZ R.Peristrophic multiplexed holograms recorded in a low toxicity photopolymer [J].Optical Materials Express，2017，7（1）：133-147.
[11] TAN X，MATOBO O，SHIMURA T，et al.Improvement in holographic storage capacity by use of doublerandom phase encryption [J].Applied Optics，2001，40（26）：4721-4727.
[12] ORCID S G，NEIPP C，ESTEPA L A，et al.Volume holograms in photopolymers：comparison between analytical and rigorous theories [J].Materials，2012，5（8）：1373-1388.
[13] 孫砚宾，江竹青，李熊，等.LiNbO3 ∶ Ce ∶ Cu 晶体中全息图像的双色复用记录 [J].中国激光，2008，35（10）：1538-1541.
SUN Y B，JIANG Z Q，LI X，et al.Anglemultiplexed storage of holographic images in LiNbO3 ∶ Ce ∶ Cu crystal [J].Chinese Journal of Lasers，2008，35（10）：1538-1541.
[14] KOGELNIK H.Coupled wave theory for thick hologram gratings [J].The Bell System Technical Journal，1969，48（9）：2909-2947.
（责任编辑：顾浩然）