三维光学存储：体全息存储.ppt

应物0911董泽东0920112109体全息存储技术光学体全息存储技术是最早研究的光存储技术之一体全息的基本原理：仅当照明光束的入射角满足布拉格条件，其波长与记录波长相同时，得到极强的衍射光，体全息图再现对于角度和波长具有极苛刻的选择性全息记录过程(波前记录)全息再现过程情况一当使用的参考光是平面波当使用的参考光是平面波时时:透射光第一项和第二项透射光第一项和第二项都表示参考参考光强度的都表示参考参考光强度的调制调制,方向沿着参考光方方向沿着参考光方向向,不影响结果不影响结果;第三项和原物光成比例第三项和原物光成比例,方向相同方向相同,是再现结果是再现结果;第四项表示和原物光共第四项表示和原物光共扼并且受参考光方向调制扼并且受参考光方向调制的光的光,不影响结果不影响结果.全息再现过程情况二光栅读出必须满足布喇格条件：体全息存储的Bragg 条件光栅透射波衍射波入射记录介质参考光物光布拉格光栅的记录布拉格光栅的读出布拉格角度选择性布拉格角度选择性公式：按照三维光栅的衍射理论，为了使连续散射波同相位相加，使总的衍射波振幅到达极大值，则介质内照明光束的波长，照明光束与峰值条纹面之间的夹角以及条纹面的间距三者之间必须满足布拉格衍射条件。光栅矢量与两个写入光波矢量构成等腰三角形.当再现光波偏离布拉格角入射时，为偏离角，这时衍射效率将随的增大迅速下降。布拉格定律表明如果再现光的波长和光栅间距已被确定，则再现光的入射角便唯一确定；或如果再现光的入射角和光栅间距已被确定，则再现光的波长便唯一确定。从耦合波方程(7.16)我们可以看出衍射过程的物理本质。光波振幅沿着z的改变是由于介质的吸收(Er和Es)或者一个光波对另一个光波的耦合(Es和Er)而引起的,耦合常数 描述了照明光波和衍射光波之间耦合的强弱,其值越大,耦合越强烈。当=0时,没有耦合,也就没有衍射。对于偏离布拉格条件的情况,照明光波和衍射光波不再同步,耦合强度减弱,相位失配因子增大,使衍射光波的振幅逐渐减小,以致为零。体光栅的衍射效率和选择性（1)无吸收的透射型位相光栅当=0 时，其衍射效率为：0=sin2可见，在布拉格角入射时,衍射效率将随介质的厚度d及其折射率的空间调制幅度n的增加而增加,当调制参量=/2时,0=100%。如上图,三条曲线分别对应三个不同的调制参量=/4,=/2和=3/4。当=/2时,0=100%,=/4或=3/4时,0=50%。由图看出,当=0时,衍射效率最大,随着值的增大,迅速下降,当值增大到一定程度时,下降至零。2)无吸收反射型位相光栅布拉格入射时,=0,此时衍射效率为=tanh2下图中给出了对应调制参量分别为=/4,/2和3/4的三条曲线。相应的0=43%,84%和96%。注意当 时,(7.27)中的双曲函数将变成正弦函数。由图知,曲线随值的增大而变宽,这与透射光栅的情形正好相反。角度选择性对于透射光栅当r=-s时,即两写入光束对称入射,形成非倾斜光栅,则式(7.30)可表示为（7-5-31）对于反射光栅选择角为式（7-5-34）由式(7.30)和(7.33)可知,对于给定的物光入射角,参物光之间的夹角为90时,选择角最小。图7.12是依据(7.31)和(7.34)作出的非倾斜光栅选择角与参考光角度的关系曲线。在同等条件下,透射全息图的角度选择性比反射全息图要灵敏。波长选择性透射光栅:=(7-2)1/2a2/(2ndtanrsinr)(7.36a)反射光栅:=(2+2)1/2a2/(2ndcosr)(7.36b)反射全息图对波长的偏离比透射全息图要灵敏得多（可以上面两式作图看出,如下图）而且带宽几乎不随两写入光夹角的变化而变化。根据式(7.35b)，当两写入光束在介质内的夹角2时，反射全息图的最小，即波长选择性最好。结论：体全息的角度和波长选择性使我们可以利用不同角度入射的光,或不同波长的光,在同一体积中记录许多不同的全息图,而且记录介质越厚,选择角和带宽就越小,因而记录的全息图就越多。7.5.2 光折变材料的全息存储机理与特性全息图的质量在很大程度上取决于记录材料的特性。体全息存储的记录材料，要求其厚度远大于光波长，而且介质的整个体积内部都应该能对光照产生响应。其它还有重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致变色材料等。这些材料虽然都能呈现体积存储的效应，但是膜厚有限，因而不易实现大容量的全息存储。而另一种优良的体全息存储介质，即具有显著光折变效应的材料目前被广泛用作大容量体全息存储的记录介质。光折变效应：光折变效应：当一个适当波长的光入射到晶体上时，晶体当一个适当波长的光入射到晶体上时，晶体内的施主（或受主）被电离，产生了电子内的施主（或受主）被电离，产生了电子（或空穴）。这些光生载流子在晶格中移动，（或空穴）。这些光生载流子在晶格中移动，在新的位置上被俘获，所形成的空间电荷分在新的位置上被俘获，所形成的空间电荷分布在晶体中产生了电场强度分布，这一电场布在晶体中产生了电场强度分布，这一电场产生电光效应，从而引起了晶体的折射率变产生电光效应，从而引起了晶体的折射率变化。化。几乎在所有的电光材料中，都观察到了电光几乎在所有的电光材料中，都观察到了电光效应，例如晶体材料效应，例如晶体材料LiNbOLiNbO3 3、LiTaOLiTaO3 3、BaTiOBaTiO3 3，陶瓷材料，陶瓷材料(PbLa)(ZrTi)O(PbLa)(ZrTi)O3 3，半导体材，半导体材料料GaAsGaAs、InPInP、CdSCdS以及有机材料以及有机材料COANPCOANP、bisANPDAbisANPDA等都能产生显著的光折变效应。等都能产生显著的光折变效应。(a)光生载流子的产生(b)扩散(c)复合(d)空间电荷场及折射率光栅 五点假设（1）考虑材料中只存在一种光折变中心，在光照下产生导带电子。（2）认为电子的热激发与光电离相比可以忽略，导带中所有的电子都是由光电离引起的。（3）在光电子迁移机制中我们仅考虑了扩散和漂移，忽略了异常光生伏打效应。（4）在从(7.40)到(7.45)的推导中，假定了未电离的与已电离的施主数密度之比近似均匀，而实际上光电离过程是随空间而变的。（5）未考虑外加电场的影响2.光致聚合物材料的全息存储机理光致聚合物是通过光化学反应的原理来存储信息的；其基本聚合分式可分为自由基聚合和阳离子聚合。光致聚合物材料是一种新型的光全息存储材料，有高感光灵敏度，高衍射效率，高分辨率，高信噪比等优点，产生的全息图像具有高的几何保真度，并可长期保存。制备工艺相对简单。成本低廉，更适宜市场推广。材料的全息存储特性1、光谱响应：用于全息存储的光折变材料应当对写入激光波长敏感。2、动态范围：通常指最大可能的折射率改变。3、全息时间常数：引入响应时间常数描述光栅建立和擦除的快慢。响应时间是全息存储的重要特性参量，它表征了体全栅光栅的动态特征。材料的全息存储特性4、灵敏度：在记录的初始阶段，灵敏度正比于单位写入光强在单位厚度的材料中产生的折射率变化速率，与材料的最大折射率调制度及写入时间常数有关。5、存储持久性：全息图的存储持久性用其暗存储时间来表征。