东华大学：《光全息存储》课程教学资源（PPT课件讲稿）第3章 全息存储的记录材料

第三章全息存储的记录材料 3.4.1光折变材料的全息存储机理 与特性

第三章 全息存储的记录材料 3.4.1 光折变材料的全息存储机理 与特性

3.4.1光折变效应简介 光折变效应是光致折射率变化效应的简称 其含义是电光材料在光辐照下,折射率随 光强的空间分布而变化。 2)光折变效应首先是由贝尔实验室工作的 Ashkin等人于60年代发现的。当初称为光 损伤。 3)光致折射率变化与通常在强光作用下所引 起的非线性折射率变化的机制完全不同, 后者起因于光致瞬态非线性电极化

3.4.1 光折变效应简介 1) 光折变效应是光致折射率变化效应的简称， 其含义是电光材料在光辐照下，折射率随 光强的空间分布而变化。 2) 光折变效应首先是由贝尔实验室工作的 Ashkin等人于60年代发现的。当初称为光 损伤。 3) 光致折射率变化与通常在强光作用下所引 起的非线性折射率变化的机制完全不同， 后者起因于光致瞬态非线性电极化

光折变材料具有较大的电光系数,与一般在 高功率激光场作用下的非线性光学材料相比 有两个显著的特点 (1)光折变材料的光学非线性效应与光强无 关 (2)光折变材料具有非局域响应 光折变材料能做成各种用途的非线性光学器 件。如体全息实时存储器、光放大器、光振 荡器、相位共轭器、空间光调制器等

◼ 光折变材料具有较大的电光系数，与一般在 高功率激光场作用下的非线性光学材料相比 有两个显著的特点 （1）光折变材料的光学非线性效应与光强无 关。 （2）光折变材料具有非局域响应。 ◼ 光折变材料能做成各种用途的非线性光学器 件。如体全息实时存储器、光放大器、光振 荡器、相位共轭器、空间光调制器等

折射率光栅的建立 (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)心被电离产生电子(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(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)。在光折变效应中,上述 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

折射率光栅的建立 ◼ (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)心被电离产生电子(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 (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)。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

折射率光栅的建立 (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,从而形成了相应于光场分布的空间 电荷场 (4)空间电荷场通过线性电光效应(泡克 斯效应),在晶体内形成折射率的空间调伟 变化,产生折射率调制的位相光栅

折射率光栅的建立 ◼ (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，从而形成了相应于光场分布的空间 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，产生折射率调制的位相光栅

折射率光栅的建立 光折变效应的物理过程可概括为: (1)非均匀分布的光激发载流子的过程 (2)光激载流子迁移和被俘获导致空间电荷 场产生的过程; (3)空间电荷场通过线性电光效应引起的折 射率调制过程

折射率光栅的建立 ◼ 光折变效应的物理过程可概括为： （1）非均匀分布的光激发载流子的过程； （2）光激载流子迁移和被俘获导致空间电荷 场产生的过程； （3）空间电荷场通过线性电光效应引起的折 射率调制过程

光折变过程的能级图 以Fe:LNbO3为例 (b) 说明 导带 Fe3+和Fe2+ (a)光电离,(b)扩 a 散,(c)复合,(d) Fe 形成空间电荷并产 Fe 2+ 生电场。Fe2+杂质 中心作为施主,电价带 离后变成Fe3+,而 (d) +十 Fe3+中心作为陷阱 复合后变成Fe2+

光折变过程的能级图 ◼ 以Fe:LiNbO3为例 说明 ◼ Fe3+和Fe2+ ◼ (a)光电离，(b)扩 散，(c)复合，(d) 形成空间电荷并产 生电场。Fe2+杂质 中心作为施主，电 离后变成Fe3+，而 Fe3+中心作为陷阱， 复合后变成Fe2+。 +++ +++ - - - - - - (d) (c) (b) (a) F e3 + 价带 导带 F e2 +

光折变过程 33 (x) 十二=十+二二牛+二二++二 休人入 匡彐 △(x)

光折变过程 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - x I(x) E(x) n(x) g

1.带输运模型 不动的电离施主随时间的变化率方程 Fe: Linbo aN o=(s1+B1)(ND-N)- YPND N→F2(施主) 自由电子的连续性方程: N→F3+(受主) d0 oN 1 at ND-Nb→剩余的F2 电流方程: N4=N(I=0 J=uepEsC+pI( -ND)-ukBTVp 空间电荷分布形成局域电场,满足高斯定理: V eso=e(N+p-Nd

1. 带输运模型 + + + = + − −   T D D r D D s I N N N t N (  )( )   J t e N t D −     =   +  1 =   + − −   + J e Es c p I(ND ND ) kB T ( ) ( ) +  s sc = NA + − ND  E e  不动的电离施主随时间的变化率方程： 自由电子的连续性方程： 电流方程： 空间电荷分布形成局域电场，满足高斯定理： ( 0) : 2 3 2 3 = = −    + + + + + + N N I N N F N F N F Fe LiNbO A D D D e D e D e 剩余的 （受主） （施主）

2.驱动光强 (3-4)式和(3-6)式中驱动光强I是两波干涉产生的非均匀 光强分布。在光折变晶体内,记录光路采用简单的两波混频方式 (见图36),下标s表示信号光,r表示参考光。同频率的两记录 光波的场强矢量表示为 E=Ee j(g- oe (3-8) E= e e (3-9) 式中,E,E分别表示两相干光波的复振幅: E。=E,(z)en (3-10) E1=E1(z)e(2) (3-11)

2. 驱动光强