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热固定全息机理和基本方法 时间:2017-06-28   点击:  栏目:全息新闻

  热固定全息机理和基本方法

  体全息热固定技术的开创工作是由RCA实验室的Amodei和Staebler等于1971年在Fe:LiNbO3晶体中完成的,这也是最早使用的全息图固定技术.随后,Vormann等研究证实在掺铁铌酸锂晶体的热固定过程中,H+在空间电荷场作用下进行迁移是其热固定的基本机制.

  晶体中最初记录的全息图,是由光激发电子以不同输运机制运动到暗区,被陷阱俘获后形成的空间电荷分布图样,即全息电子光栅.对全息电子光栅的热固定是基于空间电荷场作用下离子的运动机制,铌酸锂晶体中参与作用的离子被证明是H+.普遍认为,离子的热激发温度大大低于电子的热激发温度,在温度高于70~80℃时,铌酸锂晶体中H+的电导率远大于Fe²+的电子热激发产生的电子暗电导率,因而此时全息电子光栅相对稳定,而离子在电子光栅空间电荷场驱动下迅速运动,形成一个与电子光栅互补且具有相同光栅周期的离子光栅,从而使包含在写入电子光栅中的信息复制到离子光栅上.

  完整的热固定过程包括两个步骤:定影过程和显影过程.定影是在全息图记录进行时或记录完成之后,将晶体加热到140℃,由于高温下离子电导率比电子的暗电导率大得多,晶体中带正电荷的离子被热激活并受到电子光栅的空间电荷场作用而运动,形成与电子光栅互补的具有相同光栅周期的离子光栅.显影是待晶体冷却到室温后,用连续均匀的非相干光束照明全息图,可以释放陷获电子,即使对照明光敏感的电子光栅被部分清楚,留下一个部分消补偿的离子光栅显现出来.由于离子对光照不敏感,读出时进一步的照明不会擦除经过定影和显影厚的离子图样.并且,在低温下的离子电导率也低,从而延长了全息图在暗光状态下的保存时间.将晶体加热到200℃以上,才能恢复晶体中离子和电子的均匀分布,完全擦除存储固定的信息.因此,离子光栅适合于更长期的保存和更持久的光读出,从而实现非易失性全息存储.

  实施热固定的基本方法分为记录后补偿法和同时记录补偿法.记录后补偿法(或称为低温-高温-低温热固定发)的实施流程为:在室温下记录全息电子光栅,然后将晶体在暗态下加热至高温并保持一段时间,使得热激发离子在暗态下对电子光栅进行充分补偿,然后降至室温进行显影.同时记录补偿法(也称为高温-低温热固定法)的实施流程为:在高温下记录全息电子光栅,并且随着写入过程的进行,热激发的离子同步补偿电子光栅,然后冷却到室温,进行显影.

  Amodei首先采用记录后补偿法在Fe:LiNbO3晶体的存储实验中实现热固定,不久Staebler采用同时记录补偿法热固定记录511幅全息图,再现出的全息图质量相当于或甚至好于其他方法记录或固定的全息图.一般而言,同时记录补偿比记录后补偿的热固定全息图的衍射效率更高.两种固定记录方法所引起的全息图衍射效率差值强烈依赖全息系统的记录几何.在透射光路中,采用后补偿法进行记录固定时,晶体内电荷扩山通过较大光栅周期距离的能力限制了其全息图的固定后衍射效率;以同时补偿记录固定时,由于晶体内的电荷进行双极型扩散,因而形成更强的补偿光栅.对于光栅周期较小的领面入射记录记录几何,固定后全息光栅的强弱取决于晶体内可利用的电荷数而不是扩散能力,因此采用后补偿法和同时补偿法可以得到基本相当的衍射衍射效率.

  另外,由于同时记录补偿法的记录和读出在不同温度下进行,光折变晶体中全息光栅的条纹间距,以及晶体折射率均随温度发生改变,导致相应的布拉格角也随温度变化.如果记录固定的是全息图像,由于图像信号的各个平面波分量所对应的布拉格角不同,读出时则无法以相同的衍射效率同时重构出每个平面波分量,因此影响了对所存储固定的图像信息页面的完整恢复.可以通过调节参考光角度和波长进行布拉格匹配,逐步读出并基本恢复页面完整信息.但是,波长调节对于角度复用系统不实用,因此适用于实用系统的热固定技术应该具有在同一温度下记录和读出的特点.

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