熱固定全息機理和基本方法
體全息熱固定技術的開創工作是由RCA實驗室的Amodei和Staebler等于1971年在Fe:LiNbO3晶體中完成的,這也是最早使用的全息圖固定技術.隨后,Vormann等研究證實在摻鐵鈮酸鋰晶體的熱固定過程中,H+在空間電荷場作用下進行遷移是其熱固定的基本機制.
晶體中最初記錄的全息圖,是由光激發電子以不同輸運機制運動到暗區,被陷阱俘獲后形成的空間電荷分布圖樣,即全息電子光柵.對全息電子光柵的熱固定是基于空間電荷場作用下離子的運動機制,鈮酸鋰晶體中參與作用的離子被證明是H+.普遍認為,離子的熱激發溫度大大低于電子的熱激發溫度,在溫度高于70~80℃時,鈮酸鋰晶體中H+的電導率遠大于Fe²+的電子熱激發產生的電子暗電導率,因而此時全息電子光柵相對穩定,而離子在電子光柵空間電荷場驅動下迅速運動,形成一個與電子光柵互補且具有相同光柵周期的離子光柵,從而使包含在寫入電子光柵中的信息復制到離子光柵上.
完整的熱固定過程包括兩個步驟:定影過程和顯影過程.定影是在全息圖記錄進行時或記錄完成之后,將晶體加熱到140℃,由于高溫下離子電導率比電子的暗電導率大得多,晶體中帶正電荷的離子被熱激活并受到電子光柵的空間電荷場作用而運動,形成與電子光柵互補的具有相同光柵周期的離子光柵.顯影是待晶體冷卻到室溫后,用連續均勻的非相干光束照明全息圖,可以釋放陷獲電子,即使對照明光敏感的電子光柵被部分清楚,留下一個部分消補償的離子光柵顯現出來.由于離子對光照不敏感,讀出時進一步的照明不會擦除經過定影和顯影厚的離子圖樣.并且,在低溫下的離子電導率也低,從而延長了全息圖在暗光狀態下的保存時間.將晶體加熱到200℃以上,才能恢復晶體中離子和電子的均勻分布,完全擦除存儲固定的信息.因此,離子光柵適合于更長期的保存和更持久的光讀出,從而實現非易失性全息存儲.
實施熱固定的基本方法分為記錄后補償法和同時記錄補償法.記錄后補償法(或稱為低溫-高溫-低溫熱固定發)的實施流程為:在室溫下記錄全息電子光柵,然后將晶體在暗態下加熱至高溫并保持一段時間,使得熱激發離子在暗態下對電子光柵進行充分補償,然后降至室溫進行顯影.同時記錄補償法(也稱為高溫-低溫熱固定法)的實施流程為:在高溫下記錄全息電子光柵,并且隨著寫入過程的進行,熱激發的離子同步補償電子光柵,然后冷卻到室溫,進行顯影.
Amodei首先采用記錄后補償法在Fe:LiNbO3晶體的存儲實驗中實現熱固定,不久Staebler采用同時記錄補償法熱固定記錄511幅全息圖,再現出的全息圖質量相當于或甚至好于其他方法記錄或固定的全息圖.一般而言,同時記錄補償比記錄后補償的熱固定全息圖的衍射效率更高.兩種固定記錄方法所引起的全息圖衍射效率差值強烈依賴全息系統的記錄幾何.在透射光路中,采用后補償法進行記錄固定時,晶體內電荷擴山通過較大光柵周期距離的能力限制了其全息圖的固定后衍射效率;以同時補償記錄固定時,由于晶體內的電荷進行雙極型擴散,因而形成更強的補償光柵.對于光柵周期較小的領面入射記錄記錄幾何,固定后全息光柵的強弱取決于晶體內可利用的電荷數而不是擴散能力,因此采用后補償法和同時補償法可以得到基本相當的衍射衍射效率.
另外,由于同時記錄補償法的記錄和讀出在不同溫度下進行,光折變晶體中全息光柵的條紋間距,以及晶體折射率均隨溫度發生改變,導致相應的布拉格角也隨溫度變化.如果記錄固定的是全息圖像,由于圖像信號的各個平面波分量所對應的布拉格角不同,讀出時則無法以相同的衍射效率同時重構出每個平面波分量,因此影響了對所存儲固定的圖像信息頁面的完整恢復.可以通過調節參考光角度和波長進行布拉格匹配,逐步讀出并基本恢復頁面完整信息.但是,波長調節對于角度復用系統不實用,因此適用于實用系統的熱固定技術應該具有在同一溫度下記錄和讀出的特點.
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