第1页，共38页，星期日，2025年，2月5日引言用全息方法在三维材料中存储信息，由于存储容量大、数据传输速率高、可进行并行内容寻址等优点而成为信息存储领域中的科学前沿和技术热点。本实验用空间光调制器作为组页器，用CCD进行二维数据采集，用计算机控制实验过程，实现光折变晶体中的全息存储和读出，是全息学与光电信息处理的综合性实验。了解体全息存储的基本原理和方法，学习邻面入射（即90°入射）全息记录光路的搭建和调试，通过光折变晶体中动态光栅的建立和体光栅的角度选择性的测量，体会体全息存储的优越性和实现大容量存储的途径。第2页，共38页，星期日，2025年，2月5日基本原理全息记录与再现典型的邻面入射式全息存储构成原理如图一所示，物光束经过空间光调制器（SLM）而携带信息，参考光束以特定方向直接到达记录介质。不同的数据图像与不同的参考波面一一对应，在两相干光束相交的介质体积中形成干涉条纹。在写入过程中，材料对干涉条纹照明的响应而产生折射率分布，因而在材料中形成类似光栅结构的全息图。读出过程利用了光栅结构的衍射，用适当选择的参考光（是写入过程中某一参考光的复现）照明全息图，使衍射光束经受空间调制，从而几乎是精确地复现出写入过程中此参考光相干涉的数据光束的波面。这就是全息图存储信息的基本原理。第3页，共38页，星期日，2025年，2月5日第4页，共38页，星期日，2025年，2月5日光折变晶体中全息光栅写入过程τ光折变效应晶体材料目前被广泛用作大容量体全息存储的记录介质。光折变效应是发生在电光材料内部的一种复杂的光电过程。在光辐照下，具有一定杂质或缺陷的电光晶体内部形成与辐照光强空间分布对应的空间电荷分布，并且由此产生相应的空间电荷场。此电场通过现行电光效应，在晶体内形成折射率的空间调制即位相光栅；与此同时入射光又被自身写入的位相光栅衍射。由此可见，光折变晶体内的折射率位相光栅属于动态光栅，这是光折变材料适合于进行实时全息记录。折射率光栅的动态建立过程可表示为：第5页，共38页，星期日，2025年，2月5日Δn(t)=Δnmax[1-exp(-t/tw)]式中tw是晶体的写入时间常数，反映了晶体的响应速度，是饱和折射率调制度，即在写入时间t远大于光栅写入时间常数后，晶体折射率变化的幅值。体全息光栅的衍射效率与角度选择性以物光波和参考光波都是平面波为例，θr和θs分别是参考光和物光在介质内的入射角，见图二。根据光的干涉原理，在记录介质内部应形成等间距的平面族结构，即体光栅。条纹面应处于R和O两光束夹角的角平分线，它与两束光的夹角θ=（θr–θs）/2。体光栅常数Λ将满足关系式第6页，共38页，星期日，2025年，2月5日2Λsinθ=λ（2）式中λ为光波在介质内部传播的波长。图二体光栅纪录的几何关系第7页，共38页，星期日，2025年，2月5日体积全息图对光的衍射作用与布拉格（Bragg）对晶体的x射线衍射现象所作的解释十分相似，因而常借用所谓的“布拉格定律”来讨论体积全息图的波前再现，把（2）式称为“布拉格条件”，角度θ称为“布拉格角”。具体说来，若把条纹看作反射镜面，则只有当相邻条纹面的反射光的光程差均满足同相相加的条件，即等于光波的一个波长时，才能使衍射光达到极强。因此，只有当再现的光波完全满足该布拉格条件时才能得到最强的衍射光。当写入和读出均使用相同的波长时，若读出的角度稍有偏移，衍射光强将大幅度下降，并迅速将为零。考虑到读出光对布拉格条件可能的偏离，根据耦合波理论，对于无吸收的透射型位相光栅，衍射效率为第8页，共38页，星期日，2025年，2月5日其中参数ν、ξ分别由下式给出式中λ是空气中的波长，δ是由于照明光波不满足布拉格条件而引入的相位失配，当读出波的波长不变，入射角对布拉格角的偏离为Δθ时，相位失配因子δ可表示为第9页，共38页，星期日，2025年，2月5日为光栅条纹平面的法线方向与z轴的夹角。当读出光满足布拉格条件入射时，Δθ=0，可知ξ=0，此时衍射效率为(7)结合（4）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Δn的增加而增加，当调制参量ν=π/2时，η0=100％.根据（3）-（7）式，可以给出无吸收透射位相全息图归一化的衍射效率η/η0（η0为满足布拉格条件时的衍射效率）随布拉格失配参量ξ的变化曲线，其主瓣宽度（2个一级零