自贝尔实验室的Ashkin［7］等发现光折变效应以来，电光晶体中光折变效应在体全息存储、光信息处理、光写入波导等领域具有潜在的应用并得到广泛的关注［7，8］。随着光通信、光存储和光计算等信息产业的发展，小型化和集成化是光学器件和系统的发展方向。在一块晶体中记录边界清晰的局域体全息构成三维集成系统，可以实现单块晶体的光学集成。因此，光折变全息已成为实现光信息存储和光学集成的有效手段之一。其中，铌酸锂（LiNbO3）晶体可以满足大尺寸、高光学质量、较低成本、对光吸收有较大折射率变化等性能要求，成为光折变体全息光栅中应用最为广泛的光折变材料［9］。光折变晶体中的体全息光栅是利用晶体的光折变效应，将光信息以全息电子光栅的形式存储于光折变晶体中，并且使用均匀光照射读取信息。由于电子光栅的暗保存时间较短（通常为数小时至数天），存储于光折变晶体中的信息难以长期保存。尤其是由于光折变晶体中的获陷电子对光照敏感，已记录的电子光栅全息图在信息读取过程中会受到读取光的擦除作用（光擦除时间常数通常为数百秒至数千秒），引起全息图衍射效率降低，导致存储信息的丢失。为了使信息能够长期保存和非破坏性读取，必须对全息图进行固定。固定方法有热固定［10］、电固定［11］和光固定［12］等，其中，热固定是目前研究得最为活跃并且效果很好的固定方法［13］。

基于铌酸锂（LiNbO3）晶体光折变全息所具有的上述优势，本节介绍一种用于合成孔径激光成像雷达的光折变全息并行成像处理器。利用Fe：LiNbO3晶体光折变全息记录及热固定原理，将SAIL光学处理器中所用的等效波面以体全息的形式记录在Fe：LiNbO3晶体中，并利用Fe：LiNbO3晶体代替传统的透镜系统对SAIL回波信号进行像重建，以实现集成化SAIL光学处理器的目的。

体全息存储是当前最有潜力的高速大容量信息存储技术。光折变晶体存储全息图，存储容量大，记录过程简单，记录的全息图既可以擦除重写，又可以进行固化定影长期保存，因此光折变材料是全息存储的首选材料［8］。掺铁铌酸锂晶体（Fe：LiNbO3）可以满足大尺寸、高光学质量、较低成本、对光吸收有较大折射率变化等性能要求，是一种典型的光学全息存储材料，在国防、通信等领域中有着广泛的应用。利用晶体的光折变特性，可以将光信息以全息图的形式记录于晶体中，再通过各种复用方式实现同一体积中高密度的信息存储。由于记录过程的动态存储机制造成光折变晶体中记录的信息易于“挥发”，所以难以长期保存。光栅在材料中记录后的全息图在再次读取过程中，读取光将会部分擦除原有光栅，引起衍射效率的降低等制约其实际应用的“瓶颈”问题。研究光折变全息的定影技术、实现全息图长期保存和无损读取，成为全息信息存储实用化的关键技术。

光折变效应是电光材料在光辐照下，折射率随光强的空间分布而变化，是发生在光电材料中的一种复杂的光电过程。光折变效应［7］的物理含义是：电光晶体内的杂质、空位或缺陷在晶体禁带隙中形成中间能级，即构成电荷的施主或受主能级。当晶体在适当波长光辐照下，晶体内的施主（受主）被电离放出电子（空穴），同时，电子（空穴）从中间能级受激跃迁到导带（价带）。在导带（价带）内，光激发载流子在带中或因浓度梯度扩散，或在电场作用下漂移，或由光生伏打效应而自由迁移。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，最后离开光照区而在暗光区被电子（空穴）陷阱俘获。这样形成了与光强空间分布相应的空间电荷分布。如果晶体不存在反演对称性，空间电荷场将通过线性电光效应（泡克尔斯效应）在晶体内形成折射率在空间的调制变化，或者说在晶体内写入体相位栅。并且，光束在写入相位栅的同时，又受到自写入相位栅的衍射作用进行读取，因此光束的读写过程在光折变晶体内是同时进行的。当读取光照射在全息图上，光波在体相位栅内衍射，各条纹面所散射的光相叠加形成再现光波。当满足布拉格条件时，各面层的衍射光波同相相加，使衍射光加强，再现出原始像。

布拉格条件表示为：2Λn cos（ψ-θb）=mλ，Λ为条纹之间的间距，θb是记录介质内的再现光波与z轴的夹角，ψ是条纹面的法线方向与z轴的夹角。

光折变效应是由贝尔实验室的Ashkin［7］等于20世纪60年代，在用LiNbO3和LiTaO3晶体进行光倍频实验时意外发现的。Chen等人首次将光折变材料用于光数据存储。从而引起了人们对它的普遍重视和极大兴趣。光折变效应被广泛地应用于高密度信息存储、激光物理、信息处理与计算等领域中。对于整个光折变过程，从光入射到空间电荷场的形成，可以用带输运模型来描述。带输运模型是一个成功的模型，它包括从1979年报道的单中心模型（曾经很成功的解释了掺铁与掺铜铌酸锂晶体的光折变效应）到后来的电子空穴竞争以及双中心模型。

光折变全息非破坏性读取有两种途径：①形成光不敏感的离子光栅补偿挥发的电子光栅，通过温度控制离子运动。②通过在室温下施加和极化场反方向的外电场形成电子光栅形式的铁电畴光栅。目前已经发展的全息信息存储的固定方法有热固定、电固定［14］、双色存储技术［15］等。

热固定技术是目前研究得最为活跃并且效果很好的固定技术。热固定技术是由Amodei等首先在Fe：LiNbO3晶体的存储实验中实现的最早的全息固定方法［10］，也是研究得最广泛且取得效果较好的一种。目前普遍认为：热固定是基于离子补偿原理，在高温下，离子的电导率是主导的，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，氢离子显著移动形成一个与电子光栅互补的、有相同电荷、具有相同光栅周期的离子光栅，补偿了原来电子光栅形成的空间电荷场，这样饱含在写入电子光栅中的信息就复制到离子光栅上。室温下晶体中的离子较电子稳定，均匀的光照可以擦除部分电子光栅，使离子光栅显影出来。固定后的离子光栅在室温下稳定，不易被光照擦除，这样通过信息载体的替换，晶体中记录的全息图适合于更长期的保存和更持久的光读取。从而达到非挥发全息存储的目的。完整的热固定过程包括两个步骤：定影和显影过程。定影是在全息图记录进行之中或记录完成之后，将晶体加热到100～180℃。在此温度下，晶体中的离子被热激活而运动，即形成与电子光栅互补的有着相同光栅周期的离子光栅。显影是晶体冷却到室温后，用连续均匀光束照明全息图，对光敏感的电子光栅被部分清除，留下一个部分消补偿的离子光栅。读取光的照明不会擦除离子光栅。晶体被加热到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。热固定的实现过程如图10-14所示。

阶段Ⅰ是常温下记录的电子光栅被加热产生离子传输的过程，产生了一个补偿过的光栅，由静空间电荷场幅值E1表示。阶段Ⅱ中全息光栅在常温下被记录光照射，使得原来的电子光栅被擦除，只剩下高温时补偿的离子光栅，是显影的过程。此光照部分地引起了陷落电子的重新分布，使准稳态电场达到峰值Et。阶段Ⅲ中离子光在常温下也将被擦除，是离子光栅的衰减过程。

根据记录与加热定影的先后关系，目前存在两种热固定技术［16］：一种是在常温（standard room temperature，SRT）下记录全息电子光栅，在暗态下加热到100～180℃，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，然后冷却降至室温SRT，再在均匀光照射下进行显影的技术，称为LHL（low-high-low）热固定；另一种则是在高温下直接记录全息电子光栅，并且随着写入过程的进行，热激发的离子同步地补偿电子光栅，形成补偿的离子光栅，然后冷却到室温进行显影技术，称之为HL（high-low）热固定。

光折变现象的模型一般为带输运模型。多年来，针对不同的光折变现象，人们给出了十几种带输运模型来描述相应的光折变效应［17］。其中，Kukhtarev等人［18］提出的典型带输运模型——单中心模型，如图10-15所示，考虑了光激发载流子在晶体内的3种可能的迁移过程，即扩散（光激发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的一种异常光生伏打效应）。光折变效应的物理过程可概括为：①空间调制分布的光，激发晶体内载流子的过程；②光激载流子迁移、被俘获，直至建立空间电荷场的过程；③通过线性电光效应，空间电荷场引起晶体折射率调制的过程。Kukhtarev带输运模型给出了描述光折变效应的一组动力学方程组，比较全面地分析了光折变效应的微观过程，给出了对稳态和动态光折变现象的结论。

在带输运模型中，光折变材料的缺陷和杂质作为施主（或受主）心，在光照区电子（或空穴）被激发到导带（或价带）。与此同时，被电离的施主（或俘获的受主）成为电子（或空穴）陷阱。被激发的自由载流子在扩散、漂移和光伏特效应3种电荷输运机制作用下移动，最终在暗光区被陷阱所俘获，导致空间电荷分离，从而产生调制的空间电荷场Esc，并通过线性电光效应调制晶体的折射率。

由于实际加工过程中会对Fe：LiNbO3晶体的面型、掺杂浓度等方面引入误差，通过对Fe：LiNbO3晶体进行偏振检测，可以直观地得到Fe：LiNbO3晶体面型的平整度、掺杂浓度的均匀性等特征。可以为实际晶体的挑选提供一定的参考。

Fe：LiNbO3晶体单偏振均匀性检测实验光路如图10-16所示。该光路类似马赫-曾德尔干涉仪，激光器输出的激光经过起偏器后变为线偏光，经过准直扩束器与棱镜分束器（BS）后分为两路，两路光束分别经过平面镜与BS后合束，宽光束经过缩束望远镜后由CCD接收。Fe：LiNbO3晶体置于一束光路上。

实验中所用Fe：LiNbO3晶体厚度有1，2，3 mm 3种规格，掺杂浓度有0.1，0.15，0.25 wt%3种规格，厚度、掺杂浓度两两组合，总共9块Fe：LiNbO3晶体，晶体面型如图10-17所示，尺寸为25 mm×15 mm，光轴平行于长边方向。

激光器输出波长为514 nm，实验中改变起偏器偏振方向使其分别平行于光轴或垂直于光轴，因此可以得到寻常光（o光）与非常光（e光）条件下的晶体偏振均匀性干涉图。另外，在特定偏振光条件下，调节一路光束平面镜，使干涉场中条纹最少，可得到条纹最少条件下的干涉图。因此，对于每块Fe：LiNbO3晶体，得到4张偏振干涉图：o光零场干涉图、e光零场干涉图、o光条纹最少干涉图、e光条纹最少干涉图。

图10-18为不同厚度、不同掺杂浓度Fe：LiNbO3晶体的单偏振干涉图。每张大图的4张小图分别为o光零场干涉图（左上）、e光零场干涉图（右上）、o光条纹最少干涉图（左下）、e光条纹最少干涉图（右下）。通过干涉条纹的疏密程度可以直观地看出掺杂浓度0.15 wt%、厚度2 mm以及掺杂浓度0.25 wt%、厚度2 mm的Fe：LiNbO3晶体加工面型较好。值得注意的是图10-18（g），（i）中“蝴蝶”状图形产生的原因是对这两块晶体进行偏振检测之前进行了全息记录而使晶体内部形成了体光栅的缘故。

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图10-18　不同厚度、不同掺杂浓度Fe：LiNbO3晶体单偏振干涉

（a）掺杂浓度0.1 wt%、厚度1 mm；（b）掺杂浓度0.1 wt%、厚度2 mm；（c）掺杂浓度0.1 wt%、厚度3 mm；（d）掺杂浓度0.15 wt%、厚度1 mm；（e）掺杂浓度0.15 wt%、厚度2 mm；（f）掺杂浓度0.15 wt%、厚度3 mm；（g）掺杂浓度0.25 wt%、厚度1 mm；（h）掺杂浓度0.25 wt%、厚度2 mm；（i）掺杂浓度0.25 wt%、厚度3 mm

对于Fe：LiNbO3晶体双偏振均匀性检测基于上述单偏振均匀性检测光路，实验中挡住了不含晶体的光路。调节起偏器及检偏器偏振方向相互垂直，并分别与晶体光轴成45°夹角，使该光路成为一种偏光干涉光路。

图10-19显示了不同厚度、不同掺杂浓度Fe：LiNbO3晶体双偏振干涉图。同样，通过干涉条纹的疏密程度可以直观地看出掺杂浓度0.15 wt%、厚度2 mm以及掺杂浓度0.25 wt%、厚度2 mm的Fe：LiNbO3晶体加工面型较好。

图10-19　不同厚度、不同掺杂浓度Fe：LiNbO3晶体双偏振干涉

（a）掺杂浓度0.1 wt%、厚度1 mm；（b）掺杂浓度0.1 wt%、厚度2 mm；（c）掺杂浓度0.1 wt%、厚度3 mm；（d）掺杂浓度0.15 wt%、厚度1 mm；（e）掺杂浓度0.15 wt%、厚度2 mm；（f）掺杂浓度0.15 wt%、厚度3 mm；（g）掺杂浓度0.25 wt%、厚度1 mm；（h）掺杂浓度0.25 wt%、厚度2 mm；（i）掺杂浓度0.25 wt%、厚度3 mm

另外，利用测角仪分别测定了每块晶体的平行度即前后表面的夹角，测量结果如表10-1所示。由表得：掺杂浓度为0.15 wt%、厚度为2 mm以及掺杂浓度为0.25 wt%、厚度为2 mm的晶体平行度较好。

图10-20为Fe：LiNbO3晶体全息记录光路。激光器输出波长为514nm，起偏器用于调节入射总光功率，第一半波片调节偏振分束棱镜（PBS）记录光与参考光的光功率使其相等，第二半波片将PBS透射光即记录光调节为竖直偏振态以使晶体两路照射光偏振态相同，两个小孔起滤波作用，记录光与参考光夹角为20°。数控光阑控制参考光的通断，当数控光阑闭合时，探测器1，2分别记录光的衍射光以及透射光的功率I1，I2，全息记录衍射效率为ρd=100%*I1／（I1+I2）。

实验所用Fe：LiNbO3晶体掺杂浓度分别为0.25，0.15，0.1 wt%，厚度均为3 mm。不同晶体实物如图10-21所示。掺杂浓度0.15 wt%的晶体衍射较深，因此对入射光的透过率较低。实验全息记录过程中数控光阑通光时间设定为5 s，单支路入射光功率2 mW（入射光功率密度1 273 W／m2）。当全息记录衍射效率到达峰值衍射效率一半左右时停止记录，将晶体放入暗室，待3块晶体全部记录完毕，将其同时放入温控箱中从80℃加热到120℃完成热固定后取出，待其经历冷却后将晶体位置还原到全息记录光路中，此时数控光阑一直处于闭合状态，记录两个探测器的功率值，得到热固定后的衍射效率。热固定衍射效率与全息记录衍射效率计算方法相同。

上述3种掺杂浓度的Fe：LiNbO3晶体的全息记录及热固定衍射效率对比情况如图10-22（a）～（c）所示，图中灰色线代表全息记录衍射效率，黑粗线代表热固定后的衍射效率。由3张图的对比情况得：掺杂浓度0.1 wt%的Fe：LiNbO3晶体全息记录衍射效率峰值上升沿较短，且随着掺杂浓度的升高，全息记录衍射效率峰值上升沿逐渐增加，3种掺杂浓度Fe：LiNbO3晶体全息记录峰值衍射效率相差不大，掺杂浓度为0.15 wt%的Fe：LiNbO3晶体热固定后衍射效率始终为零，具体原因有待分析。另外，掺杂浓度为0.25 wt%与0.1 wt%的Fe：LiNbO3晶体热固定后的衍射效率峰值相差不大。

综合考虑不同掺杂浓度、不同厚度的Fe：LiNbO3晶体的单偏振、双偏振均匀性，平行度以及全息记录／热固定衍射效率，得上述九块晶体中，掺杂浓度为0.25 wt%，厚度为2 mm的Fe：LiNbO3晶体整体性能良好，选为后续实验所用晶体。

对于选出的掺杂浓度为0.25 wt%、厚度为2 mm的Fe：LiNbO3晶体，进行了不同位置全息记录衍射效率均匀性测量，全息记录光路与图10-20相同，晶体全息记录位置选择情况如图10-23所示，选择以晶体中心为中心对称的7个区域，由此7个区域的全息记录衍射效率均匀性可粗略地得知其覆盖晶体面积的全息记录衍射效率均匀性。光斑直径2 mm，因此所选位置覆盖晶体尺寸为14 mm×8 mm，满足后续SAIL光学像重建数据加载对晶体面积的要求。

图10-22　不同掺杂浓度的Fe：LiNbO3晶体的全息记录及热固定衍射效率

掺杂浓度分别为（a）0.1 wt%；（b）0.15 wt%；（c）0.25 wt%

实验中总入射光功率密度为3 184 W／m2，数控光阑每次通光时间为15 s。上述所选7个区域的全息记录衍射效率随时间的变化情况如图10-24所示，由图可得，中心区域上升沿较其他区域稍短，而且衍射效率经过峰值后下降较快，其余区域上升沿及下降趋势大体相同，因此所考察晶体区域基本均匀。