专题封面 | 铌酸锂晶体：从全息存储到三维显示
为及时和全面反映光信息加密及存储技术的最新发展趋势，《中国激光》于2023年第18期出版“多维光信息加密及存储技术”专题。（点击查看专题网页）
专题封面文章来源于南开大学许京军、孔勇发、任梦昕教授课题组。文章综述了铌酸锂晶体光折变全息存储及显示的原理、研究历史和最新进展，并展望了未来可能的发展方向。（点击查看原文）
郑大怀, 王烁琳, 陈俊锟, 张宇琦, 刘宏德, 任梦昕, 孔勇发, 许京军. 铌酸锂晶体：从全息存储到三维显示[J]. 中国激光, 2023, 50(18): 1813001.
封面解读
一.
背景介绍
20世纪70年代，随着信息科学技术的高速发展，磁带、磁盘以及光盘已经不能满足人们日益增长的数据存储需求。全息三维存储容量的理论极限可以达到1012 bit/cm3 ，远远高于传统的一维、二维存储器。
铌酸锂（LiNbO3, LN）晶体是一种集电光、声光、压电、非线性和光折变效应于一身的多功能人工晶体材料，被称为“光子学硅”。基于其优异的光折变性能，铌酸锂成为全息三维存储和显示的候选材料之一（图1）。
研究人员基于LN晶体的光折变效应在全息存储中的应用展开了广泛的研究：发展了大家熟知的饱和衍射效率大幅提高的掺铁铌酸锂（LN:Fe）晶体，可实现非挥发存储的铁锰双掺铌酸锂（LN:Fe,Mn）晶体；发现了光感应光散射的辐照光斑尺寸效应和光爬行效应，并将其成功应用于全息光散射理论分析；实现了信息存储过程中的噪音抑制，成功将存储容量提高至30 Gbit /cm3以上，远高于当时的二维盘片的存储容量，并成功研制了三维全息海量存储器原型机。
近几年，随着增强现实（AR）、虚拟现实（VR）对三维显示技术的迫切需求，基于铌酸锂晶体的动态全息三维显示技术重新进入人们的视线，并取得一系列研究成果。通过掺杂含有孤对电子的离子，LN晶体的光折变响应速度显著提高，铋镁双掺铌酸锂晶体在442 nm激光作用下，响应时间缩短到13 ms，满足了动态全息显示的要求。由于市场对理想三维显示技术以及海量数据储存的迫切需求，铌酸锂晶体在动态全息三维显示和光存储方面表现出巨大的应用前景。
本文综述了铌酸锂晶体光折变全息存储及显示的原理、研究历史和最新进展，并对未来可能的发展方向进行了展望。
二.
铌酸锂晶体全息存储与动态显示
1、全息术
全息术（Holography）是由英国物理学家Dennis Gabor在1948年首先提出来的，初衷是为了消除电子显微镜的像差，提高图像的分辨率。由于当时没有足够强的相干辐射光源，并且无法分离和观察共轴记录技术形成的“孪生像”，限制了全息技术的发展和应用。
1960年，激光器的发明极大地推动了全息术的发展，再次引起了人们对全息技术的研究兴趣。随后Leith和Upatnieks采用离轴的记录方式，消除了孪生像，成功将不同衍射级的图像分离开来。1971年，Gabor也因为发明和发展了全息术而获得诺贝尔物理学奖，全息技术开启了蓬勃发展的时期。
光折变全息三维存储被认为是下一代光学存储技术之一，具有更小的体积、更大的存储量和更高的数据传输率等显著优点。图2是基于光折变聚合物实现光全息存储和显示的原理图。加载有空间光信息的信号光与另一束相干光在聚合物材料中发生干涉和衍射形成全息图。当光折变材料再次被参考光照射时，便可以读取前期存储的信息或呈现三维图像。
2、铌酸锂晶体全息存储
LN晶体基于其优异的光折变效应成为光学体全息存储的候选材料之一，但饱和衍射效率低、响应速度慢、易挥发、光散射明显成为限制其实际应用的直接障碍。
研究人员围绕调控LN晶体光折变效应开展了大量研究工作，并取得一系列重要成果，包括发展了多种光折变饱和衍射效率显著提高、响应速度明显加快、可实现非挥发存储的掺杂LN晶体，发现了LN晶体的紫外光折变效应，揭示了光扇形效应的机制及控制方法。
南开大学团队通过对铌酸锂晶体的噪声多波耦合机制、信噪光之间的光放大竞争以及光致光散射光强阈值效应的理论研究实现了噪声抑制，成功将存储容量提高至30 Gbit/cm3以上，比当时二维盘片的存储容量高一千倍，成功研制了三维全息海量存储器原型机。
目前美国微软公司已经投入大量经费研究开展“光云项目”（Optics for the Cloud），积极开发基于LN晶体的全息存储技术，用于解决云端数据的海量存储与交互问题。
3、铌酸锂晶体动态全息显示
三维显示可以完整展现场景的强度和深度信息，以极强的视觉沉浸感和真实感，带来二维显示无法睥睨的视觉体验，以及前所未有的临场感。随着AR、VR、元宇宙等三维应用场景的风靡，三维显示技术越发得到大众的关注。
体三维显示、光场三维显示和全息三维显示是最接近真实的三维显示技术。其中，全息三维显示无需佩戴辅助设备，避免了观看者的疲劳和眩晕，同时能够获取目标场景的所有光学信息，被公认为终极的三维显示技术。
基于光敏感材料的静态全息三维显示已取得长足发展，受限于材料的灵敏度不够高，基于光敏感材料的实时动态全息三维显示尚未能取得突破性进展。LN晶体具有显著的光折变效应，研究人员围绕LN晶体全息三维显示的研究目标，在材料性能调控、视频全息显示等方面均取得一些关键性进展，生长了在蓝光波段能够达到实时动态显示要求的铋镁双掺LN晶体，实现了刷新频率60 Hz的视频全息显示（图3）。
三.
总结与展望
基于优异的光折变性能，铌酸锂成为全息三维存储和显示的主要候选材料。随着云计算等互联网技术的飞速发展，基于铌酸锂晶体的高密度、大容量光学全息三维存储为日益迫切的海量数据吞吐需求提供了解决方案。然而信息载入和提取速度的提高、固定和保存寿命的延长等问题仍需要深入研究。
随着虚拟现实、增强现实、元宇宙等概念的日渐兴起，三维显示表现出巨大的应用前景和经济效益，可实时写入和读取的光折变全息显示是实现三维动态显示的重要技术方法。因此，有必要继续围绕铌酸锂晶体红、绿、蓝三波段响应速度的提高开展深入研究，提前布局动态全息显示装置及技术研究。此外，得益于亚微米级铌酸锂单晶薄膜的产业化制备以及成熟的半导体微纳加工工艺在铌酸锂微纳器件制备中的成功应用，短短几年内基于绝缘体上铌酸锂（LNOI）的新效应及微纳光学器件研究异军突起，取得了令人瞩目的成果。铌酸锂片上高性能电光调制器、激光器、放大器、波导等功能器件和传输器件均被成功制备，LNOI成为新一代优异的集成光子学平台之一。
随着基于LNOI集成光学器件及新效应的研究深入，光折变效应在片上微纳器件研究中也表现了出来，和体块铌酸锂晶体一样，光折变效应对于亚微米铌酸锂薄膜微纳器件的应用也是一把双刃剑。一方面光折变效应对于频率梳、微波光子学等器件的性能会产生不利影响，但在一些微纳器件中也表现出了快速的光折变响应，为可编辑光子学器件方面的研究提供了机遇。因此基于LNOI微纳体系及相关集成光学系统中的光折变效应及应用同样值得关注。
通信作者简介
许京军，南开大学物理科学学院教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。长期从事非线性光子学及其应用的研究工作，研究领域涉及量子相干系综体系制备及其非线性光子学、共振耦合增强非线性光学效应以及新式光控光技术及其应用。近年来，其研究组在Science、Nat Mater、Nat Commun、Phys Rev Lett、等杂志上发表论文300余篇。曾获国家自然科学奖二等奖、青年科学家奖、天津市自然科学奖一等奖等奖。
孔勇发，南开大学物理科学学院教授，博士生导师，教育部“跨世纪优秀人才”，全国高校实验物理教学研究会副理事长，《激光技术》、《人工晶体学报》编委。主要研究领域为信息光子学材料及器件，在铌酸锂晶体的缺陷结构及性能调控方面取得了系列的研究成果，在Adv. Mater., Appl. Phys. Lett., Opt. Lett.等刊物发表论文150余篇，授权发明专利26项，出版专著1部。主持了“863”攻关、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作专项、天津市重大科技攻关等课题的研究工作。曾获国家自然科学奖二等奖、天津市自然科学奖一等奖、天津市技术发明奖二等奖、天津市科技进步奖一等奖。
任梦昕，南开大学物理科学学院教授，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者，天津市青拔，天津市青年科技优秀人才。长期从事微纳体系弱光非线性及其应用的研究。曾获饶毓泰基础光学奖、王大珩光学奖、中国光学重要成果奖。在Phys. Rev. Lett., Light: Sci. & Appl., Nature Commun., Adv. Mater., Nano Lett.等期刊上发表论文60余篇，授权专利15项，编撰中/英文专著2章节，多次受邀于国际学术会议进行邀请报告。承担多项国家自然科学基金项目、重点研发计划项目等。
期刊简介：
《中国激光》创刊于1974年，由中国科学院主管、中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办、中国激光杂志社出版，是全面报道激光技术领域最新研究成果的旗舰级中文学术期刊。2021年改为半月刊，并开始出版“英文长摘要”以提高期刊论文的国际传播力。2021年和2022年分别打造“前沿激光制造”专题刊和“生物医学光子学”专题刊。
《中国激光》目前被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等检索系统收录。多次获得“百强科技期刊”“百种中国杰出学术期刊”“中国精品科技期刊”和“中国最具影响力学术期刊”等称号。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2021年荣获“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。2022年入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”。科学编辑 | 南开大学 郑大怀教授
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