（光学专业论文）基于脉冲光源的光致聚合物全息数据存储的快速读出系统研究.pdf

摘要 摘要 随着信息技术和计算机技术的飞速发展，对于大容量和高传输速率存储器的 要求也日益迫切，而现有的二维光盘存储技术显然不能满足这一要求。全息存储 作为一种新兴的存储方式，因其大容量，高传输速率的特点成为最有潜力的新一 代光存储方式。本论文工作的目的是在研究一种国产光致聚合物材料脉冲光全息 性能的基础上，设计基于脉冲激光器的全息存储快速读出系统，达到每秒1 0 0 幅的读出速率。 本论文首先对脉冲光下光致聚合物全息性能的研究和全息快速读出系统在 国内外发展的最新进展进行了详细的调研，介绍体全息存储和全息存储器读出机 理的基本概念，并对限制读出速率的一些因素进行分析。同时根据实验室现有设 备条件，设计了快速读出实验方案并对读出方案中关键设备的性能进行了论证。 存储材料是影响全息存储能否实现的关键因素。本文也将对一种国产光致 聚合物材料在脉冲激光器下的全息性能进行详细的讨论。结合不同脉冲频率和脉 冲能量对光致聚合物衍射效率等性质的影响，寻找最适合进行全息记录的重复频 率，从而对全息记录的图像质量进行一定的优化。 高密度的存储是实现快速读出的基础。本文中使用了比较成熟的空间一角 度复用存储方案，但在文章的最后也讨论了散斑复用存储方案优越性和可行性。 为了尽量提高全息读出的速率，我们以空间角度复用为基础，设计了可实 现快速读出的全息读出系统并做出了工作流程。通过编制的c v i 程序，使脉冲激 光器，精密平移台，高速c m o s 相机三者实现同步工作，并通过实验验证读出功 能的可靠性。 为了在实验室条件下验证高速读出的可能性，首先根据现有的硬件条件计 算出最高读出速率为每秒2 8 幅图像。在此基础上，在较低存储密度和少幅图像 的条件下，进行存储的飞行读出，完成了原理性的实验，测试了整个系统的可行 性。最后在此基础上使用空间角度复用的方案，增加存储密度，在光致聚合物中 存储多幅全息图像，最终以每秒2 8 幅图像的速率实现了5 幅图像的快速读出。 并分析了在现有条件下，对系统的一些方面进行改进，就可以实验每秒1 0 0 幅图 像的读出目标。 关键词：空间角度复用，光致聚合物，脉冲激光，快速读出 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n t o fc o m p u t e r t e c h n o l o g y a n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n t st ol a r g ec a p a c i t ya n dh i g ht r a n s f e rr a t em e m o r ya r ea l s o i n c r e a s i n g l yu r g e n t ，b u tt h et w o d i m e n s i o n a lo p t i c a ld i s ks t o r a g ec a l ln o tm e e tt h i s r e q u i r e m e n t h o l o g r a p h i cs t o r a g e ，w h i c hh a sl a r g ec a p a c i t ya n dh i 曲t r a n s f e rr a t e ，h a s b e c o m et h en e wg e n e r a t i o no p t i c a ls t o r a g e t h ea i mo ft h i sp a p e ri st od e s i g naf a s t r e a d o u ts y s t e mf o rh o l o g r a p h i cm e m o r i e sb a s e do np u l s el a s e rt og e tt h er e a d o u tr a t e m o r et h a nlo o m b si np h o t o p o l y m e rh o l o g r a p h i cm e d i a i nt h i st h e s i s ，t h et h e o r ya n dp r o g r e s so ff a s tr e a d o u tt e c h n o l o g yo fh o l o g r a p h i c d a t as t o r a g ei nt h ew o r l di ss u r v e y e d ，s o m er e l a t i v ec o n c e p t i o n sa b o u tv o l u m e h o l o g r a p h i cs t o r a g ea n di t sr e a d o u tm e c h a n i s ma r ei n t r o d u c e da n dt h ef a c t o r st h a t a f f e c tt h er e a d o u tr a t ea r ea n a l y z e db a s e do nt h eh o l o g r a p h i cs t o r a g es c h e m e s t h e e x p e r i m e n t a lf a s t - r e a d o u ts y s t e ms u i t a b l ef o rt h ee q u i p m e n ti no u rl a b o r a t o r yi s i n v e s t i g a t e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c e s o ft h en e c e s s a r yd e v i c e si nt h es c h e m e sa r e e v a l u a t e d t h em a t e r i a li sa k e yf a c t o rf o rh o l o g r a p h i cs t o r a g e i nt h i sp a p e rt h eh o l o g r a p h i c p e r f o r m a n c eo fp h o t o p o l y m e ru n d e rp u l s e dl a s e ra r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ei m p a c t o fd i f f e r e n tf r e q u e n c ya n da v e r a g ee x p o s u r ei n t e n s i t yt ot h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yo f p h o t o p o l y m e ri se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d a n dt h ec o n d i t i o n sm o s ts u i t a b l ef o r h o l o g r a p h i ci m a g er e c o r d i n ga r ed e t e r m i n e d i nt h i st h e s i s ，t h em a i ns c h e m ef o rm u l t i p l eh o l o g r a p h i cr e c o r d i n gi ss p a t i o a n g u l a r ， b u tt h ep o t e n t i a lo fs p e c k l e s h i f tm u l t i p l e x i n gi sa l s od i s c u s s e d b a s e do nt h es p a t i o a n g u l a r - m u l t i p l e x e d h o l o g r a p h i cs t o r a g es c h e m ea n dt h e e q u i p m e n ta v a i l a b l ei no u rl a b ，t h eh o l o g r a p h i cs y s t e mt h a tc o u l dr e a l i z et h ef a s t r e a d o u tw a sd e s i g n e d t h eo p e r a t i o np r o c e s sa n dt i m es c h e d u l e r so ft h es y s t e mw e r e a l s ow o r k e do u t t h ep u l s el a s e r , a d d r e s s i n ge q u i p m e n t ( m o t o r i z e dp r e c i s er o t a r y s t a g e ) a n dd e t e c t o ra r r a y ( 1 1 i 曲一s p e e dc m o sc a m e r a ) w e r ed r i v e nt o g e t h e r 、析m s e l f - d e v e l o p e dc v is o f t w a r e t h er e a d o u tr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mw a sv e r i f i e db y e x p e r i m e n t s i no r d e rt o v e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fh i g h s p e e dd y n a m i cr e a d o u tu n d e rt h e c o n d i t i o no fo u rl a b o r a t o r y ，t h ea c h i e v 曲l er e a d o u tr a t ew a sd e t e r m i n e df i r s t l yt ob e 2 8f r a m e sp e rs e c o n da c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so ft h ee q u i p m e n ta v a i l a b l ei n0 1 2 1 7 l a b t h e ne x p e r i m e n t a ls c h e m eo fr e c o r d i n ga n dd y n a m i cr e a d o u to f5h o l o g r a m sw a s d e s i g n e d f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n tw a se x e c u t e di nt h ep h o t o p o l y m e ra n dr e a d o u tr a t e 北京工业大学理学硕士学位论文 o f2 8f r a m e sp e rs e c o n dw a sa c h i e v e ds u c c e s s f u l l y m e a n w h i l e ，w ea n a l y z e dt h a tt h e d e s i r e dr e a d o u tr a t eo f10 0m b sc o u l db er e a l i z e d 、析t hs o m ei m p r o v e m e n t so f s y s t e m k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o ns t o r a g e ，v o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e ，f a s tr e a d o u t ，p u l s e l a s e r , p h o t o p o l y m e r i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： l 彳，护莎谚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师躲盟 日期：型! 生竺 第1 章绪论 第1 章绪论 随着现代多媒体技术的发展和信息化建设的需要，传统的光盘存储技术和磁 盘存储技术在存储容量和传输速度上已经不能满足人们对于数据存储的要求。2 0 世纪4 0 年代，英国科学家d 伽伯发明了全息术【l 】，从此开始了光学技术的新篇 章。但由于缺少足够强的相干光源，全息术的发展前景一时处于黯淡之中。但在 6 0 年代初激光器发明以后，l e i t h 和u p a t n i e k s 2 发明了离轴全息，全息技术才又 重放光彩。而全息存储作为全息术的一个重要的应用，由于其存储容量大和读出 速率快的特剧剐成为最有希望的下一代存储方式。经过各国学者几十年的研究， 通过对于存储技术和存储材料的不断改进，全息存储已经在存储容量和系统实用 性上取的了很多明显的进步。全息存储与传统的光盘存储和磁盘存储相比，有着 以下几个鲜明特点： 1 高冗余度以全息图的形式存储的信息是分布式的，每一信息单元都存 储在介质的整个表面，故记录介质局部的缺陷和损伤都不会引起信息的丢失和误 码，这得益于全息图的波面再现性质，这是其他任何存储技术所无法具有的。 2 高存储密度体全息存储密度理论上限为】九3 【4 】，而传统的存储方式的存 储密度理论上限只能达到玑2 。 3 高传输速率与传统的点信息存储方式不同，全息存储中数据是以全息 数据页的形式存储的。所有数据页都可以并行地记录和读出。这就使全息存储在 读出速率上与传统存储方式相比有明显的优势，可以达到1 0 g b i t s 的读出。 正是由于拥有以上的特点，全息存储已经成为最有希望的下一代存储技术。 随着全息技术和材料科学的发展，体全息存储的实用化条件已经成熟。在材料方 面，光致聚合物材料由于其在制作工艺，价格，全息性能等方面的综合优势，已 取代光折变晶体材料成为最有希望的全息存储材料。而随着电子技术的发展，各 种光电仪器的性能也有了大幅提高，高分辨率大幅面的组页器，精确定位的运动 寻址系统和高速光电探测仪器的引入，保证了全息存储系统快速读出实现的可行 性。近十年来，各国科学家在光致聚合物材料的性能研究和快速读出系统的研究 上取的了很大的进展。 1 1 脉冲光下光致聚合物材料全息性能的研究 使用脉冲光源作为读出光源对于全息存储系统来说的也有很多好处。由于 脉冲激光器的单个脉冲有着高能量的特点，这可以很轻松的实现全息存储系统的 高速读出。但是不同于全息材料在连续光源下的性能研究，脉冲光源下光致聚合 物材料的全息脾it - 厶匕i = j 匕在国内外的研究方面还有很大的不足，无论在重复频率等因素 对材料全息衍射效率的影响以及光致聚合物材料的动力学理论，在国内外的文献 北京工业大学理学硕士学位论文 中涉及的还比较少。 m i k h a i l o v 等人通过对杜邦公司的h r f 一8 0 0 x 0 7 1 2 0 型光致聚合物材料的研 究表明，对光致聚合物材料预曝光后，使用脉冲光进行全息记录可以明显提高其 衍射效率和灵敏度【6 】。g a r c a 等人的在聚乙烯醇丙烯酰铵型光致聚合物材料中进 行全息记录时，在1 0 h z 重复频率下使用四种不同能量的单脉冲进行全息记录， 在o 6 7 m j c m 2 下得到高达5 5 的衍射效率【7 】。而国内在研究光致聚合物材料的脉 冲全息性能方面起步比较晚，2 0 0 6 年，清华大学的何庆声等人使用o 王m j c m 2 的单脉冲激光在不同频率条件下进行全息记录，在2 5 h z 重复频率下得到最高的 衍射效率和最低的噪声【8 】。 目前对于光致聚合物材料来说，随着对其研究的深入，各国科学家提出了很 多光栅形成的动力学模型 9 - 1 4 。而国内的光致聚合物的研发相对国外起步也较 晚，日前国内研制光致聚合物材料的单位主要有中科院理化所【1 5 1 ，上海光机所 垢1 7 1 等单位。本实验中采用的材料都由中科院理化所所提供，其具有衍射效率高 的特点，但在材料性能的稳定性方面和噪声控制方面还存在着一定的缺陷，需要 进一步的改进。 1 2 快速读出技术在国内外的研究现状 对于读出来说，为了得到更高的读出速度，全息存储也应该尽可能的提高其 存储密度。从最早期的空间复用方法到后来的角度复用技术、空间角度复用技 术【1 8 l 、位移复用技术【1 9 】、散斑复用技术【2 1 】等复用技术的改进对于提高全息存 储密度起了非常关键的作用。各国科学家在不断的开发各种能提高存储密度的方 法，这样也一定程度上可以提高读出的速率。而对于基于光致聚合物材料的全息 存储系统，由于其在实现工业化生产和实际应用方面有着非常大的优势，因此各 国也在非常努力的发展这项技术。 在全息系统快速读出领域，日本和美国科学家走在了世界的前列。朗讯科技 选用5 3 2 n m 波长的光记录，以光致聚合物为记录介质，实现了6 4 m b s 的读取速 掣2 2 1 。2 0 0 0 年，斯坦福大学的o r l o v 小组发表论文宣布，其全息随机存储器可实 现1 g b s 的读出速率 2 3 1 。2 0 0 4 年，斯坦福大学和s i r o s 技术中心合作，用转盘、 脉冲激光光源、1o o o f p s c c d 、编码解码器，采用光致聚合物为记录介质在盘转 速3 0 0 r p m 条件下实现了10 g b s 传输速率，这也是目前世界上对光全息存储装 置所报道的最快的传输速率【2 4 1 。图1 1 为其系统示意图。相对于传统存储介质只 有几十兆的传输速率，体全息存储系统在数据的读取速率方面优势是相当大的。 图1 - 1 斯坦福大学全息读出系统设备图o m 吨1 - 1r e a d o u t h o l o g r a p h i cs y s t e m o f s t a n f o r d 我国在2 0 世纪9 0 年代初开始开展全息存储方面的研究，起步比较晚。北京 工业大学是国内最早在此领域开展研究工作的单位之一，并在体全息机理、数字 式三维存储以及超高密度和超大容量等方面获得了许多研究成果。北京工业大学 的李光明在他的全息存储快速读出系统研究课题中设计了一套基于l i n i o ，晶体 的全息存储快速读出系统，达到每秒3 42 m 的读出速率l 。但我国现有的快速 读出的存储系统中，存在一个不足：现有的系统还多采用晶体材料作为存储介质， 这是与世界全息存储的发展是不符合的。 本课题的主要研究内客为在研究光致聚合物脉冲光源全息性能的基础上，主 要内容为使用利用脉冲激光作为光源将信息记录在一种新型的光致聚合物材料 中，利用编写的c v i 程序将包括脉冲激光器，精密平移台，高速c m o s 相机等设 备组成读出系统，实现对整个系统的控制和数据读出，最终实现速率达1 0 0 幅每 秒的数据读出。 本文的主要内容为下： 第。一章为绪论。 第二章首先介绍体全息存储的基本概念，比如体全息光栅的选择性和体全息存 储的常用介质等。然后会介绍体全息存储的复用方案，比如角度复用方案，散斑 复用方案等。然后是全息存储器的读出机理，这一部分的内容将会讨论限制读出 速率的几个因素。 第三章结合自己的实验工作，详细讨论在脉冲光源条件下光致聚合物的全息性 能，主要是讨论不同脉冲重复频率对光致聚合物材料衍射效率的影响。 第四章详细介绍了我们的快速读出方案。包括方案设计图及设计思路、方案中 所必需设备的主要功能。在材料中记录全息图像，然后是根据实验确定单幅全息 图光读取时间并列出读出过程的时序图。最后进行了读出系统的同步匹配性能测 北京工业大学理学硕十学位论文 试。 第五章是实现系统对5 幅全息图快速读出的原理性实验。先确定实验中的 各种参数，随后进行了快速读出5 幅全息图的实验，以每秒2 8 幅图像的速率快 速读出了5 幅图像。然后对实验结果进行了分析，提出了一些系统改进方案。同 时针对本论文中的存储复用方案，讨论散斑位移复用方案的优越性。但限于材料 和设备的限制，让我们最终放弃了散斑复用方案。最后对实验结果进行讨论和总 结。 第2 章全息数据存储的基本原理 本章主要介绍体全息存储技术的基本原理，依次描述了k o g e l n i k 耦合波理论、 体光栅的角度选择性。随后简单描述了在光致聚合物材料中体全息存储的机理和 本论文所用到的复用技术。最后讨论全息读出的基本理论及限制读出速率的主要 因素。 21 体全息存储的基本概念 体全息存储是将物光信息以三维干涉条纹的形式存储在介质内部，即在介质 中形成体全息光栅见图2 1 。其中，缸在介质内的参考光r 的入射角；出条纹 面的法线方向与砷女的夹角；5 ：衍射光；k ：光栅矢量； ：光栅的周期：d ：介 质的厚度。 体全息光栅的记录按照明方式有反射式、透射式和邻面入射式三种，按照记 录材料在光路中位置又可以分为菲涅耳全息图、夫琅和费全息图、像面全息图和 傅立叶变换全息图等。 图2 一i 体光栅衍射示意图 f i g2 l d i f f r a c t i o nb va v o l u m e h o l o g r a p h i c g r a t i n g 按照三维光栅的衍射理论，为使连续散射波同位相相加以便使总的衍射波 振幅到达极大值，则照明光束的波长 ，照明光束与峰值条纹面之间的夹角抚以及 条纹面的间距a 三者之间必须满足布拉格定律口目： 2 a s i n 口= 且( 2 - 1 ) 根据布拉格条件( 2 - 1 ) 式，如果读出光的波长和光栅间距确定，则读出光的入 射角是唯一确定的：若读出光的入射角和光栅间距已确定则读出光的波长唯一 确定。体全息图总是在满足布拉格条件时才能衍射出最强的再现像，若读出光入 射角度或波长不满足布拉格条件，均会引起再现像衍射效率的急剧下降，说明体 北京工业大学理学硕士学位论文 光栅具有很强的选择性。下面用k o g e l n i k 耦合波理论的结果，对体全息图再现 时的选择性和衍射效率进行定量地描述。 2 1 1k o g elnik 耦合波理论 k o g e l i n k 的耦合波理论乜7 1 是分析体全息图衍射特性的基本理论模型。该理论 从麦克斯韦方程出发，根据记录介质的电学及光学常数，直接求解描述入射波场 和衍射波场的耦合微分方程组，得出衍射波的复振幅，进而给出体全息图的衍射 效率。 根据k o g e l i n k 的耦合波理论模型，求解耦合波方程，可以计算出对于无吸收 透射位相光栅，满足布拉格条件的衍射效率为【2 7 】： 刁= 帮 ( 2 - 2 ) 式中沩光栅的调制参量，f 表示布拉格失配量。两个参量分别定义为； y ：塑l 丽( 2 - 3 ) i ，= = 一 , t ( c o s o , c o s o , ) 1 7 2 f ：旦( 2 4 )，一。一 i 一 。 2 c o s g 式中，n 表示折射率的空间调制度，万是由于再现光波不满足布拉格条件而产 生的相位失配，a 为空气中光波波长，d 为记录介质的厚度，易和毋分别是记录介 质内读出光和再现信号光与z 轴的夹角。 当读出光满足布拉格条件入射时，布拉格失配量乒o ，读出时的反射光栅的 峰值衍射效率为： t 1 = s i n 2 v( 2 5 ) 图2 2 是根据公式( 2 2 ) 做出的无吸收透射光栅的归一化衍射效率随布拉格 失配量的变化曲线，其中的曲线对应的调制量v = r t 4 。从图中可以看出，当读出光 束的角度偏离原始记录时的角度时，衍射效率将从峰值很快的下降直至零，随着 布拉格失配量的增加，在衍射效率的变化曲线上出现了旁瓣，旁瓣的最大值较峰值 衍射效率要小得多。 第2 章全息数据存储的基本原理 0 8 * 0 7 辍0 b 葺 轻0 5 芊o 皿o 3 0 2 0 1 布拉格失配量 图2 - 2 无吸收透射体光栅的衍射效率n 与布拉格失配参量毛的关系曲线 f i g 2 2d e p e n d e n c eo fn o r m a l i z e dd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yo nb r a g gm i s m a t c h 2 1 2 体光栅的角度选择性 从图2 2 可以看出，当再现光波偏离布拉格条件时，读出光的衍射效率将明 显的减小。体全息图的这种对波长或角度的敏感性，为角度复用和波长复用提供 了理论依据，使大容量体全息存储成为可能。下面将研究角度复用存储中角度间 隔选取的理论依据。 在全息存储系统中，再现光束的入射角可以在形成光栅的两写入光束所组成 的平面( 称之为水平面) 内变化，也可在垂直于该平面的平面( 称之为垂直面) 内变化。全息复用存储时，相邻两个全息图之间有一定的角度间隔。若角度间隔 选取过大，则将减少单一点全息图的角度复用存储数量，影响系统的存储容量； 然而，过小的角度间隔使得读出过程中也部分再现了相邻全息图，与所需要的信 息叠加在一起形成噪音，影响到读出图像的质量。这两种情况都应尽量避免。由 上述的耦合波理论，对应于特定的记录介质和记录条件，可得到唯一的选择角大 小。定义衍射效率一布拉格失配量曲线( 图2 2 ) 的主瓣全宽度为水平选择角，写作 d ( 0 = 2 口) 。 从反射光栅衍射效率公式( 2 2 ) 可以导出反射光栅的水平选择角公式f 2 8 1 ： l 。：堑：二塑丝。二唑 2 - 6 ) 砌d i s i n ( 2 矽) i 这里2 仁井优为参、物光之间的夹角，式中所有角度均为介质中的值。根据折射 定律，同样可以得到该选择角在空气中的值，对于非倾斜光栅，水平选择角为： l ：竺三生阜( 2 7 ) ，翮d l s i n o , 1 。 由于再现光在垂直面内扫描时的垂直选择角远大于水平选择角，因此在全息 存储中一般只充分利用其水平角度选择性。上述理论分析中，卵与f 曲线的主瓣 宽度所对应的角度偏离被定义为体光栅的选择角。但是在实际测量中，角度曲线 北京- i ： i k 大学理学硕士学位论文 往往与理论曲线有一定的差异。取最高衍射效率( 即峰值减本底噪声) 的1 1 0 处的角宽度作为选择角，即1 0 d b 线所对应的角度，记为a 国啪 2 1 3 体全息存储介质 全息存储材料的性能是影响全息存储能否达到要求的一个重要的指标。光折 变晶体材料由于其可选择厚度范围大，介质无收缩，存储信息保真度高等特点一 度成为最有希望的全息存储材料，但其制作工艺非常复杂，而且成本也比较高， 阻碍了其走向工业化生产的道路【2 9 1 。而光致聚合物材料由于制作工艺简单，衍射 效率高的特点成为目前全息存储最有希望的材料。由于这种材料的优越性，很多 国家的科学家也相继投入到光致聚合物材料的研究和开发中来，各种组分和性能 的光致聚合物材料层出不穷。以目前的情况来看，光致聚合物可分为固相和液相 两种类型。固相型主要包括成膜树脂，活性单体，光引发剂，增塑剂等。各种组 分的特点和主要功能为： 光引发剂是一种吸收光能而分解生成活性种子( 自由基，阳离子，阴离子) 从而引发单体或感光性高分子聚合的化合物。 光敏剂严格来说与光引发剂概念不同，它能吸收光能，并将其激发态的能量 通过能量转移或电子转移给引发剂，使它形成活性种子，引发单体或感光性高分 子聚合，起光增感或光催化作用以提高光聚合速度。材料的灵敏度主要取决于光 敏剂，可以通过掺入不同的光敏剂来选择工作波长，提高材料的灵敏度。 单体是光致聚合物的基本单元，一般在自由基或离子的引发作用下产生聚合 反应，是光致聚合物材料必需的组成部分，通常带有光聚合性基团。单体与成膜 树脂的匹配，单体的组合，单体的结构等对全息特性如衍射效率，灵敏度，机械 物理性能等有很大的影响。 成膜树脂是固相型光致聚合物材料不可缺少的部分，它对液体单体起支撑作 用，易于成型并获得全息感光材料。它对于光致聚合物材料的机械物理性能，衍 射效率和灵敏度影响较大。 增塑剂的存在使得光聚合后期剩余单体更有效的扩散，这就是折射率调制度 增大的原因。 光致聚合物材料的主要的反应原理是：全息曝光引发材料中单体的非均匀聚 合，形成单体的分布梯度，在分布梯度的作用下单体从“暗区 向“明区”扩散， 进而带来材料组份的重新分布，由于材料组份折射率的差别，最终形成折射率调 制度。 董：茎塞星篓耋至兰墼董查堡塞 m 。n ”蠕善鬻! 翻十_ ? ? 0 ：，。：；， b m d e ri 2 2 1 。! 纠 ”“” 川i 匿鍪。辫o e ；：蠡：长： 。 霞鬻习 e x 0 0 s u r e = n do o l v m e r i z a t i o n 圈2 - 3 光致隶台物中全息光栅的影成 f l e 2 3f o ( m a t i o no fh o l o g r a m i ng h o t o g o l v m e r s 21 4 空一角复用方案 空间一角度复用全息存储方案综合了角度复用体全息存储i 可能达到高密 度l 和空间复用傅里叶变换全息阵列( 可能达到高衍射效率及低串像噪音) 二者 的优点。采用空间一角度复用方案，就是把傅里叶变换全息阵列部分重叠地记录 在光致聚合物材料中，相互间通过采用不同的参考光角度加以区别。设记录介质 的尺寸为d 一，每个全息图的直径为“，相邻全息图的间距为x 。若x 山，则 相邻全息图不会重叠，也就不会有串扰，但这将限制可存储的全息图数目，见国 2 - 4 a j 。缩小间距，使a xc 幽，全息图会重叠，见圈2 - 4 ( b ) 。如果各全息图采用 相同的平面波参考光来记录，对一个全息图的读出操作会使若干个全息图同时读 出，形成严重的”串像”噪音。空间一角度复用在相邻全息图之间引入微小的空间 间隔a xt c “同时又引入参考光束角度的微小改变占净c 不小于全息圈的选择角) 以避免串像。 e 1 2 - 4 ( a ) 空间复用( b ) 空间角度复用n 捌 f i g2 - 4 l a ) s p a t i a l m u t t i p f e x l n g ( b ) s p a t l o a n l ! u l a r m u l t i p l e x i n 8 北京工业大学理学硕士学位论文 在空角复用技术中采用球面波参考光，单个全息图上各局部位置产生干涉 条纹的参考光角度均不相同，是位置的函数。读出时，只有在全息图及参考点源 的位置与记录条件严格匹配的情况下才能有正确的读出。如果再现与记录的参考 点源已良好匹配，则全息图空间位置的失配就导致其读出角度偏离布拉格条件。 在块状光致聚合物材料中，用球面参考波记录信息页面的傅里叶变换全息图。每 记录一页后，记录光路不变，介质移动微小距离，再记录另一页面，于是相邻全 息图间产生了空间间隔和相应的重叠因子。如果的取值适当，使得读出时这 一位置失配所对应的角度失配大于全息图的选择角，则在正确读出一个全息图 时，相邻的全息图不会有显著的读出，串像噪音受到抑制；同时又能获得足够大 的存储容量和衍射效率，因而可实现大容量全息存储。 图2 4 也是利用空角复用技术进行全息存储的方案示意图。图中赵为由 全息图的水平选择性所确定的相邻全息图的水平间距，a x 的计算方法为【3 0 j ： x 兰墨 颦xn2-sinsor d ( s i n 诈+ s i n t ) , ) c o s 2 靠 “ ( 2 - 8 ) 其中7 和d 分别为存储介质的折射率和厚度，厂。是球面波中心到全息图中心的距 离，岛和倪分别为参考光和物光与盘面法线之间的夹角。本论文的研究方案中均 采用了保持光学系统( 记录光斑位置) 不动，而存储介质运动的方式来实现寻址。 2 2 全息存储的读出机理研究 2 2 1 全息存储独特的读出机制 全息存储写入是在记录介质一定体积中记录两个相交的相干光束形成的干 涉图样( 称为全息图) ，读出时选用合适的参考光照明全息图，精确的再现出写入过 程中与此参考光相干涉的数据光束的波面。 由于全息存储技术采用的是页面存储的技术，因此它在读出时也会将整个数 据页的信息同时读出，是并行的读出方式。而传统的光盘存储和磁盘存储都是以 点数据的形式读出，是串行的读出方式，这直接限制了读出的速率。全息存储的 读出只要将探测头移动至数据页的位置，就可以将最高达1 m b 的页数据全部读 出，在理论上来说可以达到非常高的读出速率。 由于全息图具有很强的选择性，在读出时要求参考光必须以正确的位置与角 度移动到全息图的表面。因此对于寻址设备的精度要求是非常高的。但当探测头 移动到全息图表面进行读出时，只要发出一个激光脉冲结合高速的探测器件就可 以实现读出，读出时间非常短。因此读出时间主要由寻址器件的寻址时间所决定， 这也决定了全息存储器的读出速率。 第2 章全息数据存储的基本原理 2 2 2 数据传输速率 数据传输速率【3 1 1 与存储器的访问时间成反比，而对于全息存储器而言，访问 时间又可分为数据页的寻址时间和每个数据页的读出时间两部分。 对于大多数全息存储系统而言，数据页的读出速率r o u t 满足不等式【3 2 1 ： m 尺似f _ 上一 ( 2 - 9 ) j l 4 j lp 其中，为寻址时间，勺为每个数据页读出时间，m p 为数据页的像元数。按照上 式，当m 口一定的情况下，寻址时间和单个数据页的读出时间越小，那么读出速 率也就越快。但在实际运用中，由于一些条件的限制，导致和的取值都存在 最小值，从而影响到实际达到的读出速率，下面进行具体的讨论。 2 2 3 限制读出速率的因素 我们先讨论每个数据页需要的读出时间，它的最小值是由探测器相关的电 子放大器的噪声决定。而探测系统的噪声特性要求探测1 b i t 信息最少需接收m 个光子，才能获得足够低的误码率，其中m 要远大于探测器的噪声等效的光子 数。设p r 为读出时参考光的入射功率，7 7 为全息图的衍射效率，旯为读出时使用 的光波长，则可以推导出为了保证图像有足够高的信噪比，每个全息图( 共m 口 个像元) 必须要用参考光照射的最小光照时间m 加为旧3 】： f p = 百m h c m prain ( 2 1 。) o 2 百 阱u j 式中，h 为普朗克常量，c 为光速。设一个典型探测器每个像素的等效噪声曝光 量近似为1 0 p j c m 2 , 这里等效噪声曝光量是指产生与探测器噪声强度相等的信号 强度所需要的曝光量。当激光工作波长为5 3 2 n m ( 相应每个光子的能量约为 3 7 x 1 0 1 9 j ) ，每个像素的面积为1 4 4 x 1 0 4 m m 2 ( 1 2 “m 1 2 “m ) 时，则探测器上每个 像素的等效噪声光子数约为4 2 个。为了得到足够高的信噪比，可取m = 5 0 0 。由 ( 2 - 1 0 ) 式可知，砀m 加和m 值成正比，即通过降低探测器对m 的要求来降低帛m 加， 从而提高读出速率，可能的方法包括使用有内部增益的探测器或者使用高阻抗的 前端积分放大器。另外我们还可以在实验中适当地将读出光的功率和全息图的衍 射效率提高，同样可以达到获得高传输速率的目的。 上面我们讨论了全息读出的最小时间，它主要是由探测器相关的电子放大 器噪声决定。而在采集过程中，因为全息图是页面式存储读出时需要将整个页面 作为图像信息转换为电子信号，寻址过程中包括介质的移动等都会对读出图像的 质量造成影响。对于平动式全息读出系统来说，介质的高速移动会相当于参考光 北京工业大学理学硕二l 学位论文 相对于全息图的快速运动，使得再现像会位置会随时间而改变，使读出像变模糊。 在采集过程中如果采集到清晰的图像，则至少要求在采集每个全息图的过程中再 现像的位移不超过半个像元尺寸。那么再现像允许的位移不变的情况下，采集每 个全息图所用的时间和介质的运动速度成反比。由2 1 0 式可知，为了采集到信 噪比高的图像，每个全息图有最小读出时间印砌，因此决定了介质有一个最大运 动速度。 假设记录时信号光垂直入射，参考光与全息图表面法线的夹角为翻当介质 移动了位移后，探测器上再现像的像元会出现在a y = a i 处。如果在像面全息存 储的情况下，页面像元数为，介质内允许的最小像元尺寸是6 则傅立叶变换 全息图所占据的空间尺寸也应该是m d 耻况这对应于信号页面上的像元尺寸万 乏五f m 口驴反若要使探测器上的像元位移a y f ，则可以取( 3 4 ) 式的极限得， r = 习c 丽u m ( 3 5 ) 从这个公式中可以看到折射率调制度与光强成反比，结合( 3 3 ) 式，我们可以 得到在同样的重复频率下，光强越大最高衍射效率就越低这一规律。 对于衍射效率随着脉冲重复频率的提高而降低的这种现象，可以用光致聚合 第3 章在光致聚合物中采用脉、淬激光记录全息图的记录条件研究 物的暗反应扩散理论来解释：在关闭记录光后，单体在原有的分布梯度的作用下 仍从原“暗区”向原“明区”扩散，使“明区”的单体进一步增加，虽然关闭记 录光后“明区”的单体已经不再聚合，但不断增加的单体与此处已被聚合的单体 的折射率之和，与基底折射率的反差将进一步增大，从而造成了衍射效率的进一 步增长。为了观察材料的暗反应扩散现象，使用图3 1 的光路在l o k h z 脉冲光条 件下进行全息记录，当衍射效率达到1 0 时，关闭记录光，只使用红光进行扫描， 得到在暗时间里的衍射效率的变化。实验结果表明，此材料存在暗反应现象。 05 01 0 01 5 02 0 0 2 5 0 3 0 0 e x p o s e1 ：i m et s 图3 - 5 暗反应曲线 f i g3 5d a r kr e a c t i o nc u r v e 在p i a z z o l l a 建立的光致聚合物中光栅形成的一阶扩散模型中，得出了折射 率调制度的解析式，并在此基础上得出暗增长的相关理论。p i a z z o l l a 得出的 暗增长过程中折射率调制度a n ( t ) 随时间芒变化的函数关系为： 血( f ) = 幽。+ q “。( t e ) tl e x p 【二幽】 ( 3 _ 6 ) l i j 式中如为关闭光源的时刻，厶e 为如时刻的折射率调制度，“，o 。) 为0 时刻单体 浓度调制分布的幅值，沩单体的扩散时间常数，g 为一个比例系数。 将图3 5 的暗反应衍射效率曲线通过( 3 3 ) 式得到折射率调制度曲线，用 ( 3 6 ) 式将得到的曲线拟合，得到如图3 - 6 所示的暗反应拟合曲线，最终得到 单体扩散时间常数为3 0 秒。扩散时间常数和脉冲之间的暗时间对脉冲光下材料 的最终衍射效率有着重要的作用。在低重复频率时，两个脉冲光之间的暗时间可 以使暗区没有反应的单体在浓度梯度的作用下扩散到亮区中去，在下一个脉冲光 到来的时候再发生聚合反应，这样可以使的材料中的单体充分反应，造成更大的 调制度，使材料的最终饱和衍射效率升高。而随着照射光重复频率的提高，两个 脉冲光之间的暗时间变短，使暗区的单体无法充分的扩散到亮区去，使最后的衍 射效率变低。 猫 懈 娥 器 假 ii吝毒苗=|u0=等亡20 北京工业大学理学硕士学位论文 习0 0 0 0 1 5 5 o o 0 0 0 0 1 5 j c d k 量0 0 0 0 1 4 5 3 1 3 结论 o r i g i n a ld a t a 一1 n g 蛐 ， 1 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 02 2 02 4 02 6 02 8 0 e x p o s et i m et s 图3 6 暗反应拟合曲线图 f i g3 - 6t h ef i t t i n gc u r v eo fd a r k 本节研究了脉冲激光在光致聚合物中进行全息记录时记录条件对全息光栅 衍射效率的影响。实验结果表明，在使用相同重复频率的准连续脉冲光进行全息 记录时，平均光强越大，饱和衍射效率越低，这与连续光写入的规律一致，可以 用现有的光致聚合物中全息光栅形成的扩散模型很好的解释。但是在相同平均写 入光强下，最高衍射效率随脉冲重复频率的提高而降低，在激光重复频率为 5 0 0 h z 时的饱和衍射效率比重复频率为5 0 k h z 时高出三倍左右。这虽然不能用扩 散模型的解析结果来解释，但我们分析这一现象与光致聚合物材料的暗反应有 关，并用实验证实了脉冲激光写入条件下暗反应的存在。 3 2 本章小结 通过本节的实验，我们了解了国产光致聚合物材料的全息性能，并掌握了全 息光栅衍射效率与脉冲重复频率之间的关系，为我们全息存储时得到最好的图像 质量提供了实验基础。 篓：兰耋茎塑圣：! 塞圣塑耋呈至茎篓至兰量薹茎至茎 第4 章采用空间角度复用记录的全息存储快速读出 实验方案 空间角度复用方案综合了角度复用( 达到高密度) 和空间复用( 达到高衍射 效率和低串像噪声) 二者的优点，而且在空角复用方案技术比较成熟，实验设备 比较简单，因此在记录方案中我们采用了空角复用方案。 4 1 渎出方案设计 下图所示光路即为我们设计的基于空角复用的存储读写系统。主要是包括脉 冲激光器，微动定位控制器，c m o s 相机等组成。