全息存储实验.doc

全息存储实验全息存储是20世纪60年代随着激光全息照相技术的发展而出现的一种高密度、大容量的信息存储技术发展起来。全息存储是在全息照相技术的基础上发展起来的。全息照相是由一路物光，一路参考光，在一定的夹角、一定的分光比满足相干条件情况下，经过曝光、显影、水洗、定影、水洗、晾干等处理得到一张全息图。而这张全息图在未显影、定影之前，如果再改变物光、参考光的角度，相应的改变多种物体，可以得到多张全息照片,全息存储正是利用这一特点，把物光、参考光缩小成为“点”，再改变角度。即在一个小点上，改变几个角度又记录多个物体信息，使得存储量巨增。全息存储比一般的光学存储及磁盘存储有以下几种优点：1. 存储量大：全息存储既能在二维平面上存储信息，又能在三维空间内进行立体存储，改变物光、参考光夹角，还能使许多信息重叠；2. 保密性强：全息存储可以方便地进行加密存储，增加信息的安全性；3. 全息图冗余度大：每一信息位都存储在全息图的整个表面或整个体积中，因此全息片上有污迹刮痕等缺陷对存储影响很小，也不会引起丢失信息的现象；4. 全息图本身具有成像功能，因此，即使不用透镜也能写入或读出。并且由于全息的材料不仅具有抗干扰能力，强度和保存时间久的特点，能批量生产，价格便宜。全息存储被认为是最具有潜力能与传统的磁盘和光盘存储技术相竞争，成为当前大容量高密度光电技术领域的研究热点。本实验介绍利用光学全息进行信息存储的实验原理。实验目的1. 学会分析实验光路中对各光学元件的要求，从而加深对光路的设计。2. 理解透镜的傅里叶变换性质，学会拍摄傅里叶变换全息图。3. 利用傅里叶变换全息图，进行全息存储实验的原理及方法。4.学会观察全息存储信息的重现像。实验仪器激光器、电磁快门、反射镜、观察屏，扩束镜、准直镜、带移位器的干板架，带存储的图文资料玻璃板，普通的干板架，全息干版 透镜等光学器件。实验原理全息高密度、大容量的存储是利用透镜具有傅里叶变换的性质的特点，把被存储的图文信息以点阵形式存储在直径为1mm大小的点上。当把物体放在透镜的前焦面上时，在透镜的后焦面上，就得到物光波的傅里叶变换频谱，直径约1mm左右，如果再引入一束大于1mm直径大小的参考光到谱面上与之干涉，便在该平面上记录下物光波的傅里叶变换全息图。1.傅里叶变换全息图的记录和重现傅里叶变换全息图不是记录物光波本身，而是记录物光波的傅里叶频谱。利用透镜傅里叶变换的性质，将物至于透镜的前焦平面上，而透镜的后焦面上就得到物光波的拼皮，再引入参考光与之干涉，便可记录下物光波的傅里叶变换全息图。采用平行光照明方式记录和重现傅里叶变换全息图的原理图如下。图1是用平行光照明方式记录和重现傅里叶变换全息图的原理光路。在图1（a）中，设物光波分布为g(x,y)，则其频谱分布为：（1）式中，fx=xff，fy=yff，fx、fy是空间频率，f是透镜焦距，xf、yf是后焦面上的位置坐标。参考光是由位于物平面上点（0，-b）处的点源AR(0,y+b)产生，通过透镜后形成倾斜的平行光。因此，在后焦面上记录的合光场及其光强分别是：（a）记录（b）重现图1 傅里叶变换全息图的记录与重现（平面波照明方式）（2）（3）在线性记录条件下，全息图的振幅透过率为：（4）重现时，假定用振幅为B0的平面波垂直照明此全息图（见图1（b），则其投射光波的复振幅为：（5）式中第4项包含原始物的空间频谱，第5项包含共轭频谱，这两个频谱分布在相反的方向，各有一个位相倾斜，倾斜角为=arcsin(bf)。为了得到物体的重现像，必须对全息图的透射光场作一次逆傅里叶变换。为此，可将全息图至于透镜的前焦面上，在透镜的后焦面上就得到物体的重现像。根据傅里叶变换的有关定理，后焦面上的光场分布为：（6）式中，第1、3项是函数，表示直接透射光经透镜会聚在像面中心产生的亮点；第2项是物光分布的自相关函数，形成焦点附近一种晕轮光；第4项是原始像的复振幅，中心位于反射坐标系的点（0，b）；第5项是共轭像的复振幅，中心位于反射坐标系的点（0，-b），两者都是实像。设物体在y方向的宽度为y，则其自相关函数的宽度为2y，因此，欲使重现像不受晕轮光的影响，从图1（b）可见，必须使b3y2，在安排记录光路时应保证满足这一条件。透镜具有傅里叶变换性质，当透镜置于透镜的前焦面上时，在透镜的后焦面上就得到物光波的傅里叶变换频谱。形成谱点，其线径约为1mm，如果引入参考光到频谱面上与之干涉，便可在该平面记录下物光波的傅里叶变换全息图。拍摄傅里叶全息图的光路如图2所示。其基本原理见下图：激光器发出的激光束经电子快门和分束镜BS分成两束，一束作为经过全反射M1反射，经扩束镜L1扩束后，通过准直透镜L2准直后，用来照明待存储的图像和文字。经图文资料衍射的光波由傅里叶透镜L3做傅里叶变换，到达在全息干板H，这束光成为物光。经分束器BS的另外一束光为参考光R，参考光经过反射镜M2后，到达全息干板H处，并与物光与相干涉，形成傅里叶变换点全息图。图2 全息高密度存储原理图2.大容量全息信息存储的实现在全息存储中，既要考虑高的存储密度，又要使重现像可以分离，互不干扰，实验中可采用空间分离多重记录实现大容量全息存储的实现。空间分离多重记录，把待存储的图文信息单独的记录在乳胶层一个一个微小面积元上，然后空间不想重叠的移动全息图片，于是记录下了另一个点全息图，如此继续不断的以为，便实现了信息的点阵式多重记录。信息的读取是通过改变再现光入射点的位置来实现。全息存储的信息容量比磁盘存储高几个数量级，而体全息存储的存储密度又比平面全息图的大得多，用平面全息图存储信息时，理论存储密度一般可达106bit/mm2实验内容1. 在全息台上布置傅里叶全息实验光路具体要求1）按图2将激光器输出光的高度调到与电子快门、分束镜BS、反射镜M1、准直镜L1、需存储的资料片、准直透镜L2、傅里叶透镜L3，干版架上毛玻璃、反射镜M2等光具座，调成等高。2）调物光光路。前后、左右、移动扩束镜L1，用白屏在小孔后接收，直到光束在白纸上亮度很均匀为止。3）调准直透镜L2，在白纸上画一个直径与透镜L2口径相同的圆，在L2后放这张白纸上的圆，前后移动白纸，白纸上的圆与从透镜L2出来光束的圆相等，前后移动白纸，圆不变时，这说明从L2出来的光是准直光。4）在准直光后加入需存储的资料片，光透过资料片，照到傅里叶变换透镜L3上（注意光透过资料片的光束完全落在傅里叶变换透镜L3口径内。傅里叶变换透镜的口径要稍大些，以免信息丢掉。一般选相对孔径较大的透镜。5）经过资料片的光束通过傅里叶变换透镜L3，落在L3的后焦面上，在透镜L3的后焦平面处放置全息干板H。然后，将全息干板H向后移动一点，造成一定的离焦量（离焦量的大小约）。 离焦的目的在于使物光束在干版上的光强分布均匀，从而避免造成记录的非线性。6）用尺量物光光程。7）根据物光的光程参考光程，移动分光镜BS的角度，使之正好射在反射镜M2上，移动M2角度使之落在H上，与物光光点重合。除了使物光光程和参考光R光程相等外，物光与参考光的夹角在3050之间，光强比在1：21：5之间。2.曝光记录全息图以点阵的方式，当曝光一次，记录一个点。在这个点的位置，像全息照片一样改变几个角度（如35个）， 则在这个点上存储46个信息，再移动35mm全息片；再记录第二个点，以此类推。3.冲洗全息存储的冲洗方法与普通全息照相的冲洗方法完全相同。但须说明是由于多次曝光所以是全息片曝光全部曝光后，一次冲洗。4.再现傅里叶大容量全息图的再现时，把处理好的全息干板放在干版架上，挡住物光，用原来参考光照亮全息片一个点，在原来放信息片的位置，就可以看到信息片的虚像。改变全息片的位置，观察另外曝光点的信息，就可以看到另外信息。在全息图的虚像另一面，用毛玻璃可以接收到信息的实像。如果像不清晰，稍微转动全息片角度，即可找到清晰的像。注意事项：（1）在排光路过程中，参考光的光点，一定要和物光光点在底片上重合，参考光光点稍大于物光光点，以免造成信息丢失，