(光存储原理与应用）第二章全息光存储

1、( (光存储原理与应用）第光存储原理与应用）第二章全息光存储二章全息光存储思考这种特效照片的产生原因全息背景知识n回忆：何谓全息？回忆：何谓全息？n全息：两束光（平面波或球面波）全息：两束光（平面波或球面波）干涉记录，一束为空白参考光，一干涉记录，一束为空白参考光，一束经过光调制，带有信息，再使用束经过光调制，带有信息，再使用其中一束光照射记录好的图像，通其中一束光照射记录好的图像，通过衍射再现信息。过衍射再现信息。n概况：干涉记录，衍射再现概况：干涉记录，衍射再现The Tale1947 1960 1962 1964 1968 1994 2000 Dennis Gabor Emmett Le

2、ith and Juris Upatnieks Train and Bird is the first hologram ever made with a laser. white light transmission hologram全息技术应用经历的三个时代n第一代第一代,只能在单色光下再现的全息图只能在单色光下再现的全息图;n 第二代第二代, 可在白光下再现的全息图可在白光下再现的全息图, 它主要包括两大类型它主要包括两大类型, 第一类是第一类是1962 年由前苏联人丹尼苏克发明的反射式全息图年由前苏联人丹尼苏克发明的反射式全息图, 这种全息图由于它的层状这种全息图由于它的层状结构结构,

3、 不能形成浮雕条纹不能形成浮雕条纹, 难以快速复制难以快速复制, 故目前主要用于装饰品故目前主要用于装饰品,“激光激光宝石宝石”即是这类全息图即是这类全息图; n另一类全息图是另一类全息图是1969 年由美国人年由美国人Beton 发明的彩虹全息图发明的彩虹全息图; 这类全息图这类全息图由于衍射效率高由于衍射效率高, 制作过程简单制作过程简单, 特别是能够形成浮雕状条纹特别是能够形成浮雕状条纹, 故得到快故得到快速发展速发展,目前在全息领域占有重要地位目前在全息领域占有重要地位; n第三代第三代, 压印在薄膜上的模压全息图。正是由于模压全息图能大批量地压印在薄膜上的模压全息图。正是由于模压全息

4、图能大批量地快速复制快速复制, 且成本低廉且成本低廉, 才使全息图最终走出实验室才使全息图最终走出实验室, 进入人们社会生活进入人们社会生活的很多领域。模压全息图除了可用于贺卡、艺术图片、邮件、广告外的很多领域。模压全息图除了可用于贺卡、艺术图片、邮件、广告外, 最重要的应用是在防伪领域。目前最重要的应用是在防伪领域。目前, 很多国家的护照、身份证、信用卡、很多国家的护照、身份证、信用卡、商标、商品包装上都有模压全息图做为防伪标识。商标、商品包装上都有模压全息图做为防伪标识。n模压全息图的制作过程可分为模压全息图的制作过程可分为: 激光摄制激光摄制; 电成型电成型; 模压。模压。点源的全息点源

5、全息的构建模式点源全息的构建模式实用中点源可以被任意物体取代，来记录物体信息实用中点源可以被任意物体取代，来记录物体信息参考平面光参考平面光感光盘感光盘 记录干涉图案记录干涉图案 感光乳剂有小颗感光乳剂有小颗粒表面粒表面 (要求要求)物光物光 球面波球面波全息记录板全息记录板xzy干涉记录:n参考光Reference waven物光Object waven干涉强度分布2222*( , , )( , , )exp( , , )( , , )exp( , )roR x y zR x y zj krO x y zO x y zj krrxyzI x yOROORRORO R其中干涉记录n当用介质记录

6、干涉信息时，依赖于记录强度分布，以及记录转换效率，将得到一个干涉条纹决定的相位光栅ntb 由于 |R|2 项产生的背景光nB 记录及定影过程相关的强度效率常数)(*2ORROOBttb衍射再现n衍射再现：当用一个相干光衍射再现：当用一个相干光 A(x,y)（通常被称为重（通常被称为重构波）照射全息片时，构波）照射全息片时， 最终的衍射场可以表示为：最终的衍射场可以表示为：n也就是相当于四个波的累加也就是相当于四个波的累加n思考：加入重构波就是用参考光，会得到什么？思考：加入重构波就是用参考光，会得到什么？*( , )pbt A x yt ABOO ABO RABOR A2*2*( , )()p

7、bt R x ytBOO RBR OB R O)(*2ORROOBttb衍射再现n此时重构场可以整理为三项ORBOBRRBOOttyxRbp2*2*)(),( 和参和参考光分布相同考光分布相同，只是多了个，只是多了个常数因子常数因子物波物波 除了一除了一个强度系数，个强度系数，分布和物光完分布和物光完全相同全相同共轭物波共轭物波 物光的复共物光的复共轭，只不过轭，只不过有个有个 2 的的角度偏移角度偏移衍射再现的三项场分布物体虚像物体虚像实像实像带系数的带系数的参考光参考光物波物波共轭波共轭波参考波参考波使用斜入射平面参考光和球面物光记录后，再用参考光入射再现，获得的衍射波使用斜入射平面参考光

8、和球面物光记录后，再用参考光入射再现，获得的衍射波强度分为三部分：强度分为三部分：WHY?n全息图形的每一部分都全息图形的每一部分都是接受了物体发出的全是接受了物体发出的全部光部光, 所以全息图形随便所以全息图形随便割下一块，仍能恢复出割下一块，仍能恢复出全部物体信息全部物体信息全息对波长的依赖n思考：当用一个白光作为衍射光照射全息片时，在上图虚像方向将会有什么现象？n全息片相当于一个相位光栅，会有衍射、色散的效果n思考：如何实现彩色成像？n透射式全息: 参考光和物光在全息片的同一侧n反射式全息: 参考光和物光在全息片的两侧全息种类 反射式 vs. 透射式透射式反射式简介n全息：干涉记录-衍射

9、再现n全息光存储Holographic Optical Storage (HODS) 或全息数据存储 Holographic Data Storage System (HDDS)q目前最可预见的下一代光存储技术q图像存储而非数字存储q同一媒介可以多次存储nTbit的存储技术全息光存储？n当前的光盘存储和磁光存储已经接近了极当前的光盘存储和磁光存储已经接近了极限限q磁密度极限磁密度极限q模斑尺寸极限模斑尺寸极限-光波长极限光波长极限n衍射极限衍射极限n光存储如果要继续发展，只能寻求替代技光存储如果要继续发展，只能寻求替代技术术Practical Solution or Toy?n目前出现的技术中

10、最可行的一种目前出现的技术中最可行的一种n超高的存储密度、超长的存储寿命超高的存储密度、超长的存储寿命n超快的接入可能超快的接入可能q保守估计至少保守估计至少 10 of MBit/sec and 有望有望达到几百达到几百 MBit/secn小尺寸小尺寸技术比较n记录读取原理差异：现有光存储通过刻槽数字记录；全息则通过干涉写入，衍射读出。n记录媒介差异：现有光存储信息记录在金属膜上，为二维记录；而全息信息则直接写在感光媒介内，为体记录；n使用寿命差异：普通存储光盘寿命约10年；全息存储光盘能达到50-100年。n存储容量差异：单张普通光盘在可见光范围内最高容量少于100Gbit；单张全息光盘容

11、量可达500-1000Gbit体存储0101001001001010100101思考：全息光存储光学系统如何构成？空间光调制器（SLM）n空间光调制器是一类能将信息加载于一维或两空间光调制器是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，以便有效的利用光的固有维的光学数据场上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。速度、并行性和互连能力的器件。n这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光

12、转化成相干光。由于它的这种性质，可作为实转化成相干光。由于它的这种性质，可作为实时光学信息处理、光计算和光学神经时光学信息处理、光计算和光学神经 网络等网络等系统中构造单元或关键的器件系统中构造单元或关键的器件液晶光阀：不加液晶光阀：不加电液晶分子取向电液晶分子取向杂乱，光不能通杂乱，光不能通过；加电分子取过；加电分子取向一致，可以通向一致，可以通过过开关作用开关作用思考：如何使用液晶光阀实现灰阶图像调整n每个像素靠加电和不加电，分别只对应透过和不透过两种状态，那么如何获得灰阶图像调制？全息光存储SCANNERASSEMBLY全息存储LASERBEAM SPLITTERMIRROR STRIP

13、SHOLOGRAM READERCRYSTALLENSOBJECT BEAMMIRRORSPATIAL-LIGHT MODULATORMIRRORLENSLENSMIRRORLENSREFERENCEBEAMLENSBEAM SPLITTER在全息存储系统里，激光被分为两束在全息存储系统里，激光被分为两束 ，一束用，一束用于调制信号，一束平行光作为参考光，两束光干于调制信号，一束平行光作为参考光，两束光干涉将信息记录在全息媒介里。涉将信息记录在全息媒介里。hologram reader全息图读写器scanner assembly 扫描组件beam splitter电子（射）束分裂器Pictur

14、e of a HVD by Optware Holographic Versatile Disc structure1. Green writing/reading laser (532 nm)2. Red positioning/addressing laser (650 nm)3. Hologram (data)4. Polycarbon layer5. Photopolymeric layer (data-containing layer)6. Distance layers7. Dichroic layer (reflecting green light)8. Aluminium reflective layer (reflecting red light)9. Transparent b