角度复用的光学信息存储

角度复用的光学信息存储引言用全息方法在三维材料中存储信息，由于存储容量大、数据传输速率高、可进行并行内容寻址等优点而成为信息存储领域中的科学前沿和技术热点。本实验用空间光调制器作为组页器，用CCD进行二维数据采集，用计算机控制实验过程，实现光折变晶体中的全息存储和读出，是全息学与光电信息处理的综合性实验。了解体全息存储的基本原理和方法，学习邻面入射（即90°入射）全息记录光路的搭建和调试，通过光折变晶体中动态光栅的建立和体光栅的角度选择性的测量，体会体全息存储的优越性和实现大容量存储的途径。第2页,共38页，2024年2月25日，星期天基本原理全息记录与再现典型的邻面入射式全息存储构成原理如图一所示，物光束经过空间光调制器（SLM）而携带信息，参考光束以特定方向直接到达记录介质。不同的数据图像与不同的参考波面一一对应，在两相干光束相交的介质体积中形成干涉条纹。在写入过程中，材料对干涉条纹照明的响应而产生折射率分布，因而在材料中形成类似光栅结构的全息图。读出过程利用了光栅结构的衍射，用适当选择的参考光（是写入过程中某一参考光的复现）照明全息图，使衍射光束经受空间调制，从而几乎是精确地复现出写入过程中此参考光相干涉的数据光束的波面。这就是全息图存储信息的基本原理。第3页,共38页，2024年2月25日，星期天第4页,共38页，2024年2月25日，星期天光折变晶体中全息光栅写入过程τ光折变效应晶体材料目前被广泛用作大容量体全息存储的记录介质。光折变效应是发生在电光材料内部的一种复杂的光电过程。在光辐照下，具有一定杂质或缺陷的电光晶体内部形成与辐照光强空间分布对应的空间电荷分布，并且由此产生相应的空间电荷场。此电场通过现行电光效应，在晶体内形成折射率的空间调制即位相光栅；与此同时入射光又被自身写入的位相光栅衍射。由此可见，光折变晶体内的折射率位相光栅属于动态光栅，这是光折变材料适合于进行实时全息记录。折射率光栅的动态建立过程可表示为：第5页,共38页，2024年2月25日，星期天Δn(t)=Δnmax[1-exp(-t/tw)]式中tw

是晶体的写入时间常数，反映了晶体的响应速度，是饱和折射率调制度，即在写入时间t远大于光栅写入时间常数后，晶体折射率变化的幅值。体全息光栅的衍射效率与角度选择性以物光波和参考光波都是平面波为例，θr和θs分别是参考光和物光在介质内的入射角，见图二。根据光的干涉原理，在记录介质内部应形成等间距的平面族结构，即体光栅。条纹面应处于R和O两光束夹角的角平分线，它与两束光的夹角θ=（θr–θs）/2。体光栅常数Λ将满足关系式第6页,共38页，2024年2月25日，星期天2Λsinθ=λ（2）式中λ为光波在介质内部传播的波长。图二体光栅纪录的几何关系第7页,共38页，2024年2月25日，星期天体积全息图对光的衍射作用与布拉格（Bragg）对晶体的x射线衍射现象所作的解释十分相似，因而常借用所谓的“布拉格定律”来讨论体积全息图的波前再现，把（2）式称为“布拉格条件”，角度θ称为“布拉格角”。具体说来，若把条纹看作反射镜面，则只有当相邻条纹面的反射光的光程差均满足同相相加的条件，即等于光波的一个波长时，才能使衍射光达到极强。因此，只有当再现的光波完全满足该布拉格条件时才能得到最强的衍射光。当写入和读出均使用相同的波长时，若读出的角度稍有偏移，衍射光强将大幅度下降，并迅速将为零。考虑到读出光对布拉格条件可能的偏离，根据耦合波理论，对于无吸收的透射型位相光栅，衍射效率为第8页,共38页，2024年2月25日，星期天其中参数ν、ξ分别由下式给出式中λ是空气中的波长，δ是由于照明光波不满足布拉格条件而引入的相位失配，当读出波的波长不变，入射角对布拉格角的偏离为Δθ时，相位失配因子δ可表示为第9页,共38页，2024年2月25日，星期天

为光栅条纹平面的法线方向与z轴的夹角。当读出光满足布拉格条件入射时，Δθ=0，可知ξ=0，此时衍射效率为

(7)结合（4）可见，在布拉格角入射时，衍射效率将随介质的厚度d及其折射率的空间调制幅度Δn的增加而增加，当调制参量ν=π/2时，η0=100％.根据（3）-（7）式，可以给出无吸收透射位相全息图归一化的衍射效率η/η0（η0为满足布拉格条件时的衍射效率）随布拉格失配参量ξ的变化曲线，其主瓣宽度（2个一级零点之间的距离）对应的角度差称为选择角。第10页,共38页，2024年2月25日，星期天体全息的角度选择性是我们可以利用不同角度入射的光，在同一体集中记录许多不同的全息图，而且记录介质越厚，选择角就越小，因而记录的全息图就越多。例如光折变晶体材料，其厚度在cm量级，这时选择角仅有百分之几甚至千分之几度，因而可在这种厚的记录介质中存储大量的全息图而无显著的串扰噪声，这就是大容量存储的依据。事实上，光折变效应是发生在电光材料内部的一种复杂的光电过程，是光致折射率变化效应的简称。1966年，贝尔实验室的Ashkin等人意外发现光辐照可引起铌酸锂（LiNbO3)等晶体内折射率的变化。这种折射率变化使光波波前在传播过程中出现畸变，因此当初称这种效应为“光损伤”。第11页,共38页，2024年2月25日，星期天两年后，Chen等人认识到“光损伤”材料是一种优质的光数据存贮材料，并首次在LiNbO3内进行了全息存储.随后，人们发现通过均匀光照或加热，可以擦除这种“光损伤”痕迹，使晶体恢复原态。由于“损伤”与“复原”是指光照下晶体折射率的变化及复原过程，现在人们普遍将这种效应称为光折变效应。采用Kukhtarev等人提出的带输运模型，光折变晶体内部复杂的光电过程可以描述为：1，在适当波长的空间非均匀分布的光辐照下，晶体内的施主（受主）被电离产生电子（空穴）；同时电子（空穴）从中间能级受激跃迁至导带（价带）。2，光激发载流子在导带（价带）内可自由迁移；光激发载流子具有三种迁移机制：扩散（载流子由于浓度不同而扩散迁移）、第12页,共38页，2024年2月25日，星期天漂移（载流子在外电场或晶体内极化电场作用下的漂移）和异常光生伏打效应（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）。在光折变效应中，上述三种迁移机制单独作用或联合作用完成了光折变晶体内部载流子的迁移过程。3，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，最终离开光照区而在暗光区被电子（空穴）陷阱俘获。由此导致晶体内空间电荷分布的变化，使空间电荷分离，从而形成了相应于光场分布的空间电荷场。4，空间电荷场通过线性电光效应（泡克尔斯效应），在晶体内形成折射率的空间调制变化，产第13页,共38页，2024年2月25日，星期天生折射率调制的相位光栅。进一步的理论分析略去。实验光路图（简单光栅存储系统）第14页,共38页，2024年2月25日，星期天图像存储系统

第15页,共38页，2024年2月25日，星期天实验内容和步骤记录一个全息光栅，测量晶体的动态写入曲线按照图三搭建光路，调节所有光学器件使他们共轴（先不放晶体）。安图中虚线的示意正确连接两个快门、振镜和功率计，确保各仪器接口都正确。注意快门1定义为物光路的快门，快门2定义为参考光路的快门。打开激光器、计算机及其他一起开关，启动全息存储实验演示系统软件。注意本实验因为使用了激光，实验过程中一定要注意眼部的安全，尤其是不能让激光直接射入眼睛，尽量避免注视激光光斑，一般应佩戴护目镜。第16页,共38页，2024年2月25日，星期天调整两写入光束均为垂直偏振。方法：先用参考光2找到偏振片的小光位置，再将偏振片置于物光1，调节半波片2使该物光1在相同的位置出现消光。待激光器工作稳定后，在晶体位置处测参考光（晶体所在光路）和物光光功率，调节半波片1，使两者大致相等，并记录此时光功率。调节物光和参考光光斑的高度，使两者高度严格一致，即高度上重合。检验4F系统的准确性。方法：大范围转动振镜，同时观察与物光相交处的参考光光斑是否随振镜的移动而移动，若发现光斑移动，前后微调透镜位置，直到转动振镜时参考光光斑保持不动。第17页,共38页，2024年2月25日，星期天加入晶体，使两束光相交在晶体中适当位置。注意：晶体在记录光栅前不能被强光曝光，否则会影响后面记录光栅的质量，所以调光路的时候要将晶体取下或是在激光器出口处加衰减器，并总是要挡掉一束光。实验过程中注意保护晶体（防划伤碎裂），用正确的方法拿取晶体（注意拿晶体的时候要戴软质材料制作的手套，严禁用手直接接触晶体的四个光学表面，否则会留下指纹，影响成像质量）。晶体上若有灰尘或其他的赃物可用丙酮擦洗。晶体光轴方向为沿45°指向倒角棱。要正确摆放晶体位置，使形成的干涉条纹面方向和晶轴方向垂直。第18页,共38页，2024年2月25日，星期天在全息存储软件里执行“写全息图”命令，按要求填好各种参数后，按“开始”按钮曝光（参阅该软件使用说明）。动态写入曲线将显示在计算机显示器上，实验数据将保存在文件中。注意“记录位置”的选择。全息实验对外界震动很敏感，实验前要将每个磁座及各光学器件固定好，实验中应尽量避免说话，走动，切忌用手碰触实验台。测量此光栅的角度选择性在前述单光栅记录完成后，晶体要严格保持在原有位置。执行“读全息图”命令，通过振镜的转动来改变参考光的方向，对刚才写入的光栅进行扫描读出。第19页,共38页，2024年2月25日，星期天注意各项扫描参数的选择，应使“起始位置”+（“扫描步数”*“步长”）/2=“记录位置”。读出过程中要确保衍射光完全被功率计接收。光栅的选择性曲线将显示在计算机显示器上，实验数据将保存在文件中。对实验所的数据按要求进行处理后，估算光栅选择角的大小。记录和读出一幅全息图像取下晶体，按图四要求在图三的基础上加入针孔滤波器及其后面的准直透镜、SLM、两块傅里叶变换透镜和CCD，并调节中心共轴。注意不要让激光未经衰减直接照射CCD，经常用强光照射的CCD靶面会降低CCD的灵敏度。第20页,共38页，2024年2月25日，星期天确保各种仪器接口都正确后，打开激光器和计算机及其他器件开关，启动全息存储实验演示软件。加载SLM图像（见软件使用说明）。待激光器工作稳定后，测参考光2（振镜所在光路）和物光光功率（物光以第一块傅里叶变换透镜的后焦面上的频谱面上的频谱点的中心亮点的光功率值为准）调节半波片1，使物光参考光比约为1：2，并记录。注意，由于位于透镜后焦面上的光强过于集中，物光的高频部分和低频部分的强度与参考光强度之比不同，使再现像的质量下降。第21页,共38页，2024年2月25日，星期天因此，为提高再现像的质量，在实际的存储中，我们采用离焦技术（即让记录介质稍稍偏离频谱面）。调节物光和参考光的中心高度一致，并使参考光能包住物光频谱的中心亮点。在激光器出口处加衰减器，关闭实验室照明灯，调节衰减器使出光最弱，调节CCD，使成像清晰。加晶体并固定，注意使两束光在晶体内相交，移开衰减器。在全息存储软件里执行“存图像”命令，按要求填好各种参数后，按“开始”钮曝光（参阅软件使用说明）。记录完毕后，关闭物光，开参考光，开快门3（CCD前的快门），打开CCD采集软件，采集图像。将采集得的图像用画图打开，观察全息重构图像的效果。第22页,共38页，2024年2月25日，星期天第23页,共38页，2024年2月25日，星期天第24页,共38页，2024年2月25日，星期天第25页,共38页，2024年2月25日，星期天第26页,共38页，2024年2月25日，星期天空间光调制器和液晶显示器(LCD)1．光学信息处理的特色光学信息处理系统处理光波荷载的信息。这些信息用光波的某一参数的空间分布来表征，例如强度、相位、偏振。用光波来荷载信息具有宽带、多束光可以在空间并行传播、大容量、高速度等显著的特点。．光学信号的传递

光学图像信道

信号源

接口器件（SLM）光学信息处理系统信息输出

(显示)图A-1光学图像处理信道第27页,共38页，2024年2月25日，星期天光学信号的传递

光学图像信道如图A.1所示。在信息处理中，信号源（信源）和信号处理系统往往是两个独立的系统。信源产生的信号，必须通过某种形式的接口器件，才能耦合到处理系统进行处理。该接口器件就是空间光调制器(SLM)。空间光调制器的定义和寻址方式空间光调制器是一个二维器件，可以看成一个透过率(或反射率)受到写入信号控制的滤光片，表为

T(x,y)=T[x(t),y(t)],(A-1)T[x(t),y(t)]表示在时刻t，空间光调制器在（x,y）处的复数透过率(或反射率)。写入信号把信息传递到SLM上相应位置、以改变SLM的透过率分布的过程，称为“寻址”(addressing)。第28页,共38页，2024年2月25日，星期天通常有两种寻址方式，对应于两类空间光调制器。当写入信号是电信号（通常是视频信号或计算机的电平信号）时，采用电寻址的方法来控制SLM的复数透过率。常用的电寻址的方式是通过SLM上两组正交的栅状电极，用逐行扫描的方法，把信号加到对应的单元上去。电寻址又称为矩阵寻址，一对相邻的行电极和一对相邻的列电极之间的区域构成SLM的最小单元，又称像素（pixel），它给出SLM的分辨率极限。矩阵寻址示意见图A-2。第29页,共38页，2024年2月25日，星期天第30页,共38页，2024年2月25日，星期天空间光调制器的主要指标4．1空间截止频率 设像素线度为

，根据抽样定律，器件的最高空间频率它也是器件的带宽或传递函数的截止频率。4．2空间带宽积设器件线度为

x、

y，则空间带宽积第31页,共38页，2024年2月25日，星期天表1VGA640

480SVGA800

600XGA1024

768SXGA1280

1024UXGA1600

1200式中N为像素数。空间带宽积是信道容量的标志，因而像素数（即图象的抽样数）是器件的重要指标。表1给出常用的象素数。开口率开口率（fillfactor）为象素的有效通光面积与象素总面积之比，透射式SLM由于电极和薄膜晶体管电路本身不透明，所以开口率较低，光能利用率不高。第32页,共38页，2024年2月25日，星期天空间光调制器的物理效应和常用的空间光调制器一般来说，凡是能引起介质光参数改变的效应都能应用于空间光调制器，例如线性电光效应(Pockels效应),光弹效应，光电导效应，磁光效应，声光效应，光折变效应等等。由于空间光调制器是相干光和非相干光处理的关键器件，因此近年来国际国内开发出几十种空间光调制器，常用的电寻址空间光调制器有以下几种： （1）薄膜晶体管液晶显示器(thin-film-transistorliquidcrystaldisplay,TFT-LCD)；（2）磁光空间光调制器(magneto-opticalSLM,MOSLM)；（3）数字微反射镜器件(digitalmicromirrordevice,DMD)；（4）反射式液晶显示器（liquid-crystal-on-silicon,LCOS）；常用的光寻址空间光调制器有以下几种： 第33页,共38页，2024年2月25日，星期天（1）铁电液晶空间光调制器(ferroelectricliquidcrystalSLM,FLC-SLM)；（2）液晶光阀(liquidcrystallightvalve,LCLV)及液晶显示器-液晶光阀（LCD-LCLV）；（3）微通道板空间光调制器(microchannelSLM,MSLM)；（4）Pockels光调制器(Pockelsreadoutopticalmodulator,PROM)；6．液晶显示器（LCD）6.1液晶液晶是有机高分子物质在一定的条件下呈现的一种特殊的物质状态，其结构介于液体、固体之间，称为中间态，或中间相。液晶分子为长棒状、盘状、碗状，分子排列介于完全规则的晶体和各向同性的液体之间,具备以下特点:（1）每个液晶分子的中心在液晶空间中的分布是随机的。第34页,共38页，2024年2月25日，星期天（2）分子的取向具有有序性:长棒状分子的长轴方向或盘状、碗状分子的法线方向在一定的温度范围内倾向于彼此平行,该方向称液晶分子的指向矢量方向。三种重要的液晶结构见图A-3。三种重要的液晶分子示意图(a)向列相.(b)层列相.(c)胆甾相第35页,共38页，2024年2月25日，星期天液晶具有双重性质:既具有液体的流动性，又具有晶体所特有的各向异性。液晶的各向异性在外场下会发生显著变化,这种变化