角度复用的光学信息存储讲解

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1、角度复用的光学信息存储,光折变晶体的体全息存储,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。,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

2、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。,光折变晶体中全息光栅写入过程 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

3、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：,n(t)= nmax 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

4、都是平面波为例，r和s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 = （r s）/2。体光栅常数将满足关系式,2sin = （2） 式中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,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

5、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,其中参数、分别由下式给出 式中是空气中的波长，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时，相位失配因子可表示为,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， = 0，可知 = 0，此时衍射效率为 (7) 结合（4）可见，在

6、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n的增加而增加，当调制参量 = /2时，0 = 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/0（0为满足布拉格条件时的衍射效率）随布拉格失配参量的变化曲线，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。,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

7、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”。,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

8、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）、,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、

9、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,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）,图像存储系统,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

10、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。,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

11、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。,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。,在全息存储软件里执行“写全息图”命令，按要 求填好各种参

12、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。,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，

13、 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。,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）

14、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。,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

15、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。,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,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

16、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) = Tx(t) , y(t) , (A-1) Tx(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)。,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。,空间光调制器的主要指标