角度復用的光學信息存儲

角度復用的光學信息存儲引言用全息方法在三維材料中存儲信息，由于存儲容量大、數(shù)據(jù)傳輸速率高、可進行并行內(nèi)容尋址等優(yōu)點而成為信息存儲領域中的科學前沿和技術熱點。本實驗用空間光調(diào)制器作為組頁器，用CCD進行二維數(shù)據(jù)采集，用計算機控制實驗過程，實現(xiàn)光折變晶體中的全息存儲和讀出，是全息學與光電信息處理的綜合性實驗。了解體全息存儲的基本原理和方法，學習鄰面入射（即90°入射）全息記錄光路的搭建和調(diào)試，通過光折變晶體中動態(tài)光柵的建立和體光柵的角度選擇性的測量，體會體全息存儲的優(yōu)越性和實現(xiàn)大容量存儲的途徑。第2頁,共38頁，2024年2月25日，星期天基本原理全息記錄與再現(xiàn)典型的鄰面入射式全息存儲構成原理如圖一所示，物光束經(jīng)過空間光調(diào)制器（SLM）而攜帶信息，參考光束以特定方向直接到達記錄介質。不同的數(shù)據(jù)圖像與不同的參考波面一一對應，在兩相干光束相交的介質體積中形成干涉條紋。在寫入過程中，材料對干涉條紋照明的響應而產(chǎn)生折射率分布，因而在材料中形成類似光柵結構的全息圖。讀出過程利用了光柵結構的衍射，用適當選擇的參考光（是寫入過程中某一參考光的復現(xiàn)）照明全息圖，使衍射光束經(jīng)受空間調(diào)制，從而幾乎是精確地復現(xiàn)出寫入過程中此參考光相干涉的數(shù)據(jù)光束的波面。這就是全息圖存儲信息的基本原理。第3頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第4頁,共38頁，2024年2月25日，星期天光折變晶體中全息光柵寫入過程τ光折變效應晶體材料目前被廣泛用作大容量體全息存儲的記錄介質。光折變效應是發(fā)生在電光材料內(nèi)部的一種復雜的光電過程。在光輻照下，具有一定雜質或缺陷的電光晶體內(nèi)部形成與輻照光強空間分布對應的空間電荷分布，并且由此產(chǎn)生相應的空間電荷場。此電場通過現(xiàn)行電光效應，在晶體內(nèi)形成折射率的空間調(diào)制即位相光柵；與此同時入射光又被自身寫入的位相光柵衍射。由此可見，光折變晶體內(nèi)的折射率位相光柵屬于動態(tài)光柵，這是光折變材料適合于進行實時全息記錄。折射率光柵的動態(tài)建立過程可表示為：第5頁,共38頁，2024年2月25日，星期天Δn(t)=Δnmax[1-exp(-t/tw)]式中tw

是晶體的寫入時間常數(shù)，反映了晶體的響應速度，是飽和折射率調(diào)制度，即在寫入時間t遠大于光柵寫入時間常數(shù)后，晶體折射率變化的幅值。體全息光柵的衍射效率與角度選擇性以物光波和參考光波都是平面波為例，θr和θs分別是參考光和物光在介質內(nèi)的入射角，見圖二。根據(jù)光的干涉原理，在記錄介質內(nèi)部應形成等間距的平面族結構，即體光柵。條紋面應處于R和O兩光束夾角的角平分線，它與兩束光的夾角θ=（θr–θs）/2。體光柵常數(shù)Λ將滿足關系式第6頁,共38頁，2024年2月25日，星期天2Λsinθ=λ（2）式中λ為光波在介質內(nèi)部傳播的波長。圖二體光柵紀錄的幾何關系第7頁,共38頁，2024年2月25日，星期天體積全息圖對光的衍射作用與布拉格（Bragg）對晶體的x射線衍射現(xiàn)象所作的解釋十分相似，因而常借用所謂的“布拉格定律”來討論體積全息圖的波前再現(xiàn)，把（2）式稱為“布拉格條件”，角度θ稱為“布拉格角”。具體說來，若把條紋看作反射鏡面，則只有當相鄰條紋面的反射光的光程差均滿足同相相加的條件，即等于光波的一個波長時，才能使衍射光達到極強。因此，只有當再現(xiàn)的光波完全滿足該布拉格條件時才能得到最強的衍射光。當寫入和讀出均使用相同的波長時，若讀出的角度稍有偏移，衍射光強將大幅度下降，并迅速將為零?？紤]到讀出光對布拉格條件可能的偏離，根據(jù)耦合波理論，對于無吸收的透射型位相光柵，衍射效率為第8頁,共38頁，2024年2月25日，星期天其中參數(shù)ν、ξ分別由下式給出式中λ是空氣中的波長，δ是由于照明光波不滿足布拉格條件而引入的相位失配，當讀出波的波長不變，入射角對布拉格角的偏離為Δθ時，相位失配因子δ可表示為第9頁,共38頁，2024年2月25日，星期天

為光柵條紋平面的法線方向與z軸的夾角。當讀出光滿足布拉格條件入射時，Δθ=0，可知ξ=0，此時衍射效率為

(7)結合（4）可見，在布拉格角入射時，衍射效率將隨介質的厚度d及其折射率的空間調(diào)制幅度Δn的增加而增加，當調(diào)制參量ν=π/2時，η0=100％.根據(jù)（3）-（7）式，可以給出無吸收透射位相全息圖歸一化的衍射效率η/η0（η0為滿足布拉格條件時的衍射效率）隨布拉格失配參量ξ的變化曲線，其主瓣寬度（2個一級零點之間的距離）對應的角度差稱為選擇角。第10頁,共38頁，2024年2月25日，星期天體全息的角度選擇性是我們可以利用不同角度入射的光，在同一體集中記錄許多不同的全息圖，而且記錄介質越厚，選擇角就越小，因而記錄的全息圖就越多。例如光折變晶體材料，其厚度在cm量級，這時選擇角僅有百分之幾甚至千分之幾度，因而可在這種厚的記錄介質中存儲大量的全息圖而無顯著的串擾噪聲，這就是大容量存儲的依據(jù)。事實上，光折變效應是發(fā)生在電光材料內(nèi)部的一種復雜的光電過程，是光致折射率變化效應的簡稱。1966年，貝爾實驗室的Ashkin等人意外發(fā)現(xiàn)光輻照可引起鈮酸鋰（LiNbO3)等晶體內(nèi)折射率的變化。這種折射率變化使光波波前在傳播過程中出現(xiàn)畸變，因此當初稱這種效應為“光損傷”。第11頁,共38頁，2024年2月25日，星期天兩年后，Chen等人認識到“光損傷”材料是一種優(yōu)質的光數(shù)據(jù)存貯材料，并首次在LiNbO3內(nèi)進行了全息存儲.隨后，人們發(fā)現(xiàn)通過均勻光照或加熱，可以擦除這種“光損傷”痕跡，使晶體恢復原態(tài)。由于“損傷”與“復原”是指光照下晶體折射率的變化及復原過程，現(xiàn)在人們普遍將這種效應稱為光折變效應。采用Kukhtarev等人提出的帶輸運模型，光折變晶體內(nèi)部復雜的光電過程可以描述為：1，在適當波長的空間非均勻分布的光輻照下，晶體內(nèi)的施主（受主）被電離產(chǎn)生電子（空穴）；同時電子（空穴）從中間能級受激躍遷至導帶（價帶）。2，光激發(fā)載流子在導帶（價帶）內(nèi)可自由遷移；光激發(fā)載流子具有三種遷移機制：擴散（載流子由于濃度不同而擴散遷移）、第12頁,共38頁，2024年2月25日，星期天漂移（載流子在外電場或晶體內(nèi)極化電場作用下的漂移）和異常光生伏打效應（均勻鐵電體材料在均勻光照下，產(chǎn)生沿自發(fā)極化方向的光生伏打電流）。在光折變效應中，上述三種遷移機制單獨作用或聯(lián)合作用完成了光折變晶體內(nèi)部載流子的遷移過程。3，遷移的電子（空穴）可以被重新俘獲，經(jīng)過再激發(fā)、再遷移、再俘獲，最終離開光照區(qū)而在暗光區(qū)被電子（空穴）陷阱俘獲。由此導致晶體內(nèi)空間電荷分布的變化，使空間電荷分離，從而形成了相應于光場分布的空間電荷場。4，空間電荷場通過線性電光效應（泡克爾斯效應），在晶體內(nèi)形成折射率的空間調(diào)制變化，產(chǎn)第13頁,共38頁，2024年2月25日，星期天生折射率調(diào)制的相位光柵。進一步的理論分析略去。實驗光路圖（簡單光柵存儲系統(tǒng)）第14頁,共38頁，2024年2月25日，星期天圖像存儲系統(tǒng)

第15頁,共38頁，2024年2月25日，星期天實驗內(nèi)容和步驟記錄一個全息光柵，測量晶體的動態(tài)寫入曲線按照圖三搭建光路，調(diào)節(jié)所有光學器件使他們共軸（先不放晶體）。安圖中虛線的示意正確連接兩個快門、振鏡和功率計，確保各儀器接口都正確。注意快門1定義為物光路的快門，快門2定義為參考光路的快門。打開激光器、計算機及其他一起開關，啟動全息存儲實驗演示系統(tǒng)軟件。注意本實驗因為使用了激光，實驗過程中一定要注意眼部的安全，尤其是不能讓激光直接射入眼睛，盡量避免注視激光光斑，一般應佩戴護目鏡。第16頁,共38頁，2024年2月25日，星期天調(diào)整兩寫入光束均為垂直偏振。方法：先用參考光2找到偏振片的小光位置，再將偏振片置于物光1，調(diào)節(jié)半波片2使該物光1在相同的位置出現(xiàn)消光。待激光器工作穩(wěn)定后，在晶體位置處測參考光（晶體所在光路）和物光光功率，調(diào)節(jié)半波片1，使兩者大致相等，并記錄此時光功率。調(diào)節(jié)物光和參考光光斑的高度，使兩者高度嚴格一致，即高度上重合。檢驗4F系統(tǒng)的準確性。方法：大范圍轉動振鏡，同時觀察與物光相交處的參考光光斑是否隨振鏡的移動而移動，若發(fā)現(xiàn)光斑移動，前后微調(diào)透鏡位置，直到轉動振鏡時參考光光斑保持不動。第17頁,共38頁，2024年2月25日，星期天加入晶體，使兩束光相交在晶體中適當位置。注意：晶體在記錄光柵前不能被強光曝光，否則會影響后面記錄光柵的質量，所以調(diào)光路的時候要將晶體取下或是在激光器出口處加衰減器，并總是要擋掉一束光。實驗過程中注意保護晶體（防劃傷碎裂），用正確的方法拿取晶體（注意拿晶體的時候要戴軟質材料制作的手套，嚴禁用手直接接觸晶體的四個光學表面，否則會留下指紋，影響成像質量）。晶體上若有灰塵或其他的贓物可用丙酮擦洗。晶體光軸方向為沿45°指向倒角棱。要正確擺放晶體位置，使形成的干涉條紋面方向和晶軸方向垂直。第18頁,共38頁，2024年2月25日，星期天在全息存儲軟件里執(zhí)行“寫全息圖”命令，按要求填好各種參數(shù)后，按“開始”按鈕曝光（參閱該軟件使用說明）。動態(tài)寫入曲線將顯示在計算機顯示器上，實驗數(shù)據(jù)將保存在文件中。注意“記錄位置”的選擇。全息實驗對外界震動很敏感，實驗前要將每個磁座及各光學器件固定好，實驗中應盡量避免說話，走動，切忌用手碰觸實驗臺。測量此光柵的角度選擇性在前述單光柵記錄完成后，晶體要嚴格保持在原有位置。執(zhí)行“讀全息圖”命令，通過振鏡的轉動來改變參考光的方向，對剛才寫入的光柵進行掃描讀出。第19頁,共38頁，2024年2月25日，星期天注意各項掃描參數(shù)的選擇，應使“起始位置”+（“掃描步數(shù)”*“步長”）/2=“記錄位置”。讀出過程中要確保衍射光完全被功率計接收。光柵的選擇性曲線將顯示在計算機顯示器上，實驗數(shù)據(jù)將保存在文件中。對實驗所的數(shù)據(jù)按要求進行處理后，估算光柵選擇角的大小。記錄和讀出一幅全息圖像取下晶體，按圖四要求在圖三的基礎上加入針孔濾波器及其后面的準直透鏡、SLM、兩塊傅里葉變換透鏡和CCD，并調(diào)節(jié)中心共軸。注意不要讓激光未經(jīng)衰減直接照射CCD，經(jīng)常用強光照射的CCD靶面會降低CCD的靈敏度。第20頁,共38頁，2024年2月25日，星期天確保各種儀器接口都正確后，打開激光器和計算機及其他器件開關，啟動全息存儲實驗演示軟件。加載SLM圖像（見軟件使用說明）。待激光器工作穩(wěn)定后，測參考光2（振鏡所在光路）和物光光功率（物光以第一塊傅里葉變換透鏡的后焦面上的頻譜面上的頻譜點的中心亮點的光功率值為準）調(diào)節(jié)半波片1，使物光參考光比約為1：2，并記錄。注意，由于位于透鏡后焦面上的光強過于集中，物光的高頻部分和低頻部分的強度與參考光強度之比不同，使再現(xiàn)像的質量下降。第21頁,共38頁，2024年2月25日，星期天因此，為提高再現(xiàn)像的質量，在實際的存儲中，我們采用離焦技術（即讓記錄介質稍稍偏離頻譜面）。調(diào)節(jié)物光和參考光的中心高度一致，并使參考光能包住物光頻譜的中心亮點。在激光器出口處加衰減器，關閉實驗室照明燈，調(diào)節(jié)衰減器使出光最弱，調(diào)節(jié)CCD，使成像清晰。加晶體并固定，注意使兩束光在晶體內(nèi)相交，移開衰減器。在全息存儲軟件里執(zhí)行“存圖像”命令，按要求填好各種參數(shù)后，按“開始”鈕曝光（參閱軟件使用說明）。記錄完畢后，關閉物光，開參考光，開快門3（CCD前的快門），打開CCD采集軟件，采集圖像。將采集得的圖像用畫圖打開，觀察全息重構圖像的效果。第22頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第24頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第25頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第26頁,共38頁，2024年2月25日，星期天空間光調(diào)制器和液晶顯示器(LCD)1．光學信息處理的特色光學信息處理系統(tǒng)處理光波荷載的信息。這些信息用光波的某一參數(shù)的空間分布來表征，例如強度、相位、偏振。用光波來荷載信息具有寬帶、多束光可以在空間并行傳播、大容量、高速度等顯著的特點。．光學信號的傳遞

光學圖像信道

信號源

接口器件（SLM）光學信息處理系統(tǒng)信息輸出

(顯示)圖A-1光學圖像處理信道第27頁,共38頁，2024年2月25日，星期天光學信號的傳遞

光學圖像信道如圖A.1所示。在信息處理中，信號源（信源）和信號處理系統(tǒng)往往是兩個獨立的系統(tǒng)。信源產(chǎn)生的信號，必須通過某種形式的接口器件，才能耦合到處理系統(tǒng)進行處理。該接口器件就是空間光調(diào)制器(SLM)?？臻g光調(diào)制器的定義和尋址方式空間光調(diào)制器是一個二維器件，可以看成一個透過率(或反射率)受到寫入信號控制的濾光片，表為

T(x,y)=T[x(t),y(t)],(A-1)T[x(t),y(t)]表示在時刻t，空間光調(diào)制器在（x,y）處的復數(shù)透過率(或反射率)。寫入信號把信息傳遞到SLM上相應位置、以改變SLM的透過率分布的過程，稱為“尋址”(addressing)。第28頁,共38頁，2024年2月25日，星期天通常有兩種尋址方式，對應于兩類空間光調(diào)制器。當寫入信號是電信號（通常是視頻信號或計算機的電平信號）時，采用電尋址的方法來控制SLM的復數(shù)透過率。常用的電尋址的方式是通過SLM上兩組正交的柵狀電極，用逐行掃描的方法，把信號加到對應的單元上去。電尋址又稱為矩陣尋址，一對相鄰的行電極和一對相鄰的列電極之間的區(qū)域構成SLM的最小單元，又稱像素（pixel），它給出SLM的分辨率極限。矩陣尋址示意見圖A-2。第29頁,共38頁，2024年2月25日，星期天第30頁,共38頁，2024年2月25日，星期天空間光調(diào)制器的主要指標4．1空間截止頻率 設像素線度為

，根據(jù)抽樣定律，器件的最高空間頻率它也是器件的帶寬或傳遞函數(shù)的截止頻率。4．2空間帶寬積設器件線度為

x、

y，則空間帶寬積第31頁,共38頁，2024年2月25日，星期天表1VGA640

480SVGA800

600XGA1024

768SXGA1280

1024UXGA1600

1200式中N為像素數(shù)?？臻g帶寬積是信道容量的標志，因而像素數(shù)（即圖象的抽樣數(shù)）是器件的重要指標。表1給出常用的象素數(shù)。開口率開口率（fillfactor）為象素的有效通光面積與象素總面積之比，透射式SLM由于電極和薄膜晶體管電路本身不透明，所以開口率較低，光能利用率不高。第32頁,共38頁，2024年2月25日，星期天空間光調(diào)制器的物理效應和常用的空間光調(diào)制器一般來說，凡是能引起介質光參數(shù)改變的效應都能應用于空間光調(diào)制器，例如線性電光效應(Pockels效應),光彈效應，光電導效應，磁光效應，聲光效應，光折變效應等等。由于空間光調(diào)制器是相干光和非相干光處理的關鍵器件，因此近年來國際國內(nèi)開發(fā)出幾十種空間光調(diào)制器，常用的電尋址空間光調(diào)制器有以下幾種： （1）薄膜晶體管液晶顯示器(thin-film-transistorliquidcrystaldisplay,TFT-LCD)；（2）磁光空間光調(diào)制器(magneto-opticalSLM,MOSLM)；（3）數(shù)字微反射鏡器件(digitalmicromirrordevice,DMD)；（4）反射式液晶顯示器（liquid-crystal-on-silicon,LCOS）；常用的光尋址空間光調(diào)制器有以下幾種： 第33頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（1）鐵電液晶空間光調(diào)制器(ferroelectricliquidcrystalSLM,FLC-SLM)；（2）液晶光閥(liquidcrystallightvalve,LCLV)及液晶顯示器-液晶光閥（LCD-LCLV）；（3）微通道板空間光調(diào)制器(microchannelSLM,MSLM)；（4）Pockels光調(diào)制器(Pockelsreadoutopticalmodulator,PROM)；6．液晶顯示器（LCD）6.1液晶液晶是有機高分子物質在一定的條件下呈現(xiàn)的一種特殊的物質狀態(tài)，其結構介于液體、固體之間，稱為中間態(tài)，或中間相。液晶分子為長棒狀、盤狀、碗狀，分子排列介于完全規(guī)則的晶體和各向同性的液體之間,具備以下特點:（1）每個液晶分子的中心在液晶空間中的分布是隨機的。第34頁,共38頁，2024年2月25日，星期天（2）分子的取向具有有序性:長棒狀分子的長軸方向或盤狀、碗狀分子的法線方向在一定的溫度范圍內(nèi)傾向于彼此平行,該方向稱液晶分子的指向矢量方向。三種重要的液晶結構見圖A-3。三種重要的液晶分子示意圖(a)向列相.(b)層列相.(c)膽甾相第35頁,共38頁，2024年2月25日，星期天液晶具有雙重性質:既具有液體的流動性，又具有晶體所特有的各向異性。液晶的各向異性在外場下會發(fā)生顯著變化,這種變化