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角度复用光信息存储与图像识别实验讲
义及实验指导书

(一)实验系统介绍
一、实验概况
近年来随着信息技术的高速发展,人们对存储器的存储容量和传输速率等性
能的要求越来越高。基于对大存储容量的要求,出现了海量存储技术,因而包括
光盘存储在内的光信息存储技术相应而生。但光盘存储虽然在海量信息存储方面
有诸多优点,却只能在二维平面介质上存储信息,而二维存储正逐步接近其物理
极限。从平面扩展到三维体积的体全息存储技术同时具有存储容量大、数据传输
速率高和信息寻址速度快的特点,因此体全息存储技术是可以满足目前人们对海
量存储系统性能要求的首选方案,对其的研究也就具有十分重要的意义。
体全息存储的过程实质上是一个相干光两步成像的过程。首先是在存储介质
中记录物光和参考光干涉形成电场,然后用读出光(参考光或物光)去再现被记录
的物光波前或参考光。这与数据通信的过程相似,参考波的振幅和相位都被物光
波所调制,参考波犹如载波;记录全息图就是把被调制了的载波记录下来。在多
重存储中,可以通过改变参考光束的角度,即改变参考光的空间频率,在记录介
质的同一体积来(同一信道)记录多幅经过调制了的图像;也可以改变记录介质的
位置(不同信道)来存储不同的图像。当再现时,用相干光去照射全息图,就相当
于对调制了的信号进行解调,于是又得到原来的物光波,从而看到物体的像。并
且,由体全息的角度和波长的选择性可知,利用不同角度入射或不同波长的光,
可以在同一体积中记录许多不同的全息图;而且记录介质越厚,角度和波长的偏
移量就越小,记录的全息图就越多,可以进行大容量存储。
本实验系统便于学生从实验现象中更形象地认识与了解信息光学,加深对全
息尤其是体积全息基本概念和基本性质的理解,为今后更深入的学习奠定基础。
二、实验装置
体全息存储系统主要由以下核心器件构成:
(1)存储介质:体全息存储系统的存储容量、存取速度、存储数据的稳定
性等基本存储性能在很大程度上都是由存储材料的性能决定的。光折变晶体可以
记录相位型体全息图,衍射效率大,目前大体积的光折变晶体制造技术已较为成
熟,晶体的光学质量也很高,掺杂 LiNbO3 晶体也是当前使用最广泛的体全息存
储材料。本实验系统选用尺寸为 1cm×1cm× 的片状 Fe:LiNbO3 晶体作为
体全息存储器。
(2)激光器:采用固体激光器,输出波长为 532nm,输出功率为 50mW。
(3)空间光调制器(SLM):作为存储时原图像的输入及再现时图像模板的
输入器件,其性能直接影响到再现图像的质量,国外生产的 SLM 性能相对较好,
但价格昂贵。在本实验中所使用的 SLM 的分辨率为 1024×768,每个像素大小
为 26μm×26μm,其性能参数见表 1。
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图 1 体全息多重存储与图像再现的光路结构图


图 2 体全息多重存储与图像再现的实验装置图
表 1 空间光调制器的性能
类型 L扭曲向列相晶体材料的透过式激活矩阵 TFT
空间分辨率 1024(H)×768(V)
像素大小 26μm(H)×26μm(V)
像素有效面积 23μm(H)×16μm(V)
通道面积有效区域 (H)×(V)
透过率 600nm 波段的透过率 18%
填充因子 54%
对比度>100:1
类型 PCXGA
刷新 60Hz
线频率
像素频率 65MHz
三、图像存储及再现过程
如图 1 所示,光束的传播方向为 z 方向。激光器发出的光是波长为 532nm
的线偏振光,经过 1/2 波片 HW1,HW1 具有调节分光比的功能。以偏振分光棱
镜 PBS 的透射光作为物光,反射光为参考光。参考光经过快门 S1 曝光后由反射
镜 M1 反射到反射镜 M2 上,再经过 4f 系统到达存储晶体上。其中,M2 经由步
进电机带动的电转平台控制转角来实现水平位置的角度复用,M2 的旋转轴在 4f
系统的焦点上,如图 2 所示,4f 系统由两个相同的傅立叶透镜构成。这样只要
M2 在 4f 系统的物方孔径角范围内转动,其通过 4f 系统的出射光都会照射到晶
体的同一点上。

图 3 4f 系统结构原理图
透射光在经过快门 S2 后,被扩束器扩束准直后照明 SLM 加载图像信息,
经过 SLM 的平行光经过凸透镜 L 聚焦后,经过一个 1/2 波片 HW2,此 1/2 波片
的作用是使物光的偏振方向与参考光束的偏振方向一致,即使参考光与物光成为
两束相干光,在晶体内部发