（光学工程专业论文）吖啶橙敏化的光致聚合物及其数字全息存储研究.pdf

河南大学光学工程专业2 0 0 5 级硕士论文 摘要 数字化全息存储因具有存储密度高、容量大、可并行读写等优点而成为当今 国际信息存储领域的研究热点。本文在总结了当前高密度光学信息存储技术和有 机光致聚合物材料的存储原理、性能研究现状的基础上，围绕有机光致聚合物材 料和数字化全息存储系统进行了以下几方面的工作： 1 制备了以聚乙烯醇为粘结剂，丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺为单体，三乙 醇胺为光引发剂，吖啶橙为光敏剂的新型光致聚合物，并通过实验的方法对光致聚 合物的各组分含量进行优化。 2 研究了优化分组后光致聚合物在不同波长、不同暴光强度、不同分光比和 不同厚度下的衍射效率、感光灵敏度和折射率调制度等全息特性参量；通过实验 测试研究了光致聚合物的透过率和布拉格偏移。 3 在聚合物样品中分别存储了模拟图像和由空间光调制器生成的数字化图 像，再现图像有较高的保真度。 4 研究了数字全息存储系统中各部分功能与作用，光学存储部分噪声的来源 以及二值图像质量的描述方法。 5 设计出一种新的恒比编码方法，这种编码方式在译码时能实现自动取阈， 对于提高数据判决的准确率十分有利。将计算机二进制文件经过编码生成的二值 图像存入样品，其再现图像较为清晰，再现文本文件二进制数据位的误码率可降 低到零，能够准确地还原出原文。 关键词：光致聚合物；数字全息存储；衍射效率；吖啶橙 a d i g i t a lh 0 1 0 9 r a p h i c d a t as t o r a g e m e e t i n gt h ei n c r e a s i n g d e m a n df o r b s t r a c t h a sb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e dw i t hm ea i mo f h i g h - d e n s i t y d a t as t o r a g eo w i n gt 0i t sm a n y a 仕r a c t i v ef b a m r e s ，s u c ha sh 诎d a t ar e c o r d i n gd e n s 峨h i 曲d a t a 仃锄s f e rr a t e sa n di t s p a r a l l e lp r o c e s s i n gc h a r a c t e r s o nt h eb a s eo f t h er e v i e wo ft h ep r o c e s so fh i 曲。d e n s i t y o p t i c a l i n f o m a t i o n s t o r a g et e c h n 0 1 0 肼 t h e h 0 1 0 伊a p h i cs t o r a g ep n n c i p l e a n d c h a r a c t 丽s t i c so fp h o t o p 0 1 y m e r ，t h es t u d yh a db e e nd o n ea b o u tp h o t o p 0 1 y m e rr e c o r d i n g m a t e r i a l sa n dd 蟛t a l h o l o 伊a p h i cd a t as t o r a g es y s t e mi nt h i sd i s s e r t a t i o n i ti n c l u d e s ： 1 an o v e lp h o t o p o l y m e rs 锄p l ec o n s i s t so fp o l y v i n y l a c o h o la sab i n d e r ，a c 拶l a m i d e a n dn ，n ，m e t h y 】e n e b i s a c 叫锄i d ea sm o n o m e r s ，t r i e t h a n 0 1 a m i n e a sap h o t o i n i t i a t o ra n d a c r i d i n eo r a n g ea s ap h o t o s e n s i t i z e rf o rh 0 1 0 伊a p h i cs t o r a g e w a sf 西b r i c a t e d ；b y o p t i m i z i n gm ec o m p o n e n t so ft h es 踟p l e ，ar e a s o n a b l eo p t i m a l c o n c e n t r a t i o nw a s o b t a i n e d 2 t h eh 0 1 0 伊a p h i cc h a r a c t e r i s t i cp a r 啪e t e r so fm ep h o t o p o l y m e r so fd i 箭a c t i o n e 硒c i e n c y ，e x p o s u r es e n s i t i v i t ) ，a n dd y n a m i cr a n g ew e r es t u d i e di n d i 何宅r e n tw a v e l e n g t h ， d i 饿r e n t e x p o s u r ee n e r 烈 d i 行e r e n tb e a mr a t i oa n dd i 毹r e n t m i c k n e s s 1 1 1 e t r a n s m j t c a n c ea n db r a g g m i s m a t c ho ft h ep h o t o p 0 1 y m e r s w e r ea l s os t u d i e db y e x p e r i m e n tm e t h o d 3 t 、】 ，od i m e n s i o n a l m a l o gi m a g e sa n dd i g i t a ld a t ap a g e sg e n e r a t e db ys p a t i a l1 i 曲t m o d u l a t o rw e r es t o r e di nt h ep h o t o p 0 1 y m e rs a m p l e ，a n dt h er e c o n s t m c t e dp a g e sh a d g o o df i d e l i t y 4 e v e 巧p a n so f 向n c t i o ni nd i g i t a l h 0 1 0 伊a p h i cs t o r 唱es y s t e m ，t h en o i s es o u r c em o p t i c a ls t o r a g ea n dt h ed e s c r i p t i o no fb i n a 巧i m a g eq u a l i t y w 2 l ss t u d i e d 5 an e we n c o d i n gm e t h o dw a ss t u d i e d n i sm e t h o dc a na u t o m a t i c a n yd e t e n n i n e t h ea d m i s s i o nt h r e s h o l d ，w h i c hi sv e r yb e n e f i c i a lf o ri m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo ft h e r e c o n s t m c t e dd a t a ab i n a wi m a g ew h i c hw a sc o d e dw i t hab i n a 拶f i l ew a sr e c o r d e di n t h ep h o t o p o l y m e rs a m p l e 锄dt h er e c o n s t m c t e dh 0 1 0 孕锄c o u l d b ed e c o d e di n t oc o l l r e c t t e x t k e yw o r d s ：p h o t 叩o l y m e r ；d j g i t a lh 0 1 0 9 r 印h i cs t o r a g e ；d i 仟r a c t i o n e 币c i e n c y ； a c r i d i n eo r a n 眢e 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出硕士学位中请。本人郑重声明：所星交备勺学位论文是 本人在导师的指导下独立完成的，对所研究的课题有新的见解。据我所知，除 文中特别加以说明、标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学住或证书而 段保存、汇编学位论文( 纸质文本和电子文本) 。 ( 涉及保密内容的学位论文在解密后适用本授权书) 学位获得者( 学位论文作者) 釜名： 2 0d g 年厂月d 日 学位论文指导教师签名： 2 0 河南大学光学l ：程专业2 0 0 5 级硕七论文 第一章绪论 1 1 引言 人类发展到二十一世纪进入了信息化、数字化时代。计算机、通讯等各领域 处理和存储的信息量同趋加大，特别是对多媒体数据的处理更是与同俱增。传统 的存储设备如磁带、硬盘、c d 光盘以及数字多用光盘( d v d ) 已经接近或达到其 物理存储极限。为了适应信息时代的需求，人们一方面探索数据的压缩方法，另 一方面投入大量的人力物力来研制海量高速的新型信息存储器件和系统。而体全 息存储属于三维的光学存储，理论上其存储数据密度可达到1 0 1 2 b i t c m 3 。采用二维 并行数据存取方式，其数据传输速率远高于传统存储器件，所以体全息存储技术 有望成为颇具潜能的新一代存储技术。 体全息存储技术良好的前景，引起众多研究者的关注。他们分别在全息存储 机理【1 - 3 1 、复用技术【悯、记录材料等方面取得了进展。光学数据库、光学神经网络、 光学互联、联想识别等方面的研究进展，激发了人们对体全息存储的兴趣。同时， 激光器、高分辨率组页器( 如空间光调制器s l m ) 以及高性能光电探测器( 如c c d ) 等领域的实际进展，也加速了体全息实用系统的研究步伐。数字数据全息存储是 将待存信息的二进制码流整合为多幅的二值化数据页面，然后进行全息存储，读 出时再将数据页经过判别，恢复为二进制码流的过程。该技术对二值化数据页的 存储增强了系统的抗干扰能力，应用数字信号处理手段( 例如纠错编码) 可提高 数据的保真度，同时在一定程度上也放松了对系统硬件的要求。 但要实现实用的全息存储系统，存储材料是物质基础和关键技术之一。原则 上，所有的全息记录材料都可作为全息储存的记录材料。光致聚合物材料因具有 高的衍射效率、高的曝光灵敏度、低廉的价格以及不需要后湿化学处理等优点而 成为研究的热尉7 9 1 。在这方面d u p o n t 、p o l a r o i d 、c a n o n 、富士等公司都做了较多 的工作，人们对高密度光学全息存储技术最终会因理想的光致聚合物全息材料出 现而获得最大的突破基本成为共识。d u p o t 和p o l 撕o d 等公司已经研制除了性能较 河南大学光学】：程专业2 0 0 5 级硕士论文 好的光致聚合物产品出售，尤其是d u p o n t 公司推出的h r f 系列和o m n i d e x 系列 【lo 】具有灵敏度高、光谱响应宽、衍射效率高、存储期长和光学干法加工等优点。 1 2 高密度光全息存储技术的发展状况 二十世纪4 0 年代末，英国科学家d e n n sg a b o r 为提高电了显微镜的分辨率而 提出了全息术，并将其用于x 光图像的放大处理。6 0 年代初，随着激光器的出现， v a nh e e r d e n 提出了全息数据存储的概念。7 0 年代中，人们就已经设计出许多具有 相当潜力的全息存储系统。但鉴于当时的技术基础，全息光存储的实用化进程一 直比较迟缓。到9 0 年代，随着计算机产业的迅速发展，特别是互联网技术的兴起， 带来了具有决定意义的信息技术革命，同时，也由于在光电器件和全息存储材料 领域的研究取得了突破，才使得人们在全息光存储领域获得了巨大的进展，从而 也使全息光存储再次成为高密度光存储领域的研究热点。 1 9 9 5 年，美国政府投资7 0 0 0 万美元，在美国国家存储工业联合会( n s i c ) 的组织下，形成了一个包括i b m 公司的a l m a d e n 研究中心、r o c l 州e l l 科学中心、 加州理工学院、斯坦福大学和卡耐基梅隆大学等共1 2 个单位参加的联合研究体， 实施“光折变信息存储材料( p r i s m ) 项目 和“全息数据存储系统( h d s s ) 项 目”，从存储材料、关键器件、光学系统结构、信号处理等几个方面对全息光存 储技术展开了全方位的研究。1 9 9 8 年b e l l 实验室利用相关复用技术在掺铁铌酸锂 晶体( f e ：l i n b 0 3 ) 中实现存储面密度超过3 5 0 b i t s “m 2 。1 9 9 9 年，b e l l 实验室、联 合朗讯( l u c e n t ) 和怡敏信( i m a t i o n ) 等公司开始探索全息光存储技术商业化的途 径。2 0 0 1 年，i b m 公司进行了存储密度为2 5 0 g b i t s i n 2 的实验。2 0 0 2 年的n a b 2 0 0 2 会议上，美国i i l p h a s e 公司展示了使用全息记录媒体的播放系统i t a p e s 姆，记录 容量达到1 0 0 g b ，可以容纳3 0 分钟的非压缩数字h d t v 视频内容，数据传输速 率为1 6 0 m b i t s s 。同年1 0 月美国a p r i l i s 公司公布了大容量、高性能的全息存储介 质，可在耷1 2 0 m m 的标准盘片上实现2 0 0 g b 的存储容量和2 0 0 m b s 的读出速率。 美国i n p h a s e 公司在2 0 0 5 年推出改进后的t a p e s t 巧2 0 0 r ，其容量可以达到2 0 0 g b 。 与此同时，另外一家在全息光存储领域做出重要工作的公司r 本o p 觚a r e 公 2 河南人学光学工程专业2 0 0 5 级硕上论文 司也取得了重要的成果。在2 0 0 0 年，该公司成功地将偏振共线( p o l a r i z e dc o l l i n e a r ) 技术用于全息光存储，并在2 0 0 4 年的“o d s2 0 0 4 上首次展示了使用全息光盘的 记录播放装置和相应光学头等。0 p 研a r e 公司在2 0 0 5 年推出面向商用领域的，容 量达2 0 0 3 0 0 g b 的1 2 c m 直径全息光盘。随着在光电器件和存储材料方面取得的 研究进展，可以预见全息光盘存储即将进入实用化和产业化阶段。 1 3 数字全息存储技术 体全息存储的基础理论己经发展了3 0 多年，理论体系己经相对完整，为了实 现存储器的实用化，人们又对其各项关键技术进行重点研究。本节简要介绍体全 息存储的理论基础以及系统中的一些关键技术及最新进展。 1 3 1 理论基础 全息存储是用干涉方法来记录由相干光照明的物体所反射或透射的光波，由 于记录的是物光与参考光相互干涉而形成的干涉图样，所以它不同于传统的照相 存储方式( 仅仅记录物光的强度信息) ，它将物光的全部信息( 包括振幅信息和 相位信息) 完整记录了下来。光波的波前的强度( 或振幅) 是容易记录的，然而 目前条件下，还做不到光相位信息的直接记录。在光全息存储技术中，通过采用 “空间载频”的概念，利用参考光与物光干涉，把相位差转换成强度差巧妙地解 决了这一基本问题。全息图具有类似光栅的结构，当再现光从与记录时参考光相 同角度照射时，由于光栅的衍射，产生再现像。其基本工作原理如图1 1 所示： 自光 r 一一。 i 7 共轭鲁 全息的记曩 垒息田的再现 图1 1 全息存储工作原理图 3 河南人学光学_ ：程专业2 0 0 5 级硕上论文 下面对图1 1 所示的全息存储过程进行数理分析h 川 设参考光为： 尺( z ，y ) = 尺o ( z ，y ) e x p 矽月( x ，y ) 】 ( 1 1 ) 其中( x ，y ) 是记录介质平面上的坐标，r ( x ，y ) 和靠( x ，少) 分别是参考光在( z ，y ) 处的振幅和相位。 设记录平面上的物光为： 0 ( 工，y ) = 哦( z ，y ) e x p 九( x ，y ) 】( 1 2 ) 记录时记录介质平面上的光强分布为： ，o ，y ) = ( d + 尺) ( d + + 尺。) = ( 讲+ 碍) + 瓯re x p ( 九一九) + 0 0 re x p 【( 九一九) = ( 讲+ 霹) + 2 d o rc o s ( 九一办)( 1 3 ) 由此可知，由两束光干涉后形成的干涉图样的任一点上的强度等于各个波的 强度和再加上一个干涉项。二者的相对相位信息就包含在这个与时间无关的干涉 项内，因此物光波的相位信息就转化成了强度信息。其中必须注意要产生一个非 零干涉项，两个光矢量必须有相互平行的分量，所以本论文内假设所有光波均有 相同的偏振。 若在线性记录条件下，对于透射全息图，则有透射函数： 丁( x ，y ) = 瓦+ 夕z ( x ，y ) ( 1 4 ) 式中瓦是代表背景的一个常数，是与材料性质和曝光时间有关的比例系数。 再现过程常常是用与参考光波相似的光波( 再现光) 照射全息图，设该光波 为： c ( 工，少) = c 。( x ，y ) e x p 【以( z ，y ) 】 ( 1 5 ) 则在全息图后表面的光场分布可表示为： 4 河南火学光学工程专业2 0 0 5 级硕士论文 ( z ，y ) = c ( x ，少) 7 ( x ，y ) = c ( x ，y ) 【瓦+ ( o ；+ 霹) 】+ d c 。re x p ( 丸一矽月) 】 + 膨( _ j r 0e x p 【( 矽尺+ 九) 】 ( 1 6 ) 式中第一项为直射光波或o 级光波；第二项带有物光波d 的信息，为+ 1 级衍射光 波；第三项带有物光波的共轭光( d ) 的信息，为1 级衍射光波。 1 3 2 体全息存储与布拉格定律 在记录介质的厚度远大于记录干涉条纹间距的情况下，物光和参考光两相干 光束在介质内部相互干涉，形成三维光栅状全息图，记录介质材料的整个体积都 对全息过程都有贡献，因此我们就称之为体全息图( v o l u m eh o i o 盯a m ) 。 设厚度为d 的感光介质，被两束在x z 面内传播的平面光波入射，在其内部干 涉形成如图i 2 所示的三维光栅，图中r 为参考光，o 为物光。 0 rd 一一一一 z 图1 2 体全息存储 按照三维光栅的衍射理论，为使连续散射波同位相相加，以便使总的衍射波 振幅到达极大值，则照明光束的波长彳，照明光束与峰值条纹面之间的夹角1 9 ，以 及体光栅条纹面的间距人三者之间必须满足布喇格定律 2 人s i l l 秒= 五 ( 1 7 ) 而当照明光束的角度和波长取值偏离布拉格条件时，衍射振幅迅速下降。因此它 河南大学光学l 程专业2 0 0 5 级硕十论文 表现出对照明光束的角度和波长很强的选择性，可以在相同位置进行波长或角度 复用，从而使其具有高存储容量的潜力，成为多重全息存储的主要工作方式。 1 3 3 耦合波理论 k o g e l n i k 【1 2 1 等分析了体光栅衍射的耦合波理论，从麦克斯韦方程出发，根据记 录介质的电学和光学常量，直接求解描述照明光波和衍射光波的耦合微分方程组， 得到衍射效率。由耦合波方程( 其中q 是空间变化的传播常量) ： v 2 e + 9 2 e = 0( 1 8 ) 根据布拉格角度和波长选择性的定义( 衍射主瓣两边最小值之间变量的变化 范围) 可以得到透过型光栅的水平角度选择性和垂直角度选择性以及波长选择性： o 。=2 ( 万2 一y 2 ) 1 7 2 丸c o s 只 刀耐 i s i n ( 2 妒) i o 直= 2 ( 0 平t a np ) 1 7 2 ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 五：鲨二型笙竺堡 1 ) 砌d ( 1 一c o s 2 缈) 、7 体全息的角度和波长的选择性使得我们可以利用不同角度入射的光或者不同 波长的光，在同一体积中记录不同的全息图，而且记录介质越厚，选择角和波长 的偏移量就越小，记录的全息图就越多，这就是全息存储复用技术的理论原因， 也就是体全息存储实现大容量存储的依据。 1 3 4 复用技术 存储中的复用技术是全息光存储所特有的技术特征，采用合理的复用技术可 以有效地增加系统的存储容量，提高存储系统的性能。全息光存储中的复用技术 主要包括空间复用、体积复用和混合复用三大类。 空间复用技术是将记录介质的二维平面划分成不同的区域，在每一个区域中 单独存储一幅全息图。空间复用技术是发展得最早的复用技术，主要适合于平面 型记录材料，存储材料中的存储格式类似于硬盘和光盘。空间复用技术的优点是： 6 河南大学光学工程业2 0 0 5 级硕：十：论文 由于相邻的全息图在空间并不重叠，因此再现出的页面之间可以完全避免串扰噪 声，每个全息图的衍射效率也都可以达到单个全息图所能达到的最大衍射效率。 此外，由于存储的所有全息图都可以采用相同的参考光角度，因此系统的光路设 计和构架相对简单。单纯空间复用技术的主要缺点是不能充分利用存储材料的厚 度来增加系统的存储容量，因此没有充分利用全息存储技术的潜力实现最大存储 容量。 为了弥补空间复用技术的缺陷，人们提出了体积复用技术。体积复用技术分 为三种：角度复用、位相复用和波长复用。 角度复用：这是一种使用最早，研究最为充分的复用技术，它利用了体积全 息图的角度选择性，使不同的信息页面可以互不相干地叠加在同一个空间区域内。 每幅全息图在记录和读出时所采用的物光和参考光的夹角都各不相同，但采用的 激光波长是固定的。对角度的调整可以通过旋转反光镜或声光偏转器来实现。角 度复用技术可以有效地增大存储容量，提高存储密度。但角度复用存储的全息图 数目越多，平均衍射效率就越低，并且由于串抗干扰的叠加将导致读出数据的信 噪比下降，这些因素也影响和限制了角度复用技术可以实现的存储容量。 位相复用：为了克服角度复用技术串扰噪声较大的缺点，人们又提出了正交 位相编码复用技术。在这种复用技术中，参考光的波长和光束角度都是固定的， 而位相编码一般使用确定性位相编码中的正交位相编码。正交位相编码的概念是 每个全息图的参考光都是由一组平面波束的集合组成，对其中每个光束都进行纯 位相调制，即相对位相延迟非o 即兀。每组这样的光束集合代表一个存储图像的地 址，且和其它所有地址都正交。读出信息时，只有该地址参考光束对应的全息图 的衍射效率最大，而对于其它全息图则是相消干涉，理论上其衍射效率均为零。 因此，位相复用技术可以提高读出过程中全息图的衍射效率，增加读出数据的信 噪比，并且可以使对存储数据的寻址通过改变光束的位相而不是改变光束的方向 来实现，从而使寻址过程更快。 波长复用：由于全息图的再现对读出光的波长也十分敏感，所以波长复用也 7 河南入学光学j ：程专业2 0 0 5 级硕十论文 是全息光存储的主要复用方式之一。波长复用也是基于全息光存储所具有的布喇 格选择性，只是此时每幅存储的全息图是与一个特定的光源波长相对应，记录和 读出过程中参考光和物光之间的夹角保持不变。 混合复用技术就是将上述几种复用方法结合使用，以便充分利用各种复用方 法的优点，提高系统的存储容量。主要的几种混合复用技术包括稀疏波长一角度 复用、空间一角度复用以及空间一位相复用等。 1 3 5 数字全息存储的系统组成 在数字全息存储中，记录时将计算机二进制文件( 文本文件、可执行文件等 任意格式的文件) 的0 ，l 序列( 数字信息) 编码后输入到空间光调制器( s l m ) ， 从而转变成光强空间分布的弱与强( 光信息) 存入存储介质；读出时通过电荷耦 合器件( c c d ) 采集再现的信号( 光信息) ，并根据编码方式进行解码( 数字信 息) ，得到存入时的文件。数字全息存储通常采用典型的傅立叶体全息存储，其 系统组成如图1 3 所示。 由图可知数字光全息存储系统主要硬件包括：激光器、分束镜、反射镜、透 镜、s l m 、记录介质和c c d 。首先利用具有较好相干性和稳定性的激光器作为光 源，输出光束由分束镜分成两路激光：一路经反射镜l 反射后直接投射到记录介 质，记录时作为参考光，读出时作为再现光；另一路在记录时使用，经反射镜2 反射后由一组扩束镜扩束，然后照射到s l m ( 受输入图像信号控制) ，经s l m 调 制，携带s l m 上的图像信息，形成物光，傅立叶透镜1 对其进行傅立叶变换，投 射到记录介质。两束相干光在记录介质内相互干涉，最终形成体全息图。读出时 再现光由记录参考光相同入射角度入射。在记录介质内经体全息图衍射得到再现 二维傅立叶频谱图，由傅立叶透镜2 反变换成原始图像的再现像，最后由c c d 探 测得到读出信号。 8 河南大学光学工程j 孥业2 0 0 5 级硕士论文 图1 3 数字全息存储示意图 光源：用于全息光存储系统的光源必须具有高度的空间和时间相干性，以便 在要求的空间形成干涉图样，并在曝光时间内保持干涉图样的稳定，因此一般都 采用激光作为光源。早期一般都使用体积庞大的a r + 气体激光器，其波长为 5 1 4 5 n m ，输出功率高达5 w 。随着存储材料所需记录功率的下降，以及全息技术 商品化的需要，人们逐渐使用微型l d 双频泵浦全固体n d ：y a g 绿光激光器和 h e n e 红光激光器。据报道，在o 咖a r e 和i i l p h a s e 展示的系统中，则采用了新型 的氮化镓( g a n ) 蓝光半导体激光器，其波长为4 0 5 n m ，输出功率可达3 0 m w 。 s l m ：把光信号或者电信号调制成二维分布的光学图像信息，作为输入器件， 可以把s l m 看作一种可以控制的透明片。s l m 要具有高对比度和快速转换能力， 一般对比度能达到5 ：1 就可以接受，越高当然越好。而帧转换速度则要求能够达到 1 0 0 0 帧s ，这样才能够达到1 0 0 m b s 的数据传输率。 c c d ：是全息光存储系统的一个重要组成部件，用于接收读出的图像并生成 相应电信号进入取阈、纠错和解调电路。目前，所有全息光存储系统中采用的都 是c c d 光电转换元件。c c d 有线阵和面阵两种结构，在全息光存储系统中一般使 用面阵结构的c c d 器件，其主要的性能指标有：电荷转移效率、工作频率、噪声、 暗电流、光灵敏度、量子效率、分辨率和动态范围。此外，还需要考虑c c d 器件 和s l m 之间的像素匹配程度，即如果s l m 具有1 0 2 4 1 0 2 4 个像素，像素尺寸是 1 2 8 岬，那么理想情况下希望c c d 器件也具有1 0 2 4 1 0 2 4 个像素，且像素尺寸为 9 河南人学光学工程业2 0 0 5 级硕r i ：论文 1 2 。8 岬。 控制电路：图1 3 中没有表示出驱动光学部件的复杂电路，以及编解码、纠 错等电通道处理环节，但是这些部分在整个全息光存储系统中起着不可替代的重 要作用。在信源方面，需要存储的数字信息必须经过调制编码才能形成二维的数 据页。而在系统的另一端，c c d 器件探测到的图像信号只是伪数字信号，必须取 阈值变为二值数据，再经过解调和纠错方能为人们所用。此外，在记录和读出时 还要求计算、控制激光的功率、复用情况。曝光时间、对图像的处理以及纠j f 图 像失真等。这些都需要由控制电路加以快速、准确地控制，从而实现对数字信息 的j f 确存储和读出。 1 3 6 数字全息存储的编码方式 在数字全息存储过程中，不同器件会给再现光信息带来噪音干扰 1 3 1 ，如一记 录介质及光学元件缺陷引起的散射光、c c d 及其他电子线路的电子噪音、全息图 的页内串扰和页间串扰等。这些噪音会影响再现信息的准确度，因此，在信息存 储系统中，必须利用一定的编码来发现并纠j f 错误，将误码率( b i te r r o r r a t e ，b e r ) 降低到使用者可以接受的水平。 数字全息存储中最简单的编码方式是直接调制码：将空间光调制器上的一个 或多个像素定义为一个整体( 定义块) ，透过率最大的状态定义为1 ，透过率最小 的状态定义为o 。一个定义块表示一比特信息，编码效率等于1 ，所以s l m 上定 义块的数目就等于单幅信息页包含的信息量。将计算机文件的二进制序列转换成 s l m 上定义块的透过率分布，当均匀光通过s l m 后，就变成了携带数字信息具有 一定空间分布的物光。它和参考光在记录介质内相干记录信息，记录后，用参考 光照射记录介质，读出存入的光信息页。和选取的最佳阈值相比较，光强高于阈 值的为1 ，低于阈值的为o ，解码得到记录数据的二进制序列。由于直接编码中一 幅信息页只有一个阈值，最佳阈值不易选取，而且没有纠错能力，所以误码率极 高。 人们通常通过增加记录数据的冗余度来降低误码率，使所记录的数据满足一 1 0 河南大学光学工程专业2 0 0 5 级硕士论文 定的约束关系，从而在数据读出时，能实现自动取阈，并能够发现和纠正错误【1 4 1 。 常用的编码方式有等重调制码【1 5 】、阵列调制码【1 6 】和数据交替技术【7 1 。阵列调制码 是利用体全息存储中信息以二维页面形式进行存取的特性而引入的一种简单纠错 码( e 1 1 r o rc o 丌e c t i n gc o d e ，e c c ) ，它通过对二维数据加入交叉验码( c r o s sp a n 够 c o d e ，c p c ) 来实现纠错目的。在编码时，将待存入的数字信息分成段，每段含尼比 特信息，将，行信息段放在一起，形成忌，的二维数据阵列。然后根据校验规则产 生第后+ 1 列和第，+ 1 行数据，通常采用的校验规则是奇偶校验，即新增加的数据 位使得该行或该列中1 的个数为偶数。读出时，可根据校验行和校验列可以发现 两个或任意奇数个错误，并能纠正一个错误，阵列调制编码的编码效率为 置， ( 七+ 1 ) u + 1 ) 1 3 7 数字全息存储的新技术 1 定义块( 像素) 对准 定义块中包含的像素数目越少，单幅全息图所包含的信息量就越大。当一个 定义块中仅包含一个像素时，单幅全息图包含的信息量最大。s l m 上的像素通过 光学系统成像于c c d 上时，为正确读出信息，就要求s l m 和c c d 上的定义块( 像 素) 间的对准。当s l m 和c c d 的像素数超过百万时，每个像素的大小仅有几个 微米，这将给s l m 成像于c c d 时的定义块( 像素) 对准带来困难。 i b m 的a l m a d e n 实验室【1 刀利用一套精密的光学系统将s l m ( 1 0 2 4 1 0 2 4 个像 素) 上的图像成像于c c d ( 1 5 3 6 1 0 2 4 个像素) 上，s l m 的9 微米像素与c c d 的9 微米像素间实现了精确对准，从而首次实现了单幅图百万像素的存取。这样 精细的调节对光学系统以及记录介质光学质量的要求很高，而用相位共扼读出 【1 8 之们，对存储系统的要求会大大降低。1 9 9 7 年，d r o l e t 等人【2 l 】设计了一个光电子 集成电路( o e l c ) ，它的每个像元都具有调制、光探测、存储的功能。在记录时 它相当于反射型s l m ，在读出时它又相当于c c d 阵列探测器，同时它还具有动态 刷新的能力。利用共扼参考光读出，再现的信息可无畸变地成像于o e i c 上。共扼 1 1 河南大学光学l 程专业2 0 0 5 级硕十论文 读出可自动矫正系统中的相位畸变，降低对光学系统和介质光学质量的要求。另 外，共扼读出不需要额外的再现光路和成像系统，有助于系统成本的降低。 2 像素预矫正【2 2 】 s l m 包含了大量的像素，它们的调制能力并不完全相同，有时还会有很大差 异，另外照明光的不均匀，也会使每个像素的曝光量不同，从而可能引起数据读 出错误。由于这些因素在系统确定后并不发生变化，所以可以通过预处理来克服 这些不利因素。 首先多次测量s l m 的成像，得到s l m 的空间不均匀性，根据这种不均匀性 得到一个反相滤波器。在记录全息图时，延长比平均亮度暗的o n 像素的记录时 间，而缩短比平均亮度亮的o n 像素的曝光时间，通过调节每个像素的曝光量来 实现整体曝光均衡。另外还通过记录时产生的相位移，减小亮o f f 像素的亮度， 有利于读出时o n 像素与o f f 像素的判别。 我们知道，在透镜的傅里叶面附近进行全息存储，再现的图像是一个被低通 滤波的图像。记录的光斑尺寸越大，记录的空间频率就越多，像素间的串扰就越 小，但会减小存储密度；反之，光斑尺寸越小，像素间的串扰就越大，但存储密 度会增加。在低存储密度下，即忽略像素间串扰的情况下，像素预处理后原始误 码率可降低1 5 个数量级。更显著的是在高密度下，像素间的互扰也可得到有效抑 制，原始误码率可从1 0 4 降低到1 0 1 0 。 3 灰度存储【2 3 1 纠错编码可将系统的误码率降低到使用者接受的水平，但冗余信息的加入不 可避免的带来了容量损失。在这种情况下，每个像素还代表不了一比特信息。利 用上面提到的预处理技术，分别控制每个像素的曝光时间，使灰度存储成为可能， 这样每个像素可包含超过一比特的信息。设每个像素有g 个灰度级，则每个像素 最多可包含l o g ：g 比特信息。 利用像素预处理技术，b u l l r 等人进行了六个灰度级的存储，图1 4 为不同灰度 级像素的发生率。然而，灰度级同时将系统的信噪比分成g - l 份，每一份对应一个 1 2 河南大学光学 ：程号业2 0 0 5 级硕士论文 相邻灰度级间的变化。由于总的信噪比依赖于所记录的全息图的数目，所以在相 同的误码率下，灰度级存储会使能存入的全息图数目减少，因而灰度级的选取要 受系统信噪比的影响。 图1 4 六个灰度级的直方图 1 4 全息存储材料介绍 全息光存储的存储容量、传输速度、存储数据的稳定性和系统体积都受制于 存储材料。因此，研制开发合适的存储材料是全息光存储中最为关键的问题之一。 1 4 1 全息存储材料性能指标 记录材料的发展推动了全息术的进步，所有的全息记录材料原则上都可作为 全息存储的记录材料，下面首先介绍一些用于评价全息存储材料性能的主要性能 指标。 1 衍射效率 全息图衍射效率的定义为：在全息光栅成像时，有效成像光通量与照射全息 光栅的入射光通量之比，用刁表示。影响衍射效率的因素有材料的化学成分、记录 光强及物光和参考光的光强比等等【2 舡2 7 1 。对光全息材料来说最重要的要求是衍射 效率一定要高，材料的衍射效率达到一定值以后才能实现存储信息的记录和再现。 2 感光灵敏度 感光灵敏度是指一记录介质受到光照后，其响应的灵敏程度，一般定义为具 有最大衍射效率时所需的曝光能量。感光灵敏度直接影响到存储器的写入速度及 1 1 鬈oc是n。8 河南大学光学j ：程专业2 0 0 5 级硕上论文 写入过程的能耗。通常希望材料的灵敏度越高越好，但不同的全息存储材料其灵 敏度差别很大。所以单纯地考虑灵敏度意义不大，必须看其最大衍射效率为多大， 综合考评才能判断材料的全息性能。 3 感光光谱范围 全息记录过程涉及光与记录介质的作用。每一种介质都有它特定的吸收带， 只有记录波长处于介质吸收光谱区内的光子，才能对记录介质产生作用。这个能 产生作用的光谱范围称为该记录介质的感光光谱范围。 4 分辨率 分辨率代表材料的分辨本领，是指区分输入图像细节的能力或所能记录的光 强空间调制的最小周期。分辨率是每毫米分辨多少线对作为定量指标，单位为： 线对m m 。全息记录介质记录的是物光与参考光的干涉条纹，对分辨率的要求较高。 全息存储中，要求记录介质的分辨率大于全息图的分辨率。 5 信噪比 信噪比是衡量感光材料中所有信息失真度和清晰度的指标，是全息图再现时 信号与噪声之比，材料噪声过大将严重损害再现象的质量。噪声来源于材料的缺 陷和非均匀性造成的对输入信号的随机散射等。 6 重复性及保存期 全息记录材料的重复性是指信息可重复擦写的能力。保存期是指全息记录材 料对己记录信息的保存时间。 全息记录材料除采用上述评价指标外，还包括成本和使用的方便性( 能否实 时记录) ，抗外界干扰、破坏等其他一些指标。 1 4 2 光全息存储材料的分类 对全息光存储材料性能的要求是高的光学质量、高的折射率调制度、高的感 光灵敏度和稳定的存储性能。存储材料所具有的高的光学质量和低散射性可以保 证携带数据信息的物光波前不失真，并可以使来自散射光的噪声变得容易处理。 高折射率调制度可以保证有足够的动态范围以复用多幅全息图，同时为了充分利 1 4 河南大学光学1 ：程专业2 0 0 5 级硕士论文 用布喇格效应实现复用，以提高存储容量，也希望存储材料能够具有理想的厚度。 高感光灵敏度可令存储材料在一定激光功率下记录速度更快。而稳定的存储性能 则可以使存储数据在后续读出或者存储其它数据时避免被破坏。 目前用作体全息存储的材料主要有以铌酸锂晶体( l i n b 0 3 ) 为代表的光折变材 料、重铬酸盐明胶( d c g ) 、光致变色材料和光致聚合物等材料。 光折变晶体 光折变晶体属于位相型存储材料。写入时，参考光与物光照射到晶体上，引 起晶体折射率的变化，形成位相光栅。记录的信息利用某些固定技术( 如热固定【2 引、 光固定f 2 明等) ，可以长期保存。通过擦除，光折变晶体还可以反复使用。 铌酸锂晶体作为最早被发现的光折变材料，已经受到广泛的研究。它容易生 长成大尺寸的光学质量优良的晶体，其写入和灵敏度可以受掺杂浓度和外加电压 的控制。它的动态范围很大，使得在给定晶体存储大容量全息图成为可能。存储 的信息可以反复擦除，存储持久性相当长，并且可以固定。 铌酸锂晶体用于全息存储材料的缺点是灵敏度相当低，制作工艺较复杂，不 利于市场化。 重铬酸盐明胶 重铬酸盐明胶是一种很重要的全息记录材料，因为它拥有很好的全息存储潜 力如高衍射效率、高分辩率、低噪声、图像消失后可以通过再处理基本恢复、制 备工艺简单等。恰当地使用时，可形成一种透明的薄膜，它很少吸收和散射光。 此外，在明胶内可以形成很大的折射率变化，制成尽可能厚的全息图，衍射效率 接近1 0 0 。作为感光敏化剂的重铬酸盐溶解在明胶中，它以六价铬离子c r 6 十与明 胶结合，形成d c g 膜。它的光学性能良好，典型膜厚为1 0 3 0 啪。 重铬酸盐明胶尽管拥有理想的全息存储特性，但它有个缺点限制了它的广泛 应用：在自然环境中不稳定，难以得到重复的结果，而且从曝光到显影阶段，光 1 5 河南大学光学工程专业2 0 0 5 级硕上论文 敏层的变形问题也没有解决。这种材料的感光度不高，光谱敏感区也有限。近年 来对该材料的研究主要集中在两个方面，即提高材料的稳定型和改善光谱特性。 光致变色材料f 4 】 光致变色材料曝光时，由于光致变色膜层内的分子极化特性发生改变，导致 膜层折射率变化。尤其是记录波长与介质吸收谱线发生共振时，膜层内部可产生 显著的折射率变化。此时全息图的衍射效率主要来源于介质折射率的变化，而不 是介质吸收率的变化。因此，光致变色材料在这种情况下可以看作是位相型全息 记录材料。 光致变色材料具有无颗粒特征，分辨率仅受记录波长的限制。此外，若记录 光功率足够强，则不必采用干法或湿法显影，只需光照就可以在原位记录或擦除 全息图。但是光致变色材料存储的全息图的衍射效率和感光灵敏度不高，这也限 制了该材料在全息光存储领域的应用。 1 5 光致聚合物材料 光致聚合物材料通常由单体、粘结剂、光引发剂、光敏剂和增塑剂等组成， 在光照下聚合物膜内的这些化学成分发生光化学反应，改变聚合物的物理性质， 从而使之有了一些特别的应用。与其他全息存储材料相比，光致聚合物材料具有 高衍射效率、高曝光灵敏度、低廉的价格以及不需要后湿化学处理等优点而成为 研究的热点”】。 1 5 1 光致聚合物的组成【3 0 】 1 单体及常用种类：单体是聚合物的基本单元，一般在自由基和离子的作用 下产生聚合效应，是光聚物必须的组成部分，常带有光聚合性基团( 丙烯酸基， 甲基丙烯酸基，丙烯酰基，烯丙基等) ，丙烯酸基和丙烯酰胺基是常用的。 2 光敏剂和光引发剂及其常用种类：光敏剂和光引发剂都是在光聚合中能起 到促进引发聚合的化合物。光敏剂吸收光能能够发生光物理过程至它的某一激发 1 6 河南大学光学工程专业2 0 0 5 级硕士论文 态后，发生分子内或分子间的能量转移，传至另一个分子( 单体或引发剂) 产生 初级活性种子。引发剂能够吸收适当波长及强度的光能，发生键断裂，就能产生 初级活性种子，通常为自由基。光引发剂作用过程大多是物理变化且消耗性的； 光敏剂作为能量转移剂是非消耗的。掺入不同的光敏剂或引发剂可以选择不同的 吸收波长使得光聚物材料在全息存储中优于其他的材料。常作光敏剂和引发剂的 主要有偶氮化合物，有机硫化物，氧化还原体系，感光色素类( 如安息香，硫醇 类，花箐类) 等等。 3 其他聚合物或预聚物：为了改进和增强聚合物的固化和感度，需加入一些 具有成膜功能的高分子化合物与单体混合使用。这些化合物就是聚合物或者预聚 物：包含聚合性基团的高分子称预聚物，不包含聚合性基团的高分子称聚合物。 原则上所有的高分子都可作为聚合物，使用时以需要而定。 1 5 2 国内外光致聚合物的研究现状 光致聚合物材料出现后，这种相对容易生产、成本较低且容易实现短波长记