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×0.5cm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。·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26.6mm(H)×20.0mm(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48.4kHz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34f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，在晶体内部发生干涉，形成与原图像信息相对应的体光栅结构，完成了一幅图像存储。此时，计算机PC2在经过控制快门S1与S2曝光了计算所得的相应曝光时间后，命令其关闭，然后控制电转平台以一定步距角转动，同时通信PC1切换图像，在上述命令完成之后，PC2再次命令S1、S2曝光相应的时间，进行切换图像的存储，以此过程循环，最后实现在晶体同一体积内通过角