高密度光学全息存储技术的新进展：向光盘存储挑战

光全息存储的独特优点，尤其是体全息存储的高容量和高数据传输速率，使光全息存储最有希望成为下一代海量存储技术。通过与现有的光盘和磁盘存储技术的对比，介绍了全息存储的原理和材料，以及在这一活跃的研究领域中的新进展，特别是为了提高存储容量和抑制串象噪音所发展起来的各种全息复用技术。对全息存储技术取得实用性进展的前景也作了简略讨论。     

光横向传播的光折变体全息透镜设计及其衍射性质

提出了一种新型的可用于光束横向传播的光折变体全息透镜。该透镜是由入射方向相互垂直的一束平面波和一束球面波在双掺杂的铌酸锂晶体平板上记录形成的，它可以将垂直入射晶体平板的输入光束产生横向传输并聚焦，或对输入光点产生横传并准直输出。该透镜除了具有一般体全息透镜的稳定性好、可靠性高的特点外，特别具有光束横向传播的功能，因而具有空占比小、更易于整个光学透镜系统的微小化集成的优点。利用局域体全息的耦合波理论，计算了该透镜衍射光的振幅分布和衍射效率。计算了该透镜的焦面上的强度分布，并与理想球面波照射矩形孔径时焦面上的强度分布进行了比较。     

全息透镜用于彩色胶片全息高密度存储

本文提出一种利用全息透镜实现彩色胶片全息高密度存储的方法。用红、绿、蓝三基色激光分别记录三个焦距相同的全息透镜,用三个全息透镜依次用三基色波长记录胶片的傅氏全息图,用原参考光照明再现,可合成彩色像。     

数字全息成像系统的景深和焦深分析

根据全息理论,分析了数字全息成像系统的景深和焦深.针对数字全息不同的记录光路结构,分别给出了焦深的近似表达式.结果表明：数字全息系统的景深和焦深不仅与记录波长以及记录时的数值孔径有关,还与记录时参考光波的偏置情况有关;在记录距离和CCD参量一定的条件下,离轴无透镜傅里叶变换全息对称偏置下的焦深比非对称偏置下的稍小;显微成像情况下离轴无透镜傅里叶变换全息系统的焦深大于同轴菲涅耳数字全息系统的焦深,计算机模拟表明了结果的正确性.     

多维调制全息数据存储研究进展

大数据时代对数据存储提出了新的要求,为克服目前存储技术无法逾越的障碍,全息存储回到人们的视野,为了解决传统全息存储的记录密度与理论值相差较大的问题,本文作者团队提出了将光的振幅、相位和偏振均作为调制变量的多维调制全息数据存储技术;为验证多维调制的实验结果,针对具有偏振响应的全息存储材料特性提高方面也开展了研究。这些研究成果加速了全息存储技术应用的产业化步伐。本文以该团队在北京理工大学期间开展的多维调制全息数据存储技术的研究成果为基础,分别从光的振幅、相位和偏振调制机理出发,综述了各个调制方法的理论基础和应用实例,以及提高全息存储材料性能的有效手段,最后进行了总结和展望。     

一种实现单步相移无透镜傅里叶同轴数字全息的倒频谱技术

在数字全息技术中无透镜傅里叶同轴数字全息具有高分辨,再现速度快等优点,因此有着广泛的应用前景,但它也存在再现像与直透光场及其共轭像重叠,较难分离的缺点。针对这一问题,在分析了无透镜傅里叶同轴数字全息图记录和再现原理的基础上,提出了单步相移倒频谱技术,并在理论上分析了该技术对分离出清晰再现像的可能性和该技术适用的关键条件。通过仿真实验进行了验证,结果表明:单步相移倒频谱技术能够较好地解决无透镜傅里叶同轴数字全息技术中再现像与直透光场及其共轭像重合这一困难,得到清晰的再现像;同时给出了实际实验中单步相移倒频谱技术能够适用的条件参数,这为后面的进一步实验提供了参考依据。     

光聚物全息光盘记录方法和光路的优化

提出了适用于光聚物厚膜盘状高密度全息存储的角度空间复用相结合的存储方法。研究了光路设置对记录容量和密度的影响 ,分析和计算表明 :对全息光盘光聚物全息存储介质来说 ,新方法可以获得比空间角度复用存储方法高近一个数量级的存储容量和密度 ,当使用平面波做参考光、介质内参物光入射角度在 32°时是获得最大存储容量和密度的最佳设置 ;对 5 0 0 μm厚的光聚物介质 ,存储密度可达到 42bit/ μm2 ,用CD ROM同样大小的全息光盘 ,在其相同的有效记录面积上 ,其总容量可以达到 40 0Gbit,表明新方法是实用化光聚物盘状全息存储比较理想的方法。     

菲涅耳数字全息成像系统的焦深

焦深是表征成像系统性能的重要参数.基于透镜相干成像的焦深判据,利用数值积分和计算机模拟的方法,分析和推导了菲涅耳数字全息成像系统的焦深,给出了相应的焦深表达式,并与利用理想成像四分之一波像差的判据得到的焦深进行了比较.结果表明:菲涅耳数字全息成像系统的焦深不同于透镜相干成像系统的焦深.在记录距离和CCD参数一定的条件下,离轴菲涅耳数字全息成像系统的焦深略大于同轴菲涅耳数字全息的焦深;离轴对称偏置情况下的焦深略大于非对称情况下的焦深.利用像强度判据得到的焦深,能够较好地表征数字全息成像系统的性能.     

全息图的计算机模拟及重现

根据光学全息原理,分析了在计算机模拟中把物光、参考光和再现光离散化的方法,并对基元全息和无透镜傅里叶全息进行模拟,实验结果逼真,这有助于学生更好地理解全息摄影的相关理论,为光学全息的理论和实验教学提供了可视化的验证。     

非线性介质对粒子场同轴全息成像的影响

 通过理论分析和实验验证,研究了非线性折射率介质对粒子场同轴全息成像的影响。利用粒子场同轴夫琅和费全息记录和光束在非线性介质中传输的波动方程,得出了光波的复振幅和强度分布。数值模拟了介质在线性和非线性时全息记录的情况,并进行了实验验证。结果表明：光波经非线性介质传输后,全息干板记录到粒子场的再现图像,这为高功率激光应用于全息照相提供参考,原因是高功率脉冲激光聚焦易击穿介质产生非线性传输。     

Transverse superresolution with extended depth of focus using binary phase filters for optical storage system

This paper reports the study of superresolution and extension of depth of focus (DOF) of three-zone binary phase filters (BPFs) under high numerical aperture (NA) focusing. Two three-zone BPFs (BPF1 and BPF2) are specially designed to achieve transverse superresolution and extension of DOF simultaneously for the optical disc system with an objective lens of NA = 0.65. Numerical simulations based on the vectorial diffraction theory indicate that the transverse focal spot size of this system can be as small as that of NA = 0.85 and its DOF is as large as that of NA = 0.6 with acceptable Strehl ratios (> 0.4 for BPF1 and > 0.35 for BPF2) and low side-lobe intensity ratios (< 10%) by using these BPFs. It suggests that the storage capacity of this optical storage system may be improved to the same as that of a system with an objective lens of NA = 0.85. Moreover, the strict requirement of the focusing servo system caused by decreasing wavelength or employing higher NA objective lens can be mitigated. Therefore, these BPFs presented in this paper should be highly interesting for applications of high density optical data storage.     

Femtosecond Laser Induced Rewritable Optical Memory in Silicate Glasses

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｕｌｔｉｍｅｄｉａａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｓ,ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｄａｔａｓｔｏｒａｇｅｉｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒａｐｉｄｌｙ .Ｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ,ｉｎｔｅｎｓｅｒｅｓｅａｒｃｈａｃｔｉｖｉｔｉｅｓａｒｅｕｎｄｅｒｔａｋｉｎｇａｌｌｏｖｅｒｔｈｅｗｏｒｌｄｔｏｆｉｎｄａｌｔｅｒｎａｔｅｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｒｅｃｏｒｄｉｎｇｍｅｄｉａｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｏｆｄａｔ…     

含衍射光学元件的薄透镜系统初级像差的PWC表示

为了形成与中国传统光学设计体系相街接的折衍混合光学设计的理论和方法,研究了PWC表示的折衍混合薄透镜系统初级像差理论,建立了赛德尔像差和数与P、W、C的函数关系,以及P-∞、W-∞、C-∞与衍射透镜结构的函数关系。采用PWC表示的初级像差理论和高折射率设计方法,获得了折衍混合消色差李斯特型中倍显微物镜的初始结构,结果表明其赛德尔像差和数的理论值与设计值相吻合,从而验证了折衍混合光学系统PWC表示的初级像差理论和高折射率设计方法。优化设计结果与传统李斯特型物镜相比较,具有更长的工作距,且像质显著提高,由于前组为单片塑料透镜,有利于批量生产。     

相变光盘分离式光学头设计

光学头是光盘存储系统的核心器件，分离式光学头是把聚焦物镜和光学头的其他部分分离开来，以降低光学头可动部分的重量和体积，提高光学头的飞行速度，实现快速存取的目的。本文设计的相变光盘直接重写分离式光学头．具有结构简单，信号检出方便．易于装配等特点。     

Femtosecond Laser Induced Rewritable Optical Memory in Silicate Glasses

A novel method for producing rewritable optical memory with ultra-high storage density and ultra-high recording and readout speed is presented. A 120 fs, 800 nm, 1 kHz laser focused by an objective lens is used to produce recording bits in glass with high transmittance contrast. These recording bits can be erased by heat-treatment. The mechanism has been discussed by means of the absorption and electron spin resonance(ESR) spectra of silicate glasses before and after irradiation by the laser. The absorption of glasses increases greatly after irradiation because of color-center generation through multi-photon absorption. ESR spectra shows that the color-center induced in the glass are hole-trapped defects. The color-center disappears when the glass heated because the holes and electrons at traps are released by thermal stimulation and recombine again.     

利用反射全息实现计算全息三维显示

计算全息和光学全息都可应用于三维显示,但各有自己的优势和缺陷.将计算全息和光学反射全息相结合,可以突破光学全息对记录物体的限制,进行虚拟物体或自然场景的全息图的制作,同时可以实现白光再现.本文首先用三维扫描仪获得实际物体的三维数据,用"点云算法"模拟得到其菲涅耳全息图透射率数据,采用计算全息打印机将其输出于全息记录介质,得到可光学再现的菲涅耳计算全息图H1.然后将H1作为光学全息的记录物体进行反射全息记录,将平面全息转化为体全息,实现了计算全息白光再现.     

用于ICF光路调整的分光照明元件设计

在惯性约束核聚变激光驱动装置中,光路庞大复杂且元器件众多,为保证激光系统正常运行需对光路进行精密调节。特别是装置中的多个4F系统,需调整激光光路使其聚焦后对准焦平面滤波小孔中心,以保证激光顺利通过并实现低通滤波作用。目前实际工程中采用凹透镜背光照明的方法判断光束是否准确过孔,但该方法步骤繁琐且调整精度较低,给实际光路调整带来了极大的不便。本文基于全息原理,提出了一种简单高效的4F系统光路调整方法,通过一特殊设计的分光照明衍射光学元件,可一步实现激光聚焦过孔的判断与调整,可有效解决现有4F系统光路调整的困难。     

单波长记录二维真彩色全息图的一种新方法

提出一种方法，用新型的光学元件－三通道光纤面板作为分色与合成元件，使得单波长真彩色全息图的制作大为简化，而且能够提高全息图再现像的亮度和色饱和度。     

Optical system and lens design for Blu-ray disc optical pick-up

During the design process of Blu-ray disc optical pick-up (BD OPU), the optical system and the collimator lens design is especially important. This paper designs an optical system and some lenses for the BD OPU, including collimator lens, beam shaping lens for laser beam shaping, and cylinder lens for signal detecting. In this OPU, we use a triplet lens to collimate the laser beam. At the same time, we build a series of assembly jigs to make sure that each lens can be put into the OPU basement properly. At last, we get the reading spot image and S-curve photo of OPU, which can be used to read Blu-ray disc (BD).     

同轴数字全息用于血吸虫尾蚴检测研究

由于水的表面易出现抖动或波动情况,而传统的显微镜成像需要精确的光学焦聚过程,因此不适于观察漂浮于水表面的血吸虫尾蚴.本文论述了用同轴数字全息检测血吸虫尾蚴的基本原理.通过对再现像进行小波分析发现,偏离焦点时的小波变换高频系数的幅值比聚焦时要小得多.针对这一特点,本文对小波变换清晰度评价函数进行了改进,将原来利用高频系数之和改为利用聚焦窗口中高频系数的最大幅值为清晰度评价依据.在模拟实验结果中清晰度评价函数极大值出现在再现距离与记录距离相等处,说明了该算法的准确性.建立了用于血吸虫尾蚴检测的实验装置,可方便获取普通显微图像及数字全息图.实验结果表明,本文提出的算法能实现实际情况下的数字全息自动聚焦,其再现像的分辨率与装有1倍显微镜头的数码显微镜分辨率相当,足以清晰地分辨出血吸虫尾蚴的尾部分叉特征.利用同轴数字全息技术可在水面与图像传感器之间的距离不确定的情况下实现对血吸虫尾蚴的检测.