專利名稱：光致變色材料薄膜作為記錄介質的偏振全息光存儲裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種全息光存儲裝置，尤其涉及一種采用光致變色材料薄膜作為記錄介質的傅立葉變換角度復用偏振全息光存儲裝置。
背景技術：
高密度、大容量、高存取速度是光存儲技術的方向發展，全息光存儲因具有存儲密度高、存儲大容量和數據存取速度高而成為光存儲的重要發展方向之一。全息光存儲提高存儲密度和容量的關鍵是采用復用技術，如角度復用、波長復用、空間復用等；因為全息光存儲采用并行信息寫入和讀出方法，一次寫入和讀出的數據量可以很大，因而數據存取速度高。全息記錄介質是全息光存儲的關鍵因素之一。全息記錄介質很多，如鹵化銀鹽、重鉻酸鹽明膠、光致聚合物、光折變晶體、光致變色材料等；其中鹵化銀鹽、重鉻酸鹽明膠、光致聚合物是一次性使用記錄介質；光折變晶體和光致變色材料是可擦寫記錄介質，且無需顯影、定影等后處理，因而具有顯著的技術優勢。目前大多全息光存儲裝置采用塊狀光折變晶體作為可擦寫全息記錄介質或采用光致聚合物薄膜作為一次寫入多次讀出全息記錄介質，利用角度復用技術可進行高密度大容量存儲。這種全息圖記錄的是強度調制光柵，物光和參考光必須具有相同的偏振分量，如果物光和參考光的偏振方向相互垂直，則合成光場的光強不發生調制，不能形成強度調制光柵。但是如果記錄介質具有光誘導各向異性(光致雙折射或光致二向色性)，介質對于偏振光的吸收系數或折射率在合成光場照射下將發生調制變化，從而可以記錄下偏振調制光柵。當用偏振光照明全息圖時，便會再現出與其偏振態正交的物光波。實現偏振全息的必要條件是記錄介質具有光誘導各向異性，其優點是比普通全息可以獲得高信噪比的再現像。
發明內容
本發明的目的是提供一種以光致變色材料薄膜作為可擦寫全息記錄介質，利用其光誘導各向異性進行正交偏振全息記錄，獲得高信噪比再現像的高密度全息光存儲裝置，其解決了背景技術中普通全息光存儲裝置再現像信噪比低的技術問題。
本發明的技術解決方案是一種光致變色材料薄膜作為記錄介質的偏振全息光存儲裝置，包括讀寫激光器1、總快門2、偏振分光棱鏡3、物光路、參考光路、全息記錄介質12；所述總快門2、偏振分光棱鏡3、物光路依次設置在讀寫激光器1發射光束的傳播方向上；所述物光路包括物光快門4、擴束準直透鏡組5、空間光調制器6、第一傅立葉變換透鏡7、物光空間濾波光闌8、第一傅立葉反變換透鏡9和第二傅立葉變換透鏡11，其中空間光調制器6位于第一傅立葉變換透鏡7的前焦面，物光空間濾波光闌8位于第一傅立葉變換透鏡7的后焦面，第一傅立葉反變換透鏡9的前焦面與第一傅立葉變換透鏡7的后焦面重合，第一傅立葉反變換透鏡9的后焦面與第二傅立葉變換透鏡11的前焦面重合，全息記錄介質12位于第二傅立葉變換透鏡11的后焦面；所述參考光路包括反射鏡13、光強衰減器14、參考光空間濾波光闌16、旋轉反射鏡17、第一透鏡18和第二透鏡19，其中反射鏡13設置在偏振分光棱鏡3反射光束傳播方向上，第一透鏡18和第二透鏡19構成4F結構，旋轉反射鏡17位于透鏡18的前焦面，全息記錄介質12位于透鏡19的后焦面。
上述物光路還包括設置在第一傅立葉反變換透鏡9和第二傅立葉變換透鏡11之間的物光用四分之一波片10；上述參考光路還包括設置在光強衰減器14和參考光空間濾波光闌16之間的參考光用四分之一波片15。
上述全息光存儲裝置包括依次設置在讀寫激光器1光束傳播方向上的偏振片21、第二傅立葉反變換透鏡22、衍射光快門23、圖像采集器件24，其中偏振片21位于全息記錄介質12和第二傅立葉反變換透鏡22之間，第二傅立葉反變換透鏡22的前焦面與第二傅立葉變換透鏡11的后焦面重合，圖像采集器件24的光敏面位于第二傅立葉反變換透鏡22的后焦面。
上述物光路包括設置在第一傅立葉反變換透鏡9和第二傅立葉變換透鏡11之間的物光用四分之一波片10；所述參考光路包括設置在光強衰減器14和參考光空間濾波光闌16之間的參考光用四分之一波片15；所述全息記錄介質12和偏振片21之間設置有衍射光用四分之一波片20。
上述全息光存儲裝置包括擦除激光器25，所述擦除激光器25為輸出波長接近光致變色材料亞穩態吸收峰的連續或脈沖激光器，其光束與所述讀寫激光器1的光束在全息記錄介質12上相交重合。
上述全息記錄介質12為具有光誘導各向異性的光致變色材料薄膜，所述光致變色材料薄膜為生物分子材料中的菌紫質薄膜或有機分子材料中的俘精酸酐薄膜。
本發明具有如下優點1、使用生物分子光致變色材料——菌紫質薄膜或有機光致變色材料——俘精酸酐薄膜作為可擦寫全息記錄介質，具有感光靈敏度高，空間分辨率高，抗疲勞性和穩定性好，使用壽命長的優點。
2、利用光致變色材料的光誘導各向異性，采用正交線偏振光或正交圓偏振光，記錄偏振調制全息圖。記錄介質具有光誘導各向異性(光致雙折射或光致二向色性)，介質對于偏振光的吸收系數或折射率在合成光場照射下將發生調制變化，從而可以記錄下偏振調制光柵，當用偏振光照明全息圖時，便會再現出與其偏振態正交的物光波，由此可獲得比普通全息更高信噪比的再現像。
3、在傅立葉變換透鏡的頻譜面上記錄全息圖，可同時角度復用與空間復用，提高數據存儲密度和容量。
附面說明
圖1是光致變色材料薄膜作為記錄介質的偏振全息光存儲裝置示意圖；圖2為正交線偏振光和正交園偏振光記錄時，記錄介質內干涉場偏振態周期變化的規律；圖3為正交線偏振光和正交園偏振光記錄的全息圖再現時，衍射光的偏振態與參考光的偏振態的關系；圖4是參考光路中采用4F結構，通過旋轉反射鏡實現角度復用的原理圖，其特點是雖然參考光入射角發生變化，但其在記錄介質處入射點位置不變，且始終為平面波；
圖5是實施例中生物分子光致變色材料——菌紫質薄膜的基態(B態)和亞穩中間態(M態)的吸收光譜。
具體實施例方式
以具有光誘導各向異性的光致變色材料薄膜作為可擦寫全息記錄介質，實施例中使用一種生物分子光致變色材料——菌紫質或有機光致變色材料——俘精酸酐。菌紫質薄膜或俘精酸酐薄膜是由菌紫質或俘精酸酐與高分子聚合物(如明膠，聚乙烯醇，PMMA等)按一定比例混合制備于透明玻璃上的薄膜，其上還可覆蓋一層透明保護層用于保護薄膜不被機械損傷。菌紫質是一種從嗜鹽菌中提取出來的光敏蛋白質，全稱是細菌視紫紅質(bacteriorhodopsin)，簡稱菌紫質或BR。菌紫質可以是野生型的、化學修飾型的或基因改性型的。本實施例中使用的是一種基因改性型的BR-D96N菌紫質薄膜，薄膜厚度約80m，附圖5是其基態(B態)和亞穩中間態(M態)的吸收光譜，B態的吸收峰在570nm，M態的吸收峰在410nm。本實施例選擇波長633nm，功率2mW的連續He-Ne激光器作為記錄與讀出光源。全息圖擦除光源為波長405nm的半導體激光器。
當采用正交線偏振光記錄時，光致變色材料薄膜作為記錄介質的偏振全息光存儲裝置包括讀寫激光器1、總快門2、偏振分光棱鏡3、物光路、參考光路、全息記錄介質12；總快門2、偏振分光棱鏡3、物光路依次設置在讀寫激光器1發射光束的傳播方向上；物光路包括物光快門4、擴束準直透鏡組5、空間光調制器6、第一傅立葉變換透鏡7、物光空間濾波光闌8、第一傅立葉反變換透鏡9和第二傅立葉變換透鏡11，其中空間光調制器6位于第一傅立葉變換透鏡7的前焦面，物光空間濾波光闌8位于第一傅立葉變換透鏡7的后焦面，第一傅立葉反變換透鏡9的前焦面與第一傅立葉變換透鏡7的后焦面重合，第一傅立葉反變換透鏡9的后焦面與第二傅立葉變換透鏡11的前焦面重合，全息記錄介質12位于第二傅立葉變換透鏡11的后焦面；參考光路包括反射鏡13、光強衰減器14、參考光空間濾波光闌16、旋轉反射鏡17、第一透鏡18和第二透鏡19，其中反射鏡13設置在偏振分光棱鏡3反射光束傳播方向上，第一透鏡18和第二透鏡19構成4F結構，旋轉反射鏡17位于透鏡18的前焦面，全息記錄介質12位于透鏡19的后焦面。
當采用正交圓偏振光記錄時，可在物光路中第一傅立葉反變換透鏡9和第二傅立葉變換透鏡11之間設置物光用四分之一波片10，在參考光路中光強衰減器14和參考光空間濾波光闌16之間設置參考光用四分之一波片15。
當采用正交線偏振光讀出時，全息光存儲裝置還包括依次設置在讀寫激光器1光束傳播方向上的偏振片21、第二傅立葉反變換透鏡22、衍射光快門23、圖像采集器件24，其中偏振片21位于全息記錄介質12和第二傅立葉反變換透鏡22之間，第二傅立葉反變換透鏡22的前焦面與第二傅立葉變換透鏡11的后焦面重合，圖像采集器件24的光敏面位于第二傅立葉反變換透鏡22的后焦面。
當采用正交圓偏振光讀出時，可在物光路中第一傅立葉反變換透鏡9和第二傅立葉變換透鏡11之間設置物光用四分之一波片10，在參考光路中光強衰減器14和參考光空間濾波光闌16之間設置參考光用四分之一波片15，在全息記錄介質12和偏振片21之間設置衍射光用四分之一波片20。
需要擦除全息圖時，全息光存儲裝置可設置擦除激光器25，擦除激光器25為輸出波長接近光致變色材料亞穩態吸收峰的連續或脈沖激光器，其光束與讀寫激光器1的光束在全息記錄介質12上相交重合。
如附圖1所示，非偏振的He-Ne激光1經偏振分光棱鏡3分束后形成相互正交的線偏振物光(水平偏振)和參考光(垂直偏振)。物光經過擴束準直器5后均勻照明空間光調制器6。第一傅里葉變換透鏡7和第一傅里葉反變換透鏡9組成4F結構，空間光調制器6位于第一傅里葉變換透鏡7的前焦面，物光空間濾波光闌8位于第一傅里葉變換透鏡7的后焦面；第一傅里葉反變換透鏡9對空間濾波后的頻譜進行傅立葉反變換，在其后焦面形成空間光調制器6經低通濾波后的像。第二傅里葉變換透鏡11與第一傅里葉反變換透鏡9共焦，第二傅里葉變換透鏡11的前焦面的像經過傅立葉變換在其后焦面形成頻譜。第二傅里葉變換透鏡1 1和第二傅里葉反變換透鏡22組成另一個4F結構，全息記錄介質12位于第二傅里葉變換透鏡11的后焦面處記錄傅立葉變換頻譜全息圖，經過第二傅里葉反變換透鏡22的傅立葉反變換后在其后焦面處成像。CCD圖像采集器件24位于第二傅里葉反變換透鏡22的后焦面處，攝取物像及衍射像。
參考光路首先經反射鏡13將光路折疊，再經參考光空間濾波光闌16截取高斯光束中心光強較均勻的部分，然后經旋轉反射鏡17將參考光反射至全息記錄介質12上與物光重合。參考光與物光呈90°夾角入射于全息記錄介質12的同一側，可對稱也可非對稱于全息記錄介質12的法線方向。為了實現角度復用，在旋轉反射鏡17和全息記錄介質12之間設置由第一透鏡18和第二透鏡19構成的另一個4F結構，這樣通過旋轉反射鏡17可以改變參考光入射角，同時保證參考光在全息記錄介質12的入射光斑位置不變，其光路原理圖如附圖4所示，參考角的改變量是反射鏡旋轉角度的2倍。
全息記錄時，關閉衍射光快門23以阻擋物光進入圖像采集器件24，打開物光快門4，通過控制總快門2控制記錄曝光時間。連續可調光強衰減器14用于調節物光和參考光的強度之比。通過轉動旋轉反射鏡17至不同的角度，可以在全息記錄介質12的同一空間位置記錄多幅全息圖。通過移動全息記錄介質12，還可以在不同的空間位置記錄多幅全息圖。若采用正交園偏振光記錄，需在物光和參考光路中分別加入物光四分之一波片10和參考光四分之一波片15，將物光和參考光分別變為左旋和右旋偏振光。
全息再現讀出時，關閉物光快門4阻擋物光，打開衍射光快門23接收衍射光，通過控制總快門2進行再現讀出。調節光強衰減器14可以控制再現光強度。轉動旋轉反射鏡17至全息記錄時相應的角度可以分別選擇讀出需要再現的各幅全息圖。移動全息記錄介質12到全息記錄時相應的位置，可以讀出記錄在不同空間位置的全息圖。偏振片21用于選擇通過衍射光而阻擋散射噪聲，達到提高信噪比的目的。若記錄方式為正交園偏振光記錄，則需在偏振片21前加入衍射光四分之一波片20，使正交園偏振的衍射光和散射噪聲轉變為正交線偏振的衍射光和散射噪聲。
本發明原理普通全息使用的是具有相同偏振方向的物光和參考光干涉形成光強調制光柵。正交偏振全息的物光和參考光具有相互正交的偏振方向(相互正交的線偏振光或相互正交的圓偏振光)，形成的干涉場的光強分布是均勻的，不能產生強度調制光柵。但是正交偏振產生的干涉場的偏振態是周期調制的，可以形成偏振態調制光柵，如附圖2所示。對于只對光強響應的各向同性記錄介質，無法記錄偏振態調制光柵。而對具有光誘導各向異性的記錄介質，分子可以對光的偏振態產生響應，干涉場偏振態的周期變化會引起分子電偶極矩取向的周期變化，分子產生沿橢圓偏振光長軸方向或線偏振光偏振方向的光軸，電偶極矩的取向與光軸方向垂直，產生具有類似單軸晶體的性質。一些光致變色材料具有這種光誘導各向異性，因此可以實現偏振態相互正交的兩束光的正交偏振全息圖記錄。
當以偏振參考光再現全息圖時，全息記錄介質上記錄的偏振光柵對參考光衍射，形成包含強度，相位及偏振信息的衍射像。衍射光的偏振態與再現參考光的偏振態及記錄光的偏振態有關系，如附圖3所示。衍射效率與記錄光偏振態和再現參考光偏振態有關，當以原參考光再現時，可以獲得最高的衍射效率，并且衍射光偏振總與再現光偏振正交，即，若以正交的線偏振光記錄，用原參考光再現，則衍射光為與參考光正交的線偏振光；若以正交的園偏振光記錄，用原參考光再現，則衍射光為與參考光正交的園偏振光。正交圓偏振光記錄全息圖的衍射效率與普通同偏振記錄全息圖的衍射效率相當；正交線偏振光記錄全息圖的衍射效率約為前者的一半。
散射噪聲一般為部分偏振光，大部分是與再現參考光偏振態相同的成分。對于正交線偏振光記錄情況，再現讀出時可以在圖像采集器件前放置檢偏器，選擇通過衍射像而阻止與其正交的散射噪聲進入圖像采集器件；對于正交園偏振光記錄情況，再現讀出時除了在圖像采集器件前放置檢偏器外，還需在檢偏器前再放置四分之一波片，使相互正交的園偏振光變為相互正交的線偏振光，然后再用檢偏器分離出衍射像而阻止散射噪聲，實現提高信噪比的目的。
權利要求
1.一種光致變色材料薄膜作為記錄介質的偏振全息光存儲裝置，其特征在于所述全息光存儲裝置包括讀寫激光器(1)、總快門(2)、偏振分光棱鏡(3)、物光路、參考光路、全息記錄介質(12)；所述總快門(2)、偏振分光棱鏡(3)、物光路依次設置在讀寫激光器(1)發射光束的傳播方向上；所述物光路包括物光快門(4)、擴束準直透鏡組(5)、空間光調制器(6)、第一傅立葉變換透鏡(7)、物光空間濾波光闌(8)、第一傅立葉反變換透鏡(9)和第二傅立葉變換透鏡(11)，其中空間光調制器(6)位于第一傅立葉變換透鏡(7)的前焦面，物光空間濾波光闌(8)位于第一傅立葉變換透鏡(7)的后焦面，第一傅立葉反變換透鏡(9)的前焦面與第一傅立葉變換透鏡(7)的后焦面重合，第一傅立葉反變換透鏡(9)的后焦面與第二傅立葉變換透鏡(11)的前焦面重合，全息記錄介質(12)位于第二傅立葉變換透鏡(11)的后焦面；所述參考光路包括反射鏡(13)、光強衰減器(14)、參考光空間濾波光闌(16)、旋轉反射鏡(17)、第一透鏡(18)和第二透鏡(19)，其中反射鏡(13)設置在偏振分光棱鏡(3)反射光束傳播方向上，第一透鏡(18)和第二透鏡(19)構成4F結構，旋轉反射鏡(17)位于透鏡(18)的前焦面，全息記錄介質(12)位于透鏡(19)的后焦面。
2.根據權利要求1所述的光致變色材料薄膜作為記錄介質的偏振全息光存儲裝置，其特征在于所述物光路包括設置在第一傅立葉反變換透鏡(9)和第二傅立葉變換透鏡(11)之間的物光用四分之一波片(10)；所述參考光路包括設置在光強衰減器(14)和參考光空間濾波光闌(16)之間的參考光用四分之一波片(15)。
3.根據權利要求1所述的光致變色材料薄膜作為記錄介質的偏振全息光存儲裝置，其特征在于所述全息光存儲裝置包括依次設置在讀寫激光器(1)光束傳播方向上的偏振片(21)、第二傅立葉反變換透鏡(22)、衍射光快門(23)、圖像采集器件(24)，其中偏振片(21)位于全息記錄介質(12)和第二傅立葉反變換透鏡(22)之間，第二傅立葉反變換透鏡(22)的前焦面與第二傅立葉變換透鏡(11)的后焦面重合，圖像采集器件(24)的光敏面位于第二傅立葉反變換透鏡(22)的后焦面。
4.根據權利要求3所述的光致變色材料薄膜作為記錄介質的偏振全息光存儲裝置，其特征在于所述物光路包括設置在第一傅立葉反變換透鏡(9)和第二傅立葉變換透鏡(11)之間的物光用四分之一波片(10)；所述參考光路包括設置在光強衰減器(14)和參考光空間濾波光闌(16)之間的參考光用四分之一波片(15)；所述全息記錄介質(12)和偏振片(21)之間設置有衍射光用四分之一波片(20)。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的光致變色材料薄膜作為記錄介質的偏振全息光存儲裝置，其特征在于所述全息光存儲裝置包括擦除激光器(25)，所述擦除激光器(25)為輸出波長接近光致變色材料亞穩態吸收峰的連續或脈沖激光器，其光束與所述讀寫激光器(1)的光束在全息記錄介質(12)上相交重合。
6.根據權利要求5所述的光致變色材料薄膜作為記錄介質的偏振全息光存儲裝置，其特征在于所述全息記錄介質(12)為具有光誘導各向異性的光致變色材料薄膜，所述光致變色材料薄膜為生物分子材料中的菌紫質薄膜或有機分子材料中的俘精酸酐薄膜。
全文摘要
一種光致變色材料薄膜作為記錄介質的偏振全息存儲裝置，以空間光調制器作為頁面式信息輸入元件，圖像采集器件作為信息讀出設備，采用光致變色材料薄膜作為記錄介質，將其放置在傅立葉變換透鏡的頻譜面上記錄全息圖，利用光致變色材料的光誘導各向異性，采用相互正交的線偏振光或正交圓偏振光作為物光和參考光記錄偏振調制的全息圖，提高再現圖像信噪比。采用菌紫質薄膜或俘精酸酐薄膜作為可擦寫全息記錄介質，具有感光靈敏度高，空間分辨率高，可擦寫次數多，抗疲勞性和穩定性好，使用壽命長等優點。該裝置再現全息圖像信噪比高，可同時空間復用與角度復用，大大提高數據存儲密度和容量。
文檔編號G03H1/00GK1728246SQ200410026378
公開日2006年2月1日 申請日期2004年7月30日 優先權日2004年7月30日
發明者姚保利, 鄭媛, 門克內木樂, 王英利, 任志偉 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所