CN101165785A - 具有多个基准光束的全息存储系统 - Google Patents

具有多个基准光束的全息存储系统 Download PDF

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CN101165785A CNA2007101524841A CN200710152484A CN101165785A CN 101165785 A CN101165785 A CN 101165785A CN A2007101524841 A CNA2007101524841 A CN A2007101524841A CN 200710152484 A CN200710152484 A CN 200710152484A CN 101165785 A CN101165785 A CN 101165785A
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Abstract

本发明涉及一种用于借助于多个基准光束(7″，7″＇)从全息存储介质(18)读取和/或写入到全息存储介质(18)的同轴型装置(1)。本发明进一步涉及供这样一个装置(1)中使用的波束发生器(21)和滤波器(12)。按照本发明，在借助于三个或以上聚焦的基准光束(7″，7″＇)和物体光束(6)或者重建的物体光束(26)的同轴布置，用于从全息存储介质(18)读取和/或写入到全息存储介质(18)的装置(1)中，该聚焦的基准光束(7″，7″＇)的焦点在装置(1)的傅里叶平面中被安排在围绕物体光束(6)的圆形上。光束发生器(21)从进来的基准光束(7)产生三个或以上的基准光束(7″，7″＇)。滤波器(12)低通滤波该物体光束(6)，并且旋转三个或以上的基准光束(7″、7″＇)的偏光。

Description

具有多个基准光束的全息存储系统
技术领域
本发明涉及用于从全息存储介质读取和/或写入到全息存储介质的装置，更具体地说，涉及用于借助于多个基准光束从全息存储介质读取和/或写入到全息存储介质的同轴型装置。本发明进一步涉及供在这样的装置中使用的波束发生器和滤波器。
背景技术
在全息数据存储器中，数字数据是通过记录由二个相干激光束的叠加产生的干扰图案存储的，这里一个所谓的“物体光束(object beam)”的光束是由空间光调制器调制的，并且携带要记录的信息。第二光束起基准光束的作用。干扰图案导致存储材料的特殊属性的修改，其取决于干扰图案的局部强度。记录的全息图的读取是通过使用与在记录期间相同的条件，借助于该基准光束照射该全息图来执行的。这导致记录的物体光束的重建。
全息数据存储器的一个优点是增加的数据容量。与传统的光存储介质相反，全息存储介质的容量，而不是仅仅几个层用于存储信息。全息数据存储器的一个另外的优点是，例如，通过改变在二个光束之间的角度，或者通过使用移位多路复用等等，在相同的容量中存储多个数据的可能性。此外，代替存储单个的比特，数据被作为数据页存储。典型地，数据页由亮-黑图案的矩阵组成，即，二维的二进制数组或者灰色值数组，其编码多个比特。除了增加的存储密度之外，这允许实现提高的数据速率。该数据页通过该空间光调制器(SLM)被印记到物体光束上，并且借助于检测器阵列检测。
EP1624451公开了一种具有同轴布置的全息存储系统，这里多个基准光束被安排围绕该物体光束。按照这种解决方案，该物体光束和基准光束分别地在物体平面和图像平面上被耦合入和出。这种布置是所谓的分解孔径布置，因为傅里叶物镜的孔径被分成物体部分和基准部分。该布置具有圆形地对称的优点。该选择性以及全息图间交互干扰在该全息图的平面中沿着各个方向是相同的。但是，该傅里叶物镜的孔径的一半用于该基准光束。这指的是该分解孔径系统的单个全息图的容量仅仅是通常的孔径布置容量的一半。此外，该物体光束和基准光束的总的交叠仅仅出现在傅里叶平面中。在该全息存储介质中，该交叠仅仅是在100-200μm厚的层内的一部分。这个值取决于该全息图的直径和该傅里叶物镜的数值孔径。起始于离该傅里叶平面大约200-400μm的距离，根本没有交叠。
在WO2006/003077中，示出了具有三个共焦地安排的傅里叶平面的12f反射型同轴全息存储布置。在这个布置中，该物体光束和基准光束分别地在第一和第三傅里叶平面上耦合入和出。该基准光束是在这些平面中的小点。更确切地说，它们形成类似于艾里(Airy)图案的衍射图案。这个布置是所谓的通常的孔径布置，因为在目标平面和图像平面上，该物体光束和该基准光束填入该孔径的相同的区域中。该光束填入该物镜的整个孔径。该公开的布置允许施加移位多路复用、参考扫描多路复用、相位编码的多路复用或者这些多路复用方案的组合。该基准光束是一对(或者多对)半锥形光束。该对或者该多对半锥形的基准光束的顶端沿着直径在物体光束的傅里叶平面上形成二个线路。
理论上，对于无限全息图，该移位选择性曲线是sinc(x)类似的函数。例如，参见G.Barbastathis等等在Appl.Opt.35，pp 2403-2417上的“Shiftmultiplexing with spherical reference waves”。在所谓的布拉格(Bragg)距离上，该移位的全息图的衍射效率是零。在WO2006/003077中，在沿着二个线路的该基准光束的顶端之间的距离对应于这些布拉格距离。在多路复用的全息图之间的全息图间交互干扰在布拉格距离上理论上是可以忽略的。假设无限直径全息图，存在用于该移位多路复用的选择性的和非选择性的方向。再次参见G.Barbastathis等等的文章。该选择性的方向是由基准光束的顶端形成的线路的方向。在所谓的非选择性的方向中，其在该全息图的平面中与选择性的方向是正交的，该移位距离是无限的。但是，在实际的存储系统中，该全息图的容量是有限的。实际上，该全息图容量的数量级大约是(0.4-0.6)×(0.4-0.6)×(0.2-0.6)mm3。详细的调查研究已经示出在无限和有限的全息图的移位选择性曲线之间存在很大的差异。在有限的容量全息图的情况下，不存在布拉格距离。参见Z.Karpati等等在Jap.J.Appl.Phys.，Vol.45(2006)，pp1288-1289上的：“Shift Selectivity Calculation for Finite Volume Hologramswith Half-Cone Reference Beams”。使用有限的容量全息图，该选择性的数量级在两个方向是类似的。例如，参见Z.Karpati等等在J.Mod.Opt.，Vol.53(2006)，pp 2067-2088上的“Selectivity and tolerance calculations withhalf-cone reference beam in volume holographic storage”。在两个方向中选择性的存在允许二维的多路复用。一个问题是该全息图间交互干扰在非选择性的方向过高。这限制了在这个方向可实现的多路复用的全息图的数目，并且因此限制了该全息存储介质的总的容量。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种用于借助于改进的选择性从全息存储介质读取和/或写入到全息存储介质的装置。
按照本发明，这个目的是通过一种用于借助于三个或以上聚焦的基准光束和物体光束或者重建的物体光束的同轴布置，从全息存储介质读取和/或写入到全息存储介质的装置实现的，其中该聚焦的基准光束的焦点被安排在该装置的傅里叶平面中围绕物体光束，例如，在圆形或者椭圆上。
全息图间交互干扰通过施加二个以上基准光束在两个方向均衡。该基准光束的顶端在傅里叶平面中围绕该物体光束被安排在圆形或者椭圆上。在圆形的情况下，该移位距离在X和Y轴方向是相同的，而在椭圆的情况下，其在两个方向是不同的。至少使用三个围绕傅里叶滤波器孔径平均地分布的基准光束。在几何学的光观点中，在这个平面中该基准光束是单光点，或者更确切地说，它们是在中央具有极大的峰值强度的衍射图案。该基准光束的顶端或者强度峰值围绕该滤波器沿着圆形或者椭圆对准。该圆形或者椭圆相对于该傅里叶滤波器的孔径居中，并且具有比该傅里叶滤波器直径大几个10μm的直径。这个大一些的直径允许耦合基准光束和物体光束进出该光学系统，例如，12f光学系统。按照本发明的解决方案是在WO 2006/003077中公开的解决方案的改进。在WO 2006/003077中，该基准光束对被沿着一个线路安排。按照本发明，它们在该傅里叶平面中被安排在围绕该物体光束的圆形上。这个布置允许二维的多路复用。最好是，提供至少四个沿着该圆形平均地分布的基准光束。以这种方法，在垂直多路复用方向实现全息图间交互干扰相同的均衡。
有利地，光束发生器从一个进来的基准光束产生三个或以上的基准光束。该光束发生器最好是一个衍射的单元，例如，计算机产生的全息图或者厚的多路复用的全息图。这允许无需复杂化光学部件非常有效的产生三个或以上的基准光束。
在传输型全息存储介质的情况下，该光束发生器产生锥形的基准光束。但是，在反射型全息存储介质的情况下，该光束发生器有利地产生半锥形的基准光束。以这种方法，避免在读取期间该物体光束的相位共轭的重建。同时，在物体光束和基准光束之间的交叠被改善，其降低该多路复用的全息图的符号出错率(SER)。
有利地，滤波器设置在傅里叶平面中，其起用于该物体光束的低通滤波器的作用，和起用于三个或以上的基准光束的偏光旋转单元的作用。为了这个目的，该滤波器最好是具有一个带有用于低通滤波物体光束的中央孔径和用于该基准光束的洞的光束模块，和用于旋转三个或以上的基准光束的偏光方向的带有用于该物体光束的中央孔径的环形半波板。这样的滤波器允许容易地将物体光束和基准光束耦合进该光学系统中。同时，该滤波器允许阻碍由衍射的光束发生器产生的零级基准光束。当然，低通滤波器和偏光旋转单元的功能还可以由二个单独的单元执行。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将在以下的描述中参考该附图更详细地解释。应该明白，本发明不局限于这个示范的实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，指定的特征还可以便利地组合和/或修改。在该附图中：
图1举例说明按照本发明的同轴反射型全息存储系统的简化总体布置；
图2描述基准光束发生器和产生的基准光束；
图3示出接近傅里叶平面的滤波后的四个半锥形的基准光束和物体光束；
图4示出接近傅里叶平面的滤波后的八个半锥形的基准光束和物体光束；
图5描述接近傅里叶平面的物体光束和八个组合的双半锥形的基准光束；
图6示出具有环形半波板的耦合入滤波器的横截面图；
图7示出在四个基准光束的情况下的耦合入滤波器的顶视图；
图8描述环形半波板的顶视图；
图9示出耦合出滤波器的横截面图；和
图10描述图1的总体布置的修改。
具体实施方式
按照本发明的同轴反射型全息存储系统1的简化总体布置在图1中举例说明。为简单起见，已经在该附图中省略了集成的伺服系统。在该例子中，全息存储系统是12f系统。由激光器2发出的激光束3由一个可选光束扩展器4扩展，并且通过偏光光束分离器(PBS)立方体5被分成物体光束6和基准光束7。半波板27设置在光束扩展器4和PBS立方体5之间。该激光器2发出一个线性地偏光的激光束3。通过旋转该半波板27，该激光束3的偏光方向可以旋转到一个任意的方向。该PBS立方体5将激光束3分解为二个正交的偏光(P和S偏光的)激光束6、7。该半波板27的旋转允许控制P和S偏光光束的光强比，或者换句话说，在目标臂和基准臂中的强度比。为了最佳化读出衍射效率，希望在记录期间最佳化该强度比。该物体光束6通过第二PBS立方体8引导到反射型SLM9上。在从SLM9反射之后，该物体光束6穿过第二PBS立方体8，并且通过第三PBS立方体10与该基准光束7结合。该基准光束7通过一个反射镜(mirror)20朝着第三PBS立方体10的方向引导。在该基准光束的光路中，存在半波板22和光束发生器21，例如，衍射型光束发生器。该光束发生器21产生多个基准光束7″、7，其功能将在下面参考图2至4更详细地解释。如先前表示的，该物体光束6和基准光束7″、7通过第三PBS立方体10被耦合进主同轴布置中。跟随这个PBS立方体10，存在第一长焦距物镜(objective)11。在这种情况下，长焦距指的是焦距是足够长的，以不具有太多的像差在透镜和焦点之间放置额外的光学部件。长焦距物镜有下列好处，即，它们的制造是简单的并且需要更少的光学元件。此外，长焦物镜的傅里叶平面的直径是很大的，当制造公差被降低时，其简化了放置进傅里叶平面的滤波器的制造。这个第一物镜11在第一目标11的后聚焦面上产生SLM9的傅里叶变换，其是该SLM的傅里叶平面。第一物镜11还将多个基准光束7″、7聚焦到该傅里叶平面。设置在这个傅里叶平面中的是耦合入(in-coupling)滤波器，其将在下面参考图6解释。该耦合入滤波器12被设计使得其低通滤波该物体光束6，并且旋转该基准光束7″、7的偏光。在通过该耦合入滤波器12之后，该物体光束6和基准光束7″、7穿过第四PBS立方体13。在PBS立方体13之后的第二长焦距物镜14使SLM图像变回原形到中间目标平面15上。高的NA傅里叶物镜16，例如，具有NA≥0.6，将该SLM图像变换到全息存储介质18的反射镜层19上。在写入期间，该物体光束6在全息存储介质18内与直接基准光束7″、7和由反射镜层19反射的基准光束7″、7干扰。在读取期间，重建的物体光束26由高NA傅里叶物镜16使变回原形到中间图像平面15上。四分之一波长板17设置在高NA傅里叶物镜16和全息存储介质18之间。由于该光束穿过这个四分之一波长板17两次，该重建的物体光束26的偏光方向与该原始物体光束6的偏光方向正交。该重建的物体光束26再次由第二长焦距物镜14傅里叶变换。由于该偏光的旋转，该PBS立方体13将重建的物体光束26反射到耦合出(out-coupling)滤波器23上，该耦合出滤波器23设置在该12f系统的第三傅里叶平面中。该耦合出滤波器23阻碍基准光束7″、7，因此仅仅重建的物体光束26由第三长焦距物镜24映射到检测器阵列25上。在该附图中，该物镜24的焦距不同于该物镜11和14的焦距。该光学装置是一种所谓的远焦系统。在焦外系统中，可以使用具有不同的焦距的物镜11、14、24实现放大或者缩小。在目前的情况下，可以通过适宜的物镜11和14的焦距选择在SLM9和中间目标平面15之间，并且也可以通过适宜的物镜14和24的焦距选择在中间图像平面(其对应于中间目标平面15)和检测器25之间实现放大。该需要的放大取决于SLM9的大小、检测器25的大小和希望的重复取样。重复取样表示多少检测器像素被分配给一个SLM像素。
作为反射类型SLM9的备选方案，可以使用传输类型SLM。在这种情况下，第二PBS立方体8由一个反射镜替换。该传输类型SLM最好是放置在这个反射镜和第三PBS立方体10之间。
图2示出基准光束发生器21和产生的基准光束7″、7。对于反射类型全息存储介质18，该基准光束7有利地被分成多个半锥形的基准光束7′、7″、7。这是例如通过作为基准光束发生器21的衍射的单元实现的。该衍射的单元由圆形平面波照射，并且在适宜的方向产生半锥形的基准光束7″、7。在该附图中，3维的半锥形是由其半圆形状的横截面表示的。存在右侧半锥形7″和左侧半锥形7。也存在具有低衍射效率的零级基准光束7′。这个基准光束7′在光学系统的另外的部分内需要被阻碍，在该示范的实施例中，其是通过耦合入滤波器12和PBS立方体13实现的。该衍射的单元有利地是计算机产生的全息图或者厚的多路复用的全息图。在传输型全息存储介质18的情况下，该光束发生器21有利地产生锥形的基准光束。
图3和4示出在第一物镜11的傅里叶平面中刚好在由耦合入滤波器12滤波之后的物体光束6和基准光束7″、7的布置。虽然图3举例说明了四个基准光束7″、7的情形，图4示出八个基准光束7″、7的情形。该物体光束6在这个平面上被傅里叶变换和低通滤波。该基准光束7″、7被安排在一个具有围绕该物体光束6的直径D1的圆形上。在图1示范的实施例中，该零级基准光束7′没有由耦合入滤波器12直接阻碍，并且设置在与物体光束6相同的区域中。
如在图5中举例说明的，在该全息存储介质18的反射镜层19反射之后，直接半锥形基准光束7″、7与反射的半锥形基准光束7″、7一起形成互补的半锥形，即，基本上完整的锥形。这指的是在组合中这些光束具有基本上接近该傅里叶平面的圆形的截面。
图6示出设置在12f光学系统的第一傅里叶平面中的耦合入滤波器12的横截面图。其包括光束模块120，例如，薄的黑色金属板或者具有反射或者吸附剂层的透明基片，以及具有用于物体光束6和零级基准光束7′的直径D3的中央孔径122，和具有用于基准光束7″、7的直径d的洞121。环形半波板123被安排在光束模块120上。该环形半波板123具有带有直径D2的中央孔径124。该物体光束6和零级基准光束7′没有任何改变穿过这个中央孔径124，以及穿过该光束模块120的中央孔径122。该中央孔径122起用于该物体光束6的低通滤波器的作用，因为其切去该物体光束6的较高的傅里叶分量。剩余的基准光束7″、7穿过半波板123，其旋转这些光束7″、7的偏光方向。在第一傅里叶平面之前，该物体光束6和基准光束7′、7″、7的偏光方向是正交的。该环形半波板123旋转该衍射的基准光束7″、7的偏光方向，而该低能量零级基准光束7′保存其偏光方向。安排在具有围绕该光束模块120的中央孔径122的直径D1的环形上的是用于衍射的基准光束7″、7的洞121。因此，在第一傅里叶平面中，该滤波器12传送衍射的基准光束7″、7以及零级基准光束7′，以及传送低通滤波的物体光束6。因为该环形半波板123，该零级基准光束7′的偏光方向与另一个光束6、7″、7的偏光方向正交。因此，在该滤波器12之后，该PBS立方体13传送低通滤波的物体光束6和衍射的基准光束7″、7，而其将零级基准光束7′反射出该光学系统外。在该附图中，该中央孔径122是圆形的，其最好适合于该光总体布置的透镜的圆孔径。但是，该孔径122也可以是椭圆的，例如，当基准光束7″、7的顶端被安排在一个椭圆上的时候。此外，该孔径也可以具有矩形或者长方形形状，其最好适合于具有其矩形或者长方形像素的该SLM9的衍射图像。用于该基准光束7″、7的121是可切换的孔径。对于特殊的多路复用方案这是有益的。当基准光束发生器21产生M×N个基准光束7″、7，并且在记录期间仅仅M个孔径是同时开启的的时候，N个不同的全息图可以借助于M个基准光束的N个不同的布置记录进该存储材料的相同的容积中。
图7示出用于四个基准光束7″、7情形的耦合入滤波器12的光束模块120的顶视图。用于基准光束7″、7的洞121被安排在具有直径D1的圆形上。该中央孔径122的直径是D3。该直径(D1-D3)的差值大约是40-100μm。用于基准光束7″、7的洞121的直径d大约是10-100μm。当然，基准光束7″、7的数目不局限于四个或者八个基准光束7″、7。使用更多的基准光束或者甚至环形基准光束同样是可允许的。但是，该基准光束7″、7也交叠，其导致噪声格栅(noise grating)的记录。使用四个或者八个基准光束7″、7是在全息图间交互干扰和噪声格栅的干扰影响的均衡之间的折衷。
图8描述环形半波板123的顶视图。其中央孔径124的直径是D2，这里D2满足关系(D1-d)＞D2＞D3。
耦合出滤波器23的横截面图在图9中举例说明。耦合出滤波器23设置在该12f系统的第三傅里叶平面中。该耦合出滤波器23是具有带有直径D3的中央孔径231的光束模块230。
图10示出图1的总体布置的修改。在这个修改的总体布置中，该基准光束发生器21是反射镜类型光束发生器。因此，该半波板22是由四分之一波长板28替换的。这个总体布置有下列好处，即，该光学系统被进一步简化，因为不再需要二个PBS立方体和反射镜。

Claims (11)

1.一种借助于三个或以上的聚焦的基准光束(7″，7)和物体光束(6)或者重建的物体光束(26)的同轴布置，用于从全息存储介质(18)读取和/或写入到全息存储介质(18)的装置(1)，其特征在于聚焦的基准光束(7″，7)的焦点在装置(1)的傅里叶平面中被安排在围绕物体光束(6)的圆形上。
2.根据权利要求1的装置(1)，具有用于从一个进来的基准光束(7)产生三个或以上的基准光束(7″，7)的光束发生器(21)。
3.根据权利要求2的装置(1)，其中光束发生器(21)是衍射的单元。
4.根据权利要求2或者3的装置(1)，其中全息存储介质(18)是反射型介质，并且光束发生器(21)产生半锥形的基准光束(7″，7)。
5.根据权利要求2或者3的装置(1)，其中全息存储介质(18)是传输型介质，并且光束发生器(21)产生锥形的基准光束(7″，7)。
6.根据权利要求1至5的一个的装置(1)，具有设置在傅里叶平面中用于低通滤波物体光束(6)和用于旋转三个或以上基准光束(7″，7)的偏光方向的滤波器(12)。
7.根据权利要求6的装置(1)，其中滤波器(12)具有带有用于低通滤波物体光束(6)的中央孔径(122)和用于基准光束(7″，7)的洞(121)的光束模块(120)，以及借助于用于物体光束(6)的中央孔径(124)，用于旋转三个或以上基准光束(7″，7)的偏光方向的环形半波板(123)。
8.一种用于从一个进来的光束(7)产生三个或以上的光束(7″，7)的光束发生器(21)，其特征在于光束发生器(21)适用于产生三个或以上的光束(7″，7)，其被安排在围绕中央光束(7′)的圆形上。
9.根据权利要求8的光束发生器(21)，其中光束发生器(21)是用于产生三个或以上的锥形的或者半锥形的光束(7″，7)的衍射的单元。
10.一种用于中央光束(6)和安排在围绕中央光束(6)的圆形上的三个或以上的光束(7″，7)的滤波器(12)，其特征在于其是用于中央光束(6)的低通滤波器，和用于三个或以上的光束(7″，7)的偏光旋转元件。
11.根据权利要求10的滤波器(12)，具有带有第三直径(D3)的中央孔径(122)和安排在围绕中央孔径(122)具有第一(D1)的圆形上的洞(121)的光束模块(120)，以及具有第二直径(D2)大于第三直径(D3)的中央孔径(124)的环形半波板(123)。
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