CN101727925A - 具有改善的光束重叠的全息存储系统 - Google Patents

Abstract

提出了使用物光束(20)和一个或多个参考光束(21)的同轴配置或者重构的物光束(15)和一个或多个参考光束(21)的同轴配置、用于从全息存储介质(5)读取和/或向全息存储介质(5)写入的装置和方法。根据本发明，将全息存储介质(5)内的一个或多个参考光束(21)的焦点相对于物光束(21)或重构的物光束(15)的焦点沿着光轴而移动。

Description

具有改善的光束重叠的全息存储系统

技术领域

本发明涉及从全息存储介质读取和/或向全息存储介质写入的装置和方法，更具体地，涉及使用物光束与一个或多个参考光束的同轴配置的装置和方法，所述同轴配置在全息存储介质内实现了改善的光束重叠。本发明进一步涉及适合于在这种装置中使用或者具有这种方法的全息存储介质。

背景技术

在全息数据存储中，通过记录两个相干激光光束叠加所产生的干涉图案来存储数字数据，其中一个所谓的“物光束(object beam)”的光束被空间光调制器进行调制并且携带要记录的信息。第二光束用作参考光束。该干涉图案导致依赖于干涉图案的局部强度(intensity)的存储材料的具体特性的变更。通过使用与记录期间相同的条件、以参考光束照亮全息图来执行对所记录的全息图的读取。这导致所记录的物光束的重构。

全息数据存储的一个优点是增大的数据容量(capacity)。与传统的光存储介质相反，全息存储介质的体积(volμme)用于存储信息，而不仅仅是全息存储介质的几层用于存储信息。全息数据存储的又一优点是例如通过改变两个光束之间的角度或者通过使用移动多路复用(shift multiplexing)等，可以以相同的体积存储多个数据。此外，代替存储单一比特，而将数据存储为数据页面(data page)。通常，数据页面由暗光图案的矩阵(即，对多个比特进行编码的二维二进制阵列或者灰度值的阵列)构成。这除了允许增大的存储密度之外，还允许实现增大的数据率。通过空间光调制器(SLM，spatial light modulator)将数据页面印记(imprint)在物光束上，并且以检测器阵列对其进行检测。

EP1624451公开了具有同轴配置的全息存储系统，其中，在物光束周围排列了(arrange)多个参考光束。根据该解决方案，在物平面和像平面处，分别耦入(couple in)和耦出(couple out)物光束与参考光束。由于傅立叶物镜(objective)的孔径被分割为物部分和参考部分，因此该配置为所谓的分割孔径配置。该配置具有全息材料接近于数据密度为最高的傅立叶平面的优点。此外，物光束和参考光束之间的重叠在接近傅立叶平面很好。然而，傅立叶物镜的一半孔径用于参考光束。这意味着分割孔径系统的单个全息图的容量仅为通常孔径配置的容量的一半。另外，物光束和参考光束的完全重叠仅出现在傅立叶平面中。在全息存储介质中，在100-200μm厚度的层内，该重叠仅仅是部分的。该值依赖于全息图的直径以及傅立叶物镜的数值孔径。自距傅立叶平面大约200-400μm的距离处开始，完全没有重叠。这限制了全息材料的最大有用厚度。

在WO2006/003077中，示出了具有三个共焦排列的傅立叶平面的12f反射型同轴全息存储配置。在该配置中，在第一和第三傅立叶平面处分别耦入和耦出物光束和参考光束。在这些平面中，参考光束是小的点。更精确地，其形成类似于Airy图案的衍射(diffraction)图案。由于物光束和参考光束在物平面和像平面处填满(fill out)了孔径的相同区域，因此该配置为所谓的通常孔径配置。光束填满物镜的整个孔径。所公开的配置允许应用移动(shift)多路复用、参考扫描多路复用、相位编码多路复用或者这些多路复用方案的组合。参考光束是一对(或数对)半锥形形状的光束。

EP 1912212公开了如下的全息存储系统，其具有一个或多个参考光束与一物光束的同轴配置、或者一个或多个参考光束与一重构的物光束的同轴配置。在物光束或重构的物光束的焦平面之内，该一个或多个参考光束的焦点相对于该物光束的焦点被移动。

EP 1837871公开了具有全息层和镜面(mirror)层的全息存储介质。根据一个实施例，该镜面层具有用于反射一个或多个参考光束的一个或多个反射区域，其中，镜面层的剩余区域是透明的或者吸收性的。

在已知的全息存储系统中，物光束和参考光束并不完全重叠。为了实现更好的重叠，需要将全息材料置于远离傅立叶平面。结果，全息材料中的单个全息图数据密度低。

发明内容

本发明的目的在于提出如下的装置和方法：其用于从全息存储介质进行读取和/或向全息存储介质进行写入，并且其中物光束和一个或多个参考光束的重叠得到改善。

本发明进一步的目的是提出适合于在这种装置中使用的或者具有这种方法的全息存储介质。

根据本发明，在用于从全息存储介质进行读取和/或向全息存储介质进行写入、并具有一个或多个参考光束与一物光束的同轴配置或者一个或多个参考光束与一重构物光束的同轴配置的装置中，全息存储介质内的一个或多个参考光束的焦点沿着光轴而相对于物光束或重构的物光束的焦点移动。

同样，使用一个或多个参考光束与一物光束的同轴配置或者一个或多个参考光束与一重构物光束的同轴配置、从全息存储介质中进行读取和/或向全息存储介质进行写入的方法具有以下步骤：将所述一个或多个参考光束聚焦到全息存储介质内的焦点，该焦点沿着光轴而相对于物光束或重构的物光束的焦点而移动。

已经发现，不必将一个或多个参考光束的焦点置于物光束的傅立叶平面中。如果一个或多个参考光束的傅立叶平面和焦平面均沿着光轴相对于彼此而移动，则极大地改善了该一个或多个参考光束与物光束接近傅立叶平面的重叠。这意味着以降低数目的多路复用全息图来实现期望的数据容量。由于在降低数目的多路复用全息图之间共享了全息材料的有限动态范围，因此这反过来导致了更好的单一全息图衍射效率。该一个或多个参考光束有利地是被置于或靠近于光轴的一个锥形形状的参考光束或者两个半锥形形状的参考光束。

有利地，将该一个或多个参考光束聚焦于全息存储介质的小的反射区域上。

为此，全息存储介质具有全息层和镜面层，所述镜面层具有用于反射一个或多个参考光束的一个或多个小的反射区域，并且其是透明的或者否则是吸收性的。该小的反射区域最好具有圆形、椭圆形或者矩形形状。

该小的反射区域反射一个或多个参考光束，然而由于各个反射区域的尺寸非常小，因此物光束实际上没有被镜面层所反射。所以，在全息层的位置处仅存在正向传播的物光束。该光束与正向及反向传播的参考光束进行干涉，并且该光束将全息图记录在全息材料中。

有利地，该全息存储介质进一步具有隔离层，用于分开全息层和镜面层。该隔离层允许定义该一个或多个参考光束的焦点与该物光束的焦点之间的距离，并且由此允许将该一个或多个参考光束和该物光束之间的重叠进行优化。

优选地，为了读取出全息图，一个或多个参考光束关于用于记录全息图的一个或多个参考光束相位共轭。

通过使用用于读取出全息图的相位共轭的参考光束，重构了相位共轭的物光束。该重构的物光束具有与原始的物光束相同的波前，但其以相反的方向进行传播。如果该重构的物光束向回传播通过所有与原始的物光束相同或同样的镜头，则当该重构的物光束以相反方向穿过镜头时，校正了镜头所导致的波前象差。

优选地，仅仅对于参考光束而优化用于将物光束和一个或多个参考光束聚焦到全息存储介质中的物镜。因为由于相位共轭读取的影响而自动地校正物光束的波前象差，因此不必也为物光束来优化镜头。由于在整个傅立叶平面上无需对物镜进行衍射限制(即，由于远离光轴，物镜具有关于波前失真的降低的要求)，因此这允许使得物镜更轻并且更便宜。

附图说明

为了更好地理解，现在将参考附图，在以下描述中更详细地解释本发明。应该理解，本发明不限于该示例性的实施例，而是在不脱离本发明的范围的情况下，也可以对各指定特征方便地进行组合和/或修改。在附图中：

图1图示根据本发明的同轴全息存储系统的设置，

图2描绘全息存储介质的位置处的参考光束和物光束，

图3示出全息存储介质的图案化的镜面层，

图4示出参考光束的耦入(incoupling)方案，

图5描绘了基于第一组系统参数的全息存储系统的仿真结果，以及

图6示出基于第二组系统参数的全息存储系统的仿真结果。

具体实施方式

图1中示意性地图示了根据本发明的同轴全息存储系统。为了记录全息图，第一长焦距傅立叶物镜9对来自于振幅SLM 1的物光束20进行傅立叶变换。该物镜是四个相同的长焦距傅立叶物镜9、10、11、12中的一个。位于第一长焦距傅立叶物镜9的傅立叶平面中的是孔径2，其用于对傅立叶图像进行低通滤波以便降低图像的高空间频率分量。孔径2的平面与耦入参考光束21的第二傅立叶物镜10的焦平面3不重合(coincide)。以下将参考图3给出关于光束耦合的更多细节。傅立叶平面和参考光束21的焦点之间的距离在全息材料的位置处再现(reproduce)。光束21、21两者均穿过第二长焦距物镜10和高NA物镜4，并且抵达全息存储介质5。

在耦入平面3处，参数光束21包含一个锥形形状的光束(light beam)或两个以彼此小距离排列的半锥形形状的光束。由此，以下将术语“参考光束”理解为“一个或多个参考光束”。第二物镜10将参考光束21转换为几乎与光轴平行的一个或两个半圆形形状的平面波。如图2中所示，为了将这些平面波转换回到半锥形形状的光束而对高NA物镜4进行优化。这些半锥形的尖端位于图案化的镜面层51上，其中该镜面层51在各个焦距位置处具有小的反射区域56，而其他为透明的。由数值孔径、激光波长以及存储系统的伺服系统的精度所确定的该较小反射区域56的直径大约为1μm。图3中图示了该图案化的镜面层51。在该图中，反射区域56是小的圆形区域。当然，这些区域也可以具有其他的形状，例如，矩形或椭圆形形状。另外，镜面层51同样可以是吸收性的而不是透明的。物光束20在高NA物镜4和图案化的镜面层51之间具有模糊焦点54，其类似于傅立叶平面。没有为物光束20而是为参考光束21优化了高NA物镜4。全息存储介质5的全息层53位于该焦点的周围。为了在全息材料和图案化的镜面层51之间确保期望的距离而提供了隔离(spacer)层52。将参考光束21的焦点和物光束20的焦点之间的距离、以及隔离层52的厚度进行优化，以便达到参考光束21和物光束20的最佳重叠。全息层53、隔离层52和图案化的镜面层51都是全息存储介质5的一部分。位于高NA物镜4和全息存储介质5之间的是四分之一波板55，其功能将在稍后进行解释。

参考光束21的一个或两个半锥形形状的光束与它们的反射对一起形成一个或两个全锥形。因为由于非常小的各个反射区域的影响，实际上没有从图案化的镜面层51反射物光束20，因此，在全息层53的位置处仅存在正向传播的物光束20。该光束与正向及反向传播的参考光束21均进行干涉，并且该光束将全息图记录在全息图材料中。

除了(多个)半锥形被翻转(flip)之外，为了读取全息图，读出参考光束与记录期间的参考光束21类似。由读出参考光束的反射的(多个)半锥形来替代参考光束21的正向传播(多个)半锥形，反之亦然。这意味着记录期间的参考光束21和读取期间的读出参考光束为彼此的相位共轭对(phaseconjugated pair)。

为了使得相位共轭光束的使用的含义清楚，如果由作为用于记录全息图的参考光束的相位共轭版本的读出参考光束来读取体积全息图，则重构的物光束是原始物光束的相位共轭。该重构的物光束具有与原始物光束相同的波前(wavefront)，但是其以相反的方向进行传播。如果该重构的物光束向回传播通过所有与原始物光束相同或同样的镜头，则当重构的物光束以相反的方向穿过镜头时，镜头所导致的波前象差得到校正。

在图1中所图示的光学系统中，重构的物光束15首先穿过高NA物镜4。然后，该光束被偏振光束分离器立方体14所折射。在穿过第三长焦距物镜11之后，读出参考光束在其焦点处被暗板(obscuration plate)6停止。经傅立叶变换的物在平面7中被重构，其中其被圆形孔径切割(cut)。最后，第四长焦距物镜12对重构的物光束15执行反向的傅立叶变换，并且将重构的图像成像到检测器8上。

使用偏振(polarization)实现了参考光束21的耦入以及物光束20和重构的物光束15的光程(optical path)的分离。在图4中对其进行了图示。如图2和4中所描绘，在系统中存在三个四分之一波板(wave plate)。第一波板32位于耦入平面3和偏振光束分离器立方体13之间，第二波板33位于参考光束在物光束路径中的耦入之前，第三波板55位于物镜4和全息存储介质5之间。这确保了在参考光束21的耦入平面处以及此外在全息存储介质5的内部处来圆形地偏振物光束20以及参考光束锥形，同时沿着剩余的光程来对他们进行线性偏振。

使用图1的光学设置，通过将全息存储介质5移至图案化的镜面层51的下一反射区域来执行全息多路复用。在此位置中，全息图与之前的全息图重叠，这允许增大数据密度。

随机相位掩模(mask)最好排列在振幅SLM 1的前面，其消除了傅立叶平面中间的高强度峰值。这在傅立叶平面处于全息材料内部时尤其有用。相位掩模将每个像素的相位调制0或π。具有0和π相位移动的白色像素的数目应该近似相同。

在以下的仿真中，将给出所提出的使用光束传播方法的全息存储系统所得到的仿真结果。图5示出了基于下列第一组系统参数的检测器图像的仿真结果：

-隔离层厚度：700μm

-散焦：700μm

-活性材料厚度：300μm

-物光束和参考锥形轴之间的距离：10μm

-参考/物能量比：1000/1

-SLM：正常振幅SLM，10μm像素大小

-参考耦入直径(焦点处)：6μm

-参考耦出直径：20μm

-波长：400nm

-材料折射指数：1.5

-物镜焦距：7mm

-傅立叶平面切割直径：0.6×DNyquist

这些参数的码元错误率为0，没有出现错误。

图6以示出了以下列第二组系统参数的检测器图像的仿真结果：

-隔离层厚度：500μm

-散焦：600μm

-活性材料厚度：300μm

-物光束和参考锥形轴之间的距离：0μm(同轴)

-参考/物能量比：20/1

-SLM：随机相位被掩模，10μm像素大小

-参考耦入直径(焦点处)：6μm

-参考耦出直径：20μm

-波长：400nm

-材料折射指数：1.5

-物镜焦距：7mm

-傅立叶平面切割直径：0.6×DNyquist

这些参数的码元错误率为SER＝0.04％，在4800个块内出现了两个错误。

Claims (12)

1.一种用于从全息存储介质(5)读取和/或向全息存储介质(5)写入的装置，其具有一个或多个参考光束(21)与物光束(20)的同轴配置或者一个或多个参考光束(21)与重构的物光束(15)的同轴配置，其特征在于，全息存储介质(5)内的一个或多个参考光束(21)的焦点沿着光轴相对于物光束(21)的焦点或重构的物光束(15)的焦点移动。

2.如权利要求1所述的装置，其中，将一个或多个参考光束(21)聚焦于全息存储介质(5)的小反射区域(56)。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中，为了读出全息图，一个或多个参考光束(21)关于用于记录全息图的一个或多个参考光束(21)相位共轭。

4.如权利要求1至3之一所述的装置，其中，一个或多个参考光束(21)是一个锥形形状的参考光束或者两个半锥形形状的参考光束。

5.如之前的权利要求之一所述的装置，其中，仅仅为参考光束(21)来优化用于将物光束(20)和一个或多个参考光束(21)聚焦到全息存储介质(5)的物镜(4)。

6.一种使用一个或多个参考光束(21)与物光束(20)的同轴配置或者一个或多个参考光束(21)与重构的物光束(15)的同轴配置、从全息存储介质(5)读取和/或向全息存储介质(5)写入的方法，该方法具有以下步骤：将所述一个或多个参考光束(21)聚焦到全息存储介质(5)内的焦点，该焦点沿着光轴相对于所述物光束(21)或所述重构的物光束(15)的焦点移动。

7.如权利要求6所述的方法，其中，将所述一个或多个参考光束(21)聚焦于全息存储介质(5)的小反射区域(56)。

8.如权利要求6或7所述的方法，其中，为了读出全息图，一个或多个参考光束(21)关于用于记录全息图的一个或多个参考光束(21)相位共轭。

9.如权利要求6至8之一所述的方法，其中，一个或多个参考光束(21)是一个锥形形状的参考光束或者两个半锥形形状的参考光束。

10.一种具有全息层(53)和镜面层(51)的全息存储介质(5)，所述镜面层(51)具有用于反射一个或多个参考光束(21)的一个或多个反射区域(56)并且是透明的或者否则是吸收性的，其特征在于，所述反射区域(56)具有大约1μm的尺寸。

11.如权利要求10所述的全息存储介质，还具有隔离层(52)，用于分开全息层(53)和镜面层(51)。

12.如权利要求10或11所述的全息存储介质，其中，所述小反射区域(56)具有圆形的、椭圆形的或者矩形的形状。

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