CN111707641B - 一种光斑尺寸不同的体全息材料灵敏度测试装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及体全息材料技术领域，本发明公开了一种光斑尺寸不同的体全息材料灵敏度测试装置与方法，该测试装置包括相干光源、干涉光路、第一光电探测器、第二光电探测器、采集卡和上位机，相干光源提供的相干光能够依次通过干涉光路的第一电子快门、第一光阑、第一半波片和偏振分光棱镜后被分为两个光束，其中第一个光束通过第二电子快门后照射到体全息材料上，第二个光束先通过第二半波片，再由第二光阑缩小尺寸后照射到体全息材料上。本发明干涉的两个光束具有不同的直径，因此在体全息材料表面是两个不同大小的光斑，于是只需要小光斑完全落入大光斑范围内就可以实现测量，不需要精确的光斑重合调节。

Description

一种光斑尺寸不同的体全息材料灵敏度测试装置与方法
技术领域
本发明涉及体全息材料领域，尤其涉及一种光斑尺寸不同的体全息材料灵敏度测试装置与方法。
背景技术
体全息技术被视为下一代只读存储技术的候选技术之一，已经得到科研以及大型企业的密切关注。体全息技术的实现离不开高性能的体全息图存储介质，世界各国均在对高性能体全息存储介质进行研究开发。体全息存储介质的研究开发过程中需要对体全息存储介质的灵敏度进行测量，现有方案中单波长时分复用方案因为能够适应材料的收缩、不一致以及吸收谱变化等因素更适于体全息材料研发，但是现有方案需要两个光束在体全息材料表面进行精确的光斑重合，对于两个直径一样的光束，这对重合精度提出了比较高的要求，进而导致对不同外观的体全息材料分别进行重合调节。
发明内容
为了解决上述现有体全息存储介质灵敏度实时测试的单波长时分复用方案所存在的问题，本发明提出一种光斑尺寸不同的体全息材料灵敏度测试装置与方法，本发明使干涉光路中的两个光束具有不同的光束直径，进而使体全息材料表面的光斑重合调节变为仅需要小光斑落入大光斑中即可。
一种光斑尺寸不同的体全息材料灵敏度测试装置，包括相干光源、干涉光路、第一光电探测器、第二光电探测器、采集卡和上位机，所述相干光源用于提供相干光，所述干涉光路将所述相干光源提供的相干光分成两束并在体全息材料所处位置发生干涉，所述第一光电探测器和第二光电探测器用于对所述干涉光路中干涉后的光束进行强度探测，所述采集卡用于采集所述第一光电探测器和第二光电探测器输出的电压信号并转换成数字信号，所述上位机用于处理和存储采集卡得到的数字信号。所述干涉光路包括第一电子快门、第一光阑、第一半波片、偏振分光棱镜、第二电子快门、第二半波片和第二光阑，所述相干光源提供的相干光能够依次通过所述第一电子快门、第一光阑、第一半波片和偏振分光棱镜后被分为两个光束，其中第一个光束通过所述第二电子快门后照射到体全息材料上，第二个光束先通过所述第二半波片，再由所述第二光阑缩小尺寸后照射到体全息材料上，使形成的光斑落入第一个光束形成的较大的光斑中，这两个光束透射过体全息材料后分别由所述第一光电探测器和第二光电探测器进行强度探测。
进一步的，所述干涉光路还包括扩束镜，所述扩束镜设置于所述第一电子快门和第一半波片之间。
进一步的，所述干涉光路还包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜设置于所述第一光电探测器前方，所述第二透镜设置于所述第二光电探测器前方。
一种光斑尺寸不同的体全息材料灵敏度测试方法，使所述相干光源提供的相干光依次通过所述第一电子快门、第一光阑、第一半波片和偏振分光棱镜后被分为两个光束，其中第一个光束通过所述第二电子快门后照射到体全息材料上，第二个光束先通过所述第二半波片，再由所述第二光阑缩小尺寸后照射到体全息材料上，使形成的光斑落入第一个光束形成的较大的光斑中，这两个光束透射过体全息材料后分别由所述第一光电探测器和第二光电探测器进行强度探测。在进行测量时，所述第一电子快门接收所述上位机的控制信号而打开，所述第二电子快门进行周期的打开与关闭，同时所述采集卡进入采集状态，所述上位机进入数据存储状态。
进一步的，通过所述第一光电探测器和第二光电探测器强度探测的结果计算体全息材料的衍射效率和透射率，包括步骤：记录背景信号、计算放大系数比值、采集实时数据、计算衍射效率和计算透过率。
进一步的，所述记录背景信号步骤包括以下子步骤：
设实测信号P由放大系数m、本底b及光斑面积s组成，即
P＝m[sp(t)+b] (1)
其中，p(t)代表真实的光功率密度随时间的变化；
不放置体全息材料，关闭所述第一电子快门，于是p(t)＝0，此时所述第一光电探测器和第二光电探测器接收到的信号B1、B2为背景噪声即本底b与放大系数m的乘积：
B1＝m1b1 (2)
B2＝m2b2 (3)。
进一步的，所述计算放大系数比值步骤包括以下子步骤：
不放置体全息材料，同时打开所述第一电子快门和第二电子快门，于是所述第一光电探测器和第二光电探测器接收到的光功率密度相同，即p1(t)＝p2(t)＝p0，此时所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出信号为：
Figure BDA0002487884760000031
Figure BDA0002487884760000032
由公式(2)～(5)，所述第一光电探测器和第二光电探测器的放大系数m1、m2的比值为：
Figure BDA0002487884760000033
进一步的，所述采集实时数据步骤包括以下子步骤：
放置体全息材料，打开所述第一电子快门，让所述第二电子快门处于周期开关状态；当所述第二电子快门关闭时，透射光束与衍射光束具有相同的直径，此时所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出信号为：
P1(t)＝m1[s1p1(t)+b1] (7)
P2(t)＝m2[s1p2(t)+b2] (8)。
进一步的，所述计算衍射效率步骤包括以下子步骤：
根据消除吸收效应的衍射效率计算公式：
Figure BDA0002487884760000041
再根据公式(6)～(9)推导出由测量值表示的衍射效率表达式：
Figure BDA0002487884760000042
进一步的，所述计算透过率步骤包括以下子步骤：
将公式(7)、(8)表示成基于衍射效率与透过率的表达式
P1(t)＝m1[s1p0T(t)(1-η)+b1] (11)
P2(t)＝m2[s1p0T(t)η+b2] (12)
将公式(11)、(12)消除衍射效率η得到由测量值给出的透过率表达式
Figure BDA0002487884760000043
本发明的有益效果在于：
(1)本发明干涉的两个光束具有不同的直径，因此在体全息材料表面是两个不同大小的光斑，于是只需要小光斑完全落入大光斑范围内就可以实现测量，不需要精确的光斑重合调节；
(2)本发明基于该大小光斑方案设计的计算方法可以方便地给出衍射效率及透过率随时间的关系，进而反应体全息材料在这一曝光过程中的灵敏度。
附图说明
图1是本发明的原理示意图；
图2是第一光电探测器的输出信号图；
图3是第二光电探测器的输出信号图；
图4是衍射效率随时间的变化图；
图5是透过率随时间的变化图；
附图标记：1-相干光源，2-干涉光路，3-第一光电探测器，4-第二光电探测器，5-采集卡，6-上位机，7-体全息材料；21-第一电子快门，22-扩束镜，23-第一光阑，24-第一半波片，25-偏振分光棱镜，26-第二电子快门，27-第二半波片，28-第一透镜，29-第二透镜，30-第二光阑。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种光斑尺寸不同的体全息材料灵敏度测试装置与方法，如图1所示，该测试装置包括相干光源1、干涉光路、第一光电探测器3、第二光电探测器4、采集卡5和上位机6，相干光源1用于提供相干光，干涉光路将相干光源1提供的相干光分成两束并在体全息材料7所处位置发生干涉，第一光电探测器3和第二光电探测器4用于对干涉光路中干涉后的光束进行强度探测，采集卡5用于采集第一光电探测器3和第二光电探测器4输出的电压信号并转换成数字信号，上位机6用于处理和存储采集卡5得到的数字信号，其中：
干涉光路包括第一电子快门21、第一光阑23、第一半波片24、偏振分光棱镜25、第二电子快门26、第二半波片27和第二光阑30，相干光源1提供的相干光能够依次通过第一电子快门21、第一光阑23、第一半波片24和偏振分光棱镜25后被分为两个光束，即相干光经过第一光阑23达到需要的光束尺寸，通过第一半波片24进行偏振态的调整，再通过偏振分光棱镜25(PBS)后被分为两束(分束比可由第一半波片24调整)，其中第一个光束通过第二电子快门26后照射到体全息材料7上，第二个光束先通过第二半波片27，再由第二光阑30缩小尺寸后照射到体全息材料7上，使形成的光斑落入第一个光束形成的较大的光斑中，这两个光束透射过体全息材料7后分别由第一光电探测器3和第二光电探测器4进行强度探测。
在本发明的一个优选实施例中，干涉光路还包括扩束镜22，扩束镜22设置于第一电子快门21和第一半波片24之间，相干光通过扩束镜22进行扩束，再经过第一光阑23光阑达到需要的光束尺寸。
在本发明的一个优选实施例中，干涉光路还包括第一透镜28和第二透镜29，第一透镜28设置于第一光电探测器3前方，第二透镜29设置于第二光电探测器4前方。
在本发明的一个优选实施例中，相干光源1采用相干长度大于20毫米的连续激光器，具体可采用MSL-III-532的单纵模绿光激光器，第一光电探测器3和第二光电探测器4可采用型号为PDA36A2的硅基探测器，上位机6采用计算机实现。
本实施例提供的一种光斑尺寸不同的体全息材料灵敏度测试方法，包括以下步骤：
使相干光源1提供的相干光依次通过第一电子快门21、第一光阑23、第一半波片24和偏振分光棱镜25后被分为两个光束，即相干光经过第一光阑23达到需要的光束尺寸，通过第一半波片24进行偏振态的调整，再通过偏振分光棱镜25(PBS)后被分为两束(分束比可由第一半波片24调整)，其中第一个光束通过第二电子快门26后照射到体全息材料7上，第二个光束先通过第二半波片27，再由第二光阑30缩小尺寸后照射到体全息材料7上，使形成的光斑落入第一个光束形成的较大的光斑中，这两个光束透射过体全息材料7后分别由第一光电探测器3和第二光电探测器4进行强度探测；
在进行测量时，第一电子快门21接收上位机6的控制信号而打开，第二电子快门26进行周期的打开与关闭，同时采集卡5进入采集状态，上位机6进入数据存储状态。
可通过第一光电探测器3和第二光电探测器4强度探测的结果计算体全息材料7的衍射效率和透射率，包括步骤：记录背景信号、计算放大系数比值、采集实时数据、计算衍射效率和计算透过率，其中：
1、记录背景信号步骤包括以下子步骤：
设实测信号P由放大系数m、本底b及光斑面积s组成，即
P＝m[sp(t)+b] (1)
不放置体全息材料7，关闭第一电子快门21，于是p(t)＝0，此时第一光电探测器3和第二光电探测器4接收到的信号B1、B2为背景噪声即本底b与放大系数m的乘积：
B1＝m1b1 (2)
B2＝m2b2 (3)。
2、计算放大系数比值步骤包括以下子步骤：
不放置体全息材料7，同时打开第一电子快门21和第二电子快门26，于是第一光电探测器3和第二光电探测器4接收到的光功率密度相同，即p1(t)＝p2(t)＝p0，此时第一光电探测器3和第二光电探测器4的输出信号为：
Figure BDA0002487884760000081
Figure BDA0002487884760000082
由公式(2)～(5)，第一光电探测器3和第二光电探测器4的放大系数m1、m2的比值为：
Figure BDA0002487884760000083
3、采集实时数据步骤包括以下子步骤：
放置体全息材料7，打开第一电子快门21，让第二电子快门26处于周期开关状态；当第二电子快门26关闭时，透射光束与衍射光束具有相同的直径，此时第一光电探测器3和第二光电探测器4的输出信号为：
P1(t)＝m1[s1p1(t)+b1] (7)
P2(t)＝m2[s1p2(t)+b2] (8)。
4、计算衍射效率步骤包括以下子步骤：
根据消除吸收效应的衍射效率计算公式：
Figure BDA0002487884760000084
再根据公式(6)～(9)推导出由测量值表示的衍射效率表达式：
Figure BDA0002487884760000091
5、计算透过率步骤包括以下子步骤：
将公式(7)、(8)表示成基于衍射效率与透过率的表达式
P1(t)＝m1[s1p0T(t)(1-η)+b1] (11)
P2(t)＝m2[s1p0T(t)η+b2] (12)
将公式(11)、(12)消除衍射效率η得到由测量值给出的透过率表达式
Figure BDA0002487884760000092
在本发明的一个优选实施例中，根据“记录背景信号”步骤，不放置体全息材料7，关闭第一电子快门21，第一光电探测器3和第二光电探测器4接收到的信号B1、B2分别为0.0083V、0.0149V；根据“计算放大系数比值”步骤，不放置体全息材料7，同时打开第一电子快门21和第二电子快门26，第一光电探测器3和第二光电探测器4接收到的信号：
Figure BDA0002487884760000093
分别为2.5024V、6.4640V；根据“采集实时数据”步骤，放置体全息材料7，打开第一电子快门21，让第二电子快门26处于周期开关状态；当第二电子快门26关闭时，第一光电探测器3和第二光电探测器4的输出信号分别如图2、3所示。
将图2、3中的数据以及背景信号、
Figure BDA0002487884760000094
代入式(10)、式(13)分别得到衍射效率与透过率，如图4、5所示。
通过本专利中的方法，定量给出了衍射效率与时间的关系，衍射效率与透过率的关系。由于只需要小光斑“落入”大光斑，因此不需要精确的“重叠”调节，于是具有更好的操作性与可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

Claims (5)

1.一种光斑尺寸不同的体全息材料灵敏度测试方法，应用于体全息材料灵敏度测试装置，所述体全息材料灵敏度测试装置包括：相干光源、干涉光路、第一光电探测器、第二光电探测器、采集卡和上位机，所述相干光源用于提供相干光，所述干涉光路将所述相干光源提供的相干光分成两束并在体全息材料所处位置发生干涉，所述第一光电探测器和第二光电探测器用于对所述干涉光路中干涉后的光束进行强度探测，所述采集卡用于采集所述第一光电探测器和第二光电探测器输出的电压信号并转换成数字信号，所述上位机用于处理和存储采集卡得到的数字信号；所述干涉光路包括第一电子快门、第一光阑、第一半波片、偏振分光棱镜、第二电子快门、第二半波片和第二光阑，所述相干光源提供的相干光能够依次通过所述第一电子快门、第一光阑、第一半波片和偏振分光棱镜后被分为两个光束，其中第一个光束通过所述第二电子快门后照射到体全息材料上，第二个光束先通过所述第二半波片，再由所述第二光阑缩小尺寸后照射到体全息材料上，使形成的光斑落入第一个光束形成的较大的光斑中，这两个光束透射过体全息材料后分别由所述第一光电探测器和第二光电探测器进行强度探测；
其特征在于，所述测试方法包括：使所述相干光源提供的相干光依次通过所述第一电子快门、第一光阑、第一半波片和偏振分光棱镜后被分为两个光束，其中第一个光束通过所述第二电子快门后照射到体全息材料上，第二个光束先通过所述第二半波片，再由所述第二光阑缩小尺寸后照射到体全息材料上，使形成的光斑落入第一个光束形成的较大的光斑中，这两个光束透射过体全息材料后分别由所述第一光电探测器和第二光电探测器进行强度探测；
在进行测量时，所述第一电子快门接收所述上位机的控制信号而打开，所述第二电子快门进行周期的打开与关闭，同时所述采集卡进入采集状态，所述上位机进入数据存储状态；
通过所述第一光电探测器和第二光电探测器强度探测的结果计算体全息材料的衍射效率和透射率，包括步骤：记录背景信号、计算放大系数比值、采集实时数据、计算衍射效率和计算透过率；
所述记录背景信号步骤包括以下子步骤：
实测信号P由放大系数m、本底b及光斑面积s组成，即
Figure 947969DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中，p(t)代表真实的光功率密度随时间的变化；
不放置体全息材料，关闭所述第一电子快门，于是p(t)=0，此时所述第一光电探测器和第二光电探测器接收到的信号B 1、B 2为背景噪声即本底b与放大系数m的乘积：
Figure 223092DEST_PATH_IMAGE002
(2)
Figure 53514DEST_PATH_IMAGE003
(3)
其中，m1、b1分别为第一光电探测器的放大系数、本底、光斑面积，m2、b2分别为第二光电探测器的放大系数、本底、光斑面积。
2.根据权利要求1所述的一种光斑尺寸不同的体全息材料灵敏度测试方法，其特征在于，所述计算放大系数比值步骤包括以下子步骤：
不放置体全息材料，同时打开所述第一电子快门和第二电子快门，于是所述第一光电 探测器和第二光电探测器接收到的光功率密度相同，即
Figure 388680DEST_PATH_IMAGE004
，此时所述第一 光电探测器和第二光电探测器的输出信号为：
Figure 117602DEST_PATH_IMAGE005
(4)
Figure 134099DEST_PATH_IMAGE006
(5)
其中，s 1为第一光电探测器的光斑面积，s 2为第二光电探测器的光斑面积；
由公式(2)~(5)，所述第一光电探测器和第二光电探测器的放大系数m 1、m 2的比值为：
Figure 632077DEST_PATH_IMAGE007
(6)。
3.根据权利要求2所述的一种光斑尺寸不同的体全息材料灵敏度测试方法，其特征在于，所述采集实时数据步骤包括以下子步骤：
放置体全息材料，打开所述第一电子快门，让所述第二电子快门处于周期开关状态；当所述第二电子快门关闭时，透射光束与衍射光束具有相同的直径，此时所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出信号为：
Figure 86280DEST_PATH_IMAGE008
(7)
Figure 36918DEST_PATH_IMAGE009
(8)。
4.根据权利要求3所述的一种光斑尺寸不同的体全息材料灵敏度测试方法，其特征在于，所述计算衍射效率步骤包括以下子步骤：
根据消除吸收效应的衍射效率计算公式：
Figure 857107DEST_PATH_IMAGE010
(9)
再根据公式（6）~（9）推导出由测量值表示的衍射效率表达式：
Figure 209591DEST_PATH_IMAGE011
(10)。
5.根据权利要求4所述的一种光斑尺寸不同的体全息材料灵敏度测试方法，其特征在于，所述计算透过率步骤包括以下子步骤：
将公式（7）、（8）表示成基于衍射效率与透过率的表达式
Figure 339090DEST_PATH_IMAGE012
(11)
Figure 777024DEST_PATH_IMAGE013
(12)
将公式（11）、（12）消除衍射效率
Figure 135324DEST_PATH_IMAGE014
得到由测量值给出的透过率表达式
Figure 607894DEST_PATH_IMAGE015
(13)。
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