CN113223564B - 全息存储用温度补偿方法及温度补偿装置 - Google Patents

全息存储用温度补偿方法及温度补偿装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于全息光存储技术领域，公开全息存储用温度补偿方法及温度补偿装置，所述温度补偿方法包括步骤：全息存储媒体的材料因温度变化发生形变后，对激光波长进行调整，使得所述激光波长由λ调整为λ1；对入射光方向进行调整，使得入射光的入射角由θB调整为θB1；使得λ1与θB1重新满足全息存储媒体在材料皱缩状态下的布拉格条件，实现补偿因温度变化导致全息存储媒体的材料变形引起的布拉格失配；可有效保证信息再现不受环境温度影响，大大提高全息存储方式的实用性。

Description

全息存储用温度补偿方法及温度补偿装置
技术领域
本发明属于全息光存储技术领域，具体涉及全息存储用温度补偿方法及温度补偿装置。
背景技术
目前，全息光存储方式被誉为是最有希望实现的大数据存储方式，主要是因为其具有三维保存特性，能够实现大容量数据存储。全息光存储方式是将信息保存在记录媒体的三维立体空间中，其信息的再现是通过与记录时完全一致的参考光，按照布拉格条件来衍射出相应的信息。由于布拉格条件的严格性，保证了大容量全息存储的精准再现。但是，在此再现过程要求严格精密性，而如果全息存储媒体的温度发生变化，出现热胀冷缩等形变时，布拉格条件就会受到破坏，导致无法保证精准再现。布拉格条件与光源的波长、光的入射角度以及全息媒体材料里面记录的干涉条纹图案间隔此三个变量有关。全息存储媒体温度发生变化引起热胀冷缩等形变时，实际上就是全息媒体材料里面记录的干涉条纹图案间隔发生了变化。在传统的双光束全息中，难以实现温度补偿，原因是需要相干性比较好的激光，而这种激光要实现波长可调，导致其造价较高，从而受到成本的限制很难实现。
发明内容
针对现有技术中，在全息存储的再现过程中，因为全息存储媒体的温度发生变化，出现热胀冷缩等形变时，布拉格条件受到破坏，导致无法保证精准再现的问题；同时为了克服现有技术中采用相干性比较好的激光所存在的成本较高，难以实现温度补偿等缺陷，本发明提供全息存储用温度补偿方法及温度补偿装置，旨在解决现有技术中所存在的上述问题，且克服现有技术中所存在的上述缺陷。
本发明的技术方案如下：
本发明一方面提供全息存储用温度补偿方法，包括如下步骤：
全息存储媒体的材料因温度变化发生形变后，对激光波长进行调整，使得所述激光波长由λ调整为λ1；
对入射光方向进行调整，使得入射光的入射角由θB调整为θB1；
λ与θB满足式(Ⅰ)：
d(sinθB+sinθO)＝λ (Ⅰ)
式(Ⅱ)中，d为衍射光栅常数，λ为调整前的所述激光波长，θO为衍射光(3)的衍射角；
使得λ1与θB1满足式：
sinθO＝λ/d-sinθB＝λ1/d1-sinθB1 (Ⅱ)
式中：d1为衍射光栅在温度变化发生形变后的常数，使得λ1与θB1重新满足全息存储媒体在材料皱缩状态下的布拉格条件，实现补偿因温度变化导致全息存储媒体的材料变形引起的布拉格失配。
具体地，对激光波长进行调整时，通过调节半导体激光器的电流实现。
具体地，对激光波长进行调整时，通过调节半导体激光器的发光器件的温度实现。
具体地，对入射光方向进行调整时，通过调节读取光入射角度调节组件的焦距点位置实现。
更为具体地，调节读取光入射角度调节组件的焦距点位置时，通过调节其中透镜L3的焦距值实现。
或者，调节读取光入射角度调节组件的焦距点位置时，通过调节其中透镜L2的位置实现。
本发明另一方面提供全息存储用温度补偿装置，用于实现上述全息存储用温度补偿方法，所述温度补偿装置包括沿着光束传播方向依次设置的信息入射面、第一傅里叶变换透镜L1、频谱面宽度调节件、读取光入射角度调节组件和全息存储媒体，读取光入射角度调节组件包括沿着光束传播方向依次同光轴设置的透镜L2和透镜L3；信息入射面的照明光源采用可调波长的激光光源。
进一步的，读取光入射角度调节组件内设置有分光棱镜，分光棱镜的反射光路上设置有光电探测器。
进一步的，分光棱镜与光电探测器之间的光路上设置有用于产生实像的接收再现光用透镜组。
进一步的，接收再现光用透镜组包括沿着光束传播方向依次同光轴设置的透镜L4和透镜L5。
本发明优势如下：
本发明的全息存储用温度补偿方法及温度补偿装置，其全息存储用温度补偿方法在全息存储媒体的温度发生变化，出现热胀冷缩等形变时，布拉格条件受到破坏时，通过协调调整光源的波长和读取光的入射角度，实现补偿因温度变化导致全息存储媒体的材料变形引起的布拉格失配，使得重新满足布拉格条件，从而有效保证信息再现不受环境温度影响；其温度补偿装置通过采用同轴全息结构，降低对光的相干性要求，则能够减少可调波长的半导体激光的成本，同时也能够满足实现上述温度补偿方法的需要；即其同轴全息的光路系统能够将再现图像的尺寸变化自动补偿，实现精准地补偿记录媒体热胀冷缩引起布拉格失配，大大提高全息存储方式的实用性。
附图说明
图1为本发明的全息存储用温度补偿方法的流程图。
图2为激光波长和入射光方向调整前的布拉格条件光路图。
图3为激光波长和入射光方向调整后的布拉格条件补偿光路图。
图4为通过调整透镜L3的焦距值实现入射光方向调整的示意图。
图5为通过调整透镜L2的位置实现入射光方向调整的示意图。
图6为本发明的全息存储用温度补偿装置的一个实施例的结构示意图。
图中，1为入射光，101为参考光，2为光栅，3为衍射光，4为全息存储媒体，5为读取光入射角度调节组件，6为信息入射面，7为频谱面宽度调节件，8为分光棱镜，9为接收再现光用透镜组，10为光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
实施例1：
如图1所示，全息存储用温度补偿方法，包括如下步骤：
全息存储媒体4的材料因温度变化发生形变后，对激光波长进行调整，使得所述激光波长由λ调整为λ1；
对入射光1方向进行调整，使得入射光1的入射角由θB调整为θB1；
如图2所示，λ与θB满足式(Ⅰ)：
d(sinθB+sinθO)＝λ (Ⅰ)
式1中，d为衍射光栅2常数，λ为调整前的所述激光波长，θO为衍射光3的衍射角；
如图3所示，使得λ1与θB1满足式(Ⅱ)：
sinθO＝λ/d-sinθB＝λ1/d1-sinθB1 (Ⅱ)
式中：d1为衍射光栅2在温度变化发生形变后的常数，使得λ1与θB1重新满足全息存储媒体4在材料皱缩状态下的布拉格条件，实现补偿因温度变化导致全息存储媒体4的材料变形引起的布拉格失配。
实施例2：
实施例1的全息存储用温度补偿方法，还可以具体地，对激光波长进行调整时，通过调节半导体激光器的电流实现。
具体地，对激光波长进行调整时，通过调节半导体激光器的发光器件的温度实现。
具体地，对入射光方向进行调整时，通过调节再现光入射角度调节组件5的焦距点位置实现。
如图4所示，更为具体地，调节读取光入射角度调节组件5的焦距点位置时，通过调节其中透镜L3的焦距值实现。
如图5所示，或者，调节读取光入射角度调节组件5的焦距点位置时，通过调节其中透镜L2的位置实现。
实施例3：
如图5所示，全息存储用温度补偿装置，用于实现实施例1或实施例2中任一项所述的全息存储用温度补偿方法，所述温度补偿装置包括沿着光束传播方向依次设置的信息入射面6、第一傅里叶变换透镜L1、频谱面宽度调节件7、读取光入射角度调节组件5和全息存储媒体4，读取光入射角度调节组件5包括沿着光束传播方向依次同光轴设置的透镜L2和透镜L3；信息入射面6的照明光源采用可调波长的激光光源。
实施例4：
如图6所示，实施例3的全息存储用温度补偿装置，还可以进一步的，读取光入射角度调节组件5内设置有分光棱镜8，分光棱镜8的反射光路上设置有光电探测器10。
还可以进一步的，分光棱镜8与光电探测器10之间的光路上设置有用于产生实像的接收再现光用透镜组9。
还可以进一步的，接收再现光用透镜组9包括沿着光束传播方向依次同光轴设置的透镜L4和透镜L5。
上述全息存储用温度补偿装置，信息入射面6可以为物面。第一傅里叶变换透镜L1、透镜L2和透镜L3沿着光线传播方向同光轴分布。频谱面宽度调节件7可以为光阑。分光棱镜8设置在透镜L2和L3之间。光电探测器10为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)或CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体)相机。
上述全息存储用温度补偿方法，将入射光1设置为全息存储方式中的参考光101，将入射光1的参考光101与信号光构成同轴结构，即将同轴全息的入射光1设置为围绕在信号光周围的环形光束，参考光101的入射方向，即为入射光1的入射方向，即其入射角，通过调整透镜系统的焦距实现。在参考光101入射方向改变后，虽然会引起再现图像大小的变化，由于同轴全息的光路系统能够将再现图像的尺寸变化自动补偿，从而实现精准的补偿全息记录媒体4因为热胀冷缩所引起的布拉格失配。
上述全息存储用温度补偿方法，干涉条纹被记录在材料里，形成光栅2，此光栅2产生衍射极大的条件：相邻光线的光程差为一个光波长。在全息记录媒体4的材料发生皱缩后，为了保证再现光的方向不发生改变，需要通过激光波长的调整和入射光1方向的改变来补偿布拉格失配，重新满足皱缩状态下的布拉格条件。布拉格条件可参考图2所示，记录干涉条纹的材料内部形成了衍射光栅2之后，当以θB的角度的入射光1照射时，沿θO角度方向会有较强的衍射光出射，它们之间的关系如式(Ⅰ)：
d(sinθB+sinθO)＝λ (Ⅰ)
其中d是衍射光栅2常数，即条纹间隔，λ是光源的光波长，θB是布拉格入射角。
式(Ⅰ)表明位于光栅2一个周期间隔宽度的两束光，在发生衍射光强极大方向上的光程差，满足一个光波长的条件，这个条件即为布拉格条件。如果全息记录媒体4材料发生了皱缩，则光栅2的倾斜方向和间隔d发生变化，为保证图像接收器件能接收到图像，就要保证θO不变。即当全息记录媒体4材料发生皱缩后，光栅2间隔和光栅2的条纹的方向都发生改变，如图3所示，在此状态下，若还要保证衍射光沿θO角度方向出射，只能改变入射角度
Figure GDA0003709331970000061
和光波长λ。即只有同时改变入射角度θB和光波长λ，才能重新满足布拉格条件；则要求调整后的光波长λ1与入射角度θB1满足式(Ⅱ)：
sinθO＝λ/d-sinθB＝λ1/d1-sinθB1 (Ⅱ)
其中，d1为衍射光栅在温度变化发生形变后的常数，θB1为改变后的入射角，λ1为改变后的光波长。
光波长的改变可以通过调节半导体激光器的电流和发光器件的温度实现，即利用半导体激光的特点，采用电流和温度调节，能够改变激光的波长中心值，使其在纳米级范围内产生微小迁移。
入射角的改变有两种方式：一种如图4所示，通过改变透镜L3的焦距来实现入射角调整，即利用同轴全息的参考光101图案，将图案上的每一点看作一束照射到全息记录媒体4的材料上的入射光1，其入射角度会随着透镜L3的焦距的变化而改变，即参考光101图案的每一束光入射到全息记录媒体4材料上的角度会随着透镜L3焦距的变化而改变。另一种如图5所示，通过改变透镜L2位置来实现入射角调整，即透镜L2的位置变动也可以改变参考光101的入射角度，如图5所示，当透镜L2的位置向左右移动时，原来的平行光束会变成会聚或发散光束，该会聚或发散光束再经过透镜L3之后的会聚点就会落在原焦点的左侧或右侧，即参考光101图案的每一束光入射到全息记录媒体4材料上的角度会随着透镜L2的位置变化而改变，从而改变参考光101入射方向。
图5同时也可以作为全息存储用温度补偿装置一个实施例的结构示意图。图6可以作为全息存储用温度补偿装置在一个实施例的结构示意图。例如图6所示，全息存储用温度补偿装置包括信息入射面6、第一傅里叶变换透镜L1、频谱面宽度调节件7、读取光入射角度调节组件5、全息存储媒体4、分光棱镜8、接收再现光用透镜组9和光电探测器10；信息入射面6的照明光源为可调波长的激光光源。
其中，信息入射面6可以采用空间光调制器实现。频谱面宽度调节件7采用光阑，实现调节频谱面宽度。读取光入射角度调节组件5采用第二傅里叶变换透镜L2和显微物镜L3的组合，即透镜L2为第二傅里叶变换透镜，透镜L3为显微物镜，使得读取光入射角度调节组件5能够调节读取光的入射角度。分光棱镜8将再现光偏转，以便于光电探测器10接收。光电探测器10可以采用CCD或CMOS相机。可见，其光波长和入射角的变化再次满足布拉格条件。其入射光1的入射角变化可以通过透镜L3焦距变化或同组的第二傅里变换叶透镜L2的位置调整实现。接收再现光用透镜组9包括沿着光线传播方向依次设置的同光轴的透镜L4和透镜L5。
其中，图2和图3中的a和b分别为光栅2界面上的信号光束向参考光束上做的垂足，参考光束上的a点及b点到光栅2界面上的距离代表参考光101与信号光之间的光程差。a1和b1分别为光栅2界面上的入射方向改变的信号光束向入射方向改变的参考光束上做的垂足，入射方向改变的参考光束上的a1点及b1点到光栅2界面上的距离代表b入射方向改变的参考光101与入射方向改变的信号光之间的光程差。
此外，图3至图5中的信息入射面6处的x为信息入射面6上的位置坐标，ξ为全息记录媒体上的位置坐标；f1为透镜L1的焦距，f2为透镜L2的焦距，f3为透镜L3的焦距，f4为透镜L4的焦距，f5为透镜L5的焦距。光电探测器10处的x为再现像面上的位置坐标。
上述全息存储用温度补偿方法及温度补偿装置，在全息存储媒体4的材料因温度变化发生形变后，对激光波长和透镜焦距进行调节，使得系统重新满足布拉格条件，保证衍射效率。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (9)

1.全息存储用温度补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
全息存储媒体(4)的材料因温度变化发生形变后，对激光波长进行调整，使得所述激光波长由λ调整为λ1；
对入射光(1)方向进行调整，使得入射光(1)的入射角由θB调整为θB1；
λ与θB满足式(Ⅰ)：
d(sinθB+sinθO)＝λ (Ⅰ)
式(Ⅰ)中，d为衍射光栅(2)常数，λ为调整前的所述激光波长，θO为衍射光(3)的衍射角；
使得λ1与θB1满足式(Ⅱ)：
sinθO＝λ/d-sinθB＝λ1/d1-sinθB1 (Ⅱ)
式中：d1为衍射光栅(2)在温度变化发生形变后的常数，使得λ1与θB1重新满足全息存储媒体(4)在材料皱缩状态下的布拉格条件，实现补偿因温度变化导致全息存储媒体(4)的材料变形引起的布拉格失配。
2.如权利要求1所述的全息存储用温度补偿方法，其特征在于，对激光波长进行调整时，通过调节半导体激光器的电流实现。
3.如权利要求1所述的全息存储用温度补偿方法，其特征在于，对激光波长进行调整时，通过调节半导体激光器的发光器件的温度实现。
4.如权利要求1所述的全息存储用温度补偿方法，其特征在于，对入射光方向进行调整时，通过调节读取光入射角度调节组件(5)的焦距点位置实现。
5.如权利要求4所述的全息存储用温度补偿方法，其特征在于，调节读取光入射角度调节组件(5)的焦距点位置时，通过调节其中透镜L3的焦距值实现。
6.如权利要求4所述的全息存储用温度补偿方法，其特征在于，调节读取光入射角度调节组件(5)的焦距点位置时，通过调节其中透镜L2的位置实现。
7.全息存储用温度补偿装置，用于实现如权利要求1-6中任一项所述的全息存储用温度补偿方法，其特征在于，所述温度补偿装置包括沿着光束传播方向依次设置的信息入射面(6)、第一傅里叶变换透镜L1、频谱面宽度调节件(7)、读取光入射角度调节组件(5)和全息存储媒体(4)，读取光入射角度调节组件(5)包括沿着光束传播方向依次同光轴设置的透镜L2和透镜L3；信息入射面(6)的照明光源采用可调波长的激光光源；读取光入射角度调节组件(5)内设置有分光棱镜(8)，分光棱镜(8)的反射光路上设置有光电探测器(10)；分光棱镜(8)设置在透镜L2和L3之间；透镜L2为第二傅里叶变换透镜，透镜L3为显微物镜。
8.如权利要求7所述的全息存储用温度补偿装置，其特征在于，分光棱镜(8)与光电探测器(10)之间的光路上设置有用于产生实像的接收再现光用透镜组(9)。
9.如权利要求7所述的全息存储用温度补偿装置，其特征在于，接收再现光用透镜组(9)包括沿着光束传播方向依次同光轴设置的透镜L4和透镜L5。
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