實時動態體全息衍射效率測量方法及系統的製作方法

2023-10-17 20:32:14 1

專利名稱：實時動態體全息衍射效率測量方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種全息記錄材料的光學特性測量方法及系統，尤其涉及一種動態全息非破壞性實時光學特性測量方法及系統。
背景技術：
光學全息的基本原理是以波的幹涉和衍射為基礎。雷射全息存儲在高速率、海量存儲器領域有著巨大的潛力。雷射全息存儲包括平面全息和體全息，體全息具有緊湊性、高密度性和快速並行訪問等特性，除此之外，體全息最顯著的特點是光折變材料中所記錄的全息是一個動態體全息，也就是說，全息記錄過程中物光和參考光之間及全息讀出過程中參考光和再現衍射光之間存在相互耦合，包括能量的互相轉移和位相的相對變化。
為了反映動態體全息光柵的強弱，現有技術(參見JOURNAL OF OPTICALSOCIETY OF AMERICA B，Vol.9，NO.9，SEPTEMBER 1992，P1673-1684)採用在體全息記錄過程中，每隔一定的時間間隔，擋住物光而只讓參考光通過全息記錄介質，同時測量其衍射光的功率，並定義衍射光與入射光功率之比為衍射效率。根據體全息光柵的衍射效率公式可計算光柵的折射率調製度。許多測量體全息衍射效率的研究中都採用了這種技術。但這種辦法存在以下兩個明顯的缺點1、存在讀出擦除效應。周期性地切斷物光，而用較強的均勻參考光來讀取所存儲的物光信息會導致全息圖的部分擦除，並且這種讀出擦除效應對光路強制性的外界幹預會產生較大的隨機噪聲，破壞了原有全息的正常記錄進程；2、響應速度慢。對於體全息記錄靈敏度較高的全息記錄介質，全息光柵的建立和讀出擦除速度都較快(秒量級)，但由於對光路的切斷和打開頻率不可能很高，因而這種辦法不能準確反映全息光柵建立過程的細節。

發明內容
本發明目的是提供一種基於相位共軛技術的實時地、非破壞性地測量動態體全息衍射效率的方法和系統，其解決了現有技術存在讀出擦除效應以及響應速度慢的缺點。
本發明的技術解決方案是一種實時動態體全息衍射效率測量方法，包括1)雷射光源提供全息記錄光；2)用兩個分光鏡將全息記錄光分成物光、參考光和探測光；3)調節物光和參考光進行全息記錄，調節探測光使其成為參考光的共軛光；4)共軛光經全息記錄介質衍射後形成衍射光，對衍射光進行反射使其進入光功率計。
上述對物光、參考光和探測光的調節是分別採用以下方法中的一種或任意多種的組合用全反射鍍膜平面鏡調節光路；用1/4波片調節光的圓偏振類型；用偏振片調節光的線偏振類型；用中性衰減片調節光的強度或功率。
上述對物光的調節是用一個全反射鍍膜平面鏡調節物光光路，用1/4波片調節物光的圓偏振類型，用偏振片調節物光的線偏振類型，用中性衰減片調節物光強度或功率；所述對參考光的調節是用1/4波片調節參考光的圓偏振類型，用偏振片調節參考光的線偏振類型，用中性衰減片調節參考光強度或功率；所述對探測光的調節是用至少三個全反射鍍膜平面鏡調節探測光光路，用1/4波片調節探測光的圓偏振類型，用偏振片調節探測光的線偏振類型，用中性衰減片調節探測光強度或功率。
如果光源為部分偏振光，則用偏振片將光源變成線偏振光，再將線偏振光分成物光、參考光和探測光。
上述對衍射光進行反射是在物光路上設置半透半反平面鏡或消偏振分光稜鏡來實現的；所述對全息記錄時間的控制是由控制計算機通過電控快門來實現的；所述對衍射效率的測量是通過控制計算機對功率計的採樣來實現的。
一種與上述測量方法相對應的實時動態體全息衍射效率測量系統，包括可記錄全息光衍射效率的光功率計11和控制計算機12，可提供全息記錄光的雷射光源1，可控制全息記錄時間的電控快門3，設置在電控快門3之後、可將所述全息記錄光分成物光b1和參考光b2的第一分光鏡，可將所述物光b1反射至全息記錄介質9的物光路全反射鍍膜平面鏡13，其特徵在於所述參考光b2的光路上設置有可從參考光b2中分出探測光b3並將參考光b2反射至全息記錄介質9的第二分光鏡；所述經全反射鍍膜平面鏡13反射的物光b1和經第二分光稜反射的參考光b2可對稱入射在全息記錄介質9上；所述探測光b3的光路上設置有三個探測光路全反射鍍膜平面鏡6、7、8，所述三個全反射鍍膜平面鏡可將探測光b3進行三次反射形成參考光b2的共軛光b4；所述物光路全反射鍍膜平面鏡13和全息記錄介質9之間設置有可將共軛光b4的衍射光b5反射至光功率計11的分光鏡。
上述物光路上可設置調節物光圓偏振類型的物光路1/4波片14、調節物光線偏振類型的物光路偏振片15、調節物光強度或功率的物光中性衰減片16中的一種或多種；所述第二分光鏡和全息記錄介質9之間可設置調節參考光圓偏振類型的參考光路1/4波片17、調節參考光線偏振類型的參考光路偏振片18、調節參考光強度或功率的參考光中性衰減片19中的一種或多種；所述探測光路上可設置調節探測光圓偏振類型的探測光路1/4波片20、調節探測光線偏振類型的探測光路偏振片21、調節探測光強度或功率的探測光中性衰減片22中的一種或多種。
上述物光路全反射鍍膜平面鏡13和全息記錄介質9之間設置有調節物光圓偏振類型的物光路1/4波片14，調節物光線偏振類型的物光路偏振片15，調節物光強度或功率的物光中性衰減片16；所述第二分光鏡和全息記錄介質9之間設置有調節參考光圓偏振類型的參考光路1/4波片17，調節參考光線偏振類型的參考光路偏振片18，調節參考光強度或功率的參考光中性衰減片19；所述探測光路上設置有調節探測光圓偏振類型的探測光路1/4波片20，調節探測光線偏振類型的探測光路偏振片21，調節探測光光強度或功率的探測光中性衰減片22。
上述第一分光鏡可以是第一消偏振分光稜鏡4或第一鍍膜半透半反分束鏡23；所述第二分光鏡可以是第二消偏振分光稜鏡5或第二鍍膜半透半反分束鏡24；所述分光鏡可以是消偏振分光稜鏡25或半透半反平面鏡10。
上述系統還包括設置在雷射光源1和電控快門3之間、可將全息記錄光變成線偏振光的偏振片2。
本發明的優點是1、實現無幹擾、無損檢測。通過調節1/4波片、偏振片和中性衰減片可使共軛光b4的功率僅為物光b1和參考光b2功率的1/1000，這相當於用一個非常微弱的光來讀全息，從而可以忽略全息的讀出擦除效應。光共軛技術的採用實現了體全息衍射效率的非破壞性實時測量。
2、響應速度快。光功率計11通過RS-232接口與計算機12互相通信，完成數據的自動實時採集。這種實時測量的響應速度可以很快，它取決於光功率探測器的響應速度。針對不同全息記錄介質靈敏度的高低和衍射效率的變化快慢，可設定合適的數據採樣點時間間隔，從而反映動態體全息衍射的細節。
3、可連續測量。本發明採用相位共軛技術，在全息記錄的同時，共軛光b4可實時反映衍射光的變化，不需要周期性地切斷物光，從而可進行連續的體全息記錄和讀出測量。
4、測量範圍廣，調節方便。通過調節1/4波片、偏振片和中性衰減片可使物光b1、參考光b2和探測光b3具有不同的功率及偏振態，可以人為地記錄光強調製誘導的折射率體全息或偏振態調製誘導的折射率體全息。該技術能方便地研究全息記錄材料對光功率及偏振態的依賴關係，適用於光致折射率變化和光致變色全息記錄材料。
5、噪聲小。現有測量方式影響衍射光的光斑模式，本發明所採用的實時測量不需要周期性地切斷物光，可大幅度降低外界對光路強制性幹預所產生的隨機噪聲。
附面說明

圖1是第一種實時動態體全息衍射效率測量系統結構示意圖；圖2是第二種實時動態體全息衍射效率測量系統結構示意圖；圖3是摻鐵摻錳鈮酸鋰雙摻雜晶體體全息衍射效率的測量結果；其中附圖標記1-雷射光源，2-偏振片，3-電控快門，4-第一消偏振分光稜鏡，5-第二消偏振分光稜鏡，6、7、8-探測光路全反射鍍膜平面鏡，9-全息記錄介質，10-半透半反平面鏡，11-光功率計，12-控制計算機，13-物光路全反射鍍膜平面鏡，14-物光路1/4波片，15-物光路偏振片，16-物光路中性衰減片，17-參考光路1/4波片，18-參考光路偏振片，19-參考光路中性衰減片，20-探測光路1/4波片，21-探測光路偏振片，22-探測光路中性衰減片，23-第一鍍膜半透半反分束鏡，24-第二鍍膜半透半反分束鏡，24-消偏振分光稜鏡，b1-物光，b2-參考光，b3-探測光，b4-參考光b2的共軛光，b5-共軛光b4經過全息記錄介質後的衍射光。
具體實施例方式
本發明實時動態體全息衍射效率測量的一種具體方法是雷射光源提供全息記錄光，如果該全息記錄光是部分偏振光，則用偏振片將其變成線偏振光，控制計算機通過電控快門實現全息記錄時間的控制，兩個消偏振分光稜鏡將線偏振光分成物光、參考光和探測光等三個光路，利用設置在各光路上的全反射鍍膜平面鏡、1/4波片、偏振片和中性衰減片可實現對物光、參考光和探測光的光路、偏振態及強度的控制，實現不同偏振態組合、不同強度組合情況下的全息記錄和測量條件，物光和參考光對稱入射到全息記錄介質，調節探測光路上的全反射鍍膜平面鏡使探測光恰恰變成參考光的共軛光，共軛光經過全息記錄介質後的衍射光被半透半反平面鏡或消偏振分光稜鏡反射到光功率計，控制計算機通過程序完成與光功率計的通訊並完成數據的自動實時採集。
圖1是第一種實時動態體全息衍射效率測量系統結構示意圖。全息記錄光由雷射光源1提供，雷射光源1可根據不同全息記錄介質9的需要更換不同波長輸出。雷射光源1輸出的光如果是部分偏振光，則可用偏振片2變成線偏振光，雷射光源1輸出的光如果是線偏振光，則系統中不使用偏振片2，全息記錄時間由控制計算機12通過電控快門3來控制，全息記錄線偏振光被第一消偏振分光稜鏡4和第二消偏振分光稜鏡5分成三束光，即物光b1、參考光b2和探測光b3。下面以物光路為例來說明如何得到不同強度和不同偏振態的物光b1在物光路上插入物光路1/4波片14和物光路中性衰減片16，旋轉物光路1/4波片14，使其快軸與入射光偏振透光方向夾角為順時針45°或逆時針45°，從而將線偏振光變成右旋圓偏光或左旋圓偏光，旋轉物光路中性衰減片16得到不同強度或功率的光；如果在物光路上再插入物光路偏振片15，通過旋轉物光路偏振片15可得到豎直線偏振光或水平線偏振光。參考光b2和探測光b3的調節辦法與物光b1完全相同。總之，通過調節1/4波片、偏振片和中性衰減片，可以得到物光b1、參考光b2和探測光b3具有不同偏振態和不同強度的各種組合。這三束光中的任意一束光均可調節為豎直偏振、水平偏振、左旋圓偏振和右旋圓偏振中的某一種偏振態。當物光b1和參考光b2偏振態相同時，將產生光強調製誘導的折射率體全息；當物光b1和參考光b2偏振態正交時，將產生偏振態調製的折射率體全息。調節探測光路全反射鍍膜平面鏡6、7、8使探測光b3恰恰變成參考光b2的共軛光b4。為了實現非破壞性測量體全息的衍射效率，通過調節三個光路上的中性衰減片可將共軛光b4的強度調節為物光b1和參考光b2的1/1000。調節物光全反射鍍膜平面鏡13和第二消偏振分光稜鏡5使得物光b1和參考光b2對稱入射在全息記錄介質9上，也即物光b1和參考光b2的角平分線與全息記錄介質9的法線重合。調節探測光路全反射鍍膜平面鏡7和8使得其反射光恰好逆著參考光b2的方向傳播，即恰好形成參考光b2的共軛光b4。調節全息記錄介質9，使得物光b1、參考光b2和共軛光b4在全息記錄介質內部完好重合。共軛光b4經全息記錄介質9後的衍射光經由半透半反平面鏡10反射到光功率計11，光功率計11通過RS-232接口與控制計算機12互相通信，完成數據的自動實時採集。由於衍射光只是部分被半透半反平面鏡10反射，最終的衍射光功率應為探測的功率數值除以半透半反平面鏡10的反射率。
圖2是第二種實時動態體全息衍射效率測量系統結構示意圖。用第一鍍膜半透半反分束鏡23、第二鍍膜半透半反分束鏡24分別代替第一種系統中的第一消偏振分光稜鏡4和第二消偏振分光稜鏡5，全息記錄線偏振光被第一半透半反分束鏡23和第二半透半反分束鏡24分成三束光；因為光路中沒有插入偏振片，則此時的全息記錄光為圓偏振光；調節1/4波片，可得到右旋圓偏光或左旋圓偏光；用消偏振分光稜鏡25代替半透半反平面鏡10，則共軛光b4經全息記錄介質9後的衍射光b5經消偏振分光稜鏡25反射到光功率計11。第二種系統的其餘結構與第一種系統的其餘結構相同。
本發明中的一種體全息記錄介質為經高溫氧化處理的鈮酸鋰摻鐵摻錳(LiNbO3∶Fe∶Mn)單晶體，晶體加工成長、寬和厚分別為20mm，10mm和5mm的長方體，光軸取向均沿著寬度方向，所有表面都進行了光學拋光。He-Ne雷射器(Melles Griot公司，功率35mW，消光比500∶1豎直偏振，基模TEM00＞95％，光斑直徑為1.24mm)發射波長為632.8nm的紅光作為記錄光。採用相干公司的Ultima LabMaster雙通道光功率計(探頭型號LM-2-Vis，波長範圍0.4～1.06μm；最大功率50mW，解析度1nW，數據採樣最小間隔0.1s)測量衍射光功率，並通過RS-232接口與計算機互相通信，實現實時的數據採集。衍射效率為衍射光b5與共軛光b4的功率之比。圖3給出了鈮酸鋰摻鐵摻錳(LiNbO3∶Fe∶Mn)雙摻雜晶體體全息衍射效率的一個測量結果，實驗中物光b1和參考光b2功率均為8mW，夾角為30°，共軛光b4功率為8μW，三束光均為豎直偏振光，數據採集間隔為3秒。從實驗結果可以看出，該體全息光柵建立過程非常平穩，噪聲小。
本發明原理本發明是一種動態體全息非破壞性實時測量和數據自動採集方法及實現該方法的一種具體系統，能夠精確測量體全息光柵的實時衍射效率和描述光柵的建立過程。
採用光共軛技術，選取共軛光的功率僅為參考光的1/1000，在光折變或光致變色動態體全息建立過程中，用該非常弱的光再現光折變或光致變色動態體全息，避免了讀出過程中全息被部分擦除，提出了動態體全息記錄過程中實現無幹擾、無損檢測的技術思想。
實時動態體全息衍射效率測量系統提供了用於體全息記錄的較強的物光和參考光，以及與參考光共軛的非常弱的共軛光，它們的強度和偏振態均可通過1/4波片、偏振片和中性衰減片進行調節和自由組合。每一束光都可調節為豎直偏振、水平偏振、左旋圓偏和右旋圓偏中的任意一種偏振態。從而可記錄光強調製型或偏振態調製型體全息。
通過RS-232接口實現計算機與光功率計的通信並完成衍射光功率的實時數據採集。根據體全息記錄介質靈敏度的高低，可更換不同響應速度的光功率計，可選定合適的數據採樣頻率，實時反映動態體全息建立過程的細節。
權利要求
1.一種實時動態體全息衍射效率測量方法，其特徵在於所述方法包括1)雷射光源提供全息記錄光；2)用兩個分光鏡將全息記錄光分成物光、參考光和探測光；3)調節物光和參考光進行全息記錄，調節探測光使其成為參考光的共軛光；4)共軛光經全息記錄介質衍射後形成衍射光，對衍射光進行反射使其進入光功率計。
2.根據權利要求1所述的實時動態體全息衍射效率測量方法，其特徵在於所述對物光、參考光和探測光的調節是分別採用以下方法中的一種或任意多種的組合用全反射鍍膜平面鏡調節光路；用1/4波片調節光的圓偏振類型；用偏振片調節光的線偏振類型；用中性衰減片調節光的強度或功率。
3.根據權利要求2所述的實時動態體全息衍射效率測量方法，其特徵在於所述對物光的調節是用一個全反射鍍膜平面鏡調節物光光路，用1/4波片調節物光的圓偏振類型，用偏振片調節物光的線偏振類型，用中性衰減片調節物光強度或功率；所述對參考光的調節是用1/4波片調節參考光的圓偏振類型，用偏振片調節參考光的線偏振類型，用中性衰減片調節參考光強度或功率；所述對探測光的調節是用至少三個全反射鍍膜平面鏡調節探測光光路，用1/4波片調節探測光的圓偏振類型，用偏振片調節探測光的線偏振類型，用中性衰減片調節探測光強度或功率。
4.根據權利要求1或2或3所述的實時動態體全息衍射效率測量方法，其特徵在於如果光源為部分偏振光，則用偏振片將光源變成線偏振光，再將線偏振光分成物光、參考光和探測光。
5.根據權利要求4所述的實時動態體全息衍射效率測量方法，其特徵在於所述對衍射光進行反射是在物光路上設置半透半反平面鏡或消偏振分光稜鏡來實現的；所述對全息記錄時間的控制是由控制計算機通過電控快門來實現的；所述對衍射效率的測量是通過控制計算機對功率計的採樣來實現的。
6.一種實時動態體全息衍射效率測量系統，包括可記錄全息光衍射效率的光功率計(11)和控制計算機(12)，可提供全息記錄光的雷射光源(1)，可控制全息記錄時間的電控快門(3)，設置在電控快門(3)之後、可將所述全息記錄光分成物光(b1)和參考光(b2)的第一分光鏡，可將所述物光(b1)反射至全息記錄介質(9)的物光路全反射鍍膜平面鏡(13)，其特徵在於所述參考光(b2)的光路上設置有可從參考光(b2)中分出探測光(b3)並將參考光(b2)反射至全息記錄介質(9)的第二分光鏡；所述經全反射鍍膜平面鏡(13)反射的物光(b1)和經第二分光稜反射的參考光(b2)可對稱入射在全息記錄介質(9)上；所述探測光(b3)的光路上設置有三個探測光路全反射鍍膜平面鏡(6、7、8)，所述三個全反射鍍膜平面鏡可將探測光(b3)進行三次反射形成參考光(b2)的共軛光(b4)；所述物光路全反射鍍膜平面鏡(13)和全息記錄介質(9)之間設置有可將共軛光(b4)的衍射光(b5)反射至光功率計(11)的分光鏡。
7.根據權利要求6所述的實時動態體全息衍射效率測量系統，其特徵在於所述物光路上可設置調節物光圓偏振類型的物光路1/4波片(14)、調節物光線偏振類型的物光路偏振片(15)、調節物光強度或功率的物光中性衰減片(16)中的一種或多種；所述第二分光鏡和全息記錄介質(9)之間可設置調節參考光圓偏振類型的參考光路1/4波片(17)、調節參考光線偏振類型的參考光路偏振片(18)、調節參考光強度或功率的參考光中性衰減片(19)中的一種或多種；所述探測光路上可設置調節探測光圓偏振類型的探測光路1/4波片(20)、調節探測光線偏振類型的探測光路偏振片(21)、調節探測光強度或功率的探測光中性衰減片(22)中的一種或多種。
8.根據權利要求7所述的實時動態體全息衍射效率測量系統，其特徵在於所述物光路全反射鍍膜平面鏡(13)和全息記錄介質(9)之間設置有調節物光圓偏振類型的物光路1/4波片(14)，調節物光線偏振類型的物光路偏振片(15)，調節物光強度或功率的物光中性衰減片(16)；所述第二分光鏡和全息記錄介質(9)之間設置有調節參考光圓偏振類型的參考光路1/4波片(17)，調節參考光線偏振類型的參考光路偏振片(18)，調節參考光強度或功率的參考光中性衰減片(19)；所述探測光路上設置有調節探測光圓偏振類型的探測光路1/4波片(20)，調節探測光線偏振類型的探測光路偏振片(21)，調節探測光光強度或功率的探測光中性衰減片(22)。
9.根據權利要求6或7或8所述的實時動態體全息衍射效率測量系統，其特徵在於所述第一分光鏡可以是第一消偏振分光稜鏡(4)或第一鍍膜半透半反分束鏡(23)；所述第二分光鏡可以是第二消偏振分光稜鏡(5)或第二鍍膜半透半反分束鏡(24)；所述分光鏡可以是消偏振分光稜鏡(25)或半透半反平面鏡(10)。
10.根據權利要求9所述的實時動態體全息衍射效率測量系統，其特徵在於所述系統包括設置在雷射光源(1)和電控快門(3)之間、可將全息記錄光變成線偏振光的偏振片(2)。
全文摘要
本發明涉及一種實時動態體全息衍射效率測量方法及系統，可提供用於體全息記錄的較強的物光和參考光，以及與參考光共軛的非常弱的再現光，三束光的強度和偏振態均可通過1/4波片、偏振片和中性衰減片進行調節和組合，從而可記錄光強調製型或偏振態調製型體全息。由於採用了光共軛技術，可在光折變或光致變色動態體全息建立過程中，藉助非常微弱的共軛再現光實現動態體全息的非破壞性實時測量，所以解決了現有技術存在讀出擦除效應以及響應速度慢的缺點，具有無幹擾、無損檢測、響應速度快、可連續測量、測量範圍廣、調節方便、噪聲小等優點，適用於光致折射率變化和光致變色全息記錄材料。
文檔編號G03H1/00GK1837781SQ20051004185
公開日2006年9月27日 申請日期2005年3月25日 優先權日2005年3月25日
發明者任立勇, 姚保利, 王麗莉 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所