e5晶体全息存储中散射噪声特性的研究

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,! 引! 言
! ! 三维全息存储以其存储容量大和存取速度快等 优势， 有可能成为最具实用性的下一代存储器。但 实际的光折变晶体全息存储系统中存在多种噪声， 严重影响了体全息存储图像的质量。噪声的主要来 源之一是晶体的散射噪声， 它是由于强的相干光长 时间照射晶体而引起的， 且随着照明时间的加长， 这 种噪声又有可能积累加剧。散射噪声的存在， 导致 记录介质的有效动态范围减小， 从而使存储容量下
［ *］ 损失系数 （ ,’()） 来定量分析散射噪声造成图像
像质下降的程度。,’() 定义为 ,’() - *+ . /0& （ ’()+ 1 ’()* ） （!） 其中 ’()+ 为直接透过 “ 干净” 晶体 （ 即晶体已经过 彻底的热擦除） 成像获得的原始像的信噪比， 此时 没有任何散射光栅形成； ’()* 为在相同成像系统 中， 经强相干光一段时间的照射， 散射噪声建立后获 得的透过晶体所成像的信噪比。上 式 表 明， ,’() 越小， 像质衰减越少， 散射噪声影响越小。文献 ［*］ 对参考光散射噪声的研究结果表明， 采用 ,’() 来 作为散射噪声影响存储图像像质的判据是符合实际 情况的。 ! 3 $# 实验结果 测试了不同掺杂物质、 不同掺杂浓度经过不同 处理以及不同记录方式几个系列的铌酸锂晶体中物 光散射噪声的情况， 并对有代表性的几块晶体考察 了其参考光 （ 参考光功率为 G+ 67 ） 引起的散射噪 声的影响， 与物光引起的散射噪声加以比较。 表 * 示出不同掺杂晶体中物光散射噪声引起图 像信噪比的损失。各样品均为 H 切割， 因而均采用
! ! 收稿日期： #""#&"(&,+ ；收到修改稿日期： #""#&"+&("
降。因此， 散射噪声问题是光折变体全息存储器实 用化过程中最大的障碍之一。研究散射噪声的特性 及其对全息输入像像质的影响有重要意义。 本文在已有研究的基础上， 从散射噪声的成因 出发， 通过对不同掺杂物质、 不同掺杂浓度、 不同处 理方法以及不同记录方式下的晶体的大量实验， 定 量研究了散射噪声对全息输入像像质的影响。由于
表 ! "#$% 随掺杂浓度和杂质种类的变化 &’()* ! +’,-’.-/0 /1 "#$% 2-.3 4-11*,*0. 4/5’0.6 0123*4 5 647 89 D7 DE &’C ./ &’C ./ (’. &’C ./ ， D7 DF D7 % D7 D/ D7 D/ ， E @1=7 89 (:;<43= >0 B($ BB$ BG$ J#%K J#%% J#%/ CI %D >==?@,*34,1* 4,@’ 5 @,* !"#$ 5 AB H7 % H7 F %%7 I K7 K %%7 I C7 H
图 * 实验光路简图 :;&3 * <=>;?%/ @A>B= 0C >DA AE=A$;6AF>
2" Biblioteka " 验" " 依据 （!） 式设计了实验来考察物光对散射噪声
L E 期L L L L L L L L L L
L L 万玉红 等：光折变晶体全息存储中散射噪声特性的研究
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反射记录方式； 晶体均为生长态。 由于晶体的不均匀性或晶体表面的缺陷会引起 入射光的 “ 扇形” 散射， 从而导致 “ 扇形” 散射噪声。 杂质掺杂会造成晶体的不均匀性， 相当于在晶体中 增加了附加的散射核， 所以随着杂质浓度的增加， 散 射噪声的影响也会更显著， !"#$ 也随之增大。表 % 清楚地表明了这一点。另外， 由表 % 也可以看出， 掺 杂物质不同， 物光的散射噪声也不同。 &’， (’ 为光 折变敏感杂质， )* 为抗光折变杂质， 所以， 掺入 &’， (’ 的双掺晶体的物光散射噪声比单掺 &’ 的更为严 重， 而双掺 &’， )* 的晶体中物光所引起的散射噪声 的影响却远小于单掺 &’ 的情形。但另一方面， 双掺 &’， )* 的晶体的动态范围也相应小于单掺 &’ 的情 形， 这在一定程度上限制了存储容量。近期我们正 通过 实 验 研 究 来 探 索 不 同 掺 杂 比 例 的 &’ + )* + !,#-./ ， 以使其各项性能均满足实验要求。总的看 来， 掺 )* 的晶体还是一种很有前途的光折变全息存 储材料。
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# （ , 北京工业大学应用数理学院，北京 ,"""## ； 哈尔滨工业大学光信息技术中心，黑龙江 哈尔滨 ,$""", ）
摘要! 采用信噪比损失系数 （ -./0） 深入研究了光折变铌酸锂晶体中散射噪声对全息输入图像像质的影响。对不 同掺杂物质、 不同掺杂浓度、 不同处理方法以及不同记录方式的大量晶体进行了实验研究， 并重点考察了物光束引 起的散射噪声的特性。实验结果表明， 氧化态晶体的散射噪声的影响小于生长态和还原态晶体，反射光路较之透 射光路和邻面入射 （ *"1 ） 光路更不易受散射噪音影响。 关键词! 信息光学； 全息存储； 光折变晶体； 散射噪声 中图分类号! 23 %’’! ! ! 文献标识码! 4
互干涉而形成的噪声光栅与含有信号光的折射率光 栅同时被记录在晶体内， 再现时， 满足 #$%&& 条件的 噪声光栅同时被读出， 影响信息的准确复现。噪声 严重时， 甚至会使信号完全淹没在噪声中， 无法读 出。 扇形散射光及噪声光栅的形成机制不能以简单 的两波耦合来解释， 它是一个复杂的多波混合过程。 散射光的强弱受到材料的性能、 晶轴的取向、 入射光 的强度、 光斑大小等多种因素的制约。进一步的实 验结果表明， 散射噪声严重的晶体， 其内部机制的晶 格错位就明显。也就是说， 晶体自身的缺陷是散射 光形成的重要因素之一。 通常， 我们用信噪比 （ ’() ） 来评价全息存储二 值图像的质量。即 ’() !（ "* # "+ ） （ $ !* % !+ ） （*） 其中 "* ， "+ 分别为亮、 暗像元光强的平均值， !* ， !+ 分 别为亮、 暗像元的标准差。由于 ’() 与光强的平均 值有关， 晶体的吸收率不同会引起 ’() 的显著差 别， 因此， 只根据 ’() 的大小， 无法对晶体的散射噪 声进行定量的比较。我们在实验研究中采用信噪比
［ ,］ 参考光引起的散射噪声的特性已有研究报道 ， 故
本文着重讨论物光中的散射噪声对像质的影响。
! ! 基金项目： 国家 *’( 计划 （ 编号： @,***"((" ） 和国家自然科学基金 （ 编号： )**’’""$ ） 资助项目。 ! ! 作者简介： 万玉红 （ ,*’)Y ) —） ， 女， 河北安平人， 北京工业大学应用数理学院在读研究生， 主要从事光存储与光信息处理 的研究。Z&LC>M： P89:;S[ =P97R K9L
［ !］ 可能很强 。散射光与入射光 （ 物光或参考光） 相
的贡献。首先采集通过 “ 干净” 晶体的直透像， 然后 采用较为简单的方法来模拟大规模复用全息存储的 过程， 即用强的物光长时间照明晶体， 照射一定时间 后再采集透过晶体所成的图像。测出图像的 "* ， "+ ， 利用 （ * ）式分别计算直透像的信噪比 ’()+ !* ， !+ ， 和散射噪声建立后直透像的信噪比 ’()* ， 并利用 （!） 式算得 ,’()， 从而分析图像像质的相对变化， 定量得出散射噪声对直透图像像质的影响。 ! 3 "# 实验装置 图 * 是实验的光路设置简图。物光光路采用 4 & 系统， 晶体放置在傅里叶变换透镜的后焦面 （ 频谱 面） 上， 加入滤波光阑， 仅让零级谱通过照明晶体 （ 要求物光在频谱面上零级谱的功率为 5 67 ） 。对 于同一系列的晶体都照射相同的时间， 根据 ,’() 的大小来比较晶体间的差异。由于物光束与参考光 束正交， 故此光路适合于透射、 反射和邻面入射 （ 8+9 光路） 三种记录方式 （ 图 * 中所示为反射式记录方 式） 。控制快门的关断与开通可分别进行物光和参 考光的散射噪声的实验。实验中， 晶体放置在频谱 面稍前 （ 5 67 的零级谱功率是在未放入晶体前， 用 功率计在频谱面的准确位置测得的） ， 对不同的记 录方式均采用了垂直偏振。实验发现在沿晶体的轴 向方向 （ 正向） 和逆晶轴方向两种情况中， 散射噪声 存在明显的差异， 本文仅对噪声较大的取向加以讨 论。
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