专利名称：实时动态体全息衍射效率测量方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全息记录材料的光学特性测量方法及系统，尤其涉及一种动态全息非破坏性实时光学特性测量方法及系统。
背景技术：
光学全息的基本原理是以波的干涉和衍射为基础。激光全息存储在高速率、海量存储器领域有着巨大的潜力。激光全息存储包括平面全息和体全息，体全息具有紧凑性、高密度性和快速并行访问等特性，除此之外，体全息最显著的特点是光折变材料中所记录的全息是一个动态体全息，也就是说，全息记录过程中物光和参考光之间及全息读出过程中参考光和再现衍射光之间存在相互耦合，包括能量的互相转移和位相的相对变化。
为了反映动态体全息光栅的强弱，现有技术(参见JOURNAL OF OPTICALSOCIETY OF AMERICA B，Vol.9，NO.9，SEPTEMBER 1992，P1673-1684)采用在体全息记录过程中，每隔一定的时间间隔，挡住物光而只让参考光通过全息记录介质，同时测量其衍射光的功率，并定义衍射光与入射光功率之比为衍射效率。根据体全息光栅的衍射效率公式可计算光栅的折射率调制度。许多测量体全息衍射效率的研究中都采用了这种技术。但这种办法存在以下两个明显的缺点1、存在读出擦除效应。周期性地切断物光，而用较强的均匀参考光来读取所存储的物光信息会导致全息图的部分擦除，并且这种读出擦除效应对光路强制性的外界干预会产生较大的随机噪声，破坏了原有全息的正常记录进程；2、响应速度慢。对于体全息记录灵敏度较高的全息记录介质，全息光栅的建立和读出擦除速度都较快(秒量级)，但由于对光路的切断和打开频率不可能很高，因而这种办法不能准确反映全息光栅建立过程的细节。
发明内容
本发明目的是提供一种基于相位共轭技术的实时地、非破坏性地测量动态体全息衍射效率的方法和系统，其解决了现有技术存在读出擦除效应以及响应速度慢的缺点。
本发明的技术解决方案是一种实时动态体全息衍射效率测量方法，包括1)激光光源提供全息记录光；2)用两个分光镜将全息记录光分成物光、参考光和探测光；3)调节物光和参考光进行全息记录，调节探测光使其成为参考光的共轭光；4)共轭光经全息记录介质衍射后形成衍射光，对衍射光进行反射使其进入光功率计。
上述对物光、参考光和探测光的调节是分别采用以下方法中的一种或任意多种的组合用全反射镀膜平面镜调节光路；用1/4波片调节光的圆偏振类型；用偏振片调节光的线偏振类型；用中性衰减片调节光的强度或功率。
上述对物光的调节是用一个全反射镀膜平面镜调节物光光路，用1/4波片调节物光的圆偏振类型，用偏振片调节物光的线偏振类型，用中性衰减片调节物光强度或功率；所述对参考光的调节是用1/4波片调节参考光的圆偏振类型，用偏振片调节参考光的线偏振类型，用中性衰减片调节参考光强度或功率；所述对探测光的调节是用至少三个全反射镀膜平面镜调节探测光光路，用1/4波片调节探测光的圆偏振类型，用偏振片调节探测光的线偏振类型，用中性衰减片调节探测光强度或功率。
如果光源为部分偏振光，则用偏振片将光源变成线偏振光，再将线偏振光分成物光、参考光和探测光。
上述对衍射光进行反射是在物光路上设置半透半反平面镜或消偏振分光棱镜来实现的；所述对全息记录时间的控制是由控制计算机通过电控快门来实现的；所述对衍射效率的测量是通过控制计算机对功率计的采样来实现的。
一种与上述测量方法相对应的实时动态体全息衍射效率测量系统，包括可记录全息光衍射效率的光功率计11和控制计算机12，可提供全息记录光的激光光源1，可控制全息记录时间的电控快门3，设置在电控快门3之后、可将所述全息记录光分成物光b1和参考光b2的第一分光镜，可将所述物光b1反射至全息记录介质9的物光路全反射镀膜平面镜13，其特征在于所述参考光b2的光路上设置有可从参考光b2中分出探测光b3并将参考光b2反射至全息记录介质9的第二分光镜；所述经全反射镀膜平面镜13反射的物光b1和经第二分光棱反射的参考光b2可对称入射在全息记录介质9上；所述探测光b3的光路上设置有三个探测光路全反射镀膜平面镜6、7、8，所述三个全反射镀膜平面镜可将探测光b3进行三次反射形成参考光b2的共轭光b4；所述物光路全反射镀膜平面镜13和全息记录介质9之间设置有可将共轭光b4的衍射光b5反射至光功率计11的分光镜。
上述物光路上可设置调节物光圆偏振类型的物光路1/4波片14、调节物光线偏振类型的物光路偏振片15、调节物光强度或功率的物光中性衰减片16中的一种或多种；所述第二分光镜和全息记录介质9之间可设置调节参考光圆偏振类型的参考光路1/4波片17、调节参考光线偏振类型的参考光路偏振片18、调节参考光强度或功率的参考光中性衰减片19中的一种或多种；所述探测光路上可设置调节探测光圆偏振类型的探测光路1/4波片20、调节探测光线偏振类型的探测光路偏振片21、调节探测光强度或功率的探测光中性衰减片22中的一种或多种。
上述物光路全反射镀膜平面镜13和全息记录介质9之间设置有调节物光圆偏振类型的物光路1/4波片14，调节物光线偏振类型的物光路偏振片15，调节物光强度或功率的物光中性衰减片16；所述第二分光镜和全息记录介质9之间设置有调节参考光圆偏振类型的参考光路1/4波片17，调节参考光线偏振类型的参考光路偏振片18，调节参考光强度或功率的参考光中性衰减片19；所述探测光路上设置有调节探测光圆偏振类型的探测光路1/4波片20，调节探测光线偏振类型的探测光路偏振片21，调节探测光光强度或功率的探测光中性衰减片22。
上述第一分光镜可以是第一消偏振分光棱镜4或第一镀膜半透半反分束镜23；所述第二分光镜可以是第二消偏振分光棱镜5或第二镀膜半透半反分束镜24；所述分光镜可以是消偏振分光棱镜25或半透半反平面镜10。
上述系统还包括设置在激光光源1和电控快门3之间、可将全息记录光变成线偏振光的偏振片2。
本发明的优点是1、实现无干扰、无损检测。通过调节1/4波片、偏振片和中性衰减片可使共轭光b4的功率仅为物光b1和参考光b2功率的1/1000，这相当于用一个非常微弱的光来读全息，从而可以忽略全息的读出擦除效应。光共轭技术的采用实现了体全息衍射效率的非破坏性实时测量。
2、响应速度快。光功率计11通过RS-232接口与计算机12互相通信，完成数据的自动实时采集。这种实时测量的响应速度可以很快，它取决于光功率探测器的响应速度。针对不同全息记录介质灵敏度的高低和衍射效率的变化快慢，可设定合适的数据采样点时间间隔，从而反映动态体全息衍射的细节。
3、可连续测量。本发明采用相位共轭技术，在全息记录的同时，共轭光b4可实时反映衍射光的变化，不需要周期性地切断物光，从而可进行连续的体全息记录和读出测量。
4、测量范围广，调节方便。通过调节1/4波片、偏振片和中性衰减片可使物光b1、参考光b2和探测光b3具有不同的功率及偏振态，可以人为地记录光强调制诱导的折射率体全息或偏振态调制诱导的折射率体全息。该技术能方便地研究全息记录材料对光功率及偏振态的依赖关系，适用于光致折射率变化和光致变色全息记录材料。
5、噪声小。现有测量方式影响衍射光的光斑模式，本发明所采用的实时测量不需要周期性地切断物光，可大幅度降低外界对光路强制性干预所产生的随机噪声。
附面说明
图1是第一种实时动态体全息衍射效率测量系统结构示意图；图2是第二种实时动态体全息衍射效率测量系统结构示意图；图3是掺铁掺锰铌酸锂双掺杂晶体体全息衍射效率的测量结果；其中附图标记1-激光光源，2-偏振片，3-电控快门，4-第一消偏振分光棱镜，5-第二消偏振分光棱镜，6、7、8-探测光路全反射镀膜平面镜，9-全息记录介质，10-半透半反平面镜，11-光功率计，12-控制计算机，13-物光路全反射镀膜平面镜，14-物光路1/4波片，15-物光路偏振片，16-物光路中性衰减片，17-参考光路1/4波片，18-参考光路偏振片，19-参考光路中性衰减片，20-探测光路1/4波片，21-探测光路偏振片，22-探测光路中性衰减片，23-第一镀膜半透半反分束镜，24-第二镀膜半透半反分束镜，24-消偏振分光棱镜，b1-物光，b2-参考光，b3-探测光，b4-参考光b2的共轭光，b5-共轭光b4经过全息记录介质后的衍射光。
具体实施例方式
本发明实时动态体全息衍射效率测量的一种具体方法是激光光源提供全息记录光，如果该全息记录光是部分偏振光，则用偏振片将其变成线偏振光，控制计算机通过电控快门实现全息记录时间的控制，两个消偏振分光棱镜将线偏振光分成物光、参考光和探测光等三个光路，利用设置在各光路上的全反射镀膜平面镜、1/4波片、偏振片和中性衰减片可实现对物光、参考光和探测光的光路、偏振态及强度的控制，实现不同偏振态组合、不同强度组合情况下的全息记录和测量条件，物光和参考光对称入射到全息记录介质，调节探测光路上的全反射镀膜平面镜使探测光恰恰变成参考光的共轭光，共轭光经过全息记录介质后的衍射光被半透半反平面镜或消偏振分光棱镜反射到光功率计，控制计算机通过程序完成与光功率计的通讯并完成数据的自动实时采集。
图1是第一种实时动态体全息衍射效率测量系统结构示意图。全息记录光由激光光源1提供，激光光源1可根据不同全息记录介质9的需要更换不同波长输出。激光光源1输出的光如果是部分偏振光，则可用偏振片2变成线偏振光，激光光源1输出的光如果是线偏振光，则系统中不使用偏振片2，全息记录时间由控制计算机12通过电控快门3来控制，全息记录线偏振光被第一消偏振分光棱镜4和第二消偏振分光棱镜5分成三束光，即物光b1、参考光b2和探测光b3。下面以物光路为例来说明如何得到不同强度和不同偏振态的物光b1在物光路上插入物光路1/4波片14和物光路中性衰减片16，旋转物光路1/4波片14，使其快轴与入射光偏振透光方向夹角为顺时针45°或逆时针45°，从而将线偏振光变成右旋圆偏光或左旋圆偏光，旋转物光路中性衰减片16得到不同强度或功率的光；如果在物光路上再插入物光路偏振片15，通过旋转物光路偏振片15可得到竖直线偏振光或水平线偏振光。参考光b2和探测光b3的调节办法与物光b1完全相同。总之，通过调节1/4波片、偏振片和中性衰减片，可以得到物光b1、参考光b2和探测光b3具有不同偏振态和不同强度的各种组合。这三束光中的任意一束光均可调节为竖直偏振、水平偏振、左旋圆偏振和右旋圆偏振中的某一种偏振态。当物光b1和参考光b2偏振态相同时，将产生光强调制诱导的折射率体全息；当物光b1和参考光b2偏振态正交时，将产生偏振态调制的折射率体全息。调节探测光路全反射镀膜平面镜6、7、8使探测光b3恰恰变成参考光b2的共轭光b4。为了实现非破坏性测量体全息的衍射效率，通过调节三个光路上的中性衰减片可将共轭光b4的强度调节为物光b1和参考光b2的1/1000。调节物光全反射镀膜平面镜13和第二消偏振分光棱镜5使得物光b1和参考光b2对称入射在全息记录介质9上，也即物光b1和参考光b2的角平分线与全息记录介质9的法线重合。调节探测光路全反射镀膜平面镜7和8使得其反射光恰好逆着参考光b2的方向传播，即恰好形成参考光b2的共轭光b4。调节全息记录介质9，使得物光b1、参考光b2和共轭光b4在全息记录介质内部完好重合。共轭光b4经全息记录介质9后的衍射光经由半透半反平面镜10反射到光功率计11，光功率计11通过RS-232接口与控制计算机12互相通信，完成数据的自动实时采集。由于衍射光只是部分被半透半反平面镜10反射，最终的衍射光功率应为探测的功率数值除以半透半反平面镜10的反射率。
图2是第二种实时动态体全息衍射效率测量系统结构示意图。用第一镀膜半透半反分束镜23、第二镀膜半透半反分束镜24分别代替第一种系统中的第一消偏振分光棱镜4和第二消偏振分光棱镜5，全息记录线偏振光被第一半透半反分束镜23和第二半透半反分束镜24分成三束光；因为光路中没有插入偏振片，则此时的全息记录光为圆偏振光；调节1/4波片，可得到右旋圆偏光或左旋圆偏光；用消偏振分光棱镜25代替半透半反平面镜10，则共轭光b4经全息记录介质9后的衍射光b5经消偏振分光棱镜25反射到光功率计11。第二种系统的其余结构与第一种系统的其余结构相同。
本发明中的一种体全息记录介质为经高温氧化处理的铌酸锂掺铁掺锰(LiNbO3∶Fe∶Mn)单晶体，晶体加工成长、宽和厚分别为20mm，10mm和5mm的长方体，光轴取向均沿着宽度方向，所有表面都进行了光学抛光。He-Ne激光器(Melles Griot公司，功率35mW，消光比500∶1竖直偏振，基模TEM00＞95％，光斑直径为1.24mm)发射波长为632.8nm的红光作为记录光。采用相干公司的Ultima LabMaster双通道光功率计(探头型号LM-2-Vis，波长范围0.4～1.06μm；最大功率50mW，分辨率1nW，数据采样最小间隔0.1s)测量衍射光功率，并通过RS-232接口与计算机互相通信，实现实时的数据采集。衍射效率为衍射光b5与共轭光b4的功率之比。图3给出了铌酸锂掺铁掺锰(LiNbO3∶Fe∶Mn)双掺杂晶体体全息衍射效率的一个测量结果，实验中物光b1和参考光b2功率均为8mW，夹角为30°，共轭光b4功率为8μW，三束光均为竖直偏振光，数据采集间隔为3秒。从实验结果可以看出，该体全息光栅建立过程非常平稳，噪声小。
本发明原理本发明是一种动态体全息非破坏性实时测量和数据自动采集方法及实现该方法的一种具体系统，能够精确测量体全息光栅的实时衍射效率和描述光栅的建立过程。
采用光共轭技术，选取共轭光的功率仅为参考光的1/1000，在光折变或光致变色动态体全息建立过程中，用该非常弱的光再现光折变或光致变色动态体全息，避免了读出过程中全息被部分擦除，提出了动态体全息记录过程中实现无干扰、无损检测的技术思想。
实时动态体全息衍射效率测量系统提供了用于体全息记录的较强的物光和参考光，以及与参考光共轭的非常弱的共轭光，它们的强度和偏振态均可通过1/4波片、偏振片和中性衰减片进行调节和自由组合。每一束光都可调节为竖直偏振、水平偏振、左旋圆偏和右旋圆偏中的任意一种偏振态。从而可记录光强调制型或偏振态调制型体全息。
通过RS-232接口实现计算机与光功率计的通信并完成衍射光功率的实时数据采集。根据体全息记录介质灵敏度的高低，可更换不同响应速度的光功率计，可选定合适的数据采样频率，实时反映动态体全息建立过程的细节。
权利要求
1.一种实时动态体全息衍射效率测量方法，其特征在于所述方法包括1)激光光源提供全息记录光；2)用两个分光镜将全息记录光分成物光、参考光和探测光；3)调节物光和参考光进行全息记录，调节探测光使其成为参考光的共轭光；4)共轭光经全息记录介质衍射后形成衍射光，对衍射光进行反射使其进入光功率计。
2.根据权利要求1所述的实时动态体全息衍射效率测量方法，其特征在于所述对物光、参考光和探测光的调节是分别采用以下方法中的一种或任意多种的组合用全反射镀膜平面镜调节光路；用1/4波片调节光的圆偏振类型；用偏振片调节光的线偏振类型；用中性衰减片调节光的强度或功率。
3.根据权利要求2所述的实时动态体全息衍射效率测量方法，其特征在于所述对物光的调节是用一个全反射镀膜平面镜调节物光光路，用1/4波片调节物光的圆偏振类型，用偏振片调节物光的线偏振类型，用中性衰减片调节物光强度或功率；所述对参考光的调节是用1/4波片调节参考光的圆偏振类型，用偏振片调节参考光的线偏振类型，用中性衰减片调节参考光强度或功率；所述对探测光的调节是用至少三个全反射镀膜平面镜调节探测光光路，用1/4波片调节探测光的圆偏振类型，用偏振片调节探测光的线偏振类型，用中性衰减片调节探测光强度或功率。
4.根据权利要求1或2或3所述的实时动态体全息衍射效率测量方法，其特征在于如果光源为部分偏振光，则用偏振片将光源变成线偏振光，再将线偏振光分成物光、参考光和探测光。
5.根据权利要求4所述的实时动态体全息衍射效率测量方法，其特征在于所述对衍射光进行反射是在物光路上设置半透半反平面镜或消偏振分光棱镜来实现的；所述对全息记录时间的控制是由控制计算机通过电控快门来实现的；所述对衍射效率的测量是通过控制计算机对功率计的采样来实现的。
6.一种实时动态体全息衍射效率测量系统，包括可记录全息光衍射效率的光功率计(11)和控制计算机(12)，可提供全息记录光的激光光源(1)，可控制全息记录时间的电控快门(3)，设置在电控快门(3)之后、可将所述全息记录光分成物光(b1)和参考光(b2)的第一分光镜，可将所述物光(b1)反射至全息记录介质(9)的物光路全反射镀膜平面镜(13)，其特征在于所述参考光(b2)的光路上设置有可从参考光(b2)中分出探测光(b3)并将参考光(b2)反射至全息记录介质(9)的第二分光镜；所述经全反射镀膜平面镜(13)反射的物光(b1)和经第二分光棱反射的参考光(b2)可对称入射在全息记录介质(9)上；所述探测光(b3)的光路上设置有三个探测光路全反射镀膜平面镜(6、7、8)，所述三个全反射镀膜平面镜可将探测光(b3)进行三次反射形成参考光(b2)的共轭光(b4)；所述物光路全反射镀膜平面镜(13)和全息记录介质(9)之间设置有可将共轭光(b4)的衍射光(b5)反射至光功率计(11)的分光镜。
7.根据权利要求6所述的实时动态体全息衍射效率测量系统，其特征在于所述物光路上可设置调节物光圆偏振类型的物光路1/4波片(14)、调节物光线偏振类型的物光路偏振片(15)、调节物光强度或功率的物光中性衰减片(16)中的一种或多种；所述第二分光镜和全息记录介质(9)之间可设置调节参考光圆偏振类型的参考光路1/4波片(17)、调节参考光线偏振类型的参考光路偏振片(18)、调节参考光强度或功率的参考光中性衰减片(19)中的一种或多种；所述探测光路上可设置调节探测光圆偏振类型的探测光路1/4波片(20)、调节探测光线偏振类型的探测光路偏振片(21)、调节探测光强度或功率的探测光中性衰减片(22)中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的实时动态体全息衍射效率测量系统，其特征在于所述物光路全反射镀膜平面镜(13)和全息记录介质(9)之间设置有调节物光圆偏振类型的物光路1/4波片(14)，调节物光线偏振类型的物光路偏振片(15)，调节物光强度或功率的物光中性衰减片(16)；所述第二分光镜和全息记录介质(9)之间设置有调节参考光圆偏振类型的参考光路1/4波片(17)，调节参考光线偏振类型的参考光路偏振片(18)，调节参考光强度或功率的参考光中性衰减片(19)；所述探测光路上设置有调节探测光圆偏振类型的探测光路1/4波片(20)，调节探测光线偏振类型的探测光路偏振片(21)，调节探测光光强度或功率的探测光中性衰减片(22)。
9.根据权利要求6或7或8所述的实时动态体全息衍射效率测量系统，其特征在于所述第一分光镜可以是第一消偏振分光棱镜(4)或第一镀膜半透半反分束镜(23)；所述第二分光镜可以是第二消偏振分光棱镜(5)或第二镀膜半透半反分束镜(24)；所述分光镜可以是消偏振分光棱镜(25)或半透半反平面镜(10)。
10.根据权利要求9所述的实时动态体全息衍射效率测量系统，其特征在于所述系统包括设置在激光光源(1)和电控快门(3)之间、可将全息记录光变成线偏振光的偏振片(2)。
全文摘要
本发明涉及一种实时动态体全息衍射效率测量方法及系统，可提供用于体全息记录的较强的物光和参考光，以及与参考光共轭的非常弱的再现光，三束光的强度和偏振态均可通过1/4波片、偏振片和中性衰减片进行调节和组合，从而可记录光强调制型或偏振态调制型体全息。由于采用了光共轭技术，可在光折变或光致变色动态体全息建立过程中，借助非常微弱的共轭再现光实现动态体全息的非破坏性实时测量，所以解决了现有技术存在读出擦除效应以及响应速度慢的缺点，具有无干扰、无损检测、响应速度快、可连续测量、测量范围广、调节方便、噪声小等优点，适用于光致折射率变化和光致变色全息记录材料。
文档编号G03H1/00GK1837781SQ20051004185
公开日2006年9月27日 申请日期2005年3月25日 优先权日2005年3月25日
发明者任立勇, 姚保利, 王丽莉 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所