专利名称：利用不同波长光波读光折变光栅实现光学信息处理的方法
利用不同波长光波读光折变光栅实现光学信息处理的方法(一) 技术领域 本发明涉及光折变效应与光学图像处理领域。(二) 背景技术光学信息处理是随着激光器的问世而蓬勃发展起来的一个研究方向，是现代信息处理中 一个重要组成部分，在现代光学研究领域中占有很重要的地位。所谓光学信息处理，是指基 于对光学频谱的分析，利用傅里叶光学理论，通过空域或频域调制，借助空间滤波等技术对 光的强度、相位、波长和偏振态等进行处理的过程，较多用于对二维图像的处理。光学信息处理作为一门新兴学科发展极快。20世纪80年代以后，随着高新技术的蓬勃 兴起，人类进入了一个"信息爆炸时代"，进而要求对超大量信息具有快速处理的能力。例如， 战略防御计划、气体动力学、中长期天气预报、机器入视觉、人工智能等许多方面都对数据 处理提出了超高速和超大容量的要求。要求在预定的时间段内获得准确的结果，而这些都对 信息处理技术提出了极高的要求。为了满足这种需求而发展起来的电子技术随着电子功能器 件的小型化，其信息处理速度日益加快，使其成为目前信息处理领域的主要处理手段。然而， 光以其速度快、抗干扰能力强、可大量并行处理等特点逐渐显示出其独特的优越性。在光学 信息处理基础上发展起来的光处理研究及其相关技术已为该领域注入了新的生命，成为十分 活跃的一个研究方向。为了满足日益增长的光学图像处理技术发展的需要，开展新型非线性光学材料的性质及 其新应用的研究是当前的迫切任务，也是光学及光电功能材料等领域的前沿研究课题。当前， 利用光折变材料的非线性光学特性已经实现了大容量光学信息的存储与识别，并制成了各种 功能的光学器件。但是利用光折变材料的拉曼-纳斯衍射(Raman-Nath衍射)特性进行光学信息处理的研 究还不多，这主要是由于到目前为止大多数光折变材料的拉曼-纳斯衍射光都比较模糊，很难 形成清晰的拉曼-纳斯衍射图像，因此对其进行光学信息处理的理论和实验研究很少。(三) 发明内容本发明的目的在于提供一种图像处理速度快，结构简单，成本低的利用不同波长光波读 光折变光栅实现光学信息处理的方法。本发明的目的是这样实现的步骤一、制备体全息光栅从第一激光器l出射的激光束 经过半透半反镜2分束后，被反射镜3、 4反射后成为两束相干的光束，其中一束经过空间光 滤波器5，第一傅里叶透镜6，空间光调制器7，第二傅里叶透镜8后被加载上待处理的图像信息，成为信号光，另一束是不携带任何信息的参考光，它们相交在光折变体9内形成光强 分布不均匀的干涉条纹，并利用光折变效应在光折变体9中记录下相位体全息光栅，等待光 栅稳定后，由光折变体9得到存储有光学图像信息的元件，所述两束具有相干性的光束在相 交时的夹角应使这时发生的衍射为拉曼-纳斯衍射；步骤二、图像处理过程将步骤一制备的 光栅元件(即光折变体9)放在从不同波长第二激光器10直接出射的光路中，使其出射的光 束直接输入到元件的光输入端，利用拉曼-纳斯衍射在元件的光输出端即可获得多个衍射图 像，衍射图像的大小与激光器的波长成比例。 本发明还有这样一些技术特征1、 歩骤一中所述两束具有相干性的光束的光程差小于所述光束的相干长度；2、 步骤一中所述光折变体9选用能够产生光折变效应并有清晰拉曼-纳斯衍射图像的有 机材料或无机材料；3、 步骤二中所述第二激光器10的波长决定于步骤一中所述第一激光器1的波长以及最 终需要实现的图像信息的放大或縮小倍数，图像信息的放大或縮小倍数正比于第二激光器10 的波长与第一激光器1的波长的比值；4、 步骤一中产生两束相交的具有相干性的光束的装置由第一激光器l、半透半反镜2、 第一反射镜3、第二反射镜4、空间光滤波器5、第一傅里叶透镜6、空间光调制器7、第二 傅里叶透镜8组成；步骤一中产生两束相交的具有相干性的光束的方法是从第一激光器l 中输出的光束输入到半透半反镜2的光输入端，半透半反镜2将输入的光束分为透射光和反 射光，所述反射光输入到第一反射镜3的光输入端并利用第一反射镜3使所述反射光改变方 向，所述透射光输入到第二反射镜4的光输入端并利用第二反射镜4使所述透射光改变方向， 通过空间光滤波器5输入到第一傅里叶透镜6的光输入端并经过第一傅里叶透镜6传输，在 第一傅里叶透镜6的光输出端获得平行光束，所述平行光束经过空间光调制器7传输后输入 到第二傅里叶透镜8的光输入端，所述平行光束在经过空间光调制器7传输的过程中被加载 上信息，所述被加载上信息的平行光经过第二傅里叶透镜8传输后，在第二傅里叶透镜8的 光输出端完成傅里叶变换。空间光调制器7位于第一傅里叶透镜6和第二傅里叶透镜8之间， 空间光调制器7到第二傅里叶透镜8的距离是第二傅里叶透镜8的焦距；使从第一反射镜3 输出的改变了方向的反射光和从第二反射镜4输出的改变了方向的透射光相交在一起，即得 到了两束相交的具有相干性的光束，所述反射光与透射光的光程差小于第一激光器1输出的 激光的相干长度；所述第一激光器1能够产生具有光折变效应的任意波长的激光，所述激光 的光强由光折变体9的材料决定，对于不同材料的光折变体9，为了得到清晰的衍射图像， 我们需要不同的记录光强，如掺杂甲基红染料的戊氰基联苯液晶材料制作的光折变体9，所述信号光的光强为50.22 mW'cm—2 (毫瓦每平方厘米)，所述参考光的光强为60.16 mW'cm—2，这时衍射图像最清晰；5、 步骤二中所述需要的光束是直接从第二激光器IO输出的激光；6、 步骤一中，所述第一激光器l采用Ar+激光器，它输出光的波长为488.0纳米，选用 掺杂甲基红染料的戊氰基联苯液晶，其中甲基红染料浓度为1%，光折变体尺寸为 10.50x10.00x0.046 mm3 (立方毫米)，所述信号光的光强为50.22 mW'cm-2 (毫瓦每平方厘米)， 所述参考光的光强为60.16 mW，cm—2，相交的反射光和透射光的夹角e为2.00°(度)，相交的信 号光和参考光的偏振方向在入射平面内，所述光折变体9被相交光束照射十五分钟后光栅达 到稳定，所记录光栅成为永久光栅，这是可以清晰地观察到拉曼-纳斯衍射图像；在步骤二中， 所述第二激光器10采用氦-氖激光器，它输出光的波长为632.8纳米，光波直接照射光折变体 9上；7、 步骤二中，所述第二激光器10采用半导体激光器，它输出光的波长为532.0纳米；8、 步骤二中，所述第二激光器10采用Ar+激光器，它输出光的波长为514.5纳米；9、 步骤一中，所述两束具有相干性的光束在相交时的夹角在3度之内。 本发明提出了一种利用不同波长的激光器发射出来的光波来实现光学信息处理的方法，并利用合适的光折变材料实现了光学信息处理。这种方法利用了光折变材料的拉曼-纳斯衍射 特性，用不同波长的光波照射已经记录完相应信息的光折变材料，从而可以快速的实现已存 储图像信息的放大，縮小等操作，并且可以通过改变入射光波的波长来控制放大，縮小的比 例，这种方法的优点是图像处理速度快，结构简单，成本低。在本发明中，为了得到质量尽量好的的图像效果，相交的两束光的夹角要尽量小，通常 是3度之内；当夹角过大时，相交的两束相干光在光折变体内产生的折射率光栅发生的是布 拉格衍射(Bmgg衍射)，而这种布拉格衍射只能用原波长的记录光进行读出，而不能用用其 它波长的入射光读出。通常，通过计算公式^=2;^/^\2来确定在实施时选择的参数是否满足产生拉曼-纳斯衍射的条件当Q〈1时，是拉曼-纳斯衍射；当Q〉1时，是布拉格衍射； 其中A—入射的相交光束的波长，L—光折变体的厚度，光折变体的折射率，A—光栅间距。用本发明所制成的光学处理元件在用于图像处理时，在记录光栅过程中，要选择合适的光折变体9，从而能产生清晰的拉曼-纳斯衍射图像，并且要求光折变体9能记录永久光栅， 从而可以用不同于记录光波长的入射光读出光栅所携带的信息，从而实现图像处理。本发明 巧妙地利用了小角度下相位光栅的拉曼-纳斯衍射特性，在光折变体中利用折变效应设计了一 种新的光学图像处理元件，这种光学图像处理的方法相对简单、成本较低、结构简单。与其他图像处理方法相比，本发明利用光折变材料的光折变效应与拉曼-纳斯衍射相结合，实现了 图像处理，不仅在光栅存储阶段可以实现图像处理，而且更重要的是在光栅存储后，可以通 过不同波长的不携带信息的入射光来再现己存储的信息，通过拉曼-纳斯衍射实现图像处理， 另外本发明还另有一个优点，即在图像处理对处理条件要求宽松l)对于需要处理的图像没 有严格的要求。在处理过程中，通过拉曼-纳斯衍射项实现放大、縮小、旋转等操作。2)处 理元件可适用的波长变化范围较大。制备光栅时时使用的光波波长可以与需要实现图像处理 的光波波长不一致，因此可以对一定波长范围内的光波实现图像处理，应用上很灵活。(四)
图1为本发明利用不同波长的光波读出光折变光栅实现光学信息处理的方法的步骤一制 备体全息光栅9的光传输流程图； 图2为光传输流程图；图3是第二种具体实施方式
中步骤一的实验结果图； 图4是第二种具体实施方式
中歩骤二的实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步的说明 实施例1:本实施方法的利用不同波长的光波读出光折变光栅实现光学信息处理的方法是这样实现 的a、从第一激光器l中射出的光束经半透半反镜2进行分束，分为位于半透半反镜2的透 射光路上的信号光和位于半透半反镜2的反射光路上的参考光；b、参考光经过第一反射镜3 改变方向后，照射到光折变体9上；C、信号光经过第二反射镜4改变方向后，通过空间光滤波器5和第一傅里叶透镜6被扩束成面积较大的平行光，均匀平面波经过空间光调制器7之后被加载上信息，经第二傅里叶透镜8后，在光折变体9内形成傅里叶变换频谱；d、信号光和参考光在光折变体9中相遇干涉，由于光折变效应，光折变体9内的折射率随入射光强的 变化而发生相应的变化，在光折变体9内形成相位体光栅，从而实现全息图像的记录，成为 存储有待处理光学信息的光折变体9。在记录光栅过程中会有拉曼-纳斯衍射图像出现，其为 放大、縮小和旋转的信号光图像；e、记录完待处理光学信息后，用不同于记录光波长的第二 激光器10发出的光波照射光折变体9，这时在光折变体9后的观察屏11上立刻就有拉曼-纳 斯衍射图像出现。其图像尺寸与第一激光器1以及第二激光器10的波长有关，不同第一激光 器l以及第二激光器10的波长，再现的衍射图像的尺寸不同，从而可以利用入射光波长的不 同安着信息处理要求实现图像的放大、縮小等处理。结合图1，光折变体9选用能够产生光折变效应并能有清晰的拉曼-纳斯衍射图像的任何材料，它包括有机材料或无机材料，它的尺寸根据具体产品要求而定。当选定了光折变体9 的材料后，光折变体9的光学性质即已确定，然后根据实验即可判断光折变体9是否可以产 生清晰的拉曼-纳斯衍射图像。第二激光器10的波长根据图像处理的要求而定，且在所用第 一激光器1波长附近的一定范围内，如第一激光器波长为500纳米，为了使放大倍数为1.5 倍，第二激光器的波长应为750纳米。 实施例2:结合图1和图2，本具体实施方式
与实施例1的不同点是在步骤一中，所述第一激光 器l采用Ar+激光器，它输出光的波长为488.0纳米，所述光折变体9选用掺杂甲基红染料的 戊氰基联苯液晶，其中甲基红染料浓度为1%，光折变体尺寸为10.50x10.00x0.046 mm3 (立方 毫米)，所述信号光的光强为50.22 mW'cm—2 (毫瓦每平方厘米)，所述参考光的光强为60.16 mW，cm—2，相交的反射光和透射光的夹角6为2.00°(度)，相交的信号光和参考光的偏振方向 在入射平面内，所述光折变体9被相交光束照射十五分钟后光栅达到稳定，所记录光栅成为 永久光栅，这是可以清晰地观察到拉曼-纳斯衍射图像，如图3所示；在歩骤二中，所述第二 激光器10采用氦-氖激光器，它输出光的波长为632.8纳米，光波直接照射存储有待处理光学 信息的光折变体9上，在光折变体9后的观察屏上可以看到清晰的被放大的各阶衍射图像， 如图4所示。其他步骤与具体实施例l相同。在本具体实施方式
中，"相交的信号光和参考光 的偏振方向在入射平面内"这一条件是为了在掺杂甲基红染料的戊氰基联苯液晶内获得最佳 的折射率光栅，从而达到衍射的最佳状态，照射存储有待处理光学信息的光折变体9的入射 光的最佳入射方向是由光折变体9的材料性质决定的。实施例3:结合图1和图2，本具体实施方式
与实施例2的不同点是在步骤二中，所述第二激光 器10输出光的波长为532.0纳米。其他步骤与具体实施例2相同。 实施例4:结合图1和图2说明本具体实施方式
，本具体实施方式
与实施例2的不同点是在步骤二中，所述第二激光器10输出光的波长为514.5纳米。其他步骤与具体实施例2相同。除上述具体实施方式
外，利用光折变效应在光折变材料中形成永久相位体光栅，然后用 不同波长读出光波对永久相位体光栅进行读出，并利用其拉曼-纳斯衍射来达到光学信息处理 目的的技术方案均在本说明书的保护范围内。
权利要求
1、一种利用不同波长光波读光折变光栅实现光学信息处理的方法，其特征在于它按以下步骤进行步骤一、制备体全息光栅(9)使两束具有相干性的光束相交并输入到光折变体(9)的光输入端，于是在光折变体(9)内形成光强分布不均匀的干涉条纹并利用光折变效应在光折变体(9)中记录下体全息光栅，等待光栅稳定后，由光折变体(9)得到存储有待处理信息的光折变体(9)，所述两束具有相干性的光束在相交时的夹角应使这时发生的衍射为拉曼-纳斯衍射；步骤二、图像处理过程将步骤一制备的存储有待处理信息的光折变体(9)放在第二激光器(10)的光路中，使光束直接输入到光折变体(9)的光输入端，利用拉曼-纳斯衍射在光折变体(9)的光输出端即可获得被放大或缩小的各阶衍射图像信息。
2、 根据权利要求1所述的利用不同波长光波读光折变光栅实现光学信息处理的方法，其 特征在十步骤一中所述两束具有相十性的光束的光程差小于所述光束的相干长度。
3、 根据权利要求l所述的利用不同波长光波读光折变光栅实现光学信息处理的方法，其 特征在于步骤一中所述光折变体(9)选用能够产生光折变效应并有清晰拉曼-纳斯衍射图像的 有机材料或无机材料。
4、 根据权利要求l所述的利用不同波长光波读光折变光栅实现光学信息处理的方法，其 特征在于步骤二中所述第二激光器(10)的波长决定于步骤一中所述第一激光器(1)的波长以及 最终需要实现的图像信息的放大或縮小倍数，图像信息的放大或縮小倍数正比于第二激光器 10的波长与第一激光器1的波长的比值。
5、 根据权利要求l所述的利用不同波长光波读光折变光栅实现光学信息处理的方法，其 特征在于步骤一中产生两束相交的具有相干性的光束的装置由第一激光器(l)、半透半反镜 (2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、空间光滤波器(5)、第一傅里叶透镜(6)、空间光调制器 (7)、第二傅里叶透镜(8)组成；步骤一中产生两束相交的具有相干性的光束的方法是从第一 激光器(1)中输出的光束输入到半透半反镜(2)的光输入端，半透半反镜(2)将输入的光束分为透 射光和反射光，所述反射光输入到第一反射镜(3)的光输入端并利用第一反射镜(3)使所述反射 光改变方向，所述透射光输入到第二反射镜(4)的光输入端并利用第二反射镜(4M吏所述透射光 改变方向，通过空间光滤波器(5)输入到第一傅里叶透镜(6)的光输入端并经过第一傅里叶透镜 (6)传输，在第一傅里叶透镜(6)的光输出端获得平行光束，所述平行光束经过空间光调制器(7) 传输后输入到第二傅里叶透镜(8)的光输入端，所述平行光束在经过空间光调制器(7M专输的过 程中被加载上信息，所述被加载上信息的平行光经过第二傅里叶透镜(8)传输后，在第二傅里 叶透镜(8)的光输出端完成傅里叶变换。空间光调制器(7)位于第一傅里叶透镜(6)和第二傅里叶 透镜(8)之间，空间光调制器(7)到第二傅里叶透镜(8)的距离是第二傅里叶透镜(8)的焦距；使 从第一反射镜(3)输出的改变了方向的反射光和从第二反射镜(4)输出的改变了方向的透射光相交在一起，即得到了两束相交的具有相干性的光束，所述反射光与透射光的光程差小于第 一激光器(l)输出的激光的相干长度；所述第一激光器(l)能够产生具有光折变效应的任意波长 的激光，所述激光的光强由光折变体(9)的材料决定。
6、 根据权利要求1所述的利用不同波长光波读光折变光栅实现光学信息处理的方法，其 特征在于步骤二中所述需要的光束是直接从第二激光器(10)输出的激光。
7、 根据权利要求l、 3、 5所述的利用不同波长光波读光折变光栅实现光学信息处理的 方法，其特征在于在步骤一中，所述第一激光器(l)采用Ar+激光器，它输出光的波长为488.0 纳米，选用掺杂甲基红染料的戊氰基联苯液晶，其中甲基红染料浓度为1%，光折变体尺寸为 10.50x10.00x0.046立方毫米，所述信号光的光强为50.22毫瓦每平方厘米，所述参考光的光 强为60.16 mW《m—2，相交的反射光和透射光的夹角6为2.00°，相交的信号光和参考光的偏 振方向在入射平面内，所述光折变体(9)被相交光束照射十五分钟后光栅达到稳定，所记录光 栅成为永久光栅，这是可以清晰地观察到拉曼-纳斯衍射图像；在步骤二屮，所述第二激光器 (10)采用氦-氖激光器，它输出光的波长为632.8纳米，光波直接照射光折变体(9)上。
8、 根据权利要求7所述的利用不同波长光波读光折变光栅实现光学信息处理的方法，其 特征在f在步骤二中，所述第二激光器(10)采用半导体激光器，它输出光的波长为532.0纳米。
9、 根据权利要求7所述的利用不同波长光波读光折变光栅实现光学信息处理的方法，其 特征在于在步骤二中，所述第—激光器(10)采用Ar+激光器，它输出光的波长为514.5纳米。
10、 根据权利要求1所述的利用不同波长光波读光折变光栅实现光学信息处理的方法， 其特征在于歩骤一中，所述两束具有相干性的光束在相交时的夹角在3度之内。
全文摘要
本发明提供了一种利用不同波长光波读光折变光栅实现光学信息处理的方法，步骤包括使两束具有相干性的光束相交后照射光折变材料，形成光强分布不均匀的干涉条纹并利用光折变效应制备相位体光栅，然后用另一波长的激光器直接照射此相位体光栅，即可通过拉曼-纳斯衍射实现光学信息处理。上述两记录相位体光栅的光束的夹角需使这时发生的衍射为拉曼-纳斯衍射。本发明利用光折变材料的光折变效应与永久光栅的拉曼-纳斯衍射实现了光学信息处理，可以根据实际的处理需要选用不同波长的激光器来实现光学信息处理。本发明方法简单、成本较低、应用灵活。
文档编号G02B27/46GK101251654SQ20081006423
公开日2008年8月27日 申请日期2008年4月3日 优先权日2008年4月3日
发明者侯春风, 周忠祥, 姜永远, 孙秀冬, 宫德维 申请人:哈尔滨工业大学