郑淑君同学在偏光全息应用研究中取得新进展
在数据爆炸的信息时代，数据存储技术的重要性已经凸显。随着大数据和云计算的快速发展，对存储密度的需求不断提升。传统的存储解决方案，如硬盘驱动器和磁带驱动器，在密度和性能方面遇到了物理极限的障碍，无法满足不断增长的数据存储需求。全息数据存储技术由于其高存储密度、高传送速率和高信息冗余性，已成为下一代数据存储技术的有力的候选技术。传统的全息技术还没有充分利用光的多维可调制参数，只能调制二维信息（振幅和相位），而丢失了偏振信息。偏光全息术因其独特的振幅、相位和偏振信息编码能力而备受关注。偏光全息技术是利用偏振敏感材料，通过记录信号光与参考光以不同的偏振态形式发生干涉，记录并重建光场中包含的偏振信息。该技术不仅保留了传统全息技术中固有的振幅和相位信息，而且结合了偏振信息，从而大大增加了信息存储的密度，为满足日益增长的存储需求提供了一种新的解决方案。 先前的研究已经探索了单独调制偏振和调制振幅-相位，以及利用偏光全息技术调制振幅-偏振和调制相位-偏振的应用。在本研究中，我们提出了一种利用正交偏振光来实现调制振幅-相位-偏振的原因，并且可以无串扰地再现两个不同偏振态的全息图。该方法是利用正交偏振来照射全息图以调制振幅/相位和偏振，有效地减轻了全息图数据间的串扰。此外，90° 干涉角的加入有利于多重全息图的记录。实验结果表明，该方法对两幅重建全息图的振幅、相位和偏振数据进行了高精度解码。结合使用 90° 干涉角的正交偏振光为实现双通道以上系统的多维偏振调制奠定了基础。 与以往的研究不同，本研究利用偏光全息术中的偏振正交可产生零再现的独特重建特征，使包含振幅、相位和偏振多维调制信息的全息数据能够同时存储并再现。基于张量偏光全息理论的计算结果（如表1 所示），利用两个相互正交的偏振光波，依次记录两个携带多维调制信息的全息图，我们可以在 90° 的特殊干涉角下实现两幅全息图之间的无串扰切换，其中每幅全息图都有三维调制的编码信息。 |
表1 本研究中双通道再现的记录和读取条件 |
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图1(a) 展示了该实验的光学装置示意图。振幅调制 SLM 和相位调制 SLM 的校准曲线分别如图1(b) 和 2(c) 所示。基于图1(b) 和图 1(c) 所示的三阶振幅和相位值，采用 30 × 30 的编码数据矩阵，过采样因子为 10，进行随机三阶复振幅数据编码。在图1(a) 中，透镜8的后焦平面处得到的光波进一步传播了 d=2mm 的距离，其目的是为了增强相位信息的清晰度，使深度学习能够更好地掌握其相位特征。通过 CMOS 传感器捕获了具有复杂振幅强度的衍射图，如图1(d) 所示。信号光路的偏振状态由半波片 3 (HWP3) 调节。同时，在参考光路中，偏振片 4 (P4) 和 HWP4 协同将出射光切换到不同的偏振通道：s 通道（由 s 偏振参考光照射）和 p 通道（由 p 偏振参考光照射）。图1(e) 和图1(f) 所示的原始振幅和相位图分别描述了 s 通道和 p 通道中记录的复振幅信息的分布。对于 s 通道，将图1(e) 所示的幅相分布图上传到各自的 SLM 上，然后通过 HWP3 将信号光的偏振状态调整为 p 偏振光。调制后的信号光具有三维不同信息特性，在偏振敏感介质中与相应参考光发生干涉记录，记录时间为 1 分钟。 |
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| 图1 (a) 用于记录和重建两个通道三维图像的实验光学系统。其中，Sig. 为信号光路； Ref. 为参考/读取光路；Rec. 为重构光路；PBS 为偏振分束器；BS1-BS2 为分束器； L1-L4 为透镜（f1 = 150mm）；L5-L6 为透镜（f2 = 125 mm）；介质为 PQ/PMMA 材料； (b) SLM1 的校准曲线；(c) SLM2 的校准曲线；(d) CMOS 拍摄的强度图； 以及用于上传到 (e) s通道和 (f) p 通道下的 SLM 的原始振幅和相位数据页 |
在 s 通道成功记录三维数据后，重建阶段关闭位于信号光路上的快门（SH1），偏振通道移至p通道。然后将图1(f) 所示的幅相分布图上传到相应的 SLM 上，利用 HWP3 将偏振状态调整为 s 偏振光。此时信号光经过三维调制，与 p 通道的参考光在介质上的相同空间位置处发生干涉，从而进行第二次全息记录，记录时间为 1 分钟。 此外，在第一幅全息图和第二幅全息图的记录过程间隔，我们还测量了再现光在偏振通道过渡过程中的归一化衍射效率，如图2 所示。在参考光程中旋转 HWP4 后，读取光的偏振由s偏振转变为 p 偏振。在 s 偏振条件下，编码在第一个全息图中的信息被完全重建，得到归一化衍射分数效率为 1 的峰值。随着读取光偏振 s 偏振分量的减小，归一化衍射效率也相应降低。将 HWP4 旋转 45° 后，参考光的偏振态完全转变为 p 偏振态，在该点处的最小非化衍射效率为 0.0141。在整个过程中，观察到的归一化衍射效率的最大对比度为 71:1。这种串扰影响可以忽略不计。 |
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| 图2 衍射效率与读取光偏振态变化的关系，其中不同的偏振方向用双箭头符号表示 |
值得注意的是，我们通过该方法对重建的单幅偏振全息图的幅相信息进行了高精度重建，得到幅相误码率（BERamp 和 BERpha）均低于 0.5%，并保证了偏振状态下的完全正交消光。 |
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| 图3 实验结果 (a) 和 (f) 为 d = 2mm 处不同偏振通道下重建的衍射强度图； (b)、(d)、(g) 和 (i) 为放入训练好的 CNN 后得到的预测数据页； (c)、(e)、(h) 和 (j) 为它们与原始数据对比后相应的 BERamp 和 BERpha |
采用正交偏振光进行振幅、相位、偏振等综合调制的全息数据存储技术是解决大数据带来的数据存储挑战的有效策略。将多维调制技术与偏光全息技术相结合，可以显著提高全息数据存储的记录密度和存储容量，有效地解决了海量数据的长期保存和快速存取的需求。 |
上述研究成果以“Complex amplitude and polarization modulated holographic data storage retrieved by orthogonally polarized light”为题，整理发表在光学期刊 Chinese Optics Letters, Vol.23, No.5, 050501 (2025) 上。 论文的相关链接：https://www.researching.cn/articles/OJf44fd357f3a91398 |
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(2025.04.29)
