林枭同学在相位型全息光存储研究中取得新进展
相位型全息光存储的相位读取一直是一个比较大的问题，因为目前的探测器只对强度敏感，不能直接探测到相位的变化。干涉法是解决这一问题的简洁途径，通过利用一束参考光与待测光进行干涉，将相位的变化转变成强度的分布，再由探测器捕捉，进而通过相位与强度的关系得到相位。但干涉法也有缺点，首先在一个2π相位周期内，存在两个不同相位值对应同一强度值的情况；其次干涉法受环境影响较大，极小的微扰也会对干涉结果造成影响。因此通常需要进行相移干涉，这就需要多次操作，不仅加大了实验难度，也降低了数据转换速率。本文提出一种编码对形式的相位编码，既可以解决相位读取判断问题，也可以作为较强的校验提高对不理想结果的抗性，而且实现了单次干涉读取相位，提高了数据转换速率。 |
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图1. 编码对的相位编码方式。以4×4像素作为一个编码单元，在其中存在8对编码位置，每个编码位置的上方像素为可供编码的相位（f 1, f 2, f 3, f 4），而下方像素为上方像素的相位值加上一个固定的相位值j。灰色的部分是编码对，而白色的部分是标准对，用于解码过程中的比较。 |
显然当标准对过多时会导致编码率降低。因此实验中我们设计四阶相位值为0，p/2, p, 3p/2，而固定的相位值为p/2，这样就能只用四个像素表示四对标准编码对，如图2。由于我们认为在读取过程中产生的噪声是随噪声，因此在整个页面上只留一组标准点即可，并不影响编码率。 |
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图2. 四阶相位的具体取值及标准点的位置 |
经过一束平行光干涉后的强度分布如图3所示。图中红虚线为标准值，由4个标准值可以产生4个标准对{I1,I2}, {I2,I3}, {I3,I4} 和{I4,I1}，绿虚线为待测对。通过比较待测对于标准对的方差，可以得到待测对的相位值。待测对可以写成{In',In*}，其中n=1,2,3,4. |
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图3. 干涉后的强度分布 |
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上述公式即为方差公式，每一个待测对产生四个方差值，我们取最小的方差值，并将其对应的标准相位对赋给待测相位对即可。此时就得到了待测相位值。 |
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图4. 模拟的解码误码率（BER）曲线。蓝色线为一般的单次干涉解码结果，红色线为编码对的单次干涉解码结果。 |
实验装置如图5所示。 |
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图5. 实验装置图。SF:空间滤波器，HWP:半波片，BS:分束器，L1~L6:透镜（L1=300mm，L2~L5=150mm，L6=200mm）, SLM:空间光调制器（像素尺寸8mm），Media:记录材料（1.5mm厚的Irgacure 784-doped PMMA photopolymer），CCD:相机（像素尺寸3.75）mm |
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图6. 实验单次干涉结果 |
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| 图7. 实验解码结果。（a）为理想输入相位编码图案，其中红色框中的4个像素为标准值。（b）为一般单次干涉解码后的结果。（c）与（b）情况对应的误码分布，白色为错误点。（d）为编码对形式的单次干涉解码后的结果。（e）与（d）情况对应的误码分布。 |
图6为实验干涉结果，图7为实验解码结果。从实验结果看出，在利用编码对形式的相位编码后，单次干涉的误码率从25.1%降为4.4%，达到了可用标准。而且发现误码多出现与四周，这是因为背景强度分布中间和四周有一定差别。 |
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基于以上研究，以“Four level phase pair encoding and decoding with single interferometric phase retrieval for holographic data storage”为题目的论文，已被Chinese Optics Letters（影响因子：1.859）接收。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.25.030905 |
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(2018.01.28)
