陈瑞娴同学在相位调制全息存储研究中获得新进展
全息存储技术采用三维体积存储和二维数据传输，具有数据冗余度高、记录密度大和传输速率快等优点，为光学存储带来了新的发展方向。相位调制全息存储相比于传统的振幅调制全息存储具有更高信噪比和编码率。但是相位信息不能直接由探测器直接检测，需要通过各种解码方法来检索相位。其中迭代傅里叶算法（IFTA）是较为常见的方法之一，它是在重建光（物面）的复振幅分布和傅里叶面的强度分布之间，通过正逆向光传播的原理进行迭代，通常需要大量的迭代计算。并且高保真度的相位检索需要记录和读取频谱大小至少两倍奈奎斯特间隔。 本文提出了一种频谱延拓和动态采样相结合的相位检索方法。首先，频率延拓方法只需要记录和读取奈奎斯特间隔的频谱，通过对频谱的周期性延拓，人为地补充高频信息。我们分析和讨论了不同奈奎斯特间隔的延拓频谱的信噪比和相位检索结果，选择了合适的延拓倍数。然后，对延拓频谱进行动态采样，为相位检索提供更好的收敛路径。实验系统如图1 所示。 |
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图1. 相位调制全息存储系统。Laser：激光，Beam expander：扩束器，Aperture：光阑， HWP：半波片，BS：分束镜，SLM：空间光调制器，Mirror：反射镜，Shutter：快门， Media：记录材料，CMOS：探测器，L1-L5：透镜 (L1-L5=150 mm) |
在实验中，只需要记录和读取奈奎斯特间隔频谱，将减少材料消耗从而增加记录密度。然后通过频率延拓的方法对缺失的高频信息进行人工补充。图2(a) 是CMOS拍摄的奈奎斯特间隔频谱。对其进行频谱延拓至4倍奈奎斯特间隔，如图2(b) 所示。根据实验参数进行模拟，可以得到训练曲线。然后，根据训练曲线对延拓后的频谱进行动态采样，如图3 所示。 |
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| 图2. （a）CMOS拍摄的奈奎斯特大小频谱，（b）延拓至四倍奈奎斯特大小频谱 |
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| 图3. 模拟得到的训练曲线和其动态采样后相位检索的频谱源 |
最后，利用不同的检索源进行相位检索：1、直接利用原始4倍奈奎斯特间隔频谱；2、利用由原始奈奎斯特间隔频谱延拓至4倍奈奎斯特间隔的延拓频谱；3、利用动态采用后的 4 倍奈奎斯特间隔的延拓频谱。不同检索源的相位检索结果比较如图4 所示。直接利用实验拍摄的 4 倍奈奎斯特间隔频谱作为相位检索的频谱源时，迭代20次的相位误码率为 6.84%。利用由奈奎斯特间隔频谱延拓至 4 倍奈奎斯特间隔的新频谱作为相位检索的频谱源时，迭代 20 次的相位误码率为 1.95%。由于动态采样方法能为相位检索提供更好的收敛路径，提高相位检索效率。因此，当动态采样的延拓频谱作为相位检索的频谱源时，仅需要迭代10次就能实现相位误码率为 1.95%。在相同次数的迭代下，动态采样的延拓频谱作为相位检索的频谱源时，获得了最佳的结果。 |
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| 图4. 三种频谱源的相位检索结果 |
本文提出了一种频谱延拓和动态采样相结合的相位检索方法。频率延拓方法只需要记录奈奎斯特间隔的频谱，就能实现频谱的周期性扩展，从而人为地补充高频信息。我们分析和讨论了不同奈奎斯特间隔的延拓频谱的信噪比和相位检索结果，选择了合适的延拓倍数。然后，将动态采样应用于延拓频谱，为相位检索提供更好的收敛路径。该方法在傅立叶域上集成了两种独立的方法，实现了更少的材料消耗、更低低误码率的相位检索。 |
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上述研究成果以“Phase retrieval in holographic data storage by expanded spectrum combined with dynamic sampling method”为题，发表在 Springer Nature 出版的英文期刊《Scientific Reports》, Vol. 13, 18912（2023）上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1038/s41598-023-46357-9 |
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(2023.11.03)
