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光学全息记录技术及其材料发展概述

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光学全息记录技术及其材料发展概述　黄容川　（华中师范大学第一附属中学，湖北武汉摘４３０２２３）　要：全息记录以及全息材料的基本理论以及多种复用存储的原理和方法，包括圆周复用存储、波长复用存储以及角度复用存储。　角度复用存储常用的２种技术，如等时曝光技术和等衍射效率曝光技术的实现方法。分析前人复用存储研究结果，提出圆周、波长、　角度协同复用存储的新方法。　关键词：全息记录；光致聚合物；复用存储　中图分类号：ＴＰ３９　文献标识码：Ｂ　ＤＯＩ：１０．１６６２１￣．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００１—０５９９．２０１８．０１Ｄ．６６　０引言　进行了很多研究，已有很多科学家以ＤｕＰｏｎｔ公司的产品为记录　介质进行光全息复用记录实验。１９９２年，Ｐｓａｌｔｉｓ以及Ｋｅｖｉｎ　Ｃｕｒｔｉｓ等人以ＤｕＰｏｎｔ　ＨＲＦ一１５０为记录介质，实现１０幅图的角　度复用记录　；１９９６年，Ｐｓａｌｔｉｓ进一步提出圆周复用和角度复用，　实现３２幅图的复用记录；同年，ＡＵｅｎ　Ｐｕ提出曝光时序的方法，　并在圆周复用和角度复用的基础上，实现１０００幅全息图的记　录，其中圆周复用１００幅，角度服用ｌＯ幅。我国复用记录技术发　展较晚，北京工业大学王大勇课题组于２００４年提出角度复用记　录并介绍一种曝光时序的计算方法￣；２００９年河南大学黄明举课　题组提出一种波长复用记录的方法￣；２０１７年清华大学的曹良才　课题组利用角度复用记录用于全息动态显示并获得成功［６１。本文　介绍光全息复用记录技术，分析各种全息记录材料的优缺点，提　０．１信息记录技术的发展　从上古时期的结绳记事到如今的大容量信息记录，人类从　未停止过追求容量更大、速度更快、安全性更高的信息记录技　术。计算机刚出现时，信息的记录容量还是千位字节，进人大数　据时代后，信息的容量以太位（　）计算，信息的流速是以太位，　秒（　，ｓ）计算，信息的频率以太赫兹（ＴＨｚ）计，处于３Ｔ时代【１１。那　么，信息储存技术的发展现状又如何呢？　传统的记录技术，如磁盘记录、光盘记录、半导体记录等技　术，由于记录密度爆炸性增长、区域记录信息位日益缩小而变得　热力学不稳定，其记录能力已经接近极限，且很难突破。传统的记　录方式采用二进制代码进行逐位记录和读取，读写速度慢、记录　容量低，光全息记录不同于传统记录技术的一次一位的串行读取　方式，而是采用数据整页记录、整页读取的并行读写方式，具有读　写速度快、记录容量高、高的冗余度等优点。光全息记录技术是　采用２束相干激光干涉原理将数据记录到全息光盘上。与传统　的记录介质一个信息点位只能记录一个二进制代码不同，光全　息技术可以在某些全息材料上实现同一信息点位记录多个数据　页，这种方法称之为复用记录技术，具体可分为圆周复用记录、　出波长一角度光全息复用记录这一新模式。　１本文的创新点　波长复用记录、角度复用记录和圆周复用记录是光全息复　用记录的３种重要手段，但前人显然对角度复用记录和圆周复　用记录开展了更多的应用，对波长复用记录研究较少，分别介绍　以上３种复用记录的原理和实现方法，提出角度、波长、圆周协　同复用记录的新模式。　２全息记录材料及其介绍　角度复用记录以及波长复用记录，因此，在同样的１００　ｃｍ　的光　盘上，使用全息技术可以实现１００　Ｔ的数据容量记录，是目前　的ＤＶＤ可达的最高记录容量２５　Ｇ的４０００倍园。　０．２光全息记录技术　合适的全息记录介质是光全息技术实现和发展的关键，目　合适的全息记录介质是光全息技术实现和发展的关键，随　着技术的进步，先后出现了银盐材料、重铬酸盐明胶、光致抗蚀　剂、光导热塑材料、光折变晶体以及光致聚合物材料等全息记录　材料。　前，ＤｕＰｏｎｔ公司的光致聚合物全息记录材料得到研究人员的广　泛认可。ＤｕＰｏｎｔ，Ｃａｌｆｏｍｉａ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，Ａｌａｂａｍａ，Ｓｔａｎｆｏｒｄ，Ｂｅｌｌ实　银盐材料是传统的全息记录材料。其具有高感光灵敏度和　分辨率，重复性好、保存期长，有很强的通用性，目前，超微粒的　银盐乳胶已经具有成熟的制备技术，并具有可靠、稳定的商品化　验室等单位就ＤｕＰｏｎｔ公司的光致聚合物产品的全息记录性能　参考文献　［１］２０１６年全国火灾情况分析［ＥＢ，ＯＬ］．ｈｔｔｐ－Ｊ／ｗｗｗ．１１９．ｇｏｖ．ｃｎ／ｘｉａｏｆａｎｇ／　ｎｂｎｊ／３４６０１．ｈｔｍ，２０１７－０６－２２／２０１７－１０－２０．　ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ＴＰ—Ｒ２Ｇ２．ｐｈｐ，２０１７—１０～２０．　［４］王新月．气体动力学基础［Ｍ］．西安：西北工业大学出版社，２００６．　［５］白云峰，林庆国，金盛宇，等．过氧化氢单元催化分解火箭发动机研　究［Ｊ］．火箭推进，２００６，３２（４）：１５—２０．　［２］王保成，陈健．世界飞行背包现状与未来发展趋势［Ｊ３．军事文摘，　２０１６（５）：５４—５７．　［编辑利　文］　［３］ＴＰ—Ｒ２Ｇ２火箭背包性能参数［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｈｕｎｄｅｒｍａｎ．ｎｅｔ／　皿ｉｇｉＳＩｔｌ￣ｉｌｌｌ　２０１８　Ｎｏｌ（Ｔ）　
产品——全息干板，但这种材料需要显影、定影等复杂的化学后　处理工艺；光致抗蚀剂和光导热塑高分子材料都是浮雕型位相　全息图，分辨率不高，记录容量低，制造困难，应用有限；重铬酸　盐明胶是在明胶中浸入Ｃｒ２０７２一离子构成的位相型全息记录材　料，它的光学性能良好，信噪比高，分辨率极高，散射低、折射率　调制度高，是一种理想的位相型全息记录材料，但是再现性差，　即感光层从曝光到显影影像出现失真、光谱敏感范围有限、感光　度较差、对空气的湿气抵抗力差、难以长时间保存等；光折变晶　体尤其是铌酸锂晶体（ＬｉＮｂＯ，），具有衍射效率高、动态范围高、　可擦出重写等优点，但是其灵敏度低、晶体的响应波长较难选　和角度的选择性。按照Ｋｏｇｅｌｎｉｋ耦合波理论，再现光不满足布　拉格条件时，会产生相位失配６，当偏移布拉格波长Ａ。和布拉格　角　的偏移量分别是△　和　时，相位失配因子８－－－３０Ｋｓｉｎ（ｔｐ一　∞）－△　【２／４伽，其中，ｐ为体光栅倾斜角，ｎ为介质折射率。体全　息图的波长和角度的选择性，使全息记录可以在同一个记录点　通过改变很小的角度或者波长间隔记录多张数据页而不发生信　息的串扰，这是体全息能够进行复用记录的原理，可用于大容量　全息记录。　４光全息复用记录的研究进展　体全息记录严苛的波长和角度选择性，为复用记录提供了　理论上的可行性。根据布拉格方程２Ａｓｉｎ０＝ｈ，当且仅当入射角　择，而且掺杂浓度难以控制，生产条件苛刻，成本高昂，短期很难　市场化应用。　与以上材料相比，光致聚合物是近来在全息记录材料领域　的一个研究的热点。光致聚合物主要由单体、成膜剂、光敏剂、光　引发剂组成。记录光照射聚合物后，光敏剂被激发，并引发曝光　过程；然后，自由基引发单体分子聚合，最后在材料中形成位相　型全息图。光致聚合物材料具有高衍射效率、高分辨率、高曝光　灵敏度、灵活的感光光谱范围、厚度及尺寸可控性强、制作工艺　简单、成本低廉、无需湿化学处理等优点，是最有潜力的全息记　录材料。目前，四川大学、哈尔滨工业大学、中科院理化所、中科　院上海光机所、首都师范大学、河南大学等单位，在光致聚合物　全息材料领域潜心研究近３０　ａ，取得了长足的进展，但是，和美　国仍有很大的差距。当前，美国ＤｕＰｏｎｔ公司已经开发出ＨＲＥ和　Ｏｍｎｉ　Ｄｅｘ系列光致聚合物全息记录材料，Ｐｏｌａｒｏｉｄ公司也出品　了ＵＬＳＨ一５００系列光致聚合物全息记录材料。　３光全息记录技术的基本理论　＾’　当两束平面相干波入射到具有一定厚度（ｄ≥１０·　）的　１１。＾　记录介质，两束光重叠产生呈周期性分布的干涉条纹，在介质内　部形成等间距的体光栅结构。当三维光栅结构满足布拉格条件　（１），即再现光入射角满足布拉格条件，再现出的原物光波的衍　射效率最大。２Ａｓｉｎ０＝Ａ（１），其中，Ａ为介质的波长，　是入射光与　条纹面之间的夹角，Ａ是条纹面间距。　｜　疗　．／　＼　’　Ｒ？　一ｄ一　记录　再现　图１　体光栅的记录和再现　当再现光的波长或入射角度不符合布拉格条件时，再现原　物光的衍射效率会有明显下降，这表明体全息具有明显的波长　和入射光波长同时满足布拉格方程时，衍射光效率最大，因此，　在入射角满足布拉格条件时，改变入射光波长或者入射角度，可　以在同一个信息位记录多个信息。当前，基于光致聚合物全息记　录材料的复用记录研究得到国内外研究者的广泛关注。当物光　和参考光在光致聚合物全息记录材料内的人射角或波长改变　时，在材料内部就会形成新的光栅，这种新的光栅并不会覆盖原　有的光栅，从而可以记录更多的信息。　河南大学嘲研究人员在波长复用记录上做了大量工作，通过　设计一种新材料，使材料同时具备吸收红、绿、蓝波长段光波的　能力，在同一信息位通过红、绿、蓝３种波长分别记录不同信息，　以实现信息的复用记录。研究发现，虽然实现了材料对３种单原　色光的增感，但材料的衍射效率均有一定的下降，聚合时间也有　所延长。其主要原因可能是混合光敏剂分子浓度总体较高，都吸　收一定量的光子，因此要提供较高的曝光能量。　北京工业大学［４１研究人员提出等时曝光和等衍射效率曝　光两种角度复用记录方法。等时曝光是指同一个信息位所记　录的Ｎ幅全息图，每张全息图的曝光时间相等。由于光致聚合　物全息记录材料的记录特性是非线性的，光栅强度随着曝光　量的增加而趋于饱和，导致在相同的曝光条件下，同一信息位　随着记录的全息图数量的增加，全息图的衍射效率降低，这种　现象严重影响了图像再现的效果，因此需要设计一种全新的　曝光时序，以实现同一信息位所记录的Ｎ张全息图有相同的　衍射效率。北京工业大学研究人员提出累计光栅与累计曝光　时间之间的函数关系，通过求导，得到光栅强度增长率与曝光　时间之间的五阶多项式函数关系，并计算出每幅全息图需要　的曝光时间。结果表明，通过该方法，衍射效率的均匀性得到　了很大的改善，进一步的研究表明，通过多次迭代可以得到更　精确的曝光时序。　Ｐｓａｌｔｉｓ课题组四在角度复用的基础上又提出了周角复用，即　以材料法线为轴，按照一定的角度步长旋转一周，在每个角度按　照角度复用记录的方法进行记录，实际上，通过这种方法，可大　幅提高记录的容量，记录量＝周角复用记录数量Ｘ角度复用记录　数量。　利用复用记录的特点，清华大学［　ｌ的研究人员开发出一　种动态全息显示的新方法。由于角度记录具有时间上的连贯　性（只需连续改变一定角度即可），所以在读取时也可以具有　连贯性。在读取时通过机电系统控制材料的角度变化，在每　个角度都停留较短的时间，利用人眼的视觉暂留，便可以实　设备管理与维奠２０１８№１（下）匝　
变厚度机翼的多级调节设计　陈柏仪　（南京市第三高级中学，江苏南京２１００００）　摘要：提出一种具有菱形结构的ＳＭＡ驱动器，该驱动器可以进行高度的往复调节，然后将多个ＳＭＡ驱动分级安装到机翼中，利用　多级ＳＭＡ驱动器调节机翼的厚度，使机翼的厚度．－ｑ－￣实现多级调节，以满足飞行器在不同飞行环境下的气动性能需求。　关键词：形状记忆合金；ＳＭＡ驱动器；变厚度机翼；多级调节　中图分类号：Ｖ２２４　０引言　文献标识码：Ｂ　ＤＯＩ：１０．１６６２１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００１—０５９９．２０１８．０１Ｄ．６７　器不仅能够输出大驱动力和大驱动位移，还具有主动变形功能　和较高的功重比。目前，ＳＭＡ驱动器成为了实现变体飞行器变　几何调节的重要技术手段［５－６１。　１　ＳＭＡ驱动器设计　０．１变厚度机翼　变体飞行器是指在飞行器的机翼在飞行过程中，根据不同　的飞行环境，通过改变机翼部件的几何形状、尺寸或者位置，使　得机翼具备不同的形状从而改变飞行姿态，以获得更好的飞行　１．１　ＳＭＡ驱动器结构设计　本文利用形状记忆合金丝的形状记忆效应和菱形连杆结构　性能㈣。改变变体飞行器机翼形状的技术是变几何调节技术。　变几何调节技术是通过驱动器调节不同的机翼部件形状参数，　比如前缘位置、后缘位置、弦线弧度和翼型厚度等。其中，变厚度　机翼是通过改变机翼上表面的蒙皮弧高，改变机翼的厚度。巡航　飞行时，增加机翼的厚度，保证飞行器的升力系数，减小油耗，增　加航程；加速飞行时，减小机翼的厚度，降低飞行器的超速度波　阻，提高飞行器的机动性能【引。　０．２形状记忆合金　的特点，设计了可以进行高度调节的ＳＭＡ驱动器。　如图１（ａ）所示，本文提出的ＳＭＡ驱动器具有菱形的基本　结构，ＳＭＡ驱动器由２根ＳＭＡ丝（ＳＭＡ一１丝和ＳＭＡ一２丝）和４　根连杆（ＡＢ杆、ＢＣ杆、ＣＤ杆和ＤＡ杆）组成，连杆之问的连接方　式为铰接（４个铰接点为　，曰，Ｃ和Ｄ）。需要提出的是，本文不考　虑连杆内力引起的变形，认为连杆均为刚性位移。ＳＭＡ一１丝和　ＳＭＡ一２丝分别连接加热电路，利用焦耳效应的方式进行加热，　形状记忆合金（Ｓｈａｐｅ　Ｍｅ