（光学专业论文）盘式体全息存储关键技术研究.pdf

摘要 两姜 信息技术和计算机技术的高速发展对信息存储技术提出了更高的要求。体全 息存储技术以其存储密度高、存储容量大，数据传输速率高、数据搜索时间短等 优势成为一种颇具潜力的海量信息存储技术。近年来，体全息存储领域的研究热 潮持续高涨。如何充分发挥体全息存储的优势，实现高存储密度、大存储容量， 高数据传输速率的全息信息存储，并完善体存储器的各项性能，推进体全息存储 技术的实用化，是近年来体全息存储领域的研究热点。三维盘式全息存储方案以 其相对简单的光路读写机构以及与现有光盘系统的兼容性，更适合大容量数据存 储的应用，因而也更具实用意义。 本论文立足于体全息存储领域的研究前沿，在已有的理论及研究基础上，着 重于如何实现高密度、高保真度、非易失性的盘式体全息存储的研究。并进一步 优化盘式全息存储的方案和系统，以改善和提高盘式全息存储系统的各项性能， 推进三维盘式全息存储技术的实用化进程。 本论文从研究光折变晶体的全息存储性能入手，深入研究了多重全息存储条 件下晶体噪声特性，采用信噪比损失系数( l s n r ) 重点考察了由于物光长时间照射 晶体而引起的晶体内散射噪声的特性，即物光散射噪声对全息存储中输入图像像 质的影响。并对物光引起的散射噪声特性和参考光引起的散射噪声特性进行了比 较研究。实验结果表明，参考光或物光长时间照明晶体均会在晶体内建立起散射 噪声，且物光的散射噪声影响远比参考光的散射噪声影响显著；氧化态晶体的散 射噪声的影响小于生长态和还原态晶体；反射光路较之透射光路和邻面入射( 9 0 。1 光路更不易受散射噪声影响。为了尽可能的减小散射噪声的影响，实际存储系统 中，应当选用物光散射噪声小的取向，并选择适当的记录方式，适当掺杂和后处 理的晶体来抑制散射噪声对存储图像质量的影响。 针对光折变晶体内光伏噪声的成因，本文提出了抑制光伏噪声的有效方法即 通过在晶体表面镀透明导电膜( 氧化铟锡：i n d i u m t i no x i d e ，简称i t o ) 来短路晶 体。分别研究了晶体在开路模式和短路模式下的噪声情况及主要的全息存储性能 参数变化。实验结果表明，镀i t o 膜使晶体工作于短路模式后，信噪比损失明 显降低，晶体中的光伏噪声被有效抑制。并且短路后晶体的动态范围( ) 有 北京工业大学理学博士学位论文 所提高。利用晶体内单点复用存储多重全息图的实验，进一步验证了工作于短路 模式晶体的动态范围的增加。 在对光折变晶体的全息存储性能和噪声特性进行充分研究的基础上，筛选出 综合性能良好的光折变晶体作为存储介质，采用空间一角度复用技术进行高密度 高保真度全息存储的研究。首先在实验方案的设计上综合考虑了可达到的存储密 度和存储图像的质量，在系统器件的选择和抑制系统中各种噪声方面进行了改进 和创新：配置了高分辨率、多个灰度级的空间光调制器( s l m ) ，以提高单幅存储 页面的信息量和存储密度；采用了高灵敏度的c c d 照相机作为探测器件，以尽 可能的降低探测器噪声对存储图像质量的影响；为了避免反射式记录方式下，参 考光的反射光进入成像系统的缺陷，我们变常规对称光路为非对称光路( 物光入 射角5 0 。，参考光入射角2 2 。) ；我们采用了自行设计的一体式短焦成像镜头，全 视场内消像差，提高了系统成像质量。采用空间一角度复用方式结合会聚的球面 参考光波进行多轨道盘式存储。实现了单幅页面7 6 8 7 6 8 像素，总存储页面 1 0 0 0 0 幅，存储容量5 8 9 8 2 4 m b i t s ，存储密度3 3 7 b i t s 1 1 t m 2 ( 6 7 g b i t s c m 3 ) 的高密 度信息存储。再现全息图的图像质量良好。 为进一步提高光折变全息盘的存储密度，并实现非易失性的全息存储，我f 1 首次将分批热固定方法与盘式存储相结合，提出了分轨道热固定的盘式体全息存 储方案。为实施该方案，对晶体的特征时间常数，尤其是轨道间的擦除时间常数 进行了测量。并发展了空角复用的盘式全息存储的曝光时序的计算模型。利用分 轨道热固定的盘式存储方案，分4 个轨道存储和离线热固定了5 0 0 0 幅高分辨率 的全息图，在光折变晶体盘中实现了更高密度的非易性全息存储。实验实现的面 存储密度为5 0 b i t s p r 0 2 ，体存储密度为1 0 g b i t s c m 3 。 为建立小型、高性能的盘式全息存储系统，推进盘式全息存储技术的实用化 进程，本文对非易失盘式全息存储的方案和全息盘的寻址方式进行了进一步的优 化研究。理论分析了非易失性盘式存储方案实施过程中，离线热固定对晶体夹持 器的复位精度要求，并对实验室现有的晶体盘夹持器的复位性能进行了实验测 量。建立了转台。平台的组合寻址机构，以转台的旋转实现轨道内不同全息图的 寻址，而以平台的水平运动来实现不同轨道上全息图的寻址。通过研究全息图的 选择性随记录光斑位置的变化，合理选择了记录光斑在盘面上的位置，使全息图 i i 摘要 在盘面内尽可能均匀的分布，从而降低整个全息盘内存储全息图的寻址难度。在 以上工作的基础上，给出了本实验室研制的小型高性能的盘式体全息存储系统， 并对该系统的存储能力进行验证。 关键词：盘式全息存储；空间角度复用；光折变晶体；分轨道热固定；全息盘寻址 i l l a b s t r a c t t h eh i g hd e m a n di sp l a c e do nd a t as t o r a g et e c h n o l o g ya st h ei n f o r m a t i o na n d c o m p u t e rt e c h n o l o g yd e v e l o p e dm o r e a n dm o r e r a p i d l y t h ep r o m i s e o fa n e x t g e n e r a t i o no p t i c a ls t o r a g et e c h n o l o g yt h a to f f e r sb o t hh i g h - d e n s i t yv o l u m e t r i c s t o r a g ea n df a s tp a g e o r i e n t e do u t p u th a sd r i v e nr e c e n tr e s e a r c hi nh o l o g r a p h i cd a t a s t o r a g e t h er e s e a r c h e r sp a ym o r ea t t e n t i o nt om a k i n gf u l lu s eo ft h ea d v a n t a g e so f h o l o g r a p h i cs t o r a g et e c h n o l o g yf o c u s i n g o nt h er e a l i z a t i o no f h i g h - d e n s i t y , l a r g e c a p a c i t y ，h i 曲d a t a - t r a n s f e rr a t ea n di m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c e so fh o l o g r a p h i c s t o r a g es y s t e m o w i n gt ot h es i m p l yo p t i c a ts e t - u pa n dt h ec o m p a t i b i l i t yw i t ht h e c o m p a c td i s cs t o r a g es y s t e m ，t h r e e - d i m e n s i o n a lh o l o g r a p h i cd i s ks t o r a g es c h e m ea n d s y s t e mi sm o r es u i t a b l ef o rh u g e c a p a c i t ys t o r a g ei nam e d i u mw i t hal a r g ea r e a t h u s i sm o r ep r a c t i c a l w i t hav i e wt of o r er e s e a r c hf i e l do fh o l o g r a p h i cs t o r a g et e c h n o l o g ya n do nt h e b a s i so fo u rr e s e a r c hg r o u p sp r e v e n i e n tr e s e a r c hw o r k ，t h i st h e s i sf o c u s i n go nt h e s t u d yo fr e a l i z a t i o no fh i 曲一d e n s i t yh i g h f i d e l i t ya n dn o n v o l a t i l eh o l o g r a p h i cd i s k s t o r a g e w h a t sm o r e ，t h eo p t i m i z a t i o no ft h en o n v o l a t i l eh o l o g r a p h i cd i s ks t o r a g e s c h e m ea n ds y s t e mw e r ec a r r i e do u ti no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e so f h o l o g r a p h i cd i s ks y s t e m ，t h u sp u s hh o l o g r a p h i cs t o r a g et e c h n o l o g yi n t ou t i l i t y i nt h i st h e s i st h ee f f e c t so fs c a t t e r i n gn o i s eo ni n p u ti m a g e sf o rh o l o g r a p h i c s t o r a g ei np h o t o r e f r a c t i v el i t h i u mn i o b a t ec r y s t a l sh a v eb e e nd e e p l yi n v e s t i g a t e db y m e a n so fm e a s u r e m e n t so fl o s so fs i g n a l - t o - n o i s er a t i o ( l s n r ) av a r i e t yo fl i t h i u m n i o b a t ec r y s t a l s a m p l e sw i t hd i f f e r e n td o p a n t s ，d i f f e r e n td o p i n gc o n c e n t r a t i o n s ， d i f f e r e n ta n n e a l i n ga f t e rg r o w t h ，a n du s e df o rd i f f e r e n tr e c o r d i n gg e o m e t r i e sa r e s t u d i e d m o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs c a t t e r i n gn o i s e r e s u l t i n g f r o mo b j e c tb e a m s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to f s c a t t e r i n gn o i s er e s u l t i n gf r o mo b j e c tb e a mi sm u c hm o r es i g n i f i c a n tt h a nt h a to f r e s u l t i n gf r o mr e f e r e n c eb e a mt h o u g ht h ei n t e n s i t yo fo b j e c tb e a mm u c h w e a k e rt h a n t h a to fr e f e r e n c eb e a m t h ee f f e c to fs c a t t e r i n gn o i s ei no x i d i z e dc r y s t a l si sl e s s s i g n i f i c a n tt h a nt h a t i nr e d u c e do ra s - g r o w nc r y s t a l s c o m p a r i n gw i t ht r a n s m i s s i o n t v a n d9 0 。r e c o r d i n gg e o m e t r i e s ，r e f l e c t i o ng e o m e t r yi sl e s ss u b j e c tt ot h ee f f e c to f s c a t t e r i n gn o i s e i na d d i t i o nt ot h es c a t t e r i n gn o i s er e s u l t i n gf r o mt h ed e f e c t sa n di m p u r i t yi nt h e c r y s t a l ，p h o t o v o l t a i cn o i s er e s u l t i n gf r o mb u l kp h o t o v o l t a i ce f f e c ti s a l s os i g n i f i c a n t i np h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l s d u r i n gh o l o g r a p h i cr e c o r d i n gt h ep r e s e n c eo fp h o t o v o l t a i c n o i s er e s u l t si nt h ed e c a yo fi m a g ef i d e l i t ya n dt h ep h o t o v o l t a i cd i r e c tc u r r e n tf i e l d a l s ob r i n gn e g a t i v ei m p a c to nh o l o g r a p h i cc h a r a c t e r i s t i c s ap r a c t i c a lm e t h o do f s u p p r e s s i n gp h o t o v o l t a i cd a m a g ei ni r o n - d o p e dl i t h i u mn i o b a t ec r y s t a l si sp r o p o s e d ， i nw h i c ht h es u r f a c e so ft h ec r y s t a la r ec o a t e dw i t ht r a n s p a r e n te l e c t r i c c o n d u c t i v e m a t e r i a l ( i n d i u mt i no x i d e ，i t o ) f o r c i n gt h ec r y s t a lt oo p e r a t ei nas h o r t - c i r c u i t m o d e t h em e a s u r e m e n t so fh o l o g r a p h i cp e r f o r m a n c e so fs e v e r a lc r y s t a ls a m p l e si n b o t ho p e n a n ds h o r t c i r c u i tm o d e ss h o w e dt h a tt h ed y n a m i cr a n g e ( ) o fc r y s t a l s i n c r e a s e di ns h o r t c i r c u i tm o d ew h i l es u p p r e s s i n gt h ep h o t o v o l t a i cn o i s e m u l t i p l e x e d h o l o g r a mr e c o r d i n g s i naf e ：l i n b 0 3c r y s t a l ，w i t ha n dw i t h o u ti t oc o a t i n g r e s p e c t i v e l yv e r i f i e dt h i si n c r e a s eo fd y n a m i cr a n g e w es e l e c t e dad i s k - t y p ep h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a la ss t o r a g em e d i af o rh i 【曲- d e n s i t y l l i g h f i d e l i t yh o l o g r a p h i cs t o r a g eb ye v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c e sa n dt h en o i s el e v e l o ft h ec r y s t a l s a m p l e s ah i g h r e s o l u t i o nr a t i o ( 1 0 2 4 x 7 6 8p i x e l s ) s p a c el i g h t m o d u l a t o r ( s l m ) w a su s e da sp a g ec o m p o s e ri no r d e rt oi m p r o v et h ei n f o r m a t i o n c a p a c i t ya n ds t o r a g ed e n s i t yi ne a c hd a t ap a g e ah i g hs e n s i t i v i t yc c dc a m e r aw a s u s e da sd e t e c t o rs ot h a tt h ed e t e c t i o nn o i s ec a nb es u p p r e s s e de f f e c t i v e l y c u s t o m e r - d e s i g n e df o u r i e rt r a n s f o r ma n di m a g i n go p t i c s w i t hs h o r t f o c a ll e n g t h p r o v i d et i g h t l yc o n f i n e do b j e c tb e a ma tt h ec r y s t a la n dg o o di m a g eq u a l i t yi nt h e d e t e c t o ra r r a y a no p t i m i z e dr e f l e c t i o nc o n f i g u r a t i o na v o i d st h ed e t r i m e n t a ls c a t t e r i n g f r o mt h e c r y s t a ls u r f a c et oe n t e rt h e d e t e c t o r a l lo ft h ea b o v es y s t e md e s i g n c o n s i d e r a t i o n se n s u r et h e i m p l e m e n t a t i o n o ft h e h i g h d e n s i t yh i g h f i d e l i t y h o l o g r a p h i cs t o r a g e t e nt h o u s a n dd a t ap a g e s ，e a c hc o n t a i n i n g7 6 8 x7 6 8p i x e l s ，h a v e b e e ns t o r e di nas i n g l es e c t i o no fad i s k s h a p e d ，i r o n d o p e dl i n b 0 3c r y s t a lu s i n g s p a t i o a n g n l a rm u l t i p l e x i n gw i t hac o n v e r g e n ts p h e r i c a lr e f e r e n c eb e a m ，r e s u l t i n gi na l l a r e a ld e n s i t yo f3 3 7 b i t s m 2a n dav o l u m e t r i cd e n s i t yo f6 7 g b i t s c m 3 t h ei m a g e s v 北京3 2 业大学理学博士学位论文 1 1 w e r er e c o n s t r u c t e dw i t hg o o df i d e l i t y i no r d e rt oi n c r e a s et h es t o r a g e d e n s i t ya n do v e r c o m et h ev o l a t i l i t yo ft h e h o l o g r a p h i cm e m o r i e s ，t h e b a t c h - t h e r m a lf i x i n gs c h e m ev a sc o m b i n e di n t o h o l o g r a p h i c d i s k s t o r a g e ，f o r t h ef i r s tt i m et oo a rk n o w l e d g e ，y i e l d i n gt oa t r a c k ，d i v i s i o nt h e r m a l f i x i n gs c h e m e ( t d t f ) t h r e ep r i n c i p a lh o l o g r a p h i c t i m e - c o n s t a n t so fap h o t o r e f r a c t i v ec r y s t a l ，e s p e c i a l l yt h ei n t e r t r a c ke r a s u r et i m e c o n s t a n tf o rt d t fs c h e m ew e r em e a s u r e d t h ea r i t h m e t i co fe x p o s u r et i m es e q u e n c e w a sd e v e l o p e d ，b a s e do nw h i c ha na p p r o p r i a t ee x p o s u r e t i m es e q u e n c ew a sc a l c u l a t e d a n da p p l i e dt or e c o r dm u l t i p l eh o l o g r a m s 5 0 0 0i m a g e s ，e a c hc o n t a i n s7 6 8x7 6 8 p i x e l s ，d i v i d e di n t o4t r a c k s ，h a v eb e e ns t o r e di nad i s k s h a p e d0 0 3 w t f ed o p e d l i n b 0 3c r y s t a lu s i n gt d t fs c h e m e t h es a m p l e so fr e t r i e v e dh o l o g r a m ss h o w e d a p p r o x i m a t e l ye q u a ld i f f r a c t i o ne f f i c i e n c ya n dg o o df i d e l i t y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t e d i nah i g ha r e a ld e n s i t yo f5 0b i t s p r 0 2a n dv o l u m ed e n s i t yo flog b i t s c m 3 t h eo p t i m i z a t i o no ft h en o n v o l a t i l eh o l o g r a p h i cd i s ks t o r a g es c h e m ea n ds y s t e m w e r ec a r r i e do u t t h er e p o s i t i o na c c u r a c yo f t h ed i s km o u n tw a st h e o r e t i c a l l ya n a l y s i s o nt h eb a s eo ft h e o r e t i c a l l ya n a l y s i st h ed i s km o u n th a sb e e nd e s i g n e da n df i n e l y m a n u f a c t u r e d ，c o n s e q u e n t l y , t h er e p o s i t i o na c c u r a c yo ft h ec r y s t a ld i s kc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n ta f t e rt h ec r y s t a le x p e r i e n c e do f f - l i n et h e r m a lf i x i n g o nt h eo t h e rh a n d ， t h ea d d r e s s i n gr o a d m a po fh o l o g r a p h i cd i s kw a so p t i m i z e d t h r o u g ht h es e l e c t i o no f r e c o r d i n gs p o tp o s i t i o no nt h ec r y s t a ld i s k ，h o r i z o n t a la d d r e s s i n gd i f f e r e n tt r a c k sw a s r e a l i z e dw h i l et h es t o r e dh o l o g r a md i s t r i b u t i n ga sw e l l p r o p o r t i o n e da sp o s s i b l e a l l o ft h ea b o v er e s e a r c hw o r k se n s u r et h ei m p l e m e n t a t i o no ft h em i n i a t u r ea n d h i g h - p e r f o r m a n c eh o l o g r a p h i cd i s ks t o r a g es y s t e m k e yw o r d s ：h o l o g r a p h i cd i s ks t o r a g e ；s p a t i o a n g u l a rm u l t i p l e x i n g ；p h o t o r e f r a c t i v e c r y s t a l ；t r a c k d i v i s i o nt h e r m a lf i x i n g ；h o l o g r a p h i cd i s ka d d r e s s i n g v i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：石玉兰l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：兰互丝导师签名日期：坦6 ：f 第1 章绪论 第1 童绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 现行信息存储技术的状况 信息存储在国民经济建设及现代化军事科学技术中具有十分重要的地位。随 着计算机技术和多媒体技术的发展，需要处理和存储的数据量大幅度增加，人们 对大容量和高速率的信息存储技术的需求也日益迫切。磁盘是发展相当成熟的存 储技术，在一段时间里仍将起重要作用。然而磁存储的面密度在物理上受到超顺 磁性的限制( 即当磁畴体积过于缩小时，使已磁化的磁畴保持定向排列的各向异 性能量会接近磁畴的内能，而引起自发的去磁) 。过去1 0 年中，硬磁盘的面密度 以每年6 0 的速率递增，并且很快逼近超顺磁性极限( 4 0 g b i t s i n 2 ) 就目前而言， 磁存储技术仍在不断的改进以满足人们对存储容量更大、数据传输速度更快的要 求。 光存储是继磁存储之后兴起的重要的信息存储技术。理论估计，光学存储的 面密度为1 肌2 的数量级，其中咒是用于存储的光波长。通过使用多层记录材料、 分区使用记录材料的动态范围或使用多波长寻址光束及短波长记录等技术，可以 使存储密度显著增大。光学方法还可以寻址记录材料的整个体积，存储密度可达 l 膳。若同时在大量可分辨的窄光谱凹陷中进行记录，存储密度还可以提高1 3 个数量级，这是当前任何其它数据存储技术所无法匹敌的 2 1 。 目前最普遍、最成熟的光存储技术是光盘存储。从第一代c d 光盘到v c d 、 d v d 等，光盘存储密度不断上升。光盘存储属于按位的二维光存储。提高光盘的 存储密度和容量首先考虑的就是缩短所用激光器的波长和增大物镜数值孔径即 缩小信息符所占空间的尺寸。从第一代c d 到现今的d v d 光盘，所使用的半导 体激光器的波长已经从8 3 0 n m 缩短到了6 5 0 n m ，物镜数值孔径从0 3 8 增加到了 0 6 ，d v d 光盘的物理密度也比c d 盘提高了4 倍以上【3 。在缩小信息符尺寸的 同时，开发多数据层光盘也是提高光盘存储容量的主要方法。现在，双面双层的 d v d 单盘存储容量已达到1 8 g b i t s 左右。已逐渐发展起来的蓝光光盘，采用4 0 5 n m 的记录光波长和数值孑l 径为o 8 5 的物镜，以及新的存储数据格式，可实现单面 四层( 双面共8 个数据层) 2 0 0 g b 的存储容量 4 】。 1 北京工业大学理学博士学位论文 从目前的发展来看，二维光盘存储技术主要有两个发展方向，一是继续缩小 所使用激光器的波长和增大物镜的数值孔径以减小信息符所占空间的尺寸。这是 当今提高光盘存储密度和容量的主流技术。但由于光学衍射极限( 0 6 1 ) j n a ) 的限 制，使这一技术发展至今所剩的空间已经不大。一方面该方案会导致盘片覆盖层 的厚度降低，使光盘具有较厚保护层的优点逐渐消失。另一方面受机械结构以及 其它相关因素的限制，继续大幅度减小记录光波长和增大物镜数值孔径的难度很 大，从而极大的制约了存储密度的提高【3 1 。 二维光盘存储技术的另一发展方向是发展近场光学存储技术。近场光学存储 可以突破远场衍射极限，获得更小的信息符尺寸，因而可以进一步提高光盘的存 储密度。为实现近场记录和读取，存储系统必须满足两个条件：一是要形成一个 纳米级的透光小孔，二是要控制透光孔和记录介质之间的距离在i 1 0 左右。满 足了上述的两个条件以后，存储点的大小只取决于透光孔的尺寸而不受衍射极限 的约束。这两点要求也正是近场光存储的关键与难点。目前基于近场光学存储的 固体浸没透镜存储方案和超分辨结构光盘技术备受关注，正在加紧研究中【5 “】。 磁盘和光盘都无法将信息存储在材料的整个体积内，多层光盘虽然能提高存 储容量，但允许的层数毕竟有限 2 】。另一方面，就数据传输速率而言，光盘和常 规磁盘相似，均是按位存储和读出的“串行”方式，要求读写头相对记录介质做 机械运动，使数据传输速率受到低速机械运动的限制，即磁盘和光盘的机械运动 寻址方式和按位存取的本质限制了数据传输速率的进一步提高。 计算机技术对信息存取高速、并行性等方面的要求，导致了对体积光存储的 高度兴趣。为了充分利用存储材料的整个体积以提高存储密度和容量，以及数据 传输速率，必须开拓新思路，引进新技术。 1 1 2 三维光存储技术的发展 三维光存储技术有希望达到万亿字节的容量，毫秒和亚毫秒的存取时间，以 及g b i v s g l j t b i t s 量级的数据传输速率。一种典型的体积光存储技术是双光子存储 【7 】o 双光子过程指的是：介质中的分子同时吸收两个不同光束中的两个光子而被 激发到高的电子能态。两个光予的波长可以相同也可以不相同。第一个光子把分 第】章绪论 子激发到一个中间的虚拟态，第二个光子继续将分子激发到实际的激发态。双光 子激发过程的速率正比于入射光强度的平方，故只有在光强度极高的两光束聚焦 区域才能发生双光子激发。因此，光化学过程只局限在焦点附近极小的空间内， 导致空间分辨本领的提高。双光子过程中，两个光子中任何一个的波长都不能单 独的被吸收，只有两个波长的组合才能与分子的跃迁相谐振。故两个光子必须在 时间上和空间上都相互重叠，才能引起双光子吸收。 当两光束沿不同方向照射并聚焦到材料的同一区域，确定了一个微小的重叠 区域。在此区域中发生双光子过程后，分子发生了改变，使材料的理化特性改变， 从而记录了一个信息位。可用来存储信息位的材料局部性质变化包括折射率、吸 收率、荧光特性或材料电特性等方面的改变。信息仅仅存储在两光束相交的地方， 使得三维体积中的任何一点都可以被独立寻址 ”。 双光子存储与光盘存储相同的是其存储方式，它也是按位存储的，对每一数 据位分配了特定的物理位置。但采用双光子存储技术可以使各个独立的信息位遍 布材料的体积，从而大大提高存储容量引。但是，这种空间打点式的三维寻址方 式难以实现高度并行的无机械运动寻址；特别是，由于材料稳定性和室温寿命的 原因，这一技术离实用化还有相当的距离 “。要寻求一种既能增加存储容量，又 能减少存取时间，还能保持较低的信息位价格的海量存储技术，体全息存储则是 一条可循的途径。 体全息技术是2 0 世纪6 0 年代随着激光全息术的发展而出现的一种高密度三 维光存储技术。其原理简图示于图1 1 。同一束激光分为两束，物光经过空间调 制而携带信息，参考光以特定方向直接到达记录介质，不同的数据图像与不同的 参考波面一一对应，在两相干光束相交的介质体积中形成干涉条纹。在写入过程 中，材料对干涉条纹照明发生响应而产生折射率分布，因而在材料中形成类似光 栅结构的全息图。读出过程利用了光栅结构的衍射，用适当选择的参考光( 是写 入过程中某一参考光的复现) 照明全息图，使衍射光经受空间调制，从而复现出 写入过程中与此参考光相干涉的数据光束的波面，这就是体全息存储的基本原 理。 北京工业大学理学博士学位论文 ( a ) 记录过程 ( b ) 读出过程 图1 - 1 体全息存储原理示意图 f i g 1 1v o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e ( a ) r e c o r d i n ga n d ( b ) r e a d i n go u to f h o l o g r a m s 与磁存储和光盘存储技术相比，体全息存储有以下特点和优点【1 1 ： 高冗余度：以全息图形式存储的信息是分布式的，每一信息单元都存储在全 息图的整个表面上( 或整个体积中) ，故记录介质局部的缺陷或损伤不会引起信 息单元的丢失。这得益于全息图的波面再现性质，是其他任何存储技术所无法具 有的。 高存储容量：按照三维光学存储数据密度的理论上限l ，以记录光波长 扣1 u m 计算，体全息数据存储的理论存储密度可达1 0 1 2 b i t s c m 3 。 非常高的数据传输速率和很快的存取时间：全息存储中数据是以页面的形式 存储和恢复的。每一页中的所有位都并行地记录和读出，而不是像磁盘和光盘那 样，数据位以串行方式逐点存取。此外，全息存储器不一定要用磁盘和光盘存储 系统中必需的机电式读写头，而可以用无惯性的光束偏转( 例如声光偏转器) 、 参考光的空间相位调制或波长调谐等手段，在数据检索过程中有可能进行非机械 的寻址，使寻址一个数据页面的时间小于1 0 0 p s ，而磁盘系统的机械寻址需要l o m so 可进行并行内容寻址：全息存储器可以直接输出数据页或图像的光学再现， 这使信息检索以后的处理更为灵活。例如，任何全息存储器通过工作在傅里叶变 换域都能够执行相关操作。采用适当的光学系统，有可能一次读出存储在整个全 息存储器中的全部信息，或在读出过程中同时与给定的输入图像进行相关，完全 并行地进行面向图像( 页面) 的检索和识别操作。 4 第1 章绪论 目前正在迅速发展的盘式体全息存储技术，其存储密度可达1 0 0 b i t s g m 2 以 上 9 ，数据传输率容易达到1 g b i t s 以上，是磁盘的2 0 0 倍 1 0 l 。同时，由于光全 息记录具有并行性和进行内容寻址等特点，因此在光互连、神经网络及智能计算 机等领域均有广泛的应用前景，是极具潜力的下一代存储器。近几十年来体全息 存储领域的研究非常活跃，并取得了一系列的重大进展。接下来我们将详细介绍 体全息存储领域的国内外研究状况和近年来所取得的进展。 1 2 体全息存储领域的研究进展 在全息术发展初期，全息图就被看作是有潜力的光学存储方式。上世纪6 0 年代末发现光折变效应以后，使得光折变晶体中的体全息存储又一度成为研究热 点。并曾提出过许多设计精巧的方案。美国r c a 公司在1 9 7 5 年便首次报导了在 1 立方厘米掺铁铌酸锂晶体中记录了5 0 0 幅全息图。这些早期的工作虽然很出色， 但没有研制出实用的系统】。 8 0 年代末9 0 年代初，光学数据库”l 、光学神经网络【m 15 1 、光学互连 1 6 “1 8 】、 模式识别【1 9 】等方面的研究热潮，再度引发了人们对全息存储的兴趣。在光折变记 录材料、激光器、空间光调制器( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ，简称s l m ) 和i 高性能光 电探测器阵列( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ，简称c c d ) 方面所取得的实际进展，促使 研究者们对实用化体全息存储器技术和系统做出了良好预期 2 0 2 2 1 ，并在存储方 法和存储材料等方面纷纷加紧进行研究。研究表明，全息存储器有望存储几千亿 字节数据，以每秒1 0 亿位或更快的速度传送数据，并在1 0 0 微秒或更短的时间 内随机选择一个数据页面。 对体全息存储器的上述三项预期，再次引发了世界范围内的体全息存储研究 热潮。例如，1 9 9 5 年由美国政府高级研究项目局、i b m 公司的a l m a d e n 研究中 心、斯坦福大学、g t e 公司、o p t i t e k 公司、s r i 国际组织、休斯公司和r o c k w e l l 科学中心等联合成立了协作组织，在美国国家存储工业联合会的主持下，投资约 7 0 0 0 万美元，实施了光折变信息存储材料( p r i s m ) 项目和全息数据存储( h d s s ) 系统项目，其目标是开发出具有容量为1 万亿位数据、存取速率为1 0 0 0 m b s 的 一次写入和重复写入的全息数据存取系统 1 l 】。日本和欧洲的一些大公司和科研机 构也投入了大量的人力物力，进行体全息存储领域的研究。国内众多高校和科研 机构近年来也加紧了这方面的研究。 北京工业大学理学博士学位论文 纵观近年来体全息存储领域已发表的研究论文，该领域的研究状况及取得进 展主要表现在以下几个方面： 1 ) 存储材料