第五章：光存储材料

1、数字信息存储数字信息存储信息产生：能量在时间或者空间上的分布信号：传递信息的能量信号：传递信息的能量噪声：那些被检测到但并非我们所需要信息的能量噪声：那些被检测到但并非我们所需要信息的能量信息的存储：介质存储某一时刻的空间能量分布，并在此信息的存储：介质存储某一时刻的空间能量分布，并在此之后给与再现。之后给与再现。光学存储：用介质记录光强的分布，经过激发，这个介质光学存储：用介质记录光强的分布，经过激发，这个介质能忠实的还原先前存储的光强分布！能忠实的还原先前存储的光强分布！5.1 信息存储技术发展史信息存储技术发展史结绳记事结绳记事文字出现文字出现磁盘产生磁盘产生光盘应用光盘应用5.2 光信

2、息存储技术光信息存储技术光信息存储技术：利用光信息存储技术：利用特定波长的光特定波长的光作为信息的读写工具，从作为信息的读写工具，从信息存储介质中读出或向信息存储介质中写入信息。信息存储介质中读出或向信息存储介质中写入信息。光信息存储光源：光信息存储光源：激光激光（相干性、单色性、方向性）（相干性、单色性、方向性）光光信信息息存存储储分分类类全息存储全息存储逐点存储逐点存储利用全息照相原理，将信息存储在记录介质中，读出时，利用全息照相原理，将信息存储在记录介质中，读出时，通过光电探测器将光信号再转变成电信号输出。通过光电探测器将光信号再转变成电信号输出。通过受信号调制的激光束与记录介质相互作用

3、时产生的状态变化逐点通过受信号调制的激光束与记录介质相互作用时产生的状态变化逐点记录信号，读出时再用激光束投射到记录介质表面，从反射光的强度记录信号，读出时再用激光束投射到记录介质表面，从反射光的强度变化中读出信息。变化中读出信息。5.3 光信息存储技术优点及性能指标光信息存储技术优点及性能指标1、信息存储密度高、信息存储密度高2、易于快速随机存取、易于快速随机存取3、能存储图像和数字两种信息、能存储图像和数字两种信息4、价格低廉，使用方便、价格低廉，使用方便5、保存方便，且不易丢失、保存方便，且不易丢失光信息存储技术优点：光信息存储技术优点：光信息存储技术性能指标光信息存储技术性能指标:1、

4、存储容量：、存储容量：存储单元的数量存储单元的数量2、存储密度：、存储密度：存储器单位面积上所能记存的数的多少存储器单位面积上所能记存的数的多少3、存储周期：、存储周期：存或取一个数据所需要的时间存或取一个数据所需要的时间65.4 光全息存储材料光全息存储材料1948年伽伯（年伽伯（D. Gabor，全息照相之父全息照相之父）发现）发现 全息照相基本原理，全息照相基本原理，19世纪世纪60年代后迅速发展，年代后迅速发展，1971年度的诺贝尔物理学奖。年度的诺贝尔物理学奖。 1、全息照相术的简介：、全息照相术的简介：利用干涉和衍射原理记录并再现物体光波波前的一种技术利用干涉和衍射原理记录并再现物

5、体光波波前的一种技术 全反射镜全反射镜被摄物体被摄物体曝光定时器曝光定时器激光束激光束分束镜分束镜全反射镜全反射镜扩束镜扩束镜全息干板全息干板三维三维2、全息照相术的基本原理：、全息照相术的基本原理：是基于干涉、衍射的原理是基于干涉、衍射的原理 全息照相过程包含记录和再现两过程全息照相过程包含记录和再现两过程:（1）用干涉方法记录物光波的全部信息；）用干涉方法记录物光波的全部信息；（2）用衍射方法再现物体的光学现象。）用衍射方法再现物体的光学现象。（一）波前的全息记录（一）波前的全息记录(拍摄过程拍摄过程):照明光照明光H全息干板全息干板2、全息照相术的基本过程、全息照相术的基本过程把一束激光

6、分为两束，其中把一束激光分为两束，其中一束直接一束直接照到全息干板上照到全息干板上，称为参考光，称为参考光R，另另一束照射到被摄物体上一束照射到被摄物体上，经物体反射，经物体反射后再照射到干板上，称为物光后再照射到干板上，称为物光O。这两束光在全息板上相遇并产生干涉，这两束光在全息板上相遇并产生干涉，经过显影、定影等暗室处理后，底片经过显影、定影等暗室处理后，底片上形成明暗的复杂的干涉条纹，形成上形成明暗的复杂的干涉条纹，形成全息图全息图 底片上以干涉条纹的形式记录下物光波的全部信息底片上以干涉条纹的形式记录下物光波的全部信息(强度和位相强度和位相)干涉图样的明暗对比程度干涉图样的明暗对比程度

7、反映了反映了物光波相对于参考物光波相对于参考光波之间振幅的变化；光波之间振幅的变化；干涉图样的形状和疏密变干涉图样的形状和疏密变化反映了化反映了物光波和参考光物光波和参考光波之间的相位变化。波之间的相位变化。首先利用光的干涉原理，从物体上首先利用光的干涉原理，从物体上发出的光波与参考光波发出的光波与参考光波发生干涉，记录干涉图发生干涉，记录干涉图样。由于干涉图样中既记录了样。由于干涉图样中既记录了光波的光强光波的光强，又记录了，又记录了光波的相位光波的相位，故记录了相干，故记录了相干光及物体光波的全部信息。光及物体光波的全部信息。干涉图样为什么能记录相位呢？由图中的几何关系得：由图中的几何关系

8、得：此式表明，在底片上同一处，来自物体上不同点的光，由此式表明，在底片上同一处，来自物体上不同点的光，由于于 它们的它们的 或或 不同，与参考光形成的干涉条纹的间距不同，与参考光形成的干涉条纹的间距就不同，因此就不同，因此底片上各处干涉条纹的间距反映了物光相位底片上各处干涉条纹的间距反映了物光相位的不同，也反映了物体上各发光点的位置的不同。的不同，也反映了物体上各发光点的位置的不同。sindxxrdxsinrO 为物体上某一发光点。设为物体上某一发光点。设A,B为为底片上两条相邻的暗纹，在底片上两条相邻的暗纹，在A,B两两处的物光和参考光必须都反相。由处的物光和参考光必须都反相。由于参考光在于

9、参考光在A,B两处是同相位的，两处是同相位的，所以到达所以到达A,B两处的物光的光程差两处的物光的光程差等于激光的波长等于激光的波长 。1级级0级级+1级级虚像虚像再现是衍射的结果再现是衍射的结果（二）物光波前的再现（二）物光波前的再现: (成像过程成像过程)利用衍射原理再现物质光波利用衍射原理再现物质光波用一束参考光（在大多数情况下是用一束参考光（在大多数情况下是与记录全息图时用的参考光波完全与记录全息图时用的参考光波完全相同）照射在全息图上，就好像在相同）照射在全息图上，就好像在一块复杂光栅上发生衍射，在衍射一块复杂光栅上发生衍射，在衍射光波中将包含有原来的物光波，因光波中将包含有原来的物

10、光波，因此当观察者迎着物光波方向观察时，此当观察者迎着物光波方向观察时，便可看到物体的再现像。便可看到物体的再现像。 全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，它的每一部分都全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。 4、在同一张照片上，可以重叠数个不同的全息图。、在同一张照片上，可以重叠数个不同的全息图。光全息照相的特点光全息照相的特点1、相干片上的花纹与被摄物体无任何

11、相似之处，在相干光束的、相干片上的花纹与被摄物体无任何相似之处，在相干光束的照射下，物体图像却能如实重现。照射下，物体图像却能如实重现。2、立体感很明显（三维再现性），如某些隐藏在物体背后的东、立体感很明显（三维再现性），如某些隐藏在物体背后的东西，只要把头偏移一下也可以看到。视差效应很明显。西，只要把头偏移一下也可以看到。视差效应很明显。3、全息图打碎后，只要任取一小片，照样可以用来重现物光波。、全息图打碎后，只要任取一小片，照样可以用来重现物光波。此时存储是由多个层面组成的存储，每一层中记录的页面存储采用了不同的编码。当一指定层被选出来写入或读出数据时，其他各层必须有效当一指定层被选出来写

12、入或读出数据时，其他各层必须有效地不被激活。地不被激活。在全息三维光学存储器中，输入的二维页面信息被编码并分在全息三维光学存储器中，输入的二维页面信息被编码并分布到整个存储空间。布到整个存储空间。光全息照相的特点光全息照相的特点在最简单的光学系统中，页面存储是被显示在页面编排器在最简单的光学系统中，页面存储是被显示在页面编排器上的，这是一种空间光调整器。上的，这是一种空间光调整器。像面全息图像面全息图空间光调整器空间光调整器全息记全息记录介质录介质参考光参考光参考光参考光记录记录再现再现平面全息存储器平面全息存储器只有用与记录全息图所用参考光束完全相同的光作为参考光只有用与记录全息图所用参考光

13、束完全相同的光作为参考光束才能再现物，这一特征提供了复用能力。束才能再现物，这一特征提供了复用能力。参考光束相继以不同的入射角投向同一张胶片上，就可以记参考光束相继以不同的入射角投向同一张胶片上，就可以记录多张全息图。录多张全息图。特定角度的参考光只再现特定位置上记录的物，而其他物的特定角度的参考光只再现特定位置上记录的物，而其他物的再现位置是偏移的。再现位置是偏移的。需要高功率激光器和需要高功率激光器和复杂光学元件复杂光学元件页面存储的大小受空间光调制器和列阵探测器技术发展水平页面存储的大小受空间光调制器和列阵探测器技术发展水平的限制，也受到透镜和系统中其他光学元件大小的限制。的限制，也受到

14、透镜和系统中其他光学元件大小的限制。堆叠全息图三维存储器堆叠全息图三维存储器如果能够选择激活任意一层，那么几个平面全息图就能以分如果能够选择激活任意一层，那么几个平面全息图就能以分层的结构方式堆叠在一起形成三维光学存储器。层的结构方式堆叠在一起形成三维光学存储器。设计思想设计思想采用双光子吸收材料的光子选通三维存储器采用双光子吸收材料的光子选通三维存储器采用电子俘获材料的叠层三维存储器采用电子俘获材料的叠层三维存储器电信号电信号可以激活可以激活选定的层。选定的层。堆叠全息图的三维光学存储器堆叠全息图的三维光学存储器Thaxster和和Kestigian在在1974年证实，外加电场可以控制年证实

15、，外加电场可以控制SBN全息图记录的灵敏度和全息图再现中的衍射效率。全息图记录的灵敏度和全息图再现中的衍射效率。铌酸锶钡铌酸锶钡( )( )通常写为通常写为SBNSBN，是一种可以用来产是一种可以用来产生全息图的生全息图的光折变材料。光折变材料。261xxSr BaNb O55 10 V m当在合适的方向加外场，且外场达到当在合适的方向加外场，且外场达到灵敏度增加，能够记录全息图灵敏度增加，能够记录全息图外电场提供的漂移场促进了外电场提供的漂移场促进了光离化电荷的分离。光离化电荷的分离。nE SBNSBN层的堆叠层的堆叠注意，电极应放在注意，电极应放在SBNSBN层的边缘。层的边缘。陷进中电子

16、被激发陷进中电子被激发杂质离子均匀分布杂质离子均匀分布光光电子扩散电子扩散和漂移和漂移电荷重新分布电荷重新分布3Fe2Fe2Fe3Fe隐藏：加对抗场，增强记录的电场方向相反隐藏：加对抗场，增强记录的电场方向相反记录：加增强记录的电场方向相同记录：加增强记录的电场方向相同再记录：加增强记录的电场方向相同再记录：加增强记录的电场方向相同2Fe3Fe衍射效率衍射效率降低降低SBN层的堆叠层的堆叠Chen和和Brady提出了用提出了用PVA叠层和偏振转动器构成三维存叠层和偏振转动器构成三维存储器件的建议。储器件的建议。用用PVA层存储全息图，每一层层存储全息图，每一层PVA上有偏振旋转器，它是上有偏振

17、旋转器，它是由一对透明电极之间夹一层液晶而成。由一对透明电极之间夹一层液晶而成。PVA特点特点只有在特定的偏振态下才能记录和再现全息图。只有在特定的偏振态下才能记录和再现全息图。PVA叠层结构叠层结构PVA层堆叠层堆叠未加电压时，液晶旋转器可以将入射光的偏振态旋转未加电压时，液晶旋转器可以将入射光的偏振态旋转9090（ONON）；）；加上电压后，液晶偏振旋转器将不影响入射光的偏振态（加上电压后，液晶偏振旋转器将不影响入射光的偏振态（OFFOFF）。）。液晶偏转器工作过程液晶偏转器工作过程带有细小沟槽的配向膜，作用带有细小沟槽的配向膜，作用是使液晶分子沿着沟槽排列是使液晶分子沿着沟槽排列ONON

18、态态OFFOFF态态入射光偏振方向是入射光偏振方向是0，且激活，且激活PVA层要求层要求90。液晶偏振器在液晶偏振器在OFF态时，入射光通过态时，入射光通过PVA层不受影响；层不受影响；液晶偏振器在液晶偏振器在ON态时，入射光偏振态旋转态时，入射光偏振态旋转90，激活，激活选定的选定的PVA层，下一个层，下一个PVA层也置于层也置于ON态，入射光偏振态，入射光偏振态又回到态又回到0。PVA叠层三维存储器工作原理叠层三维存储器工作原理被记录的三维干涉图样称为体全息图，在再现过程中，它又被记录的三维干涉图样称为体全息图，在再现过程中，它又可以转换成最初的二维图样。可以转换成最初的二维图样。提高存储

19、提高存储容量容量图的再现受布拉格条件的限制，相同波长的再现光束的照射图的再现受布拉格条件的限制，相同波长的再现光束的照射角度必须与记录过程中的参考光束记录角度相同。角度必须与记录过程中的参考光束记录角度相同。体全息图再现要求体全息图再现要求在普通应用中，平面全息图用来产生物体的三维显示；在普通应用中，平面全息图用来产生物体的三维显示；在数字光学存储应用中，体全息图用于记录和显示二维页面在数字光学存储应用中，体全息图用于记录和显示二维页面存储。存储。具有三维衍射光具有三维衍射光栅的性质栅的性质体全息三维光学存储器体全息三维光学存储器具有独创性设计具有独创性设计的第一个三维全息光学存储器原型是的第

20、一个三维全息光学存储器原型是DAuria等人等人1974年提出的，它基于下图所示的结构，只是每一个微年提出的，它基于下图所示的结构，只是每一个微小的平面亚全息图替换为掺铁铌酸锂小的平面亚全息图替换为掺铁铌酸锂体亚全息图体亚全息图。偏转器将参考光束定位到全息片的亚全息图上以再现页面存储偏转器将参考光束定位到全息片的亚全息图上以再现页面存储三维全息光学存储器研究进展三维全息光学存储器研究进展工艺用用SBN光纤制作微体积亚全息图，其直径为光纤制作微体积亚全息图，其直径为1mm，长度为长度为4mm，存储容量为存储容量为3050个页面。个页面。材料易材料易生长生长进展进展Mok等人后又将等人后又将500

21、0张全息图存储在张全息图存储在2cmX1.5cmX1cm掺掺铁铌酸锂晶体内。铁铌酸锂晶体内。Mok等人成功的将等人成功的将500张张320X320像素图像全息图存储在像素图像全息图存储在1cmX1cmX1cm掺铁铌酸锂晶体内。掺铁铌酸锂晶体内。实验装置必须具备下述的三个基本条件：实验装置必须具备下述的三个基本条件：3高分辨率的感光底片。高分辨率的感光底片。当物光与参考光之间的夹角当物光与参考光之间的夹角=60时，时，=632.8nm=632.8nm时，时，d=0.6328md=0.6328m 干涉条纹宽度：干涉条纹宽度：1一个好的相干光源。激光，时间相干与空间相干；一个好的相干光源。激光，时间

22、相干与空间相干；2一个稳定性较好的防震台。干涉条纹宽度属于波长数量级；一个稳定性较好的防震台。干涉条纹宽度属于波长数量级；全息照相是全息照相是干涉记录干涉记录，要求参考光束与各，要求参考光束与各个物点的物光束彼此都是相干的个物点的物光束彼此都是相干的普通照相只是像的普通照相只是像的强度记录强度记录，并不，并不要求光源的相干性，用普通光源就要求光源的相干性，用普通光源就可以了可以了光全息照相与普通照相的区别光全息照相与普通照相的区别全息照相全息照相普通照相普通照相全息照相过程分记录、再现两步，它是以全息照相过程分记录、再现两步，它是以干涉干涉衍射等波动光学的规律衍射等波动光学的规律为基础的。为基

23、础的。普通照相过程是以普通照相过程是以几何光学的规律几何光学的规律为基为基础的。础的。全息图所记录的是物体各点的全部光信息，全息图所记录的是物体各点的全部光信息，包括包括振幅和位相振幅和位相普通照相底片记录的仅是物体各点普通照相底片记录的仅是物体各点的的光强（或振幅）光强（或振幅）全息照相过程中物体与底片之间是点面对全息照相过程中物体与底片之间是点面对应的关系，即每个物点所发射的光束直接应的关系，即每个物点所发射的光束直接落在记录介质整个平面上。反过来说，落在记录介质整个平面上。反过来说，全全息图中每一个局部都包含了物体各点的光息图中每一个局部都包含了物体各点的光信息信息普通照相过程中物像之间

24、是点点对普通照相过程中物像之间是点点对应的关系，即应的关系，即一个物点对应像平面一个物点对应像平面中的一个像点中的一个像点全息图能完全再现原物的波前全息图能完全再现原物的波前，因而能观，因而能观察到察到一幅非常逼真的立体图像一幅非常逼真的立体图像普通照相得到的只能是普通照相得到的只能是二维的平面二维的平面图像图像动态全息图动态全息图 白光全息图白光全息图 真彩全息图真彩全息图 光全息图片光全息图片全息照相的应用全息照相的应用1、全息干涉测量、全息干涉测量 全息干涉测量特别适用于各种材料的无损检验。全息干涉全息干涉测量特别适用于各种材料的无损检验。全息干涉测量技术是把全息照相和干涉测量技术结合在

25、一起形成的，也测量技术是把全息照相和干涉测量技术结合在一起形成的，也叫三维干涉测量技术。叫三维干涉测量技术。 一个被测物体经过全息照相后，即记录了该物体的一个一个被测物体经过全息照相后，即记录了该物体的一个精确的形象。如果物体以后发生了精确的形象。如果物体以后发生了某种形变某种形变，可以把这个物，可以把这个物体经全息照相体经全息照相记录的形状记录的形状与被记录的物体的与被记录的物体的原始形状原始形状进行光进行光学比较，从而精确地指出物体形状的微小变化，尽而判断物学比较，从而精确地指出物体形状的微小变化，尽而判断物体的某些性质和状态。体的某些性质和状态。 其具体方法有一次曝光法和二次曝光法。其具

26、体方法有一次曝光法和二次曝光法。 2、全息照相制作光学元件、全息照相制作光学元件用全息照相法制作光学元件，能大大地改善光学元件的性能。用全息照相法制作光学元件，能大大地改善光学元件的性能。例如，用全息法制作光栅完全摆脱了机械刻划的陈旧方式。采例如，用全息法制作光栅完全摆脱了机械刻划的陈旧方式。采用记录干涉条纹的照相方法可以方便地得到质量较好的衍射光用记录干涉条纹的照相方法可以方便地得到质量较好的衍射光栅。这种全息光栅的特点：杂散光很小，且一般来说分辨率高。栅。这种全息光栅的特点：杂散光很小，且一般来说分辨率高。全息图还可以制作波带片等光学元件及作为防伪商标。全息图还可以制作波带片等光学元件及作

27、为防伪商标。5.3 5.3 光学存储光学存储介质介质照相胶片（照相胶片（photographic），），或者叫卤化银胶片，是用来存储图或者叫卤化银胶片，是用来存储图像的最常用的介质。像的最常用的介质。胶片或者照相干板通常以胶片或者照相干板通常以透明的醋酸纤维胶片或者玻璃透明的醋酸纤维胶片或者玻璃作为基作为基片，在其上镀一层感光乳胶。乳胶有大量微小的感光卤化银颗片，在其上镀一层感光乳胶。乳胶有大量微小的感光卤化银颗粒组成，这些颗粒悬浮在明胶当中。粒组成，这些颗粒悬浮在明胶当中。卤化银乳胶可以用来产生相位调制和振幅调制卤化银乳胶可以用来产生相位调制和振幅调制存储机制存储机制5.3.1 照相底片照相

28、底片最初溴离子吸收光子产生一个溴原子：最初溴离子吸收光子产生一个溴原子：AgBr AgBr0e吸收光吸收光银离子能与电子结合产生银原子银离子能与电子结合产生银原子AgeAg0提供了潜影提供了潜影 照相底片照相底片当感光乳胶曝光时，一些卤化银颗粒吸收光能后发生复杂的物理化当感光乳胶曝光时，一些卤化银颗粒吸收光能后发生复杂的物理化学变化，吸收足够能量的颗粒马上会还原为银原子。学变化，吸收足够能量的颗粒马上会还原为银原子。生成的明胶乳剂熔化后涂布在玻璃板或塑料片基上，形成照相干板。生成的明胶乳剂熔化后涂布在玻璃板或塑料片基上，形成照相干板。照相三步骤曝光曝光显影显影定影定影5.3 5.3 光学存储介

29、质光学存储介质根据底片的感光特性及当时的照明条件，选择适当的根据底片的感光特性及当时的照明条件，选择适当的曝光量将底片曝光，使其在底片上形成潜像曝光量将底片曝光，使其在底片上形成潜像显影的作用是使有潜像的底片在显影液的化学作用下，显影的作用是使有潜像的底片在显影液的化学作用下，以潜像上已析出的银原子为显影中心，将附近卤化银微以潜像上已析出的银原子为显影中心，将附近卤化银微粒的银原子还原出来。析出的银粒子数目与感光强弱成粒的银原子还原出来。析出的银粒子数目与感光强弱成正比。显影一定时间后，就会显现出黑白图像正比。显影一定时间后，就会显现出黑白图像其作用是将底片上未起光化作用的卤化银微粒从片基上其

30、作用是将底片上未起光化作用的卤化银微粒从片基上溶去，以防止它们继续感光变黑。溶去，以防止它们继续感光变黑。如果将牛的软骨、蹄和骨头放在一起煮足够长的时间，它们如果将牛的软骨、蹄和骨头放在一起煮足够长的时间，它们最终将成为胶状，这些胶在经过提炼可以得到明胶。最终将成为胶状，这些胶在经过提炼可以得到明胶。明胶胶片可以通过在衬底上明胶胶片可以通过在衬底上浸涂浸涂( (dip-coating)dip-coating)或者或者刮制刮制( (doctor-doctor-blading)blading)的方法获得的方法获得提取方法提取方法明胶遇水膨胀。明胶本身对光不敏感，用化学敏化方法增加其感光明胶遇水膨胀

31、。明胶本身对光不敏感，用化学敏化方法增加其感光性，通常是在其中加入重铬酸铵性，通常是在其中加入重铬酸铵(NHNH4 4 2 2CrCr2 2O O7 7) )，它能够使明胶内部它能够使明胶内部发生变化从而对光敏感。发生变化从而对光敏感。明胶特点明胶特点5.3.2 重铬酸盐明胶重铬酸盐明胶明胶光化学反应明胶光化学反应6rC吸光吸光3rC3rC明胶明胶明胶交叉明胶交叉连接变多连接变多明胶明胶水水膨胀变弱膨胀变弱浸泡浸泡明胶中产生明胶中产生折射率差折射率差明胶明胶酒精酒精脱水脱水聚合过程就是两个或者多个相同物质的分子在一起形成聚合过程就是两个或者多个相同物质的分子在一起形成一个新的分子（聚合体），这

32、个分子和原来的物质分子一个新的分子（聚合体），这个分子和原来的物质分子（单体）具有相同的组分，其分子量是组成聚合体的原（单体）具有相同的组分，其分子量是组成聚合体的原始分子量的整数倍。始分子量的整数倍。商用的光聚合物是由单体和光敏物质通过聚合胶混合形成的软片。商用的光聚合物是由单体和光敏物质通过聚合胶混合形成的软片。聚合定义聚合定义光聚合物（光聚合物（photoploymer）5.3.3 光敏聚合物光敏聚合物光聚合过程光聚合过程聚合体的浓度变化聚合体的浓度变化荧光曝光荧光曝光使图像稳定，实现折射率调制使图像稳定，实现折射率调制曝光曝光单体聚合单体聚合光聚合物光聚合物单体扩散单体扩散v光刻胶是一

33、种有机光敏材料，它广泛应用于集成电路光刻胶是一种有机光敏材料，它广泛应用于集成电路(IC)芯芯片制造的光刻过程。片制造的光刻过程。负型胶负型胶：在曝光之后，光刻胶会由于聚合或者其他过程变得不溶在曝光之后，光刻胶会由于聚合或者其他过程变得不溶于溶剂，那些没有曝光的部分被冲洗掉之后就剩下了曝光的图像。于溶剂，那些没有曝光的部分被冲洗掉之后就剩下了曝光的图像。正型胶正型胶：感光的光刻胶溶于显影溶液的感光的光刻胶溶于显影溶液的图像以浮雕图样被记录下来图像以浮雕图样被记录下来光刻胶有两种类型：正型胶和负型胶。光刻胶有两种类型：正型胶和负型胶。5.3.4 光刻胶光刻胶5.3.4 光刻胶光刻胶光刻胶由三部分

34、组成：光刻胶由三部分组成：1 1，感光剂；，感光剂；2 2，增感剂；，增感剂；3 3，溶剂。，溶剂。超分辨率干版就是在玻璃基片表面上涂布一层含颗粒极超分辨率干版就是在玻璃基片表面上涂布一层含颗粒极细的卤化银乳胶细的卤化银乳胶乳胶的成分：乳胶的成分：乳化剂乳化剂、分散介质分散介质和和辅助剂辅助剂等等乳化剂：硝酸银和卤化物乳化剂：硝酸银和卤化物(溴化钾，碘化钾、氯化钠等溴化钾，碘化钾、氯化钠等)分散介质：明胶。它易溶于热水，冷凝后成固体状态，分散介质：明胶。它易溶于热水，冷凝后成固体状态，其分子链的连接是通过链上某些氨基其分子链的连接是通过链上某些氨基(NH)中的氢和中的氢和相邻分子链上羰基相邻分

35、子链上羰基( =C=O)中的氧所形成的氢健。中的氧所形成的氢健。增感剂的作用是使增感剂的作用是使卤化银的感光范围展宽卤化银的感光范围展宽防灰雾剂的作用是防灰雾剂的作用是抑制乳胶中灰雾中心的形成抑制乳胶中灰雾中心的形成，常用的防，常用的防灰雾剂有苯酚三氮唑、溴化钾等灰雾剂有苯酚三氮唑、溴化钾等分散介质分散介质(或载体或载体)在乳胶中起在乳胶中起分散介质和支撑体分散介质和支撑体的作用。的作用。辅助剂：辅助剂：增感剂增感剂、防灰雾剂防灰雾剂、稳定剂稳定剂以及以及坚膜剂坚膜剂等等5.3.4 光刻胶光刻胶负性光刻胶分类：负性光刻胶分类：依依曝光时抗蚀剂结构变化曝光时抗蚀剂结构变化的方式，又有两种典型类型

36、。的方式，又有两种典型类型。一种是一种是利用抗蚀剂分子本身的感光性官能团利用抗蚀剂分子本身的感光性官能团，如双健等进行交，如双健等进行交链反应形成三维的网状结构链反应形成三维的网状结构另一种是利用另一种是利用交链剂交链剂(又称架桥剂又称架桥剂)进行交联形成三维的网状结进行交联形成三维的网状结构构。聚烃类。聚烃类双叠氮系光致抗烛剂就是属于这一类双叠氮系光致抗烛剂就是属于这一类5.3.4 光刻胶光刻胶-负性光刻胶负性光刻胶5.3.4 光刻胶光刻胶-负性光刻胶负性光刻胶光照光照利用抗蚀剂分子本身的利用抗蚀剂分子本身的感光性官能团发生的光聚合反应感光性官能团发生的光聚合反应遇光照射时发生遇光照射时发生

37、分解反应分解反应，放出氮气，变成，放出氮气，变成氮游离氮游离基基，然后再与树脂上的，然后再与树脂上的双健发生反应双健发生反应，而成为，而成为网状网状结构的不溶性物质结构的不溶性物质5.3.4 光刻胶光刻胶-负性光刻胶负性光刻胶交链剂双叠氮化合物交链剂双叠氮化合物邻叠氮萘醌类化合物邻叠氮萘醌类化合物 在紫外光照射下发生在紫外光照射下发生分解反应分解反应，放出，放出氮气氮气，同时分子的结构经过，同时分子的结构经过重排形成重排形成五元环烯酮化合物五元环烯酮化合物，遇水经水解生成茚基羧酸衍生物，遇水经水解生成茚基羧酸衍生物 5.3.4 光刻胶光刻胶-正正性光刻胶性光刻胶光刻过程光刻过程涂胶，前烘，曝光

38、，显影，坚膜，腐蚀和去胶等七个步骤。涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，腐蚀和去胶等七个步骤。光刻工艺过程示意图光刻工艺过程示意图a, 接触式接触式b, 接近式接近式c, 投影式投影式光学曝光光学曝光接触曝光：接触曝光：光的衍射效应较小，因而光的衍射效应较小，因而分辨率高分辨率高；但；但易损坏易损坏掩模图形掩模图形，同时由于尘埃和基片表面不平等，常常，同时由于尘埃和基片表面不平等，常常存在不同存在不同程度的曝光缝隙而影响成品率程度的曝光缝隙而影响成品率。接近式曝光：接近式曝光：延长了掩模版的使用寿命，但光的衍射效应延长了掩模版的使用寿命，但光的衍射效应更为严重，因而更为严重，因而分辨率只能达到分辨率

39、只能达到24um 左右左右。投影式曝光：投影式曝光：掩模不受损伤，不存在景深问题提高了对准掩模不受损伤，不存在景深问题提高了对准精度，也减弱了灰尘微粒的影响，已成为精度，也减弱了灰尘微粒的影响，已成为LSI 和和VLSI 中加中加工小于工小于3um 线条的主要方法。缺点是投影系统光路复杂，对线条的主要方法。缺点是投影系统光路复杂，对物镜成像能力要求高。物镜成像能力要求高。三种方法比较三种方法比较 正光刻胶正光刻胶 负光刻胶负光刻胶显影剂显影剂 氢氧化钠氢氧化钠 二甲苯二甲苯Stoddard溶剂溶剂冲洗冲洗 水水 n-醋酸丁酯醋酸丁酯 从曝光到显影从曝光到显影掩模材料大致可分为两大类：掩模材料大

40、致可分为两大类：在玻璃基板表面涂布卤化银乳剂的在玻璃基板表面涂布卤化银乳剂的高分辨率干板高分辨率干板在玻璃上附着在玻璃上附着金属或金属氧化物膜的硬面板金属或金属氧化物膜的硬面板从曝光到显影从曝光到显影-掩模材料掩模材料平面度好，机械强度高，在白炽灯下观察，无肉眼看得平面度好，机械强度高，在白炽灯下观察，无肉眼看得见的气泡、杂质、霉点和划痕见的气泡、杂质、霉点和划痕热膨胀系数小热膨胀系数小透射率高透射率高化学稳定性好。化学稳定性好。玻璃衬底的要求玻璃衬底的要求几种掩膜材料的特性比较几种掩膜材料的特性比较特性特性种类种类组成组成材料材料膜厚膜厚表面表面反射率反射率表面表面强度强度分辨率分辨率乳胶干

41、板乳胶干板AgBr4-6m低低弱弱2-32-3m铬板铬板Cr80-200nm50-60%强强1-21-2m氧化铁板氧化铁板Fe2O3150-250nm15-20%强强1m特性特性种类种类抗化抗化学性学性耐耐磨性磨性透明性透明性光密度光密度成像成像锐度锐度光刻光刻对准对准乳胶干乳胶干板板弱弱差差不透明不透明1.5-3有散乱有散乱边纹边纹困难困难铬板铬板耐强酸耐强酸较好较好不透明不透明2-3锐锐困难困难氧化铁氧化铁板板耐强酸耐强酸不耐碱不耐碱好好选择透明选择透明2锐锐容易容易一类是掩模图形范围内多余的部分一类是掩模图形范围内多余的部分，如小岛、凸出和连条等不如小岛、凸出和连条等不透明缺陷。透明缺陷

42、。一类是掩模图形范围内缺少的部分一类是掩模图形范围内缺少的部分，如，如针孔、凹口，断条等透针孔、凹口，断条等透明缺陷。明缺陷。掩膜缺陷的种类掩膜缺陷的种类衡量光刻胶好坏的标准衡量光刻胶好坏的标准1 1，感光度，感光度2 2，分辨率，分辨率 3 3，粘度及固态含有率，粘度及固态含有率 4 4，稳定性，稳定性 5 5，抗蚀性，抗蚀性 6 6，黏附能力，黏附能力 7 7，针孔密度，针孔密度 热塑热塑 材料利用静电力所引起的塑性流材料利用静电力所引起的塑性流动形成相位全息图的浮雕图像。动形成相位全息图的浮雕图像。热塑过程的基本要素热塑过程的基本要素是要在热塑层中建立与入射光场图样相同的电是要在热塑层中

43、建立与入射光场图样相同的电场图样，电脉冲对热塑层加热使得热塑层的形变对应于电场图样。场图样，电脉冲对热塑层加热使得热塑层的形变对应于电场图样。5.3.5 热塑材料热塑材料热塑存储：热塑存储：电子束型热塑记录电子束型热塑记录 感光性热塑记录感光性热塑记录热塑存储：热塑存储：电子束型热塑记录电子束型热塑记录 感光性热塑记录感光性热塑记录透明导电层透明导电层光电导材料光电导材料玻璃基底玻璃基底热塑层热塑层 扫描电子束扫描电子束接地接地正负电荷吸正负电荷吸引力产生静引力产生静电压力电压力压力大小与表面电荷密度的平方成反比例压力大小与表面电荷密度的平方成反比例静电力使均匀加热的塑料产生形变，冷却后形变终

44、止，图像被固定静电力使均匀加热的塑料产生形变，冷却后形变终止，图像被固定电子束型热塑记录过程电子束型热塑记录过程曝光前曝光前曝光曝光透明导电层透明导电层光电导材料光电导材料玻璃基底玻璃基底热塑层热塑层 充电充电曝光后曝光后二次充电二次充电透明导电层透明导电层光电导材料光电导材料玻璃基底玻璃基底热塑层热塑层 玻璃基底玻璃基底透明导电层透明导电层光电导材料光电导材料热塑层热塑层 放电放电照明区照明区照明区电照明区电场加强场加强充电充电加热加热照明区形变照明区形变感光型热塑记录感光型热塑记录1.塑料层均匀充电塑料层均匀充电2.相干光下曝光相干光下曝光3.加热至热塑层融化加热至热塑层融化4.冷却固定形

45、变冷却固定形变5.3.5 热塑材料及其制备方法热塑材料及其制备方法基片：基片：玻璃或透明塑料玻璃或透明塑料导电涂层作用：导电涂层作用： 1. 通电对热塑材料加热，要求电阻率均匀；通电对热塑材料加热，要求电阻率均匀； 2. 静电接地。静电接地。光导热塑的基质光导热塑的基质:聚苯乙烯聚苯乙烯苯乙烯苯乙烯-辛基辛基-丙烯酸酯的共聚物丙烯酸酯的共聚物苯乙烯苯乙烯-丙烯酸酯聚合物丙烯酸酯聚合物光折变材料光折变材料是含有电子陷阱的晶体。是含有电子陷阱的晶体。光折变效应光折变效应是指是指非线性光学材料非线性光学材料在光照条件下由于其内部电荷重新在光照条件下由于其内部电荷重新分布而导致材料的分布而导致材料的折

46、射率折射率发生发生空间调制，空间调制，即光致折射率的变化即光致折射率的变化。5.3.6 光折变材料光折变材料1966年，贝尔实验室把强绿光或蓝光聚焦在铌酸锂晶体上会引年，贝尔实验室把强绿光或蓝光聚焦在铌酸锂晶体上会引起晶体折射率的变化，起晶体折射率的变化，“激光损伤激光损伤”，加热至，加热至200以上恢复到以上恢复到原始状态。原始状态。光折变材料能光折变材料能吸收外来光而产生介质内电荷的迁移吸收外来光而产生介质内电荷的迁移，由此形成，由此形成一个空间电荷分布和相应的电场，通过一个空间电荷分布和相应的电场，通过光电效应光电效应使介质的折射使介质的折射率受到调制。率受到调制。LiNbO3:Fe光致

47、折射率变化过程光致折射率变化过程nE 改变了材料的折射率改变了材料的折射率LiNbO3陷进中电子被激发陷进中电子被激发杂质离子均匀分布杂质离子均匀分布电荷空间重新分布，电荷空间重新分布，产生电场，通过线性产生电场，通过线性光电效应，感应出空光电效应，感应出空间折射率分布间折射率分布2Fe3Fe干涉光干涉光电子扩散电子扩散和漂移和漂移3Fe2Fe2Fe3FeFe2+占有电子占有电子的陷阱的陷阱(施主施主)Fe3+空位的空位的陷阱陷阱(受主受主)曝光曝光掺掺Fe造成的造成的感光电子陷阱感光电子陷阱，存储是由于电子在这些陷，存储是由于电子在这些陷阱中进行空间重新分布而实现的阱中进行空间重新分布而实现

48、的在可见光区有一条与将陷阱内的在可见光区有一条与将陷阱内的电子激发至导带相对应的吸收带电子激发至导带相对应的吸收带产生相应的自产生相应的自由电子图像由电子图像I(x) 入射相干光干涉条纹入射相干光干涉条纹的强度分布；的强度分布；(x) 为电荷密度分布为电荷密度分布E(x) 静电场分布静电场分布n(x)折射率改变量分布折射率改变量分布光致变色材料有两种独特的稳定态光致变色材料有两种独特的稳定态A和和B，称为色心，它们分称为色心，它们分别对应于两个吸收带波长别对应于两个吸收带波长 1和和 2 ，当用，当用1波长照明时，材料波长照明时，材料经历从稳定态经历从稳定态A向稳定态向稳定态B的转变。当转变完

49、成后，材料就不的转变。当转变完成后，材料就不再对再对1的光敏感，材料的吸收带也就移到了的光敏感，材料的吸收带也就移到了2 。5.3.7 光致变色材料光致变色材料光致变色过程光致变色过程可以使用波长可以使用波长 的光写入而使用波长为的光写入而使用波长为 的光读出光学的光读出光学数据。数据。12全息图应用全息图应用重要特征重要特征光致变色过程是个可逆过程光致变色过程是个可逆过程! !光致变色是光致变色是折射率变化折射率变化或或电光效应电光效应，不是色彩变化，不是色彩变化A无色无色B光色光色逆光色逆光色显色反应显色反应激活反应激活反应热消色热消色光消色光消色颜色搭配颜色搭配光致变色现象光致变色现象海

50、影号海影号隐形坦克隐形坦克隐身衣隐身衣电子俘获电子俘获( (Electron-trapping,ET)Electron-trapping,ET)材料类似于光致材料类似于光致变色材料，也有两个可以通过吸收波长变色材料，也有两个可以通过吸收波长 和和 的光而互相转换的可逆稳定态的光而互相转换的可逆稳定态A A和和B B。与光致变色材与光致变色材料不同的是，可以利用电子俘获材料的受激辐射光料不同的是，可以利用电子俘获材料的受激辐射光来输出来输出 ，而不是采用吸收读出光，而不是采用吸收读出光 的方式。的方式。23123h1h在材料的某发光在材料的某发光中心复合。中心复合。2h稳态稳态1稳态稳态25.3

51、.8 电子俘获材料电子俘获材料双光子吸收材料从基态到稳定态的激发态的跃迁需要双光子吸收材料从基态到稳定态的激发态的跃迁需要两个两个而不是一个光子，并且也需要另一对光子去激励激光态离而不是一个光子，并且也需要另一对光子去激励激光态离子返回到基态。这两个光子可以是波长相同的，但不同波子返回到基态。这两个光子可以是波长相同的，但不同波长的光子会更好。长的光子会更好。双光子材料的工作方式与电子俘获材料非常类似，都需要记录光双光子材料的工作方式与电子俘获材料非常类似，都需要记录光束进行数据写入，利用读出光束激励材料的受激部分而发光。束进行数据写入，利用读出光束激励材料的受激部分而发光。双光子吸收现象通常

52、被称为光子选通，即利用一个光子控制另双光子吸收现象通常被称为光子选通，即利用一个光子控制另外一个光子的行为。外一个光子的行为。5.3.9 双光子吸收材料双光子吸收材料双光子吸收原理双光子吸收原理S1(初始态初始态)S2S3(稳态稳态)S4532nm1064nm532nm1064nm700nm细菌视紫红质能够通过直接干燥分离紫色膜并使其细菌视紫红质能够通过直接干燥分离紫色膜并使其覆于玻覆于玻璃基底上或者嵌入聚合体中璃基底上或者嵌入聚合体中而获得。而获得。细菌视紫红质细菌视紫红质(bacterior hodopsin)是一种是一种生物学光致变色生物学光致变色材料，它是一种微生物紫色膜中一种吸收光的

53、蛋白质，叫材料，它是一种微生物紫色膜中一种吸收光的蛋白质，叫做做Halobacteriun balobium。这种细菌生长在盐沼泽地中，这种细菌生长在盐沼泽地中，那里含盐浓度约为海水的那里含盐浓度约为海水的6倍。倍。什么是细菌视紫红质什么是细菌视紫红质如何获得细菌视紫红质如何获得细菌视紫红质5.3.10 细菌视紫红质细菌视紫红质细菌视紫红质储存原理细菌视紫红质储存原理B稳态稳态JKM稳态稳态570nm质子质子质子质子光子光子412nm细菌视紫红质具有细菌视紫红质具有光驱动质子泵光驱动质子泵的功能。的功能。变变色色无论是有机材料还是无机材料这些材料所面临的主无论是有机材料还是无机材料这些材料所面

54、临的主要困难是它们必须在很低的温度下工作要困难是它们必须在很低的温度下工作(100K)。嵌在固体光学晶格中的燃料分子（杂质）的嵌在固体光学晶格中的燃料分子（杂质）的吸收频率吸收频率会因为它会因为它们们与周围晶格的相互作用而发生移动与周围晶格的相互作用而发生移动，因此燃料分子的吸收线，因此燃料分子的吸收线就成为一个就成为一个宽而连续的不均匀的光学吸收带宽而连续的不均匀的光学吸收带。当燃料分子被特。当燃料分子被特定频率的光照明时，它们会发生化学反应。定频率的光照明时，它们会发生化学反应。1吸收吸收1漂白漂白1读出读出5.3.11 光化学烧孔材料光化学烧孔材料持续光谱烧孔持续光谱烧孔(PSHB：Pe

55、rsistent Spectral HoleBurning)技术技术利用利用对不同频率的光吸收率不同来识别不同分子对不同频率的光吸收率不同来识别不同分子，它有可能使，它有可能使光存储的记录密度提高光存储的记录密度提高3-4个数量级，它属于个数量级，它属于四维光存储四维光存储。5.3.12 磁光材料磁光材料磁光材料磁光材料(MO)将二进制信息存储为将二进制信息存储为磁化向上和向下磁化向上和向下两两个状态。最常用的个状态。最常用的MO介质是锰铋介质是锰铋(MnBi)合金薄膜，所合金薄膜，所记录的数据用线偏振激光束读出，该激光束会因法拉第记录的数据用线偏振激光束读出，该激光束会因法拉第效应或克尔效应

56、产生一个小的旋转，光束偏振态是效应或克尔效应产生一个小的旋转，光束偏振态是左旋左旋还是右旋还是右旋取决于取决于磁化是向上还是向下磁化是向上还是向下。铁磁性材料是某些物质的一种属性，在撤出外部磁化场铁磁性材料是某些物质的一种属性，在撤出外部磁化场时，这种物质仍能保持磁化强度。在铁磁材料中，原子时，这种物质仍能保持磁化强度。在铁磁材料中，原子的磁矩沿相同方向排列。的磁矩沿相同方向排列。当铁磁材料被加热超过当铁磁材料被加热超过居里点的温度居里点的温度时，原子开始随机时，原子开始随机热运动，磁矩也随机热取向，结果材料变成顺磁性的。热运动，磁矩也随机热取向，结果材料变成顺磁性的。透射的法拉第效应透射的法

57、拉第效应偏振光偏振光发生旋转的发生旋转的偏振光偏振光磁场磁场H入射光入射光透射光透射光旋转角与薄膜厚度成比例旋转角与薄膜厚度成比例克尔效应克尔效应发射光的偏振面发生旋转发射光的偏振面发生旋转光盘利用光盘利用磁克尔效应磁克尔效应进行光磁进行光磁记录记录的原理的原理非接触式、大容量记录介质非接触式、大容量记录介质 非记录位非记录位 记录位记录位直线偏直线偏振光振光记录层记录层磁距磁距记录位记录位 反向磁化反向磁化 激光照射激光照射5.3.13 可擦除型光盘材料可擦除型光盘材料可擦除型光盘材料按照记录信息的不同机理可分为：可擦除型光盘材料按照记录信息的不同机理可分为： 态变型，相变型，磁光型态变型，

58、相变型，磁光型态变型：态变型：不成化学计量比的氧化物不成化学计量比的氧化物这种材料制成的薄膜在光辐照和热作用下光透过率大部分下降这种材料制成的薄膜在光辐照和热作用下光透过率大部分下降（光、热黑化现象），这种现象是由于（光、热黑化现象），这种现象是由于本征吸收极限本征吸收极限变化引起的。变化引起的。数据记录点在两个状态的转换是受控且可逆的，这两数据记录点在两个状态的转换是受控且可逆的，这两个状态通常是非晶态和结晶态；个状态通常是非晶态和结晶态；结晶态的反射率是非晶态的结晶态的反射率是非晶态的4倍；倍；利用光束反射强度的差别识别记录的二进制数据。利用光束反射强度的差别识别记录的二进制数据。用相变材

59、料进行光学记录的基本原理用相变材料进行光学记录的基本原理结晶体结晶体原子周期排列原子周期排列不透明不透明非晶体非晶体原子随机排列原子随机排列透明透明相变型存储材料相变型存储材料Tg: 转化为非晶体的温度点转化为非晶体的温度点Tm: 熔点温度熔点温度用激光束加热斑点用激光束加热斑点TgTTm快速快速冷却冷却非晶态和结晶态之间的转换非晶态和结晶态之间的转换当需要擦除和向当需要擦除和向MO中重新写入数据时，写入激光束会将中重新写入数据时，写入激光束会将纪录介质加热到居里点，然后偏置磁体是被加热区域的磁纪录介质加热到居里点，然后偏置磁体是被加热区域的磁化强度矢量倒转以表示一个位化强度矢量倒转以表示一个

60、位(bit)。检偏器检偏器擦除或写入过程：擦除或写入过程：低功率线性偏振激光束能够用来读取低功率线性偏振激光束能够用来读取MO碟上的数据。碟上的数据。读出：读出：磁光型存储材料磁光型存储材料利用线偏振光的偏振状态利用线偏振光的偏振状态受磁性记录介质的影响发受磁性记录介质的影响发生变化生变化(科尔效应科尔效应),可实现可实现信息的记录。信息的记录。记录方式：补偿点记录记录方式：补偿点记录 居里点记录居里点记录5.4.1 5.4.1 光学磁带光学磁带一连串的数据能够记录在磁带上，但磁带记录的缺点是不能一连串的数据能够记录在磁带上，但磁带记录的缺点是不能快速随机的访问数据。磁带必须从头开始卷带以寻找