光信息处理[第6章]概要PPT教案

1、会计学1光信息处理光信息处理第第6章章概要概要6.1 6.1 引引 言言信息传播信息传播 烽火烽火 结绳记数结绳记数 书籍文字书籍文字 照相术照相术 磁盘、光盘磁盘、光盘 光学存储光学存储信息源信息源传送器传送器信信 道道接收器接收器加工处理加工处理存存 储储使用终端使用终端信息信息编码编码信号信号解码解码信信息息信息传输框图信息传输框图第1页/共51页 传统的信息存储方法传统的信息存储方法 缩微照相技术缩微照相技术 利用普通照相法把图像缩微利用普通照相法把图像缩微 面积大，存储量小，难与现代通信设备联机面积大，存储量小，难与现代通信设备联机电路存储电路存储纸带存储纸带存储 磁性材料存储磁性材

2、料存储存储密度小，用时长，数据传输速率低存储密度小，用时长，数据传输速率低 数字存储技术数字存储技术 把图像转变为数字信号存储把图像转变为数字信号存储 第2页/共51页 光学存储光学存储 主要指与计算机和其他通信系统联机的海量存储技术主要指与计算机和其他通信系统联机的海量存储技术 存储密度高；存储密度高； 并行程度高；并行程度高； 抗电磁干扰；抗电磁干扰； 存储寿命长；存储寿命长； 非接触读非接触读/写信息；写信息； 信息位价格低廉。信息位价格低廉。第3页/共51页光学打点式存储光学打点式存储页面并行式存储页面并行式存储面存储（二维存储）面存储（二维存储）体存储（三维存储）体存储（三维存储）位

3、置选择存位置选择存储储频率选择存频率选择存储储第4页/共51页 从原理上讲，只要材料的某种性质对光敏感，在被从原理上讲，只要材料的某种性质对光敏感，在被信息调制过的光束照射下，能产生物理、化学性质的改信息调制过的光束照射下，能产生物理、化学性质的改变，并且这种改变能在随后的读出过程中使读出光的性变，并且这种改变能在随后的读出过程中使读出光的性质发生变化，都可以作为光学存储的介质。质发生变化，都可以作为光学存储的介质。 照相胶片；照相胶片； 重铬酸盐明胶；重铬酸盐明胶； 光敏聚合物；光敏聚合物； 光刻胶；光刻胶； 热塑薄膜；热塑薄膜； 光折变材料；光折变材料； 光致变色材料；光致变色材料； 电子

4、俘获材料；电子俘获材料； 双光子吸收材料；双光子吸收材料； 磁光材料；磁光材料； 相变材料。相变材料。第5页/共51页 存储器件性能指标存储器件性能指标 容量（密度）；容量（密度）； 写入（存储）和读出（提取）数据的传输速率；写入（存储）和读出（提取）数据的传输速率； 存取等待时间；存取等待时间； 持久性（使用期和保存期）；持久性（使用期和保存期）； 误码率和噪声特性；误码率和噪声特性； 符号间干扰和串扰；符号间干扰和串扰； 可否直接重写；可否直接重写； 非破坏性读出和选择性擦除；非破坏性读出和选择性擦除； 功耗和热耗散要求；功耗和热耗散要求； 器件和存储系统的成本。器件和存储系统的成本。第6

5、页/共51页6.2 6.2 光盘存储光盘存储一一. .光盘存储原理光盘存储原理 激光经聚焦后可在记录介质中形成极微小的光照微激光经聚焦后可在记录介质中形成极微小的光照微区，使光照部分发生物理、化学变化，从而使光照微区区，使光照部分发生物理、化学变化，从而使光照微区的某种光学性质（的某种光学性质（反射率反射率、折射率折射率或或偏振特性偏振特性等）与周等）与周围介质有较大反衬度，以实现信息的存储。围介质有较大反衬度，以实现信息的存储。 光盘是在衬盘上光盘是在衬盘上淀积了记录介质及其淀积了记录介质及其保护膜的盘片。保护膜的盘片。光盘记录斑光盘记录斑第7页/共51页信息信息“写入写入”：将要存储的信息

6、通过调制激光聚焦到记将要存储的信息通过调制激光聚焦到记录介质上，使介质的光照微区发生物理、化学变化以实录介质上，使介质的光照微区发生物理、化学变化以实现信息的存储。现信息的存储。信息信息“读出读出”：用低功率密度激光扫描信息轨道，其反用低功率密度激光扫描信息轨道，其反射光通过光电探测器检测、解调以取出所要的信息。射光通过光电探测器检测、解调以取出所要的信息。第8页/共51页 光盘是按位存储的二维存储介质。光盘是按位存储的二维存储介质。优点优点 存储密度高（光盘道距仅存储密度高（光盘道距仅1 m，而磁盘道距为，而磁盘道距为10 m ）抗电磁干扰、存储寿命长、非接触读写、信噪比高；抗电磁干扰、存储

7、寿命长、非接触读写、信噪比高；缺点缺点 机械运动寻址方式、按位存储的特性，限制了数据传机械运动寻址方式、按位存储的特性，限制了数据传 输速率的进一步提高。输速率的进一步提高。第9页/共51页二二. .光盘的类型光盘的类型（1）只读存储光盘（）只读存储光盘（ROM，Read Only Memory ）（2）一次写入光盘（）一次写入光盘（WORM ，Write Once Read Memory ）（3）可擦重写光盘（）可擦重写光盘（Rewrite）（4）直接重写光盘（）直接重写光盘（Overwrite）第10页/共51页（1）只读存储光盘（）只读存储光盘（ROM，Read Only Memory

8、） ROM 只能用来播放记录在盘片上的信息，用户只能只能用来播放记录在盘片上的信息，用户只能读取，不能自行写入。读取，不能自行写入。激光刻录示意图激光刻录示意图 视频录像盘（视频录像盘（VD盘）、数字音响唱盘（盘）、数字音响唱盘（CD盘）都属于盘）都属于只读存储光盘。只读存储光盘。第11页/共51页（2）一次写入光盘（）一次写入光盘（WORM ，Write Once Read Memory ） WORM 利用聚焦激光在介质的微区产生不可逆的物利用聚焦激光在介质的微区产生不可逆的物理和化学变化写入信息的盘片，具有写、读两种功能，理和化学变化写入信息的盘片，具有写、读两种功能，用户可自行一次写入，

9、但信息一经写入便不可擦除，也用户可自行一次写入，但信息一经写入便不可擦除，也不能反复使用。不能反复使用。 WORM 的写入过程主要是利用激光的热效应，其记的写入过程主要是利用激光的热效应，其记录方式多种多样：录方式多种多样：烧蚀型烧蚀型起泡型起泡型熔绒型熔绒型合金型合金型相变型相变型信息坑信息坑第12页/共51页（3）可擦重写光盘（）可擦重写光盘（Rewrite） 可擦重写光盘是可擦重写光盘是利用记录介质在两个稳定态之间的可逆利用记录介质在两个稳定态之间的可逆变化来实现反复的写入与擦除。这类光盘除用来写、读变化来实现反复的写入与擦除。这类光盘除用来写、读信息外，还可将已经记录在光盘上的信息擦去

10、，然后再信息外，还可将已经记录在光盘上的信息擦去，然后再写入新的信息；但写、擦需要两束激光、两次动作完成。写入新的信息；但写、擦需要两束激光、两次动作完成。玻璃玻璃态态晶态晶态可逆相变可逆相变写入信息时，记录介质从写入信息时，记录介质从晶态晶态进入进入玻璃态；玻璃态；擦除信息时，记录介质从擦除信息时，记录介质从玻璃态玻璃态回到回到晶态。晶态。 激光热致可逆相变可由近红外脉冲激光或短波激光脉冲引起。激光热致可逆相变可由近红外脉冲激光或短波激光脉冲引起。记录介质：记录介质： 相变材料；相变材料； 磁光材料磁光材料 第13页/共51页（4）直接重写光盘（）直接重写光盘（Overwrite） 直接重写

11、光盘可直接重写光盘可用一束激光、一次动作录入信息，也就用一束激光、一次动作录入信息，也就是在写入新信息的同时自动擦除原有信息，无须两次动作。是在写入新信息的同时自动擦除原有信息，无须两次动作。 特点 类型记录介质记录介质物理效应物理效应直接重写直接重写相变光盘相变光盘相变型相变型存储介质存储介质光致快速晶化光致快速晶化直接重写直接重写磁光光盘磁光光盘磁光磁光型型存储介质存储介质写入：热磁反转写入：热磁反转读出：克尔磁光效应读出：克尔磁光效应第14页/共51页三三. .光盘存储器光盘存储器 光盘存储器是在光盘已经设计定型、各项性能参数都已确光盘存储器是在光盘已经设计定型、各项性能参数都已确定的情

12、况下，特定盘片的驱动器。光盘读取和检索信息的功定的情况下，特定盘片的驱动器。光盘读取和检索信息的功能，要靠光盘驱动器实现。能，要靠光盘驱动器实现。 存储器存储器性性 能能只读存储只读存储一次写入一次写入可擦重写可擦重写直接重写直接重写记录方式记录方式2P记录记录大量复制大量复制烧蚀记录烧蚀记录相变记录相变记录相变记录相变记录磁光记录磁光记录相变记录相变记录光学系统光学系统单束光单束光读读 出出单束光单束光写、读写、读双束光双束光一束擦除一束擦除一束写、一束写、读（先擦读（先擦后写）后写）单束光单束光读、写、读、写、擦（写的擦（写的同时自动同时自动擦除）擦除）实际应用实际应用 视频录像视频录像盘

13、、数字盘、数字音响唱盘音响唱盘计算机外存计算机外存文档、资料存储与检索系统文档、资料存储与检索系统各类光盘存储器的性能各类光盘存储器的性能第15页/共51页光盘存储器的组成光盘存储器的组成光盘存储器光盘存储器精密光学系统精密光学系统电子学电路电子学电路伺服控制系统伺服控制系统提供高质量读出光束提供高质量读出光束引导检索出的光信号引导检索出的光信号产生信息读出信号、产生信息读出信号、再现盘片格式化地址再现盘片格式化地址信号、检测光盘聚焦信号、检测光盘聚焦误差信号和跟踪误差误差信号和跟踪误差信号信号实现光束高精度跟踪实现光束高精度跟踪第16页/共51页光盘存储器的光学系统光盘存储器的光学系统光源光

14、源 半导体激光器半导体激光器光学光学头头聚焦物镜聚焦物镜单（双）光束系统单（双）光束系统半导体激光器半导体激光器特点特点 体积小、结构简单，价格便宜，易于集成；体积小、结构简单，价格便宜，易于集成；优点优点 工作电压低；电能转换效率高；功耗低；可工作电压低；电能转换效率高；功耗低；可靠性高、寿命长；可用写入信号直接调制激光输出，靠性高、寿命长；可用写入信号直接调制激光输出，不需另加光调制器。不需另加光调制器。第17页/共51页光学光学头头 包括聚焦物镜和从光源到物镜的一套光学元件的组合，包括聚焦物镜和从光源到物镜的一套光学元件的组合，称为光学探测头，简称光学头。称为光学探测头，简称光学头。光学

15、头可分为光学头可分为单光束系统单光束系统和和双光束系统双光束系统：1. 光源；光源；2、3. 透镜；透镜；4. 偏振偏振分束器；分束器；5. 1/4波片；波片；6. 反射反射镜；镜；7. 聚焦物镜；聚焦物镜；8. 光盘；光盘；9. 分束镜；分束镜；10. 透镜；透镜；11. 读出探读出探测器；测器；12. 透镜；透镜；13. 聚焦、跟聚焦、跟踪误差探测器踪误差探测器 单光束系统的光路示意图单光束系统的光路示意图第18页/共51页o光（全反射）光（全反射）12、3整形整形准直准直4方解石方解石e光（线偏光）光（线偏光）5. 1/4波片波片圆偏偏振光圆偏偏振光6、7反射、聚焦反射、聚焦8光盘光盘5

16、. 1/4波片波片经经7、6返回返回线偏光线偏光（旋转（旋转90）4方解石方解石o光、全反射光、全反射9分束镜分束镜10会聚会聚11读出光读出光探测器探测器 1213聚焦、跟踪聚焦、跟踪误差探测器误差探测器 会聚会聚单光束系统的光路示意图单光束系统的光路示意图 单光束系统采用一单光束系统采用一束激光一套光路进行束激光一套光路进行信息写信息写/读，适合于只读，适合于只读光盘存储器和一次读光盘存储器和一次写入光盘存储器。写入光盘存储器。第19页/共51页双光束系统的光路示意图双光束系统的光路示意图1. 写写/读激光器读激光器（0.83 m）；）；2. 准直镜；准直镜；3. 组合棱镜；组合棱镜；5.

17、 二向色反射镜；二向色反射镜；7. 直角棱直角棱镜；镜；11. 刀口；刀口； 12. 读出探测读出探测器；器； 13. 聚焦、跟踪误差探聚焦、跟踪误差探测器；测器； 14. 擦除擦除激光器激光器（0.78 m）；）；15. 准直镜；准直镜；16. 组合棱镜；组合棱镜；17. 偏振分束器偏振分束器；18、19. 正负柱面透镜；正负柱面透镜；20. 聚焦透镜；聚焦透镜；21. 探测器探测器写写/读光读光 路：路：由器件由器件 18、1013 构成；构成；擦擦 除光除光 路：路：由器件由器件 1419、 58、 2021 构成。构成。双光束系统用于可擦重写光盘存储器双光束系统用于可擦重写光盘存储器。

18、第20页/共51页6.3 6.3 光学全息存储光学全息存储 早在早在 1948 年，英籍匈牙利物理学家盖伯就根据光的干涉年，英籍匈牙利物理学家盖伯就根据光的干涉和衍射原理，提出了重现波前的全息照相理论。和衍射原理，提出了重现波前的全息照相理论。全息图全息图光存储光存储器器？光学体全息存储技术是最早研究的光存储技术之一光学体全息存储技术是最早研究的光存储技术之一第21页/共51页全息存储的基本原理全息存储的基本原理 在全息存储器中，物光束经过空间调制而携带信息，参考光束以在全息存储器中，物光束经过空间调制而携带信息，参考光束以特定方向直接到达记录介质。在特定方向直接到达记录介质。在写入过程写入过

19、程中，材料对干涉条纹照明中，材料对干涉条纹照明发生响应而产生折射率分布，形成类似光栅结构的全息图；在发生响应而产生折射率分布，形成类似光栅结构的全息图；在读出读出过程过程中，用参考光照明全息图，使衍射光束经过空间调制，精确复中，用参考光照明全息图，使衍射光束经过空间调制，精确复现出写入过程中由参考光相干涉的数据光束的波面。现出写入过程中由参考光相干涉的数据光束的波面。二维全息存储二维全息存储 平面全息存储技术平面全息存储技术三维全息存储三维全息存储 体积全息存储技术体积全息存储技术第22页/共51页全息存储的特点和优全息存储的特点和优点点 1、高数据传输速率、高数据传输速率：并行记录、并行提取

20、，大大提高二维图像：并行记录、并行提取，大大提高二维图像 信息的数据传输速率信息的数据传输速率2、高存储容量、高存储容量：三维光学存储的容量极限为：三维光学存储的容量极限为1 / 3 例如：用例如：用 532 nm 波长记录的体积全息图的最大容量达波长记录的体积全息图的最大容量达 6600个个/mm3 ，采用角度和波长复用技术容量将更大，采用角度和波长复用技术容量将更大3、高冗余度、高冗余度：局部缺陷和损伤不会引起信息丢失或误码：局部缺陷和损伤不会引起信息丢失或误码4、存取速度快、存取速度快：寻址一个数据页面约需：寻址一个数据页面约需 100 s 而磁盘系统的机械寻址需而磁盘系统的机械寻址需

21、10 ms 提高提高 2 个数量级个数量级第23页/共51页一一. .平面全息存储技术平面全息存储技术 全息照相对信息的大容量、高密度存储是通过记录图全息照相对信息的大容量、高密度存储是通过记录图像或文字信息的像或文字信息的傅里叶变换全息图傅里叶变换全息图来实现的。傅里叶变来实现的。傅里叶变换全息图是指把物体进行傅里叶变换后，在其频谱面上换全息图是指把物体进行傅里叶变换后，在其频谱面上拍摄其空间频谱的全息图。拍摄其空间频谱的全息图。优点优点 细光束记录（写入），细光束再现（读出）细光束记录（写入），细光束再现（读出） 面积小、密度大，使用方便面积小、密度大，使用方便 高密度全息存储光路高密度全

22、息存储光路1 mm点全息图点全息图第24页/共51页二二. .体积全息存储技术体积全息存储技术1. 体积全息图体积全息图 当记录材料的厚度是条纹间距的若干倍时，则在记录当记录材料的厚度是条纹间距的若干倍时，则在记录材料体积内将记录下干涉条纹的空间三维分布，形成等材料体积内将记录下干涉条纹的空间三维分布，形成等间距的三维空间曲面簇，称为间距的三维空间曲面簇，称为体全息光栅体全息光栅。这种类型的。这种类型的全息图称为全息图称为体积全息图体积全息图。2. 体全息存储体全息存储 体全息存储技术体全息存储技术是利用空间光调制器将被存储信息调是利用空间光调制器将被存储信息调制成明暗图像，而与同步的参考光汇

23、聚，形成全息干涉制成明暗图像，而与同步的参考光汇聚，形成全息干涉条纹，被记录在介质的某一层面上。条纹，被记录在介质的某一层面上。充分利用存储介质的整个体积，使存储容量大增充分利用存储介质的整个体积，使存储容量大增 角度复用角度复用 利用体全息的角度选择性利用体全息的角度选择性 波长复用波长复用 利用体全息的波长选择性利用体全息的波长选择性 第25页/共51页1. 光折变材料的存储机理光折变材料的存储机理三三. .体全息材料的存储机理体全息材料的存储机理 光折变效应光折变效应是指光辐照下，某些电光晶体的折射率随是指光辐照下，某些电光晶体的折射率随光强的空间分布而变化的现象。光强的空间分布而变化的

24、现象。+ + + + + - - - - - - - - - - - -价带价带导带导带2Fe3Fe（a）（b）（c）（d）（a）光电离；）光电离；（b）扩散；）扩散；（c）复合；）复合；（d）形成空间电荷场；）形成空间电荷场； 空间电荷场通过线性电空间电荷场通过线性电光效应在晶体内形成折射光效应在晶体内形成折射率的空间调制变化，产生率的空间调制变化，产生折射率调制的相位光栅。折射率调制的相位光栅。铌酸锂晶体光折变过程的能级图铌酸锂晶体光折变过程的能级图第26页/共51页2. 光致聚合物材料的全息存储机理光致聚合物材料的全息存储机理 光致聚合物材料光致聚合物材料是一种新型的光全息存储材料，具有

25、是一种新型的光全息存储材料，具有高感光灵敏度、高衍射效率、高分辨率、高信噪比等优高感光灵敏度、高衍射效率、高分辨率、高信噪比等优点，产生的全息图像具有高保真度、可长期保存。点，产生的全息图像具有高保真度、可长期保存。光致聚合物中全息光栅的形成示意图光致聚合物中全息光栅的形成示意图第27页/共51页四四. .材料的全息存储特性材料的全息存储特性1. 光谱响应光谱响应 用于全息存储的用于全息存储的记录材料应当对写入激光波长敏感。记录材料应当对写入激光波长敏感。2. 动态范围动态范围 通常指最大可能的折射率改变通常指最大可能的折射率改变，反映了材料的存储潜力。反映了材料的存储潜力。3. 响应时间常数

26、响应时间常数 引入响应时间常数描述体全息光栅建立和擦除的快慢。引入响应时间常数描述体全息光栅建立和擦除的快慢。响应时间是全息存储的重要特性参量，它表征了体全息光响应时间是全息存储的重要特性参量，它表征了体全息光栅的动态特征。栅的动态特征。4. 灵敏度灵敏度 指材料受到光照后响应的灵敏程度，在记录的初始阶指材料受到光照后响应的灵敏程度，在记录的初始阶段，灵敏度正比于单位写入光强在单位厚度的材料中产生段，灵敏度正比于单位写入光强在单位厚度的材料中产生的折射率变化速率。的折射率变化速率。第28页/共51页5. 存储持久性存储持久性 全息图的存储持久性用其暗存储时间来表征。全息图的存储持久性用其暗存储

27、时间来表征。6. 散射噪声散射噪声 材料中的缺陷使光散射成球面波，与初始的入射波相干材料中的缺陷使光散射成球面波，与初始的入射波相干涉，形成噪声相位光栅。涉，形成噪声相位光栅。全息存储器的数据传输速全息存储器的数据传输速率率 数据传输速率数据传输速率是评价全息存储器性能的一项重要指标是评价全息存储器性能的一项重要指标，它由数据存取时间决定。，它由数据存取时间决定。存取时间存取时间传送时间传送时间（电子元件、线路引起的时间延迟）（电子元件、线路引起的时间延迟）潜伏时间潜伏时间（存储设备的物理移动）（存储设备的物理移动）第29页/共51页五五. .全息存储的应用全息存储的应用全息显示全息显示全息显

28、微术全息显微术全息干涉度量学全息干涉度量学全息光学元件全息光学元件全息信息存储全息信息存储全息信息处理全息信息处理第30页/共51页全息相关存储全息相关存储器器 图像与字符识别是全息存储器在光学信息处理中应用得图像与字符识别是全息存储器在光学信息处理中应用得最广泛的一个领域。图像与字符识别的目的是要确定待识最广泛的一个领域。图像与字符识别的目的是要确定待识别的图像或字符特征是否在输入图像中存在。将待识别的别的图像或字符特征是否在输入图像中存在。将待识别的图像或字符用全息照相方法记录在全息图中，构成特征识图像或字符用全息照相方法记录在全息图中，构成特征识别存储器，然后用它与输入图像进行相关识别。

29、别存储器，然后用它与输入图像进行相关识别。光学体全息存储相关识别原理示意光学体全息存储相关识别原理示意图图第31页/共51页全息存储光盘全息存储光盘 传统的光存储技术使用激光读写光盘上的传统的光存储技术使用激光读写光盘上的“坑坑”，每个，每个 “坑坑”表示一个表示一个 0 或或 1 的数字信号；而全息存储则可以在一的数字信号；而全息存储则可以在一个位置上保存一个全息图案，通过激光相位的不同读出多个个位置上保存一个全息图案，通过激光相位的不同读出多个数据单元，从而成倍提高存储密度。全息存储技术有望成为数据单元，从而成倍提高存储密度。全息存储技术有望成为下一代存储技术有力的竞争者。下一代存储技术有

30、力的竞争者。 第32页/共51页日本日本Hitachi Maxell公司公司研发的全息光盘和驱动器研发的全息光盘和驱动器美国美国InPhase Technologies公司公司研发的全息光盘和驱动器研发的全息光盘和驱动器 第33页/共51页6.4 6.4 其它光存储技术其它光存储技术一一. .近场高密度光近场高密度光存储技术存储技术 所谓所谓远场远场是指可以用光传播的衍射理论来描述光场行是指可以用光传播的衍射理论来描述光场行为的距离范围，对于高密度光存储技术而言，光学头与为的距离范围，对于高密度光存储技术而言，光学头与存储记录介质之间的距离远大于光波长时就称为远场；存储记录介质之间的距离远大于

31、光波长时就称为远场；光学头与存储记录介质之间的距离小于波长量级的范围光学头与存储记录介质之间的距离小于波长量级的范围称为称为近场近场。远场条件下的远场条件下的衍射极限衍射极限为为NAd22. 1d 光束聚焦光斑的直径光束聚焦光斑的直径NA 物镜的数值孔径物镜的数值孔径第34页/共51页近场高密度光近场高密度光存储技术的三种方案存储技术的三种方案固态浸没透镜型固态浸没透镜型扫描探针显微镜型扫描探针显微镜型超分辨近场结构型超分辨近场结构型 激光束激光束 采用扫描探针显微采用扫描探针显微术原理、将激光束术原理、将激光束耦合进光纤探针，耦合进光纤探针，通过纳米孔径进行通过纳米孔径进行记录和读取。纳米记

32、录和读取。纳米孔径探针是该方案孔径探针是该方案的核心元件。的核心元件。 激光束激光束系统结构与现有光系统结构与现有光驱兼容性好，光能驱兼容性好，光能量损失小，读量损失小，读 / 写写 速度得到提升。速度得到提升。 可获得纳米级记可获得纳米级记录点，但光能量损录点，但光能量损失大，读失大，读 / 写信号写信号微弱，信噪比差、微弱，信噪比差、响应速度较慢。响应速度较慢。 可与现有光盘技可与现有光盘技术兼容，但对于孔术兼容，但对于孔径层材料的要求较径层材料的要求较为苛刻，信噪比较为苛刻，信噪比较低。低。光盘光盘SIL物镜物镜基底基底记录层记录层孔径层孔径层L第35页/共51页二二. .四维光学四维光

33、学存储技术存储技术光盘存储光盘存储位置选择存储位置选择存储三维全息存储三维全息存储布拉格选择光存布拉格选择光存储储光谱烧孔存储光谱烧孔存储频率选择光存储频率选择光存储E2E1h/EE12辐射光谱线固有宽度辐射光谱线固有宽度hEhE单个原子的谱线宽度取决于与谱线相关的能级：单个原子的谱线宽度取决于与谱线相关的能级：第36页/共51页光谱烧孔原理示意图光谱烧孔原理示意图窄带强激光窄带强激光 工作物质工作物质的均匀加宽的均匀加宽线形和荧光线形和荧光线形线形光谱烧孔光谱烧孔 固态工作物质中的晶格固态工作物质中的晶格缺陷导致晶体内不同格位的缺陷导致晶体内不同格位的激活离子发射（或吸收）的激活离子发射（或

34、吸收）的中心频率有微小的移动，不中心频率有微小的移动，不同格位的激活离子发射的谱同格位的激活离子发射的谱线叠加在一起形成的包络即线叠加在一起形成的包络即荧光谱线（荧光谱线（非均匀加宽非均匀加宽）。）。0 用频率为用频率为 的窄带强激的窄带强激光激发光激发非均匀加宽的工作非均匀加宽的工作物质，同时用另一束物质，同时用另一束窄带窄带可调谐激光扫描该物质的可调谐激光扫描该物质的非均匀加宽的吸收谱线，非均匀加宽的吸收谱线，则在吸收频带上激发光频则在吸收频带上激发光频率率 处会出现一个凹陷，处会出现一个凹陷，即即“光谱烧孔光谱烧孔”。00第37页/共51页出现光谱烧孔的原因：出现光谱烧孔的原因： 在窄带

35、强激光激发下，与激光共振的那部分离子在窄带强激光激发下，与激光共振的那部分离子几乎全部被激发到激发态几乎全部被激发到激发态E2 ，测量这些离子从基态，测量这些离子从基态E1到激发态到激发态E2的吸收时，就出现吸收饱和线型；而不与的吸收时，就出现吸收饱和线型；而不与窄带激发光共振的离子仍然有正常的吸收。用激光扫窄带激发光共振的离子仍然有正常的吸收。用激光扫过整个吸收线，测透射光强时就会在原来的吸收线型过整个吸收线，测透射光强时就会在原来的吸收线型上出现凹陷，也就是上出现凹陷，也就是“孔孔”。 激发激光停止后，激发态电子回到基态，孔就消失激发激光停止后，激发态电子回到基态，孔就消失了，信息不能持久

36、保存，但如果与激光了，信息不能持久保存，但如果与激光共振的离子共振的离子发发生某种光致物理或化学变化而不能退激回原来基态，生某种光致物理或化学变化而不能退激回原来基态，或退激需很长时间时，则形成的光谱孔能保存较长的或退激需很长时间时，则形成的光谱孔能保存较长的时间，称为时间，称为“持续光谱烧孔持续光谱烧孔”( Persistent Spectral Hole-Burning，PSHB )。第38页/共51页光谱烧孔光谱烧孔0 把烧孔激光调谐到荧光吸收把烧孔激光调谐到荧光吸收谱带内的不同频率位置，孔就谱带内的不同频率位置，孔就出现在不同的频率上，出现在不同的频率上，有孔有孔和和无孔无孔就可以表示

37、就可以表示“1”和和“0”两两个状态。孔的存在时间就是电个状态。孔的存在时间就是电子在激发态的寿命。用子在激发态的寿命。用测量透测量透射光强射光强的方法就可以检测孔的的方法就可以检测孔的有无。这一原理应用于光信息有无。这一原理应用于光信息存储就是存储就是“频率选择光存储频率选择光存储”。 光谱烧孔光谱烧孔方法有望方法有望突破光存储密度的衍射限制突破光存储密度的衍射限制，因为除了，因为除了利用记录材料的空间维度外，还可以利用利用记录材料的空间维度外，还可以利用光频率维度光频率维度。在光。在光斑平面位置不变的情况下，调谐激光频率在吸收谱带内烧出斑平面位置不变的情况下，调谐激光频率在吸收谱带内烧出多个孔，可实现在一个光斑位置上存储多个信息。存储密度多个孔，可实现在