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一、全息存储简介1、全息存储的背景信息技术在经历了以解决计算机运算速度为主要任务的CPU时代和解决信息传播、传输、交换为主要矛盾的网络时代之后，现在又进入以解决信息存储和安全备份为主要矛盾的信息存储时代。进入21世纪以来，通过开发新材料、改善材料存储性能、采用高性能软磁材料做磁头、缩小记录光斑尺寸、使用多层膜耦合及超分辨率读出等新技术手段，磁性和磁光记录存储的记录密度得到大幅度提高。磁盘的容量可达10Gb/in2，磁光盘的容量也可以达到20Gb/in2。在光盘的存储方面，人们通过研发新型有机光化学材料、采用短波长激光读写、提高道密度和线密度、开发多数据层光盘、提高盘面转速等技术，显著提高了光盘的存储密度和传输速率。然而，现有光盘的存储原理决定了它存在1/λ2(λ为光波波长)的面密度限制，其二维存储的密度将要接近物理极限，研究人员已将目光转向了三维体存储。对于光存储而言，体存储容量与面存储容量之比是所用激光器波长的平方与立方的关系。在现有的几种基于页的三维存储研究方案中(例如：全息记录、光谱烧孔、光子回波、双光子存储和光致变色多层存储)，由于全息数据存储同时具有较高的数据传输速率(1Gb/ps)、巨大的存储容量(V/λ3：V是全息存储晶体的体积，λ同上)和短暂的访问响应时间(100μs)，是最有希望的下一代数据存储技术。1、全息存储的背景2、全息存储技术及其特点(1)存储密度高、容量大。全息存储容量的上限为l/λ3，理论上全息存储密度可达1Tb/cm3(1Tb=1000Gb)，目前的技术已达10Gb/cm3。高存储密度是通过在感光材料的同一区域记录多张全息图得到的。目前，最常用的多重记录方法有多波长、多角度、多相位记录。为了得到更高的存储密度，可以将几种多重记录方法综合使用。例如，可以采用波长一角度相结合进行记录；(2)数据传输速率高和存取时间短。全息图采用整页存储和读出的方式，一页中的所有信息位都被并行地记录和读出。此外，全息数据库可以用无惯性的光束偏转(例如声光偏转器)或波长选择等手段来寻址，不一定要用磁盘和光盘存储中必需的机电式读写头，因而数据传输速率和存取速率可以很高；(3)高冗余度。与按位存储的磁盘和光盘不同，全息图以分布式的方式存储信息，每一信息位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和损伤不会引起信息的丢失；(4)存储可靠性高。全息存储材料都选用光学性能好、化学性能稳定的银盐晶体、有机高分子聚合物或金属化合物晶体。和全息照相的底片一样，即使存储载体有部分损坏，仍能读出全部数据，只不过清晰度有所降低。全息存储材料记录的信息可保持30年以上；(5)可进行并行内容寻址。全息存储器能够接输出数据页或图像的光学重构信息，因此可以行地进行面向页面的检索和识别，具有快速的内相关寻址功能。这种独特的性能可以用来构建内寻址存储器。二、全息存储拥有如此多的优点，那它所采用的材料是什么呢？ANSWER:全息存储材料到目前为止，人们常用的全息存储材料包括：银盐材料、光致抗蚀剂、光导热塑材料、重铬酸盐明胶（DCG）、光致聚合物。银盐材料是传统的全息记录材料。超微粒的银盐乳胶有很高的感光灵敏度和分辨率，有较宽广的光谱灵敏范围，并已重复性好、保存期长，具有很强的通用性。它既可以用来记录振幅型全息图（曝光加显影过程），也可以记录得到高衍射效率的位相型全息图（曝光、显影，然后进行漂白处理）。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、稳定的商品化产品——全息干板。银盐材料的缺点主要在于：不能擦除后重复使用，湿显影处理程序较为繁琐，且对于位相型全息图，其较高的衍射效率却往往带来噪声的增加和图像质量的下降。1、光致抗蚀剂材料光致抗蚀剂是一种可以制备浮雕型位相全息图的高分子感光材料。这种材料也可以旋涂在基片上制成干板，光照射后，抗蚀剂中将发生化学变化，且随着曝光量的不同，发生变化的部分将具有不同的溶解力。选用合适的溶剂显影，便可制成表面具有凹凸的浮雕相位型全息图。光致抗蚀剂有正性和负性两种类型。负性光致抗蚀剂在显影过程中，溶剂将腐蚀掉未曝光部分的材料。为了获得较好的图像质量，需要对负性光致抗蚀剂进行足够曝光，但这往往与全息图成像的最佳曝光量相矛盾，从而使负性光致抗蚀剂存储的全息图的精细线条往往由于曝光量不够，而在显影时被腐蚀掉，影响全息图的质量。正性抗蚀剂的曝光和显影特性与负性抗蚀剂正相反，故使用正性抗蚀剂可以克服上述困难而获得高质量的全息图。采用光致抗蚀剂来记录全息图有着令人看好的应用潜力，因为在全息光存储中的只读存储方面，采用这种方法记录的全息图可以铸模制成标准母盘，实现大批量、低成本的复制生产。2、光导热塑材料光导热塑材料是另一种记录浮雕型位相全息图的记录材料，是在电照相基础上发展起来的一种全息记录材料。但由于其分辨率不够高，且高质量导电薄膜制造困难，因此应用有限。3、重铬酸盐明胶（DCG）重铬酸盐明胶（DCG）是在明胶中浸入Cr2O2-7离子构成的位相型全息记录材料。它的光学性能良好，典型膜厚为10～3μm，被光照的部分不会变黑，因此再现全息图也不吸收光，是一种理想的位相型全息记录材料。DCG可分为未硬化和硬化两种。未硬化的DCG记录的全息图的衍射效率只有30％，没有充分体现DCG材料的优点。采用硬化DCG记录的折射率调制型全息图具有良好的光学性质，分辨率达到理论值的90％，且背景散射小于信号的10-4。DCG材料的缺点在于：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等。即便如此，由于其在光学性能上的优越性，核材料依然被广泛应用于全息存储、各种全息元件的制作等方面。4、光致聚合物材料光致聚合物是近来在全息存储材料领域的一个研究的热点。光致聚合物主要由单体、聚合体和光敏剂组成。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。光致聚合物具有较高感光灵敏度、高分辨率、高衍射效率以及高信噪比，可用完全干法处理及快速显影，记录的生息图具有很高的几何保真度，并易于长期保存。光致聚合物的本要缺点在于其体积容易受到影响而发生变化，这一直是阻碍光致聚合物材料在全息光存储中实现应用的主要问题。如果能够解决这一问题，光致聚合物将是一种非常理想的全息光存储材料。5、光致变色材料光致变色材料也可以用于全息光存储，这是由于光致变色膜层内的分子极化特性发生改变，会导致膜层折射率的变化。尤其记录波长与介质吸收谱非共振时，膜层内部可产生显著的折射率变化。因此，这种条件下光数变色材料也可以看作是位相型全息光存储材料。光致变色材料具有无颗粒特征，分辨率仅受记录光波长和光学系统的影响。但是光致变色材料存储的全息图的衍射效率并不高，这也限制了核材料在全息光存储领域的应用。6、光折变材料光折变材料是另一种优良的全息光存储材料，目前在全息光存储领域得到了非常广泛的应用。光折变材料是通过光折变效应来存储全息图的，即当受到非均匀的光强度照射时，材料局部折射率的变化与入射光强成正比。光折变材料具有动态范围大、存储持久性长、可以固定以及生长工艺成熟等优点，且有机光折变聚合物也没有光致聚合物的体积变化问题，因此，从目前的研究情况看，光折变材料非常适合于全息光存储。光折变材料主要有无机存储材料和有机存储材料两类。常见的光折变无机材料主要有掺铁铅酸钾晶体（LiNO3：Fe）、铌酸锶钡（SBN）、和钛酸钡（BaTiO3）；而常见的有机光折变聚合物则有PMMA：DTNB：C60和PQ／PMMA等。三、全息存储对材料的性能要求1、衍射效率全息图衍射效率的定义为：在全息光栅成像时，有效成像光通量与照射全息光栅的入射光通量之比，用η表示。材料所能达到的最大衍射效率，是衡量一种材料有无全息存储潜力的重要因素。材料的衍射效率越大，在同一体积上记录的多个全息图可分享的记录响应能力越强，从而每个全息图的衍射效率就越大，信息页面重构时的亮度越明显。影响衍射效率的因素有材料的化学成分、记录光强及物光和参考光的光强比等。2、感光灵敏度感光灵敏度是指记录介质受到光照后，其响应的灵敏程度，一般定义为具有最大衍射效率时所需的曝光能量。但由于各介质的最大衍射效率相差很大，所需的光照时间不同，这一定义不能准确反映材料对光照的响应灵敏度，所以全息记录材料的灵敏度定义为：在1mm厚的介质中记录衍射效率为1％的光栅所需要的能量密度(W)，单位为mJ/cm2。光聚物的灵敏度与其化学成分有密切的关系，我们通常希望材料的灵敏度值越低越好。3、感光动态范围全息材料的感光动态范围即材料的最大折射率改变，是指当曝光时间与响应时间相比为足够长时，材料所达到的折射率变化。材料的感光动态范围直接决定了高密度全息存储的衍射效率及材料可达到的最大存储容量。该范围与材料的写人和擦除特性有关，一般来说，对某种材料要想充分利用其动态范围，必要的曝光时间必不可少。4、分辨率分辨率代表材料的分辨本领，是指它区分输入图像细节的能力，或它所能记录的光强空间调制的最小周期。分辨率是每毫米分辨多少线对作为定量指标，单位为：线对/mm。全息材料记录的是物光与参考光的干涉条纹，对分辨率的要求较高。全息存储中，要求记录介质的分辨率大于全息图的分辨率。5、信噪比信噪比是衡量感光材料信息失真度和清晰度的指标。材料噪声过大将严重损害再现数据的质量。噪声来源于材料的缺陷和非均匀性造成的对输入信号的随机散射。信噪比一直是人们用来描述信号质量的经典方法，通常定义为：S/N，其中S表示信号强度，N表示噪声强度。6、重复性及保存期全息记录材料的重复性是指信息可重复擦写的能力。保存期是指全息材料对已记录信息的保存时间。四、存储技术材料发展前景与当前的硬盘、光盘存储以及下一代的高密度光存储技术相比，全息光存储的巨大竞争力体现在它所具有的超大存储容量、超高存储密度和越快的存取速度等方面。全息光存储的研制目标就是希望能够实现TB量级的存储容量和1Gbps的数据传输率。随着人们在关键器件研发和新型存储材料研制方面取得的巨大进步，这一目标的实现并非遥不可及。事实上，Inphase公司和Optware公司已经在这一领域中迈出了坚实的步伐，取得了令人瞩目的成就，同时更在全息光存储商品化的进程中取得了极大的进展。当然，全息光存储的发展也还存在着诸多的难题，首当其冲的就是必须寻找一种同时兼具性能、容量和价格方面综合优势的存储材料，这也是全息光存储发展过程中必须解决的关键问题之一。其次，从加工生产方面来看，如何以较低的生产成本实现加工，特别是有关激光、空；和光调制器和探测器阵列的对准，对于工程人员来说依然是一个巨大的挑战。最后，要实现合适的性能价格比，全息光存储如果不够便宜，就难以找到市场，普通的PC机用户不会为了性能上一定的改善而付出高额的费用。因此，全息光存储只有在其价格降到一个合理的水准，才能够在竞争激烈的市场上站住脚。我们相信随着技术的发展，在不久的将来，人们终究会找到解决这些问题的方法，全息光存储也会走进千家万户，满足人们对于信息存储容量永无止境的需求。五、结束语当前磁盘和光盘存储仍然是数据存储技术的主流，随着信息社会的飞速发展，现代计算机速度的迅速提高，对高密度信息存储的需求愈为迫切。两院院士王大珩先生精辟地指出“20世纪是微电子的世纪，21世纪将是光子的世纪”。光的速度、光的精度、光的色度和亮度将成为这个时代的特征；光学将成为穿越宏观世界和深入微观世界的重要工具。伴随着这一时代进程，全息存储必将在科学研究和社会生活的各方面发挥重大的作用。近年来，民用光电子技术的快速发展带动了全息存储相关技术的发展。全息存储技术已走出实验室，无论在存储材料、方法和系统方面都在朝实用技术的方向不断前进。