光全息术的发展现状及未来趋势

《光信息存储》期末论文题目：姓名：班级：学号：完成日期：成绩：-1-光全息术的发展现状及未来趋势摘要随着社会的发展和技术的进步，人们对信息的需求不断增加，对信息数据存储的要求也越来越高。从目前磁记录、磁光记录以及光盘记录的现状和发展趋势出发，指出现有的记录方法不能满足未来超大容量、高存取速率的要求。而全息存储将是最理想的存储技术。全息光存储技术是一种极具发展潜力的信息存储技术，因其具有高信息冗余度、高存储容量和高存取速率等有点而日益收到关注。关键词全息光存储；存储材料一、引言随着光电等科学技术的发展，人类步入了一个全新的数字化时代和信息时代。由于信息的多媒体化，人们处理的不仅是简单的数据、文字、声音、图像，而是由高清晰度的和高质量的声音和运动图像等综合在一起的数字多媒体信息。光电信息存贮技术是一种非接触的写入和读出，如光盘与磁盘相比，有使用寿命长、存贮密度高、容量大、可靠性高、图像质量好、存贮成本低等优点，因而获得广泛的应用。尽管新一代的DVD已经进入市场，但光盘在不可擦除（尽管现在已有可擦除光盘，但使用寿命较低）和重写以及在数据传输速率等方面不占优势，而且又受光斑尺寸的限制，因而存储密度提高有限，所以出现了各种新型的超高密度光电存储技术。而其中光全息存储是当前比较热门的一种存储技术。二、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。但磁和磁光记录位不可能无限地小，它还受到无法克服的一个致命制约，这就是超顺磁效应。当磁和磁光记录介质中的铁磁颗-2-粒比单畴的临界尺寸小时，热涨落可使这种颗粒的磁矩产生一种类似于布朗运动一样的混乱转动，破坏磁矩间的整齐排列，使剩余磁化衰减或消失。100Gb/in2量级的记录密度可能是磁和磁光记录的极限。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。三、全息存储技术及其特点全息存储是利用光的干涉，在记录材料上以全息的形式记录信息，并在特定条件下以衍射形式恢复所存储的信息的一种超高密度存储技术。全息即物体的全部信息，包括物光波的强度分布和位相分布。全息记录原理与全息照相原理相同，但具体方法却有点差异。一是数据不是放在底片上，而是放在具有光折射特性的材料里，一块像小糖块大小的介质上含有上千个页(页相当于一张底片)，每一页可包含几百万比特信息；二是使用物光的方式不一样。全息存储在写入操作中，激光器输出的一束激光被分成2束，其中一束被扩束后作为参考光投射到记录介质上。另一束激光被扩束后经过被记录物体表面的漫反射作为物光也投射到记录介质上。物光用以携带数据，它被扩大到能够完全照射在整个立体光调制器(SLM)上。SLM其实就是一个LCD(液晶显示器)壁板，它以亮的和暗的像素阵列用整页的方式显示所要存储的二进制数据，物光穿过SLM后，有的点亮，有的点暗，也就是携带了该页的数据。然后，同参考光在介质内起作用，把整页的数据都变成干涉条纹图样，整页的数据便通过干涉图样存放在介质中。-3-读出数据时，只要用参考光照射存储介质，同其内部干涉图样起衍射作用便可还原先写进去的亮的和暗的像素(分别表示1和0)构成的图像，落在CCD(电荷耦合器件)构成的读取阵列上，于是，便可读出整页的数据。全息存储的特点是：(1)存储密度高、容量大。全息存储容量的上限为l/λ2，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。四、全息学的发展阶段目前全息学正处在它的第三个发展阶段。第一阶段，20世纪40年代后期——起始于《自然》杂志上盖伯的最初几篇论文。这个领域吸引了一些卓越的研究人员（Lohmann,Roger等），但并没有引起普遍的兴趣。第二阶段，60年代中期，起始于《英国光学学会会刊》上Leith和Upatnieks的论文以及几乎在同时问世的连续波可见光激光器。那时支持全息学的人们热情很高，而现实却显得-4-远远达不到人们所期待的结果。较多的全息研究计划着手进行，但很快便终止了。第三阶段没有一个明确的起始日期，也没有一篇明确的创新性的论文，第三阶段缓慢，但稳步地重新引起注意和得到资助是起始于70年代中期。五、全息存储材料全息光存储的存储容量、传输速度、存储数据的稳定性和系统体积都受制于存储材料，因此，研制开发合适的存储材料是全息光存储中最为关键的问题之一。对全息光存储材料性能的要求是高的光学质量、折射率变化大、高灵敏度和稳定的存储性能。存储材料所具有的高的光学质量和低散射性可以保证携带数据信息的物光波前不失真，并可以使来自散射光的噪声变得容易处理。折射率变化大可以保证有足够的动态范围以复用多幅全息图，同时为了充分利用布喇格效应实现复用，以提高存储容量，也希望存储材料能够具有一定的厚度。高灵敏度可令存储材料在一定激光功率下反应速度更快。而稳定的存储性能则可以使存储数据在后续读出或者存储其它数据时避免被破坏。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。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-5-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。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。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。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。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-6-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。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（LiNO3Fe）、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。六、光全息复用技术存储中的复用技术是全息光存储所特有的技术特征，采用合理的复用技术可以有效地增加系统的存储容量，提高存储系统的性能。全息光存储中的复用技术主要包括空间复用、体积复用和混合复用三