（光学专业论文）高密度体全息存储器的光学系统设计.pdf

摘要 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新型信息存储技术。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 重于盘式体全息存储器的光学系统设计。重点目标是研制能够实现大幅面的空间 光调制器( s l m ) 和光电耦合探测器阵列( c c d ) 的像素1 ：1 匹配的傅立叶变换 镜头，在此基础上进行盘式体全息存储器的小型化设计，同时研制能够实现全息 光盘的离开实验台的精确复位机构。进一步优化盘式全息存储的方案和光学系 统，以此推进三维盘式全息存储技术的实用化进程。 本论文从盘式体全息存储的基本理论和相关技术出发，首先描述了光学体全 息记录的基本物理过程和耦合波理论；然后根据全息图的类型特点，阐述了傅 立叶变换全息光路作为体全息存储器的光路系统的优点；同时对光学体全息存储 材料的存储特性做了一些简单的介绍；接下来讨论了光学体全息体积复用存储技 术，最后对本论文工作应用到的空间角度复用与盘式体全息存储技术以及有关 体全息存储器光学设计的像差理论进行了详细叙述。 根据这些理论，实现了盘式体全息光学系统的设计。首先提出来用于反射式 傅立叶变换体全息存储的空间一角度复用的光路机构，然后按照s l m 和c c d 的 光学参数以及系统的工作要求提出傅立叶变换镜头的设计条件，为实现在1 0 2 4 7 6 8 幅面的1 ：1 像素匹配，设计采用非对称结构的傅立叶变换镜头，可以解 决s l m 与c c d 像素尺寸相差比较大的问题，使两个镜头的焦距比同s l m 和c c d 的像素尺寸比相等。经过一系列的设计和优化，得到一个能够满足设计要求的 结果。然后利用光学设计软件对设计参数进行误差分析，以此确定能够满足设计 要求的加工和装配公差指标。同时，通过对镜头中各组镜片的公差敏感度分析， 北京工业大学理学博士学位论文 找到了前组傅立叶变换镜头中一个对成像质量不敏感的单元镜片，通过对这一镜 片的前后间隔进行调整，实现该傅立叶变换镜头的微小变焦，可以解决像素匹配 对镜头组放大率精度极其苛刻的要求。最终我们以实验来进行验证，通过对5 1 2 5 1 2 幅面的随机二值化数据掩膜版和s l m 与c c d 的像素l ：1 进行完全匹配， 证明镜头设计的良好，在全息光盘介质存在的情况下得到了1 5 1 0 4 的原始误码 率。使用s l m 在光折变晶体进行存储数据匹配实验，读出数据再现时误码率为 2 5 1 0 。，达到了实现像素匹配的要求。 我们还进行了小型化的盘式体全息存储器设计，通过在物光光路中加入五角 棱镜的方法来进行光路的压缩，以此得到一个物光和参考光等光程的紧凑光学系 统。并且为此设计了相关的机械结构，得到了一个可以离台的小型化盘式体全息 存储器。同时，根据体全息存储中布拉格角度匹配的要求，设计了一个全息光盘 的精确定位装置。实验证明，可以满足全息光盘离台后精确复位的要求。最终， 我们在这个小型化系统上采用盘式分批热固定的技术存储了1 0 0 0 幅全息图，再 现全息图质量良好，证明了该系统的可行性，以此为体全息存储的小型化发展积 累一些经验。 除此之外，我们还针对盘式体全息存储器研究过程中发现的一些问题进行探 讨，利用光路中平行平板可以使光轴偏移这一特性，提出了一个金息光盘定位误 差补偿的方法，并以实验来验证。同时，为了解决体全息存储器中，准直激光的 高斯光束的光斑照度中间亮边缘暗的问题，设计了一个基于非球面透镜的高斯光 束均匀化器，能够将高斯光束均匀化并扩柬，均匀化程度达到9 0 。最后，为 了进一步促进盘式体全息存储器实用化发展，还进行了个同轴全息存储的光学 系统设计，设计出一个物光与参考光同轴的短焦距傅立叶变换镜头对，为未来的 全息光盘存储器发展做一些探索。 关键词光学设计；盘式全息存储；傅立叶变换镜头；像素匹配；定位器 u a b s t r a c t t h ei n f b 姐a t i o nt e c h n 0 1 0 9 i e sh a v eb e e nf 如td e v e l o p i n ga 1 1 ds t r o n g l yd e m a 工l 出n g f o rm ei 叫 o m l a t i o ns t o r a g et e c h n o l o g yo w i n gt ot h eh i g hd e n s i t y ，m a s sc a p a c i t y ，a 1 1 d 缸td a t at r a n s f e rr a t e ，m eh o l o g r a p h i cd a t as t o r a g e ( h d s ) t e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n e o ft h ep o t e n t i a ln e wt y p e so fi i l f o n a t i o ns t o r a g et e c h n o l o 西e s t h eh 0 1 0 留a p h j cd i s c s t o r a g et e c h n o l o g y ，w h i c hh a s 出ep r o p e r t i e so fs i m p l i c i t yi no p t i c a lr e a d w r i t eh e a d a n dt h cc o m p a t i b i l i t ) ，w i t he x i s t i n gd i s cs y s t e m ，i sm o r es u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o no f h i 曲一d e n s i t ya n dm a s s c 印a c i t yd a t as t o r a g e t h l l s ，r e s e a r c ho nh 0 1 0 9 r a p h i cd i s c s t o r a g es y s t e m sh a sp r a c t i c a ls i g n 城c a n c e t h i sp 印e ri sf o c u s e do nt h ed e s i g no ft h eo p t i c a ls y s t e mo fh d s t h ea i m sa r e t oi m p l e m e n t1 ：l p i x e l - m a t c h i n go f l l i g hr e s o l u t i o nd a t a p a g e s ( 1 0 2 4 7 6 8 ) b e t w e e n s l ma i l dc c d ，a i l dt od e s i 弘ac o r n p a c th 0 1 0 9 r a p h j cd i s cs t o r a g es y s t e m 埘也 o p t i m i z e do 埘c a la n dm e c h 柚i c a ls m l m ，t h u s ，t oh c l p 谢血p 眦i n g 也eh o l o g r a p h i c d a t as t o r a g et e c l l i l o l o g yi r l t op r a c t i c e w er e v i e w e d 衙s tt h e 量u n d a m e n t a l 也e o r ) ro nv o l 啪eh o l o 鲈a p h y ( m a i n l yt h e c o u p l i n g w a v et h e o r y ) ，a n d 也em e c h a i l i s mo fh 0 1 0 鲫h i cs t o r a g em a t e r i a l s ( m a i n l y p h o t o r e 厅a c t i v ec r y s t a l sa n dp h o t o p o l y m e r s ) b a s e do nt l l ea _ b o v e 胁d a m e n t a l s ，t h e i m p o r t 眦eo ff o u r i e rt m s f o mh 0 1 0 伊锄sf o r h o l o g r a p h j cs t o r a g ei sd e s c 曲e d t h e m u l t i p l e x i n gt e c h n j q u e so fh o l o g r a p l l i cd i s cs t o r a g ea r eb r i e f l ym t r o d u c e d ，e s p e c i a l l y ， t 1 1 es p a t i o a 1 1 9 u l a r l ym u i t i p l e x e d ( s a m ) h o i o 掣a p h i cd i s cs t o r a g es c h e m ei sd i s c u s s e d i nd e t a i l n l ea b e r r a t i o n 恤o r yo f o p n c a ld e s i g ni sa l s or e v i c w e d i nm ed e s i g no f h 0 1 0 9 r a p h j cd i s cs t o m g es y s t e m ，w e6 r s tp r o p o s e da no p t i m i z e d r e f l e c t j o nc o 娟g w a t i o nf o rs a mf o 谢e r - 仃a n s f 0 栅h o l o g r a ms t o r a g e t h e nw e d e s i g l l e da 1 1 dm a n u f a c t u r e da na s m l 主i l e 伍c a lf o u r i e rt r a n s f 0 肋1 e n sp a i r ，、v h i c h m 种c h e dt l l ep a r a m e t e r so fs l ma n dc c da 1 1 dt l l es y s t e mr e q 试r e m e n t s i no r d e rt o a c b j e v el ：lp i x e l - m a t c h i n go f h i 曲r e s o l u t i o nd a t ap a g e s ( 1 0 2 4 7 6 8 ) b e t w e e ns l m a n dc c d ，t l l e 铆o1 e n s e s 、e r ed e s i g n e da n do p t i m i z e di na ni t e r a t i v em a n n e r ，a n dt h e c o m b i n a t i o no ft h e mr e a c h e ds a t i s f b t o r yr e s u l t s 讪me l i m i n a t e da b e r r a t i o n s 也a tc a l l m e 武址圮能s i g nr e q u i r e m e n t s m o r ei m p o r t a n _ d y ，也et o l e r a n c ea n a l y s i so fo p t i c a 】 i i l 北京工业大学理学博士学位论文 s y s t e mp a r a m e t e r sh a sb e e nd o n eb yu s i n ga 1 1o p t i c a ld e s i g ns o f h v a r e ，i no 讯e rt o a l l o we r r o r sc a u s e dd u r i n gm a n u f a c t u r ea n da s s e m b l y t h r o u 出血i sa 1 1 a l y s i sw ef o u n d 也a tt h ep o s i t i o no fas p e c i f i cp i e c eo fl e n si si n s i g n i f i c a mt om ef m a li m a g i n gq u a l i t y t h e r e f o r e ，t h ep o s i t i o no fm i sl e n sc o u l db ea d j u s t e dt om a k em e 丘o n tf o u r i e r t r a n s f o m ll e n sb e c o m eaz o o m ，s ot h a tb e s tm e e tm es 廿i c tr e q u i r e m e n tt ot 1 1 e m a g n i f i c a t i o no ft h ei e n sp a i r ，w h i c hs h o u l db ee x a c t l ye q u a lt ot h es i z er a t i oo fc c d t os l m f i n a l l y ，a f 【e rm ef o l l r i e rt r a l l s f o r ml e n sp a i rw a sm a 工l u f a l r e d a 1 1 d a s s e m b l e d ，w ec o n d u c t e de x p e r 吼e m st oe x 砌n ei t sp e r f o n n a l l c e sb yi m a g i n ga r a l l d o md a t ab o mm a s ka i l ds l mo f5 1 2 5 1 2p i x e i s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t1 ：1 p i x e l 一m a t c h i n gb e 帆e e ns l m a n dc c d 、a sr e a l i z e d ，a i l dar a wb i t e r m r r a t e ( b e r ) o f1 5 1 0 - 4w a sa c h i e v e d f u r t l l e 珊o r e ，也es t o r a g ee x p e r i m e n t ss h o w n ， m e r e c o n s t r u c t i o nd a t aa b o u tb e r2 5 x 1 0 一t h i sl n d i c a t e d 也a tm e1 e n s e sw em a d eh a d e x c e l i e n tp e r f b 衄a n c e sf o rh d s m o r e o v e r w ed i dt l l ew o r ko nd e s i g no fc o m p a c th o l o g r 印h i cd i s cs t o r a g e s y s t e mb ya d d i l l gap e n t a g o n a lp r i s mi m ot h ea 订no fs i g n a lb e a m ，w eo b t a i n e da c o m p a c ts y s t e m ，l nw h i c h 也er e f 抽l c eb e 锄a n do b j e c tb e 锄h a v ea l m o s tt h es 锄e o p t i c a 王p a t h a tm es 锄et i m e ，a c c o r d i n gt ot 1 1 en e e do f t l l eb r a g gm a t c h i n go f v o l u m e h 0 1 0 9 a m s ，、v ed e s i g n e da na c c u r a t ep o s i 廿o n e rf o rt 圭l eh o i o g r a p h j cd i s ch o i d e rt h e e x p c r i m e n t a lt e s t ss h o w e dt h a tt 1 1 i sp o s n i o n e rc o l l i dm e e tm er e q u i r e m e n to f a c c u r a t e r e p o s i t i o no fm eh 0 1 0 9 r a p h l cd i s ca f t e rm 0 v i n g0 u to f 也ep l a t f o r m f i n a l l y w es t o r e d lo o oh o l o g r a p h i cp a g e si nt h i sc o m p a c ts y s t e mb yu s i n g 订a c k - d i v i s i o n 协e m a lf i x i n g s c h e m e ( t d t f ) a i l d 戗l er e c o n s 咖c t e di m a g c sh a dg o o dq u a l i t y h e n c e ，也ef e a s i b i l i t y o fn l i ss y s 皓mw a s p r o w d i na d d i t i o n ，w ep r 硼d c ds 0 1 u t i o n sf o rs o m ei s s u e s 瞄a t e dt oh 0 1 0 9 如【p h i cd i s c s t o 】鹚es y s t c i n s s i n c ep a 蹦l e lp l a n ep l a t ec a i lo 如e tt h eo p t i c a la ) ( i s ，w ep r o p o s e da m e m o dt oc o m p e n s a t et h ep o s m o n i n ge 玎o ro fh o l o g r 印h j cd i s c s ，a i l de x p e r i m e m a l l y d e m o n s t r a t e di t sf e a s i b i l i 够t 0i m p r o v e 也en o n u n i f 0 h r l i t yo fg a u s s i a nb e a r n i n t e n s i 吼ao a u s s i a nb e 锄啪i f b n n i z e rw a sd e s i g n e d ，b a s e do na s p h e r i co p t i c a l e l e m e n t s an u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w e d 廿l a tm i sd e v i c ec o u l de x p a n dg a u s s i a n b e 籼s ，w h j l em 出n gm eb e a n li r r a d i a i l c eu 1 1 i f o m i z e du pt o9 0 f i n a l l y ，w ca l s o l v d e s i g n e dac o a x i a lh 0 1 0 9 。a p h i cs t o r a g es y s t e m ，a 1 1 daf o u r i e rt r a l l s f b r m1 e n sp a j rf o r b o t h 廿l er e f e r e n c ea n do b j e c tb e 锄so f m ec o - a x i a ls y s t e m ，、v h i c hw o u l db eo f b e n e 6 t t op r o m o t i n gt h e p r a c t i c a ld e v e l o p m e n to fv o i u r n eh o l o 掣a p l l i cd i s t s t o m g e t e c h n o l o g y k e yw o r d so p t i c a ld e s 培n ；h 0 1 0 9 r a p h i cd i s cs t o r a g e ；f o u r i e rt r a 工l s f o m l l e n s ；p i x e i m a t c h i n 戥p 0 5 i t i o n e r v 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：盔丝日期：独：女：! 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) 勰坦新躲避胁趟1 第l 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 信息存储技术的发展状况 现代科学技术的发展，使信息增长的速度和信息存储的技术与时俱进。 二十世纪计算机技术产生以后，信息技术科学成为世界各国综合国力发展的 一个重要内容，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。自从1 9 5 7 年i b m 引入r a m a c ( r a l l d o m a c c e s s m e t l o do f a c c o u n t i n g 锄d c o n t r 0 1 ) 咀采，采用电磁技术的磁盘一直是计算机信息储存的主要方式，过去1 0 年中，硬磁盘的面密度以每年6 0 的速率递增，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 掰的数量级，其中 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，i j 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 1 。若同时在大量可分辨的窄光谱凹陷中进行记录，存储密度还可咀提高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i | “。 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 m n ，物镜数值孔径从0 3 8 增加到了 o6 ，d v d 光盘的物理密度也比c d 盘提高了4 倍以上【3 j 。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 帕恼左右。已逐渐笈展起来的蓝光光盘，采用4 0 5 i l i n 的记录光波长和数值孔径为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 。 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 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 北京工业大学理学博士学位论文 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 九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，从而制约了存储密度的提高口 。 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 t ，s 到t b i “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 5 。 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 子激发到一个中间的虚拟态，第二个光予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。故两个光予必须在 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型6 】。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。 第1 苹绪论 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l i 。同束激光分为两束，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，材料对于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。 曲记录过程b ) 读出过程 图1 1 体全息存储原理示意图 f i 9 1 1v o l 恤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 g 她db ) 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，体全息存储的优势在于以下特点和优点： 高存储容量：如前所述按照三维光学存储数据密度的理论上限1 膳，以记录 光波长丑，1 j 嬲计算，体全息数据存储的理论存储密度可达1 0 惶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同时记录和读出，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 “s ，而磁盘系统的机械寻址 北京工业丈学理学博士学位论文 需要1 0m s 。 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。 1 2 光学体全息存储技术领域的研究进展 采用光学体全息存储技术是三维存储的一个重要发展方向。值得一提的是， 全息存储技术的开发历史要比现行光盘存储技术还要长。早在1 9 6 3 年，v a n h e e r d e n 就提出了采用三维全息技术来提高光存储容量的设想。3 0 多年以来， 诸如杜邦、i b m 、r o c k w e l l 和贝尔等公司或实验室都在这一领域进行着研发，并 取得了一定的进展。 8 0 年代末9 0 年代初，光学数据岸饥、光学神经网络 如1 0 】、光学互连1 1 叫3 1 、 模式识别【1 4 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 试a t o r ，简称s l m ) 和高性能光 电耦合器阵列( c h 蠲g c c o u p l c dd c 、，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”5 1 们，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l o 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。随后，在记录介质与记录回放装置方面更是有所突 破。例如杜邦公司于1 9 9 4 年就开发出一种新的光聚合物 m t o p o l y m e r ) ，它 的单体可在激光照射下发生聚合反应，从而改变光学性质。它很适合于全息存储 已被用于该公司和m m 合作开发的全息数据存储系统。随后，美国国防部的高 级研究计划局( d a r p a ) 也启动了h d s s ( 全息数据存储系统) 及p r j s r ( 光折 射信息存储材料) 等项目，并加速了自己的研发。但是，所有这些创建三维存储 的努力都尚未达到商品化的程度。直到2 0 0 2 年，一些公司演示了全息数据存储 系统的样品，并预定了推出相关产品的计划。 第l 章绪论 1 2 1 国外的光学全息存储技术研究现状 国外国内目前对于光全息存储技术的原理性研究已经具有相当大的成果，纵 观近年来体全息存储领域己发表的研究论文，该领域的研究状况及取得进展主要 表现在以下两个方面： 一方面是存储材料的性能不断完善。应用于全息存储的材料主要有两类即无 机光折变材料和有机光致聚合物材料。光折变材料中最常用的是铌酸锂晶体。近 年来铌酸锂晶体的全息存储性能得到了广泛的研究。随着研究的深入以及晶体生 长技术的进步，铌酸锂晶体的全息存储性能不断得到改善，使铌酸锂晶体内的全 息存储取得了许多喜人的成果1 8 埘】。在光致聚合物材料研究方面，朗讯、杜邦、 1 1 1 p h a s e 等公司以及国内外众多的高校及科研院所都投入了众多的人力物力进行 研究，使光致聚合物材料的全息存储各项性能不断改善，主要表现在光致聚合物 中进行的全息存储其面密度已经从1 9 9 6 年报道的0 1 b i t ，岍1 2 【2 5 】，到2 0 0 0 年报道 的1 0b i t s 阳1 2 【1 q ( 存储介质厚度均为1 0 0 岫) ，进而到2 0 0 3 年d a w a 】d m a n 等 人报道在厚度为4 0 0 斗m 光致聚合物材料中实现大于1 0 0b i “m 2 的全息存储 2 矾。 另外一个重要方面是体全息存储复用技术得到卓有成效的研究。空间复用技 术是发展最早的复用技术，主要针对平面型记录材料2 7 1 ，在存储密度方面不能发 挥全息存储的优势。为了充分利用材料的体积发展了共同体积复用( 即在同一空 间位置复用存储大量全息图，又称单点复用) 技术，包括角度复用、位相编码复 用和波长复用。其共同基础都是厚全息图的布拉格选择性。 角度复用技术是体全息存储中使用最早、研究最充分的复用技术【2 9 州】。它 利用体全息图的角度选择性使各个不同的信息页面非相干地记录于存储介质的 同一位置，各信息页面之间以参考光的不同角度加以区别。记录时，物光束可以 是页面的傅里叶变换( 准确的或离焦的) ，也可以是成像光束。每个全息图使用各 自不同的物光和参考光夹角写入和读出，但都采用固定的波长。通过单独改变参 考光入射角或物光入射角，或者同时改变参考光和物光入射角度，均可以在晶体 内实现体全息图的角度复用，其中以单独改变参考光入射角的角度复用方法最为 实用。角度复用的参考光波般采用平面波，参考光的入射角可以在写入光束组 成的平面内变化，也可以在垂直于写入光束组成的平面内变化即可以采用角度 分维复用【3 2 ，33 1 。 北京工业大学理学博士学位论文 为了克服角度复用技术串像噪音较大的缺点，1 9 9 1 年d e n z 等提出正交位 相编码复用技术的概念 34 ：即每个全息图的参考光由一组个平面波束的集合 组成，对其中每个光束都进行纯位相调制，即相对位相延迟非0 即石，每一组这 样的光束集合，代表一个存储图像的地址，并且和其他所有的地址都正交。这种 正交性在于，用一组位相编码的参考光再现时，该组中所有个光束被存储的 全息图中的一个全息图衍射叠加后得到最大的衍射效率，而用另一组位相编码的 参考光束再现这同一个全息图，会得到极低的衍射效率。位相复用还使全息图的 寻址可阻通过改变光束的位相而不是改变光束的方向来实现，即无机械运动寻 址，使寻址过程更快【3 5 。 参考光的位相编码可以是确定性的也可以是随机性的。散斑复用技术即为 随机位相编码复用。基于散斑参考光的体全息复用存储技术能够比上述讲到的复 用技术提供更小的复用间隔，从而实现更高的存储密度。因而，散斑复用存储成 为近年研究的个热点。2 0 0 3 年，日本的研究人员利用光纤束( f i b e r b u n d l e l 传输 参考光，利用移位和散斑复用在光折变铌酸锂晶体中的1 0 个位置存储了1 0 0 幅 全息图口引。清华大学近年开始研究散斑复用的体全息存储，提出利用动态散斑进 行全息存储，并对散斑复用存储技术进行了优化研究【3 扯3 9 】。 1 9 9 3 年提出的空间一角度复用【4 0 1 ( s p a t i o na n g u l a rm u l 邱l e x i n g ，s a m ) 全 息存储方案也是空间复用和角度复用的结合，相邻全息图之间既不完全分开，也 不完全重叠，而是部分地重叠。s a m 以一种独特的方式降低角度复用度，提高 空间复用度，从而改善了存储器的性能。采用球面参考波的空间角度复用技术， 单个全息图上各局部位置产生干涉条纹的参考光角度均不相同，是位景的函数。 读出时，只有在全息图及参考点源的位置与记录条件严格匹配的情况下才能有正 确的读出。如果再现与记录的参考点源已良好匹配，则全息图空间位置的失配就 导致其读出角度偏离布拉格条件，于是在选择空间位置的同时，就相当于进行了 读出角度的选择。采用这种方法，可以省去参考光的扫描机构，简化光学读出头 的设计，因此特别适合盘式全息存储。本实验室前期工作中提出和发展了空角复 用技术与球面坡结合的三维全息存储盘，并对该方案的基本原理及相关技术进行 了充分的研究【4 1 州 。 第1 章结论 1 9 9 5 年p s a l t i s 等人提出的位移复用( s h m m u l t i p l e x i n g ) 方案 45 】与s a m 有 相似之处。可以认为，位移复用实质上是空间复用与相位编码复用的结合。将位 移复用与球面参考波结合，发展成为位移复用的全息盘( 或称s h i 矗盘) 【4 “。 下面我们列举近年来的文献中几个有代表性的研究，这些研究分别采用不 同的光学系统配置，有着各自的优点和特点。 斯坦福大学( s t a n f o r du n i v e r s i t yi ns t a n f o r d ，c a ) 的研究小组在2 0 0 0 年研 制出一个高速的全息光盘的演示系统，他们采用和目前通用的c d 一样大小的 1 2 0 m m 直径的盘片，使用光致聚合物材料。为了减小复用引起的数据串扰，他 们使用了脉冲激光，功率约几百毫瓦，来配合记录光盘的转动和停止记录的步骤， 并且设计了位相调制的参考光，利用位相编码技术，提高在旋转的盘片上记录数 据的密度，它的存储密度达到7 0 b 岫2 ，总的存储容量是1 2 5 g b ，同时它的传 输速度达到1 g b i 讹f 4 7 1 ，对于全息光盘的寻址伺服系统，用精密的光电轴角编码 器与全息光盘的回转轴相联接，以此来完成精确的角度伺服定位。另外，为了保 证全息光盘在转动时的稳定性，光盘的回转轴安装在气浮轴承上。图1 2 是该演 示系统的实物图。另外根据文献资料，到2 0 0 2 年的时候，他们已经在这一系统 上，经过改进和提高图像采集的器件性能，使传输速率能够达到l o g b i “s 【4 8 。不 过尽管如此，这样的系统光机电结构是非常复杂的，而且整个系统的体积也比较 寸 。 图1 1 2 斯坦福大学的全息光盘系统实物图p 7 】 f i g 1 2p h o t o 昏a p ho f 恤h o l o 可a p h i cd i s k 科s t e mo fs t a n f o t du 曲时s 对 - 7 - 美国加州理工学院的p s a l t i s 等人做的位移复用系统，已经做出的实验系统 4 5 。见图卜3 ，分别针对光致聚合物和光折变晶体两种材料做出来不同的存储复 用系统。 a ) 光童目聚合物复用系统 b ) 光折变晶体复用系统 图1 3 位移复用系统 f i g - 1 - 3s h i f t m u l l i p l e x m gh o l o g r a p h i cd a c as t o r a g es y s t e i n a ) s h i f l 。m u n i p l e 对n gw i 廿1p q - d o p e dm 讧a b ) s l l i f c m u l t 砸l e x i n gw n hl i n b 0 3 ：f e 其他的如韩国的丁u s e o gj a n g 等人在2 0 0 0 年研究用旋转光楔加菲涅尔透 镜产生的扫描光作为参考光，也设计出一个比较紧凑的全息存储系统f 4 9 1 。 图1 4 利用菲涅尔透镜的紧凑全息存储系统h 9 1 f j g 1 - 4c o r n p a c th o l o g r a p h i cd a t as t o r a g es y s t e md e s i g l lw i t ht h e c a s s e 口a i nt e l e s c o p i cs t n l c t l l r ea n daf r e s n e l l e n s 第1 章绪论 德国明斯特大学( u n i v e r s i t a t n s t e r ) 也在研究新存储技术，据称将可以实现 在一块方糖大小的立方体中存储高达1 0 0 0 g b 的数据f 。 体全息存储的最终发展目标是走出实验室，成为具有实用意义的商业化产 品。目前过内外的最毅研究为全息存储的实用化发展又向前跨越了一步。最新报 道是在美国n a b 2 0 0 5 展会上，i n p h a s e 科技公司演示播放了保存在全息光盘 ( h v d ，h o l o g r a p h i cv e r s a t i l e d i s c ) 上的影像数据( 5 i j ，该公司的全息光盘能写一 次，其后作为只读光盘使用。光盘直径为1 3 0 胁，采用由塑料底板从上下两侧夹 着作为记录材料的光致聚合物层的结构。光聚合物层的厚度为1 5 m m ，是一种透 明的材料。光学系统采用由双光束干涉法改进而成的“p 0 1 y t o p jc ”方式。光源 波长均为4 0 7 n m ，记录播放装置具备s c s i 接口，可接到w i n d o w sp c 上使用。设 备驱动程序由美国p e g a s u sd i s k 科技公司提供。文件系统是由i n p h a s e 和p e g a s u s 公司联合开发的，访问时间在2 0 0 m s 以下，可进行随机访问( r a n d o m a c c e s s ) ， 存储密度为2 g b w 抒，数据传输速度目前为2 4 m 硅0 s 【5 1 1 。图1 ，5 为该公司公开 展示的全息光盘及驱动器。实际使用过程，为