（精密仪器及机械专业论文）共焦双光头多层数据存储系统的仿真与测试(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 摘要 双光子存储技术作为一种新型的激光存储技术，由于其具有高速及高密度的三维 信息存储能力，因此在数据存储研究领域受到广泛的关注本文结合双光子存储技术 的优点和现有c d d v d 光盘存储技术的特点，提出了共焦双光头多层数据存储系统方 案，利用现有c d d v d 跟踪伺服技术，搭建共焦双光头多层数据存储实验系统，对 系统的伺服跟踪模型进行仿真，同时对双光头同步效果进行了实验检测。主要内容如 下： 首先，总结了双光子数据存储的特点和实用化技术现状，并根据实验室现有的实验 条件，构建了基于c d d v d 光盘系统的共焦双光头多层数据实验存储系统。论述了共 焦双光头多层数据存储系统的原理、系统构成、重要功能部件以及控制电路与控制程 序 其次，根据音圈电机特征参数推导出其数学模型，并通过模拟光盘伺服系统的各种 误差，建立共焦双光头多层数据存储系统的m a t l a b s i m u l i n k 模型，对共焦双光头多层 数据存储方案进行仿真研究，结果表明双光聚焦同步误差基本保持在0 0 3 m m 之内， 循迹同步误差保持在0 ，0 2 r a m 。以此为基础。可以对不同控制器参数下的跟踪效果进 行深入研究。 最后，为了检验双光头同步聚焦的效果，利用共焦双光头间距与输出激光能量之闻 的线性关系，设计、加工了共焦双光头同步聚焦误差检测系统。通过对输出信号的频 域分析，间接得出同步聚焦误差幅值在2 0 h z 附近达到最小值0 6 7 9 5 pm 。 关键字：三维光存储，光盘数据存储，音圈电机， m a t l a b s i m u l i n k ， 伺 服控制，c d d v d i i 英文摘要 a b s t r a c t a san e wt y p eo fl a s e rd a t as t o r a g et e c h n o l o g y , t w o - p h o t ot h r e e - d i m e n s i o n a ld a t a s t o r a g et e c h n o l o g yh a sa t t r a c t e dg r e a ta t t e n t i o nf r o md a t as t o r a g er e s e a r c h e r sb e c a u s e o fi t st h r e e - d i m e n s i o n a ld a t as t o r a g ea b i l i t yw i t hh i g hs p e e da n dh i g hd e n s i t y i nt h i s p a p e r ，w ec o m b i n et h ea d v a n t a g e so ft w o - p h o t od a t as t o r a g et e c h n o l o g ya n dt h e8 e r y o t e c h n o l o g yo fc u r r e n tc d d v ds y s t e m a n dp u tf o r w a r dt h es c h e m eo fc o n f o c a ld u 以 p i c k u ph e a dm u l t i - l a y e rd a t as t o r a g es y s t e m ，b yu s i n gt h es e r v ot e c h n o l o g yo fc d d v d ， w ed e v e l o pt h ee x p e r i m e n t a lm u l t i l a y e rd a t as t o r a g es y s t e m ，s e t u pt h em a t h e m a t i c a l m o d e lt h es e u * os y s t e ma n dg i v ed e e pr e s e a r c ho nt h es y n c h r o n i z i n ge f f e c to ft h et w o p i c k u ph e a d s t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t ，s u m m a r i z i n gt h et e c h n o l o g ys t a t u sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft w o - p h o t os t o r a g e ， w ed e s i g n e da n db u i l tt h ec o n f o c a ld u a lp i c k u ph e a dm u l t i l a y e rd a t as t o r a g es y s t e m a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o no fo u rl a ba n dc a r r i e do u tt h es t o r a g ee x p e r i - m e u t s h e r ew em a i n l yi n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo fc o n f o c a ld u a lp i c k u ph e a dm u l t i l a y e r d a t as t o r a g es y s t e m ，i m p o r t a n tc o m p o n e n t s ，c o n t r o lb o a r da n dc o n t r o lp r o g r a m s s e c o n d ，d e d u c e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fv o i c ec o i lm o t o r ( v c m ) ，a c c o r d i n g t oi t sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，s e t u pt h em a t l a b s i m u l i n km o d e lo ft h es y s t e m ，c a r r y o u ts i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h ec o n f o c a ld u a lp i c k u ph e a dm u l t i 1 a y e rd a t as t o r a g es c h e m e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea m p l i t u d eo ff o c u se r r o ra n dt r a c ke r r o ri s3 0 m i c r o n sa n d2 0m i c r o n sr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h i sm o d e l w ec a np e r f o r mad e e pi n s i g h t r e s e a r c ho ft h ei n f l u e n c eo fc o n t r o lp a r a m e t e r st ot h es y n c h r o n i z i n gp e r f o r m a n c ei nt h e f u t u r e f i n a l l y , t oc h e c kt h es y n c h r o n i z i n gp e r f o r m a n c eo ft h et w op i c k u ph e a d s w ed e - s i g n e da n db u i l tt h ec o n f o c a ld u a lp i c k u ph e a ds y n c h r o n i z i n gf o c u s i n ge r r o rd e t e c t i n g s y s t e mb a s e do nt h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e no u t p u te n e r g ya n dt h ed i s p l a c e m e n to f t h et w op i c k u ph e a d s b ya n a l y z i n gt h eo u t p u ts i g n a li nf r e q u e n c yd o m a i n ，w ec a l c u l a t e d t h ea m p l i t u d eo ft h es y n c h r o n i z i n gf o c u se r r o r t h em i n u si s0 6 7 9 51 1mn e a r2 0 h z k e y w o r d s ：t h r e e - d i m e n s i o n a lo p t i c a ls t o r a g e ，o p t i c a ld i s ks t o r a g e ，v o i c ec o i l m o t o r ，m a t l a b s i m u l i n k ，s e r v oc o n t r o l ，c d d v d i u 插图目录 插图目录 1 1 d v d 盘片结构示意图2 1 - 2 d v d h d - d v d b d 盘片尺寸对比图3 1 3 c d d v d 的最小增长和轨迹间距比较3 1 - 4 全息数据存储原理图6 1 - 5h v d 光盘结构图6 1 - 6 写入数据后的h v d 光盘6 1 7h v d 系统原理图7 1 - 8h v d 原型机光机单元7 1 - 9 多波长存储原理图7 l 1 0 多波长存储系统原理图7 1 1 1 三波长激光写入曲线8 l 1 2 三波长激光读出曲线8 1 1 3 光谱烧孔原理图9 1 1 4 双光子与单光子吸收过程示意图1 1 1 1 5 双光子三维光存储记录系统儿 1 一1 6 双光子三维光存储共焦读取系统1 1 1 1 7 氧化铝晶体双光子三维光存储原理图1 3 1 1 8 实验系统实物图与实验结果图1 4 l 一1 9 多层荧光光盘读取装置原理图1 5 1 2 0 多层荧光光盘结构图1 5 l 一2 1 光致变色三维光存储盘片1 5 1 2 2w o r m 系统原理图1 6 1 2 3 三维数据存储实验结果1 6 1 2 4 聚集循道伺服原理图1 6 2 - lb c s b p 分子结构1 8 2 2 紫外光照射前后的吸引光谱1 9 2 3 紫外光激发前后的荧光光谱1 9 2 - 4 实验存储系统原理图2 0 2 - 5 三层存储数据识别结果2 0 2 6 三层x 向标定行信号强度分布2 0 2 7 第一层读出数据各数据行信号强度分布2 1 2 - 8 三层存储数据荧光强度反向三维分布2 2 2 - 9 三层存储数据识别结果2 2 2 - 1 0 光盘机控制系统方框图2 4 2 - 1 1 光盘驱动器的机芯实物图2 4 2 - 1 2 光学头机械结构示意图2 5 一v l o 插图目录 典型c d 光盘驱动器光学系统 光盘系统伺服原理图 像散法原理图 聚焦误差信号的s 曲线 典型s 曲线探索过程 三光束法循迹误差信号检测原理 循迹误差四象限检测原理图 循迹误差信号处理电路 差分相位法原理图 主轴伺服原理图 锁相环p l l 原理图 共焦双光头多层数据存储系统原理图3 2 音圈电机位移特性测试原理图3 3 聚焦音圈电机位移一电压特性曲线3 4 声光调制器原理图t - 3 5 多层存储光盘结构图，3 5 m c u i 原理图3 6 m c u 2 原理图3 7 键盘与8 2 5 3 原理图，3 7 上位机控制软件界面图4 l 四弦式音圈电机结构图4 4 音圈电机电气模型4 4 聚焦循迹伺服系统噪音模型4 5 聚焦伺服噪音滤波器波特图4 6 循道伺服噪音滤波器波特图4 6 聚焦和循迹几何误差模型4 6 补偿前后聚焦致动器的b o d e 图4 7 系统伺服跟踪仿真模型4 8 聚焦误差f e 与循迹误差t e 4 8 双光头聚焦与循迹同步误差曲线4 8 实测不同选层电压下的聚焦驱动信号4 9 不同选层电压下的聚焦位移曲线4 9 5 1 同步聚焦误差检测原理图5 0 2 输出能量与距离关系曲线图5 2 5 1 3 输出能量与距离关系曲线局部放大图5 2 5 - 42 0 h z 输入驱动信号及各输出信号5 3 孓5 最小同步误差计算结果5 3 - v n 弱船凹凹嬲凹四飘瓢 3 4 5 6 7 8 9 o l 2 3 0 1 2 “射孔叭纠她射沈纰纰纰 “弛“弘如w粥鲫 纰“钓舶”锚蛐圳“ 表格目录 表格目录 1 - 1d v d 、h d d v d 与b d 的规格对比表4 2 - 1 三层写入实验数据表1 9 孓1 键盘编码与功能表，3 9 3 2 频率编码与控制字对照表4 0 4 1d v d 、h d d v d 与b d 的规格对比表“ 一v l u - 第一章绪论 第一章绪论 随着信息技术的迅猛发展和日益普及，人们迫切需要存储和处理爆炸式增长 的信息。信息存储技术在国民经济和国防科学技术中占有着重要的地位。社会对 存储密度和存储容量的需求，推动着人们去探索新的存储方法和存储介质，使之 成为信息科学研究的热点之- 1 ，2 l 。上世纪七十年代诞生的光盘信息存储技术， 是继磁记录之后新兴起的重要信息存储手段，获得了巨大的商业成功，成为一 个引入注目的高科技产业。目前，c d d v d 已经成为音像、软件等信息的基本 载体，而c d d v d 驱动器也随之成为个人计算机的标准配置。c d d v d 利用具 有高度单色性、相干性和方向性的激光作为读写光束，光束聚焦点尺寸可以达 到lum 以下，使得光存储可以获得比磁存储更高的密度和更大的容量。但是， 由于电磁波衍射极限的限制，光存储面密度不可能无限制的提高。最新推出的蓝 光光盘h d d v d b d 已很接近个极限。由于现有光盘均是单面或双面光盘，为了 进一步提高存储密度，充分利用存储介质的空间，克服衍射极限的密度限制，科 研人员提出将信息记录在存储介质的三维空间中，从而大幅度提高存储密度和存 储容量【3 1 。三维光存储由此诞生，并成为高密度海量信息存储的有效方法之一。 1 2 二维光盘存储技术发展概况 光盘是上世纪7 0 年代问世的一种高密度信息存储媒体，英文是l a s e rd i s c ， 简称l d ，直径为3 0 c m ，其对音频和图像均采用模拟信号的方式处理。直到上世 纪8 0 年代，b d 发展成为体积更小f 直径1 2 0 m m ) 的数字光盘，故被称为c o m p a c t d i s c ，简称c d 。c d 机具有极好的音质，频响可达2 0 h z 2 0 k h z 动态范围超 过0 d b ，失真小于0 ，0 5 ，抖动极小1 9 8 5 年c d 机获得爆炸性的发展，充分显示 出光盘数字存储技术所具有的无可比拟的优越性。与此同时，随着多媒体计 算机以及图像和伴音信号压缩等技术的发展，由c d 技术衍生出可录放图像的 v i d e o - c d ，简称v c d 。v c d 光盘外形尺寸与c d 光盘相同，均比l d 盘小得 多，采用m p e g l 数据压缩标准，可记录7 4 m i n 的视音频信号 4 1 。d v d 是为了适 一1 1 2 二维光盘存储技术发展概况 应人们对高画质的需求而开发的，其最初的英文名称为d i g i t a lv i d e od i s c ，简称 d v d ，采用m p e g 2 技术标准对视频信号进行压缩处理，水平清晰度达至1 1 4 0 0 线以 上，存储容量约为v c d 的l o 倍。对于计算机行业对来说，d v d 是作为一种数字 通用光盘出现的，即d i g i t a lv e r s a t i l ed i s c 。从产品应用方面出发，可将d v d 大致 分为五大类：d v d 放像机，d v d v i d e o ；d v d p c 装置，d v d r o m ；d v d 放音 机，d v d a u d i o ；一次性写入的d v d r ；以及多次写入的d v d r a m 。从盘片尺 寸看，d v d 光盘分为直径1 2 0 m m 与8 0 m m 两大类。每一类中按照结构又可分为 四类：单面单层( s - 1 ) ：单面双层( s - 2 ) ；双面单层( d 2 ) 和双面双层( d - 4 ) 5 1 。 图1 1 所示为d v d 盘片结构示意图【6 】。 4 1 0 1 1 圈1 - 1d v d 盘片结构示意图 随着高清晰度电视h d t v 的日益普及，原有的d v d 无论在存储容量还是图像 质量等方面已经不能满足需求，因此以蓝紫激光为标志的新一代光盘技术应运 而生。其中又以索尼为首的b l u r a yd i s c ，简称b d 和以东芝为首的h d d v d 为主 流。b d 与h d d v d 均采用兼容d v d 标准的压缩技术，盘片直径均为1 2 0 r a m ， 和现有的c d d v d 相同。都采用4 0 5 n m 的蓝光激光器。所不同的是，两者的盘 片结构不同，即信息层在盘片上所处的位置不同。图1 2 所示为d v d 、h d d v d 以及b d 光盘盘片尺寸示意图。 由图可知，h d d v d 由2 张厚度为0 6i tm 的盘片底板粘贴而成，其盘片结构 与d v d 完全一致。而b d 盘片是由厚度为1 1 m m 基盘和厚0 1 m m ，干净、无缺 陷的覆盖层为保护层组合形成的，所以盘片上的指纹、刮痕或者灰尘对光盘的 读出品质有很大的影响。从技术上看，h d d v d 与b d 的最大区别就是与d v d 的 兼容性。单从技术上讲，b d 处于绝对领先的位置，无论是容量、n a 值。还是 坑迹的长度、轨道间距以及保护层的厚度，b d 的技术都是先进的。但是，为 2 第一章绪论 ( 8 ) d v d h d - d v d 盘片尺寸示意圈( b ) d v d b d 盘片尺寸示意田 国1 - 2d v d h d - d v d b d 盘片尺寸对比图 了追求更大容量并配合高n a 值以保证极低的光盘倾斜误差，光盘结构完全脱离 了d v d 光盘0 6 r a m + 0 6 r a m 的设计，采用的全新的1 1 m m + 0 1 m m 的结构。因此 无法和d v d 兼容。表4 - l 所示为d v d 、h d - d v d 与b d 的规格对比表【7 i 。尽管目 前b d 和h d d v d 之间的格式这争尚未见出分晓，但有一点是毫无疑问的，那就 是市场上下一代光盘产品的主流必然是采用蓝紫激光的光盘产品。 圈1 - 3c d d v d 的最小增长和轨迹间距比较 无论是哪一代光盘产品，其基本的工作原理是一致的。所有存储的信息 都体现在长度不同的凹坑上，这些凹坑分布在光盘表面螺旋形的光道上，只 有利用显微镜才能看到。图1 3 所示为c d d v d 的最小坑长和轨迹间距比较。对 h d d v d b d 而言，所不同的只是轨迹间距和最小信息“坑”尺寸比d v d 更小。 因此在相同光盘尺寸下，有更大的存储容量。对于只读型光盘，只需用母盘制成 金属压模，再把许多长度不等的凹坑复制在聚碳酸酯光盘的盘基上，就制成了只 读型光盘。读取信息时，读取激光经聚焦后，垂直地照射在光盘表面上。激光反 射时会出现两种情况：在凹坑底部或顶部的平面反射时反射光较强，而在凹坑边 缘反射时反射光就会很弱。因此，可用这两种反射光分别代表“0 ”和“1 ”，形 成复杂的“0 ”和“1 ”信号排列【8 】。 3 褒1 - 1d v d ，h i ) d v d 与b d 的规格对比表 规格d v dh d d v db d 激光波长 6 5 0 n m ( 红14 0 5 r i m ( 蓝紫)4 0 5 r i m ( 蓝紫) 数值孔径 0 6 0 6 50 8 5 最小信息记长度( pm ) o 40 2 0 4 o 1 6 0 1 4 9 0 1 3 9 数据轨道间距( pm ) o 7 40 4o 3 2 信息点宽度( p m ) 0 3 50 3 5未知 盘片结构 0 6 r a m 20 6 r a m 21 1 m m + o 1 m m 单层保护层厚度0 6 r a m0 6 r a m0 ，1 r a m 双层保护层厚度0 6 r a mo 6 r a m0 0 7 5 m m 扇医容量 2 k b2 k b2 k b e c c 数据块扇区数1 6 3 2 3 2 数据传输i e ( 1 x ) 11 0 8 m b i t s 3 6 m b i t 1 3 6 m b i t 8 信道脉冲频率2 6 2 m h z6 4 8 m h z6 6 m h z 1 0 0 0 0 r p m 时最大传输倍速 1 6 x8 x1 2 x 调制方式 e f m p i u s ( r l l 2 ，1 0e t m ( r l l l ，1 0 )1 7 p p ( r l l l ，7 ) 记录位置沟槽沟槽岸台淘槽 旋转方式 c l vz c 【c i ， 单位线速度 3 1 5 m s5 1 6 6 1 1 m s4 1 6 5 1 3 m s 错误纠正方式 r s p cr s p cl d c + b i s 保护层厚度误差极限( 越大越好)3 0 1 2 1 72 1 9 聚集深度( 越大越好) 0 3 7 0 1 8 7 0 0 9 7 盘片倾斜误差极限( 越大越好) 6 1 9 ，3 1 26 1 4 灰尘噪音( 以d v d 为基准) n dn d n d + 1 0 或2 0 d b 版权保护 c p r m c s s a a c s a a c s ( 可能) 从c d 到d v d ，直到现在发展到蓝光光盘h d d v d 和b d ，提高存储密度的主 要方法就是通过减小读写光的波长和提高物镜的数值孔径的方法来减小记录点尺 寸，达到提高记录密度的目的。然而这种方法只能有限的提高记录密度，随着波 长的减小和数值孔径的增大，物镜的工作距离变得很短，不利于光盘信息层的保 护。因此，二维光盘存储技术的存储密度和存储容量的提高受到了很大限制。 - 4 一 第一章绪论 1 3 三维光存储技术概论 现代信息系统中对存储容量、数据传输速率及数据的存储可靠性的要求是永 无止境的。随着新型网络系统和第三代多媒体的出现，现有的各种光盘都不能满 足计算机对外部存储容量的要求。即使上面提到的蓝光光盘h d - d v d 或b d 光盘 系统也与此目标相距甚远。为了突破二维光盘存储技术在存储密度和存储容量上 的局限性，必须利用新原理，采用新技术，起用新材料才有可能研究开发出新 一代高密度、高速光存储技术和系统f 9 ，l o 。2 0 0 5 年i s o m ( i n t e m a t i o n a ls y m p o s i u m o i lo p t i c a lm e m o r y ) 指导委员会提出了旨在实现i t b 容量的五种技术方案1 ：1 1 ： ( 1 ) 记录层采用非线性光学材料的双光予技术 ( 2 ) 采用提高物镜数值孔径( n a ) 等光学方法生成近场的近场光学技术 ( 3 ) 采用超分辨率近场结构在光盘介质上生成近场光 勺s u p e r - r e n s 技术f 1 2 一1 6 】 ( 4 ) 在现有的蓝光光盘上重叠1 0 2 0 个记录层的多层光盘技术 ( 5 ) 采用光学干涉原理的全息光存储技术 下面详细介绍四种主要的与本文相关的三维光存储技术的存储原理及其相关的实 用化方案。 1 3 1 全息存储技术 1 9 6 3 年，v a nh e e r d e n 提出体全息数据存储技术，其基本原理如图1 4 所示。待 存储的数据经空间调制器s l m 被调制到信号光上，形成一个= 维信息页，然后 与参考光在存储介质中发生干涉，利用材料的光折变效应形成体全息图，从而完 成信息的记录。读出时，使用和原来相同的参考光寻址，可以读出存储在晶体中 相应的全息图，然后通过面阵c c d 等光电探测器件读出。利用复用技术在同一单 位体积内实现多重存储以达到高密度存储的目的。与传统存储技术相比，体全息 存储技术具有：存储密度高、寻址速度快、数据并行传输率大、冗余度高且具有 关联寻址功能。自全息存储技术问世以来，全球许多研究机构投入巨资对其进行 实用化研究，经过近4 0 年的艰苦努力终于取得了突破。2 0 0 4 年日本的o p t w a r e 公 司宣布，他们开发出世界上最大容量的全息通用光盘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 ) ，容量达到创记录的1 0 2 4 g b 。其物理结构与传统光盘相似。图1 5 、1 - 6 分别 5 1 3 三维光存储技术概论 圈1 - 4 全息数据存储原理图 为h v d 光盘结构和写入数据后的h v d 光盘实物图。在h v d 系统中，绿光( 或蓝 光) 和红光激光束以共用光轴的方式通过物镜透镜，通过控制参考光束与信号 光束的偏振面，使之可以合成一束光来照射存储介质。记录光源采用p o l a r i z e d c o l l i n e a rh o l o g r a p h y ( 偏振共线全息技术) 。盘片包括一个带有预格式化地址信息 的反射层，以及一个用于形成全息图的记录层。基于预格式化的地址信息，即使 盘片轴向或径向倾斜时仍可以无误的写入和读出h v d 中的全息图。为了消除预 写入的坑点对记录介质造成的衍射噪声，在记录层和反射层之间加入了一个二向 色镜( d i c h r o i cm i r r o r ) 层，来提高信号质量，从而成功地将传统的光盘技术与全息 记录技术结合在一起【l7 。图1 7 所示为h v d 系统原理图。图l 一8 为h v d 原型机光机 单元f 1 8 1 圈l - 5t i v d 光盘结构图田1 6 写入数据后的h v d 光盘 虽然，体全息存储技术有如此多的优点，并在实用化和产业化方向迈出了重 要的一步，但是由于光折变全息存储材料制造困难、价格昂贵，存储系统结构复 杂、小型化困难。因此，h v d 要想占领市场还有一段路要走。 6 第一章绪论 田l 7h v d 系统原理圈田1 - 8h v d 原型机光机单元 1 3 2 多波长存储技术 彩色多波长存储是由清华大学光盘中心首先提出的一种能够实现超高密度 存储的方法，具有高密度、高速度和并行存取的优点。其存储原理和系统图如 图1 9 和图1 1 0 所示。在光盘盘基上镀n 个记录层，每个记录层为一种光致变色材 料，在第n 个记录层的外侧镀全反射层。对这些记录层的读写由相应的n 种不同 波长的激光器和n 个探测器完成。写入数据时，记录层i 的读写由激光器i 和探 测器i 共同完成。特定波长的激光只对应特定记录层，其他记录层对该波长的激 光完全透明。该技术也可以采用不同敏感波段的单层混合光致变色层作为记录 层实现多阶存储、并行读写和多个记录层的统一寻址。2 0 0 5 年清华大学化学系采 用该系统实现了读写激光波长分别为5 3 2 n m 、6 5 0 n m 和7 8 0 n m 的三波长光存储信息 的记录和读出【1 9 】o 存储材料为有机光致变色的二芳基乙烯化合物，实验结果如 图1 1 1 和1 1 2 所示。实验结果表明，各个波长的写入信息均有较大的信噪比，并 且记录信息清晰。同时，由于该材料的写入态和未写入态是可逆转的，所以可用 于可擦写的多波长存储。 橡嬲矗l 探涮墨2 擐翻嚣。 囊光嚣i 蠢光器2 蠹光嚣n l 彦 = 一一= 围i - 9 多波长存储原理圈 田1 1 0 多波长存储系统原理图 7 镜 盘基 记最屠i i 己聚层2 记最层n 反射悬 保护层 1 3 三维光存储技术概论 圈1 - 1 1 三波长激光写入曲线田1 1 2 三波长激光读出曲线 综上，多波长存储技术是实现高密度三维存储的技术手段之一，有其自身的 优势，但同时也存在着缺点。其一是，存储系统的光学单元复杂，造价高。其 次，存储材料制造困难，且稳定性还有待提高。因此，其实用化还困难重重，需 要作出更大的努力。 1 3 ，3 光谱烧孔存储技术 光谱烧孔现象是1 9 7 4 年p e r a o n o v 等人首先发现1 2 0 1 。其基本原理是，由于固 体中原子或离子所处环境的差异造成不同环境中的粒子均匀增宽谱线的中心频率 不同。这些中心频率不同的均匀增宽谱线叠加在一起就形成了非均匀增宽吸收谱 线。由于非均匀增宽谱线上某一频率处对应着一群特定的粒子。当用该频率附近 的窄带激光照射时，可使这一群粒子共振吸收而发生光化学变化或光物理变化。 整个吸收谱线在该频率附近出现一个凹陷，这就是所谓的光谱烧孔，如图1 1 3 所 示。如孔可长期保存，即持久烧孔，则实现了信息的记录。该技术使传统的光盘 二维信息存储发展成包含频率域在内的三维信息存储。由于可在一个记录微元处 通过调谐激光频率而在非均匀增宽谱线上烧出多个孔( 约1 0 0 0 个) ，因此可使存储 密度提高几个数量级，达到超高密度存储，这正是人们研究固体材料多重光谱烧 孔技术的目的【2 l 】。光谱烧孔包括单光子光谱烧孔【2 2 1 和双光子光谱烧孔( 即光子 选通光谱烧孔) 【2 3 l 。单光子烧孔，电子容易t l 陷阱由声子支助返回，即烧孔不稳 定，很容易被填平。因此，目前研究中一般采用光子选通光谱烧孔。光子选通光 谱烧孔中，第1 个光子用来选频，第2 个光子用来选通。只有2 个光子同时作用才 能完成烧孔，这样只用选频光多次读出信息时就不会破坏写入的信息。根据该原 理，1 9 8 5 年，i b m 科学家w e m o e r n e r 首次实现了光子选通光谱烧孔。在国内，光 谱烧孔技术的研究也取得了重要进展。1 9 8 9 年，以长春物理所虞家琪为代表的课 题组成功实现了液氮温度下的光子选通光谱烧孔。随后，又实现了具有重要实用 8 舢8 6 4 2 o 8 6 4 2：，。誊。 第一章绪论 入 囝1 1 3 光谱烧孔原理图 价值的室温下的光子选通永久性光谱烧孔。 目前光谱烧孔存储技术还处在实验室阶段，无法满足实用化的要求，主要是 由于光谱烧孑l 存储材料的限制。光谱烧孔信息存储材料有晶体、玻璃、非晶体、 无机材料、有机材料等。光谱烧孔光存储研究主要使用两类材料：s k 离子掺杂 的无机材料以及给体和受体电子转移反应得有机材料体系。有机材料以它存储速 度快、密度高及加工方便、价格便宜而受至特别重视。然而，就目前的光谱烧孔 研究进展来看，要i a 至, j 频率域高密度存储的实用化，首先必须克服材料的工作温度 限制，实现室温烧孔1 2 4 ，2 5 】。通常在液氦温度下可以烧出1 0 0 0 个孔，而在液氮温 度下只能烧出不到加o 个孔。而且，随着温度的升高，孔的宽度将逐渐增加，当 温度达到室温时，孔会被填平而消失f 2 6 l 。其次是增加多重光谱烧孔度，增快成 孔时间，以及提高探测器读出信号时的信噪比。总之，所有这些问题主要都是由 于对各种材料在多重烧孔中的光致填孔机制尚未完全清楚，因此深入地研究材料 体系的烧孔特性和所涉及到的物理、化学过程，对光谱烧孔技术的实用化具有决 定性的意义1 2 7 1 。 1 3 4 双光子存储技术 早在1 9 3 1 年，m a r i a g o r t ，m a y e r 就从理论上预言了双光子吸收效应的存在，并 用二阶微扰理论导出双光子过程的跃迁几率。直到二十世纪六十年代初，随着激 光的出现，k a i s e r 等人才从实验上验证了双光子吸收过程。1 9 8 9 年，r e n t z e p i s 首 先提出了双光子三维光存储的概念，并搭建了三维光存储系统，使基于双光子吸 收效应的三维光存储变为现实【2 8 1 0 由于全息存储、近场光存储以及光谱烧孔存 储等高密度存储技术在实际应用时依然存在困难，双光予吸收三维光存储技术作 为之另一种高密度存储手段，在国内外受到广泛重视，并成信息存储技术的一个 研究热点。 1 3 三维光存储技术概论 1 双光子存储技术原理 图1 1 4 所示为双关子吸收与单光子吸收过程示意图。物质发生单光子吸收 时，吸收一个波长为a l 的光子就可以从基态岛到蜀态的高能振动能级，分子 在这个高振动能级上寿命极短，迅速驰豫到第一单重激发态s 。的最低能级。 而发生双光子吸收时物质同时吸收两个波长相同或波长不同的a 2 和a 3 光子到 达激发态岛、& 、鼠，由于分子的& 态和s l 态能量差很小，分子在晶激发态上 寿命很短，迅速通过无辐射过程驰豫到第一重激发态s l 的最低振动能级。处 于& 态的分子通过无辐射内转换或化学反应失活，也可以通过荧光辐射形式发 出较入射光波长长( 单光子吸收) 或较出射光波长短( 双光子吸收) 的荧光。 一般单光子的吸收截面为1 0 1 7 1 0 一1 8 c m 2s p h o t o n ，而双光子的吸收截面一般 为l o 一5 0 i 0 _ 4 6 c r ，| s p h o t o n ，因此单光子吸收对光密度要求小，即使弱光也可 发生，而双光子吸收只有在光强足够大的地方才可能发生。与单光子吸收相比， 双光子吸收具有以下两个突出优点： ( 1 ) 1 由于到达激发态所需的光子能量为单光子吸收所需能量的一半，因此可用 红外或近红外激光做光源，提高在吸收材料中的穿透力，实现在材料深层 进行观察。 ( 2 ) 由于双光子吸收的非线性效应，双光子吸收过程只发生在焦点附近的很小 区域内( 体积数量级为舻) ，因此双光子过程具有极其优越的空间分辨率和空 间选择性，适合于单点直接写入与读出。 双光子吸收三维光存储的记录方式如图1 1 5 所示。主要有两种模式。第一种 为正交模式：激光束1 和激光束2 相互正交，激光束2 用来选择工作顽。a l 和沁既 可以是等能量的光子，也可以是不等能量的两个光子。只有两束光在空间和时间 上叠加时才会有较强的双光子吸收发生，从而实现光信息记录。由于两束光通过 不同的光路和控制系统，在记录速度和系统紧凑性方面很难达到实用化要求另 种记录模式为分层记录：两柬光通过同一方向入射到存储体上。如果两束光的 波长相同，就是单光束记录。单光束记录利用双光子吸收来降低层与层之间的串 扰。这是目前常用的双光子吸收三维光存储记录系统。 双光子吸收三维光存储的读取系统有透射式和反射式两种，如图1 1 6 所示。 各种类型的显微镜，包括位相反衬显微镜、普通透射显微镜、差分干涉反衬显微 镜、差分位相反衬扫描显微镜等，都可用作三维光存储的读出系统。其中最重要 的一种读出系统就是反射共焦显微镜。这一读出系统有很高的轴上分辨率，而且 1 0 第一章绪论 s 。 s ： s 单光子哦 s o j 乏 jk 收 jk 驳兜 j i m 暖收 圈l 1 4 双光子与单光子吸收过程示意图圈1 1 5 双光子三维光存储记录系统 ( a ) 透射式 ( b ) 反射式 豳1 1 6 双光子三维光存储共焦读取系统 消除了由于存储介质和衬底的非均匀性带来的背景影响，透射共焦显微镜系统很 难消除这背景的影响。反射共焦显微镜作为读出系统的缺点在于，为了保证记 录数据的空间频率分布与反射共焦显微镜系统的相干传递函数叠加，需要读写 物镜有很高的数值孔径f 2 9 。3 0 i 口目前，用于双光子三维光存储的存储材料分为四 类：光致变色材料、光致漂白材料、光致聚合材料、光致折变材料。各类存储材 料的双光子存储原理均不相同，下面分别给予简单介绍1 3 1 ) 。 ( 1 ) 光致变色材料 光致变色材料有两种同分异构体a 和b ，二者有着不同的吸收光谱，波长1 ( 记 录光) 和波长2 ( 读出光) 的光对应不同的吸收系数。记录时，在波长i 的光作用下通 过双光子吸收将同分异构体a 转化为同分异构体b ( 光致变色作用) 。b 对波长2 的 1 3 三维光存储技术概论 光有吸收作用，但对波长1 的光没有吸收作用。用两种同分异构体a 和b 状态代表 数字“0 ”和“1 ”，实现数字式数据存储。光致变色材料能够实现荧光型【2 8 1 和 位相型【2 9 i 光存储。读出时，对荧光型数据，读出光( 波长2 ) 通过单光子吸收或双 光子吸收激发受激点( 同分异构体b ) 辐射荧光，而未受激点( 同分异构体a ) 并不辐 射荧光。通过检测荧光效应来辨别读出点处的记录介质的状态，从而读出记录信 息。对位相型数据，受激点和未受激点对读出光的折射率不同。通过检测折射率 差异来提取记录信息。双光子吸收光存储的稳定性与记录材料及信息存储方式 有关。a t o r i u m i 等人 2 9 】用光致变色聚合物b 1 5 3 6 实现的位相单元数据存储，经历 了1 0 4 写擦循环后材料并没有出现明显的疲劳现象，记录的信息在8 0 。c 环境下存 放3 个月后还是稳定的。 ( 2 ) 光致漂白材料 掺杂荧光染料的聚合物，在双光子吸收激发下辐射荧光。在低强度的光激 发下，辐射的荧光强度与入射光强度的平方成正比。在高强度的光激发下，激发 点的染料会被漂白，得到一个漂白点。在相同波长的光激发下，漂白点不再辐射 荧光。因此，漂白点和未漂白点可用来记录数据。这种三维光存储的记录光( 强 光) 和读出光( 弱光) 具有相同的波长。m g u 等人【3 2 i 用8 0 0 n m 的脉冲和连续激光在 荧光漂白染料中实现了双光子激发的6 层光存储，存储密度为6 g b i t s c m 3 。 ( 3 ) 光致聚合材料 聚合物材料在双光子吸收激发下发生光致聚合作用。光致聚合作用使介 质密度增加，导致折射率增大。发生光致聚合作用和未发生光致聚合作用部 分的折射率不同，这一差异可用来记录位相数据。j h s t r i c k l e r h 和他的同事用 这一原理实现了2 5 层光存储，成功地获得t 1 0 1 2 b i t s c m 3 的存储密度【3 3 1 他 们用l