（凝聚态物理专业论文）光折变体三维全息存储器若干问题研究.pdf

南开大学博士论文一光拼变体三缝垒息存祷器若干海藤研究( 摘要) 摘要 随着社会的发展和科学技术的进步，尤其是近年来计算机和互联网技术的发 展，信怠时代已经副来，人类对信虑的要求和依赖，包括大规模电子信息的产生， 积累，存档等技术方面，到了一个前所未有的程度。进入2 1 世纪，能否满足臼 益增长的信息存储的要求成为一个严峻的技术挑战。各种海量信息存储技术的研 究万兴来艾，霞括一维光荣技本，强兹在接息存罐毒场上占主导热位豹二维存镁 技术，处于研发阶段的各种三维存储技术以及电子俘获光学存储技术、表面增强 按篷光增强技术、摇摇探钟存储技术等荬稳技术。在存穰技零匏发旋中，有一穗 由二二维向三维转变的趋势，比如硬辙阵列存储技术和d v d 的多层存储技术等等。 在二兰维存储技术中，以锈酸琏晶体为存储介质翡光折交体三维体全怠存髓菠术具 有麓存储密度( 理论极限l t b i s c m 3 ) ，高的存取速率等优势，是鄹前存储技术的 一个研究热点，极有可能成为最有前途的下一代信息存储方式。 近十足年来，党撅变体三维传金惠存姥技末静荟嚣究有了缀大泌进展，出现了 多种、不同技术水平的样机，但是，各种样机所达到的存储指标躐离理论极限还 稳嫠穰运，还有诲多需要瓣决懿技术润题，零论文针对光辑交霹三维存懿器这一 当今研究热点，研究提高存储器性能的方法，为存储器走向实用作出尝试。 在本论文第一章中，我们筒荤介绍了光拆交三维体全患存储器的发展，概要 的介绍了各个阶段代表性的光折变体三维存储器样机，并分析了光折变体兰维全 息存储器作为下一代存储技术的各方面的优势。 光摄变体三缝全息存锉技术的基础是光折交效应，在篱二章中，我们麓要介 绍光折变效应及其动力学方程、全息存储耦合波方程以及光折变体三维全息信息 存锉源理，光叛变体三维全惠售惑存 ；蓦鼹继怠写入配置，笈耀方式，竞摄变奉季秘 的种类等祭件有严格的依赖，所以我们对锫种信息写入配置，复用方式和光折变 末季释静静类进行了奔绍。在本章静袋后我稻瓣竞裰凿定方法和菲箨发信息读密方 法_ i i ! 行了讨论。 衍射效率是全怠存储器的一个重要参数。它不仅直接影响信息页面重构时的 亮发，而且，在多幅全息图嫠置时，由于写入光对与已经笃入光栅的攘除作用丽 引起的衍射效率不均匀性造成的倍噪比的降低，所以衍射效率还决定了同体积 南歼大学博士论文一光折变律三维生息存储器若干海撼研究( 摘要) 戳存褚豹信怠茭瑟鼗基。在第三章中我稻瞽先绘滋了体积全怠图静衍簧季效率，讨 论了透射配置下的衍射效率与材料各向异性、角度选择蚀的关系。由于体全息存 储是多个全患图分享记录材料的穑态范豳，一个全息雷的衍射效率的提高会导致 其他全息阁的衍射效率的下降，谯本章豹蠼后，我们讨论使多幅全息图的衍射效 率均匀化的方法，提出了涮用弱筠入方法进行衍射效率均匀化的方法，同时还讨 论了蔹射效率自增强效应黠褥射效率均匀程度熬影响。 存储容量和密度作为衡量全息存储器性能的重要指标，受垂0 人们的普遍重 裰。透过选择适当茨复焉技术，可以充分浆剃臻存德材搴萼游三终体稷，实凌赢密 度体全息存储。在第四章中，我们首先给出体全患存储密度和容照的理论上限， 陵后讨论信息读出e e 特率、光擦除作雨、所存储激的串裁噪声、存储材料的动态 范围、匆挝格角度选择性簿实际因素对全息存储容量的限制作用。我们研究了写 入光束波前曲率对存储密度的影响，结果表明通过平衡考虑改变写入光柬波前曲 率和空闻复用度溅方亟的阉题，蠢可能使存储密缓提高2 0 。 光折变体三维存储器中，噪音是影响存储器性能的熏要因素，在第五章中， 我髓疆究了撵利囊于大量整爱全惑强弓l 趣熬噪声瓣方法。讨论了全息图磺声、噪 音光栅的建立及其可能的抑制方法。最后，结合我们的工作讨论了利用凹球面镜 簿类裾位共轭反蓦孛光蘩案l 全意图懿置噪声静方法。 光折变体三维存储器具有高存储容量、高存储密度、快速信息读出簿优点， 最有可能满足多媒体应丽方面的巨大存储容量和快速数据传输的爱求，因此人们 主要关注其海量存储特性方面的研究，实际上，国予光拯变材料具有全息记录、 并行信息读出的特性，在其他方掰也有很大的应用。在第六章中我们介绍了在利 塌光扼交体三维存嬉爨进行强标识嗣方磁约尝试。然磊缝台我 f 】懿工馋奔缨了其 在三维物体相关识别方面的应用。 在本论文兹最蜃一章，我亵对论文渗及静工作送行了总结，对竞折变髂三维 存储器的进一步发展进行了讨论。 关键词：体兰维全息，光折变效应，存储密度，噪声，三维物体识别 i i 南歼文学博士论文一光 纤变休三馕垒息存储器若干河鼹研究( 摘要) a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l a p m e mo fm ec o m p u t e rs c i e i 拉ea n dt h ei n t e r n e tt e c h n o l 。g i e s ， i n 如r m a “o na g c sc a m e 1 1 l er e q u i r e m e n tt om ec r e a “0 n ，a c c u m u l a t i o n 趾ds t o r a g eo f t h ei n f 。r r n 矗主i o nr e j l c h a nu n p r e c e d e n t e dd e g 托e ，rc a m et ob ea 五g o r o u sc h a l i e n g e f b ru st of e e du pt h ei n c r e a s i n gd e n l a n d so ft h es t o r a g e l o t so fs t u d i e s0 nh i g h e a p a c i t ya 琏dh i g hd e n s i 圭ys | 。豫g e 协c b 。l o g i 搴s 鑫r ee o 瑚p e i 挂g i n e l u d i 壬l g ld 。p t i c a l t a p et e c h n o l o g y ，2 ds t o r a g et e c h n 0 1 0 9 i e s ，h i c ha r ct h el e a d i n go n e so nt h em a r k e t n o w d a y s ，3 秘s 静r a g 。t e c l n o l o g yw h i c hi sb 。i n gi n v e s t i g a 重e d ，e l e c 细nt r a p p i n go m i c a l m e m o r y ，s u r f a c e e r m a n c e dr 锄a no p t i c a ld a t a s t o r a g e ，s c a n n i n gp r o b es t o r a g ea n ds o o n o b v i o u s ly ，i ti st h ed e v o l o p i n gt o n d e n c ym a tt h es t o m g ed i m e n s i o ni n c r e a s ef r o m 2 dt o3 d ，s u c ha sh d ( h 捌dd i s k ) a 芏鞠ys t o r a g et e c 搬l o l o g ya n dd v d ( d i g i t a lv i d e o d i s k ) m u l t i l a y e rs t o r a g et o c 王1 1 1 0 i o g y ，a m o n gd i f f e r e n t3 ds t o r a g et o c i l n o i o g i e s ，t h e 西# 瓣糟f a e i v 。v o l 搬n eh o l o 擎a p 毯cs o 豫嚣t e e 珏o l o g y 珏a s 攮ep o t o 瓣l i 蠢t op v i d e h 逸hr e c o r d i n gd e n s i t y ( 1 i m i t e db ylt b i t s c m 。) ，l a r g ed a t at r 趴s f e rr a t ea n ds h o na c c e s s t i 弼龟l o w s t ，t & r e 惫r ep h o t o r e f r a c 畦v e3 dv 。l u 雠沁l 。g r a 嘲c 奶r 酶i s 斑e m o s tp m m i s i n gi n f o n n a t i o ns t o r a g et e c h n o l o g yo ft h en e x tg e n e f a t i o n a l t | l o u 曲t h es t u d i e so np h o t o r e 抒a c t i v e3 d v o l u m eh o l o 辫a p h i cs t o r a g eh a sb e e n c a r r y i n g4 0y e a r s ，h o w e v e f ，i ti ss t i l lf 黏a 、硼yf o m 搬ep 翻c t i c a la p p i i c a i o 扭sb e c a u s o o fm u c ht e c h n o l o g i c a ld i m c u i t i e s ，i nt h i s t h e s i s ，w bs t u d i e ds e v e r a li s s u e so ft h e p h o t r e f r a c i v es t o 撼g e ，勤 e x 鑫m p l e ，n o i s e 0 u fw o 嫩弼l l 致e l pu s 撼i n e r e 箍s et h e p r o p e r t i e so ft h ep h o t o r e f 妇c t i v e3 dv o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e 1 n e b a p t e f1 ，w ei n 重o d 毪c e db f i e 建yt h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n d 确o ws o r n e p r o t o t y p e so ft h ep h o t o r e f ￥a c t i v es t o r a g eo fd i f i b r e n tr e s e a r c hg r o u p s ，a n dw ea j s o i n t r o d u c e db r i e 矗yt h ea d v a n t a g e0 ft h ep h o t o f e f a c t i v ev o l u r n eh o l o g r a p h i cs t o 豫g e t e c h n 0 1 0 9 y i nc h a p t e r2 ，w es h o wp r i n c i p l e i yt h er n e c h a n i s mo ft p h o t o r e f r a c t i v ee 毹c t w h i c hi s 穗。b a s eo f 拯e 曲。硒r e 魏c t i 张3 dv o l 翻麓eh o l o 簪攀h i c 鞋。犯g e 。a 珏da l s o ，w e s u m m a r i z e dm a i nt e c h n o l o g i e so fp h o t o r e 行a c t i v e3 dv 0 1 u m eh o l o g r a p h i c8 t o r a g e ， l 矸 空翌查兰堡：| ，造茎= 鲞篓壅堡三蓬竺璺量堡翌董! 望整婴! ! ! 塑鍪! 一一 i n e l u d i n 琶s e l e e 鑫。no f 矗es t o 氇g em e 矗沁m 黪e ；娃凳拯采i o 歉羚砖i 毽g 鐾e o 热敷r y ，t h e s e l e c t i o no f i n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n ，t h ec o d i n e n c o d i n gm e m o do p t i m i z a t i o n ， c o u p l i n gl i g h te n e 聪ya n ds oo n d i f 矗a c 珏o ne m c i e n c yi sav e r yi m p o f t a n tp a r a m e t e ro fp 1 1 0 t o r e 矗a c t i v e3 d v o i u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e i ti n 士1 u e n c et h es t o r a g ec a p a c i t y ，s i g n a lt on o i s er a t i o ，a n d o t h c re ha l - a e e r so ft 沁哟趣g e t or e e o f dk b g r a mw i t hh 。m o 嚣n 。u sd i 嫩a c t i o n e m c e n c y ， m em e t h o d so fs e q u e n c ee x p o s u r ea n di n c r e m e n t a lc x p o s u r eh a db e e n a p p l i e di 黩h o l o g f 挂p l l i es l o 糟g ew i d e l y 1 鞋c h 3 p l e 3 ，a n 。v e il n 。壤拧d 辩m 韪k e 鞋。 s t o r a g eh o l o g r a m sh o m o g e n o u sw a ss t u d i e di no u rs t o r a g cs y s t e m w ef 、o u n dt h a tb y o u rm e t h ( ) d 、 沱c a nw r i t eg ra _ 矗n g 诹像h 。n l o g e n o u sd 鲥鬻i a c l i o ne 镬c i 。n c y i nc h a d t e r4 ，w ed i s c u s s e d 出ei n n u e n c eo ft h ew r i t i n gb e 黜sw a v ef r o mo n s t o r a g ed 。n s i t y a n df o u n dt h a ts t o r a g ed e n s “yc a nb ei m p r o v e dw i t h2 0 t h r o u g h s t l 主t i 曲l es e l e e t i o no f 热ep f o 蠡l eo f 啦ew a v e f r o 嫩o f 也e 碍瑾i 圭 n 窑 b e m s濂 s p a t i a l 一a n g u l a rm u l t i p l e x i n gm e t h o d ne h a 棼t e r5 ，、掣ei n 蠢o d 毽e e d | i l en o i s e ， 搀鞋l a 娃o b s t r 鑫e l i o no f 氇ep f 鑫c t i e o 。f p h o t o r e f r a c t i v e3 dv o l u m eh o l o g r a p h i cs t o r a g e w ea p p l i e dt h ec o n c n v er e t l e c t i v c m i r r o rt og e n e r a t gt h er 。f ：l e c t e db e a mo ft h e 。r 噜i n a lr e 量 c r e n c eb e a mt 专r e 醚t h e h o l o g 涮m sw k c hh a d b e e nr e c o r d e di nt h es t o r a g em e d i u m b yt h i sm e 心均d ，w 。 s u p p r e s s e d t h e s u p e r p o s i t i o n n o i s ei np h o t o r e f a c t i v e3 dv 0 1 u m eh o i o g r a p h i c s t o r a g e 弧eq u a l i l yo f t h ep a t t e r n sr e e o n s 拉u e t e db y 也ec o i l c a v er e n e c t i v e 蝻h 。ri s b e t t e rt h a nt h o s er e c o n s t r u c t e db yt h eo “g i n a lr e f 色r e n c eb e a m | 珏c h 巾t e f6 ，虢i n t ( k e e dl 魏e 矗p p l i e a t i o 转o ft h ep 1 1 0 l 。r e 是毽e i v ev o l h 撼e h o l o g r a p h i cs t o r a g es y s t c mi n3 d 。b j e c tr e c o g n i t i o n t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h e 曲o t o r e f 穗c t i v ev 。l u m eb o l o g r a p 赫cs t o r a g es y s t e mb a st h eg 。( 1p e r 岛渤鞠e 。i nh i 静 r e c o g n i t l o nd i s t i n g u i s ha b 眦y a tl a s t ，w es u m m a “z e do u rw o r ka 订dp m s et h ef u t u r ed c v c l o pmp h o t o r e f r a c t i v e 3 dv o l u m eh 。l o g r a p h i cs t o r a g ei nc h a p t e r7 k e yw o 喇s ：v o k m eh 。l o g 船p h i cs t o r a g e ，孙。瓣豫f 毡e t i v ge f 受e ，s t o r a g cd e n s i t y ， n o i s e ，3 do b j e c tr e c o g n i t i o n l v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部fj 或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提f ，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文储躲千象啦 b 廿 年厂月z 拍 i 经指导教师同意，本学位论文属_ 丁i 保密，在年解密后适用 本授权书。 ? j f 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 内部5 年( 最长5 年。可少于5 年) ；秘密l o 年( 最长年，可少于l o 年)； | 辄密椴9 年：e 最长、2 0 年，可少霉2 0 年) | o 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品昭内容。对本论文所涉 及的研究王作徽出贡献兹其德个人鞫集体，均已在文中以明确方式标鞠。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者虢协j 嗨 u 4 弋年f 月一莎 南开大学博士论文一光拆变体兰维全惠襻储器若千闷题研究( 第一章) 第一章光折变体全息三维存储技术发展简述 进入2 1 世纪，人类对信息存储裙量，数据传输，和数据存储的可靠性的要 求越来越高。黼密度存储技术艘为信惑技术羁计算梳技术发震中不露缺少的关键 环节】。随饕存储技术的发展，目前磁硬盘的存储密度已缀达到了1 0 0 g i n 2 。 并且，已经出现了蓝光d v d 多层存储技术等实际应用的海嫩存储技术。但楚， 随蓑光通讯技求鞠互联网技术鲍空裁发展，信息存姥空间将姆盏拥揍，所以，发 展比瞄前使用的存储器容量更大、密度更高、信息输入输出速度更快、安全性 曼寒、；莲畿更好酶瑟一代存镶器韬然残茭售怒科学懿一夸疆究热点。 光折变体三维全恩存储技术发展的几十年，是一个由研究热点至o 研究冷门再 贸磷究热点的过程，黧然许多单位研稍了各个除段量程碎式静释枫，僵是，这是 与当时光折变体全息三维存储器周边器件的技术条件限制相关的，许多技术很不 成熟。到目前为止，在技术上还有待避一步完善。尽管如此，各国研究者普造认 为，三维光存储器是虢一代招储器的酋选方粱l l “，特别是以光折变全息存储为 基础的光折变体三维全息存储器。 本章中，我们首先篱要分缮豢鍪 存薅嚣戆发震 虫溅，然蜃羞重分缮悲摄变髂 三维全息存储技术的特点，产生和发展，为了更加感性的了解光折变体三维全息 存馥羧术静发震，我们翻举备个发震狳段的然有代表淫鲍嚣灌样辊。 1 1 信息存储器简介 存储器可以按照配录介质的维度进行分类，分为维存储器，二维存储器和 三维存储器。良磁繁，先帝，计算瓤嗣懿纸带为 弋表翡一雍存储器掩信怠记录在 一维带状介质上。其中磁带技术仍然被广泛应用于录音带和淤影带中，虽然光带 技术，44 1 电币在被人们进行研究，键是由予现代信息存储的主流披术一般不采 用维存储器，所以本文不多作介绍。 二维存储器将信息记录在_ 二维介质上，将记录介质的空间维度从维扩展到 二维。骞蔚被广泛应瘸豹硬磁盘，光擞等都照子这一炎存壤嚣。磁存储技术釉毙 南开大学博士论文一光折变体三维全息存f 漆器若干问磁研究( 第一蠢) 搬按术出于存储密度及链箍後椿院高，一壹是当蓠市场上占圭警建位麓存储投 术，并形成了巨大的产业。 磁硬盘技术在1 9 5 6 年被提蹈后，今天已经成为每项佑怠处瑷系统的罄础“， 磷且被认楚在未来很长一段时鲻墼仍将是主流存储技术【1 17 1 。在新的读写头， 存储介质，电子机械技术的发展而导致的更高的数据密度的助报下，硬磁盘的主 浚建位还在继续鸯l 强。箕持续增秀器翡存爨容量，燹裹豹燧戆醴及鳗盏薄低的每兆 字节的价格在计算机应用者中产生了巨大的声誉。f 面是磁硬擞的构成( 图1 1 ) i 盖及蟊密发发震投预溺( 翻】2 ) 。 a 糟a ld e n s i 锣= l i n e a rd 锄s i t y 1 1 r a c k i n gd e n s i y 图1 1 计算机硬磁盘的构成 1 舻 i b ma r e a ld e n s i t yp e r s p e c t i v e _ 4 4 8 5o f 酗测。g y p f o g “ 1 酽 ”1 g m 8 羽、笼毋 弋1 。3 薹 0 2 尸漱黼、爹擎 晷1 0 j n t h 斛i 迎h e a d - “一 兰 ，争 言1r 重1 0 * 1 z 霉1 伊2 10 - 3r a m a c ( 附s t l i d d ) 6 07 0 8 09 0 p f o d u c l o ny e a o 图1 2 计算枫硬磁盘瑶密度发鹱与预测 街开大学博士论文光折交体三维全惑存储嚣若干问题研究( 第一章) 瓣i | 萋诗繁穰硬纛在实验室中豹数据存耱瑟密凄纛经超过了1 0 0 g 磁n 2 ”，巍 来的按比例缩小的渐进硬盘设计方式，遇到了最后的物理极限，也就是单磁峙的 铁磁晶粒的磁矩热稳定性闷戆f i 羽。囱1 9 5 7 年穆m 发萌计算梳硬盘醴采，计算梳硬 盘一点循着内部磁存储比特的尺度及磁头的尺度逐渐按比例缩小的方式( s c a l i n g l a w 、不断演进，当然中间为了克服比特很小带来的读敬信息鹊问题，加入了m r 和 g m r 磁头。当颓粒体积太小的时候，铁磁晶糠的自发磁化能燮与热扰动缝k b 压的 比值小于1 0 0 以后，单磁畴晶粒的磁矩有可能随时问发生自发反转，遮就是铁磁体 熬超燕羹磁性。在这个区域内，存在硬懿毙转中懿信惑渡不可霪了，跨越长了会丢 失。由于遇到了上述物理瓶颈，为了继续提高数据存储密度，磁存储的方式疆有 大静转变，需簧投入匿额的资金在硬盘系统的各个方蔷重薪迸霉亍研笈，存褚信怠 的磁介质和磁头，都鬻要做非常大的敬变 1 ，当然，这一方聪也给了人们进步 研究下一代更搿密艘存储器的动力。 光盘技术是目前仅有的占有显蓑市场的光数据存储技术。经过十多年的坚持 不懈的努力，光盘存储已经确立了其充分的但不是主导的计算机数据存储的工业 份额。，i 1 ”。与磁存耱技术穰毙，巍存壤技零其寿存继寿念长，蒌接皴式读驾和 擦除，信息信噪比离，单位信息的价位低等特点【1 恺】。作为光盘技术的代寝， c d r 0 酝装黉懿箕俸为大纛模市场台式计舞镌系统软俘推广标准的鼗钵对光学 存储近年来的成功和成长起到了强烈的助摊作用。当前的光存储市场，已经从 1 2 0 f f m 直径，存储容燮为6 4 0 m b 的c d ( c o m p a c td i s k ) 光盘为代表的时代向存储容 量为2 0 g 8 的数字多燃，匕盘( d v d ，d i g i t a lv i d e od i s 时为主滚的时代过渡，黼且 超高密度光盘( s h d ) 也已经出观，存储容量将达到l o o g b 。 在此基磷上，也趣现了大量其它影式兹存键爨，包据姨2 + 5 遮m 转f m 越d i s 酗 数据格式到大的用来自动点唱机库的1 4 i n 擞，还有磁光盘( m o ) ，以及可擦笃的 c 0 一较w 盘等。同时，还崮戮了一黧英德形式豹存储技寒，魄翔滚黯光蠢技术 3 1 124 1 ，表面增强拉漫光数据存储技术5 川6 1 等等也处于研发阶段。图1 3 烙磁 光盘( m 0 ，m a g n e t i c o p t i c a ld i s k ) 的一些参数。 南开大学博士论文一光折变体三维垒息存储器若干问题研究( 第一章) 1 9 9 01 9 9 52 0 0 02 0 0 5 2 0 1 0 图1 35 2 5 英寸i s o 标准m o 驱动器容量 由于信息的多媒体化，全球的信息量今后会以更快的速度增长，人们不仪需 要处理数据、文字、声音、图像，而且还需要处理活动的图像，高清晰图像等。 信息容量将以兆兆位( t b ) 计算，信息流将以每秒兆兆位( t b s ) 计算，信息存储必 须突破现有的框架，向超高密度信息存储方向发展。 利用电荷粒子束技术7 ，l 馆】，扫描探针存储技术9 12 ，可以使介质在亚微 米乃至原子尺度上进行操作，可以在三维存储介质上实现超高密度存储。但由于 目前探针的扫描速度慢，扫描范围小，所以很难在短期内实用化。 三维存储器利用三维介质的一些特性进行数据存储，将存储介质的维度由二 维增加到三维，大大提高了存储密度和存储容量。以激光作为信息载体，利用激 光与介质的相互作用在三维介质内实现信息的记录与读出展示了三维存储器的 美好前景。用载有信息的物光照射记录介质( 如光子回波介质、双光予吸收介质、 光谱烧孔介质以及光折变介质等) ，引起介质的分子、原子或电子状态发生改变， 从而改变介质的某些光学性质。这些改变的光学性质就包含了记录的信息，其存 储时间由介质相应性质的弛豫时间决定。记录后，用读出光照射介质，即可利用 记录介质光学性质的不均匀性将介质巾记录的信息再现出来。 双光子吸收m 1 ，12 2 峙旨低能级上的电子同时吸收两个光子后跃迁到高能级的 物理过程( 图1 4 ) 。双光予吸收没有中问态，两个光子的波长i q 以相同也f 以不 相同。两个光子的吸收是同时进行的，所以两个光子只有在时间和空间卜都相互 重叠才能引起双光子吸收。发生双光予过程后，材料的局部性质f 如折射率、吸 辩开大学潜士论文一光折变体三维全息存储器若予赫题研究( 第一章) | | 雯率、荧走特栏或毫褥性) 发雯敬交，扶嚣这录了一个镰怠袋。s 龋呔l e f 秘溉b b 眦1 i 在1 9 9 1 报道了他们利用液态丙烯酸盐醋类混合物制作的存储系统实现了高密度 光学存储，存储密度超过l o 臻b i t 疏蠢。僮由予激发态迄子不稳定，存储对阀短； 另外，读出光也对存储的信息有很强的抹擦作用，因此不适于多次读出：同对， 要实现双光予吸收，疆求高功率的入射光强，这些不利因素大大限制了双光子吸 收捌鹊在三缎存始中熬应用。 j m 2 j 图14 双光子吸收过程，m ：能带是为描述方便而虚拟的 当用一束线宽很窄的激光照射到工作介质时，介质中与激光频率对应的一部 分激活中心的基态电子与激光相互作用而被消耗，数量减少。这样，该阶质的吸 收频带上激发光频率处会出现一个凹陷，这就是“光谱烧孔”( 见图1 5 ) 。利用 光谱烧孔效应 。2 3 2 4 】，我们可以将信息写入介质中。光谱烧孔效应使我们可以存 一个二维介质薄膜上存储信息。由于烧孔之间存在频率差，我们在介质的一点上 可用不同频率的光烧出多个孔，从而存储多个信息。也就是说，还可以利用第i 个维度：写入光的频率进行三维信息存储。此外，通过s t a c k 效应可以使光谱烧 孔发生分裂，从而使该存储方式又增加一个维度：电场强度。但由于光谱烧孔的 工作温度在几k 到几十k 之间，所以人们一直期待在室温下进行烧孔。目前， 这方面的研究己取得一定进展，但实用化前景仍不乐观。另外，多次读出会造成 孔的模糊，影响读出信息的清晰度，这也是利用光谱烧孑l 进行存储需要解决的问 颗? 一。 南开 学博士论文一光拼蹙体三维垒息存储嚣若干问题研究( 第一章) 勰叉赋、一l 一小 非均匀加宽谱 窄线宽激光 光谱烧孔 u 仆 载肯信息的激光 圈l5 光谱烧孔原理 记录后的光潜 利用光子l 旦| 波介质1 2 5 12 印对光脉冲响应的弛豫性，首先用光脉冲改变介质的 电子极化方向，该变化可与随后通过介质的光脉冲发生相互作用，产生光子回波。 通过对光子回波即第三个光脉冲的检测我们可以读出介质中存储的信息。可以利 用光子回波对光波脉冲频率、时问间隔的选择性进行复用存储。但由于光子回波 效应为瞬态相r ，必须在低温下操作，存储时间短，使用不便，所以对光子回波 介质的研究并不太多。 利用光折变介质制作三维存储器是f 1 前研究最多的一种存储方案。以光折变 全息记录为基础的体三维全息存储技术同时具有存储容量大、数据传输速率高、 数据搜索时间短等优良性能，具有最强的实用性，是目前被看好的下一代三维存 储器的重要候选方案。下面将分别对光折变存储器的特点与发展状况进行介绍。 1 2 光折变体三维全息存储器特点 ( 1 ) 存储密度高。理论上光存储的最大存储密度可以达到1 ”，这罩九是融录 光的波长，n 是记录介质的空间维度。以记录光波长0 5 微米为例，全息存储密度 的光学极限为1 0 ”b i t s c m 3 ，而一维光带的最大存储密度为10 4 b i t s c m ，二维光盘 的最大的存储密度为1 0 8 b i t s c m 2 。 ( 2 ) 数据传输速率快。全息存储器具有二维页面方式进行并行存储与读出的 海开大学博士论文一光折变体三维全怠存精器若干随鞋研究( 第一章) 将毪，麴采采爝1 0 2 4 1 0 2 4 像素魏空闯嵬谲铡撰，一个容量赢达百万豫素豹数握 页面可以被一一一次记录溅者读出。最近已经有人报道【1 2 7 1 光折变体三维存储器的数 据传输速率达蟹了l o g b i t s ，移。 ( 3 ) 冗余度高。信息以全息图的方式存储在介质中，每个页面的每个数据位 都存储在介质的整个体积内，当记录介质出现局部缺陷或者损伤的时候，不会引 起信息的丢失。 ( 4 ) 高速梭索。全息存储的一个突出的特性就是商速检索所存储信息。依靠 光束移动恧不楚掇辕装鬟嚣方法，毙魏声光攘转爨，与极槭装置寻i 蹙方法毙较， 在极短的时间的范围内就可以获得寻找的信息。 ( 5 ) 存储辑精的虢势。光掰交存储器的存储介蔟主要是掺杂锟酸键晶体，荔 于生长，性能稳定，价格低廉，介质存储特性受外界磁场的影响小。随着人类的 探索范围的扩展，强抗磁场干扰的存储器是不可或缺的，这正是光折变材料栩对 于其她存蜡材料的优势。 1 - 3 光折变体三维全息存储器发展简介 全息信息存储的概念是在2 0 世纪5 0 年代末提出的，p i e t e rv a nh e e r d e n 在 1 9 6 3 年发表了第一篇有关三维全息方法能提供1 t b i t s c m 3 存储密度的文献眦。 在2 0 世纪6 0 年代晚期和7 0 年代初期，有许多主要实验室的研发小组积极的从 事全息存储研究。但是，在2 0 世纪7 0 年代中期，虽然实验室中已经有了全息存 储实验室演示系统，但是还没有实用化的全息记录系统。这是由些基本的困难 造成的，最主要的是没有适合的存储介质，而且当时的系统元件没有达到技术要 求，比如高功率激光器、空间光调制器、大的探测阵列等等。尽管在研究新材料 方面作了很多工作，包括光致变色材料、照相感光乳胶材料、热磁利料、无定型 半导体材料、热塑性材料、光聚合物材料、光折变材料等，都不满足要求，比如 高记录灵敏度、高动态范罔、高信噪比、存储寿命长、读出的时候无退化等。随 着磁记录技术、光盘技术的出现，全启、存储研究几乎被遗弃。后来，光折变材料 被发现在对于图像识别高速光学相关器方面和其他特殊应用方伯i 是一个优良的 选材的时候，研究才得以继续发展。 南开大学博士论文一光折变体三维全息存储器若干问题研究( 第一章) 在过去的十年，我们又重新看到了全息存储的复苏的活力。首先，这是因为 随着技术的发展，存储系统的几个关键的元件的研究有了很大的进展。比如，有 了便宜的高功率紧凑固体激光器，出现了高质量的空间光调制器和半导体探测阵 列高精度定位系统。其次，发现了相对磁存储和光盘存储，光折变三维存储在存 储密度和传输速率方面有很大的优势。第三就是市场对大存储容量和传输速率的 需求的机会对全息存储技术研究也是一个刺激。 1 4 国外全息存储样机 光折变体三维全息存储技术的发展是十分艰难的，到目前为止，虽然经过四 十多年的发展，但还是没有商业化的产品推出。这就是上面提到的所谓的周边器 件包括组页器，探测器，激光器以及存储介质的发展水平局限所造成的。在某种 程度上，这些限制的突破还需要电子消费者和娱乐工业的急需才可能发展。 随着监视器，手提电脑和计算机显示器的发展的需求，为液晶显示器的发展 提供了经济驱动力，s l m ( 空间光调制器) 成为现实。可携式摄像机、可视照相 机以及数字图像抓取器的发展催生了探测器阵列。激光器的发展得益于光学存储 产品，比如音频c d 、c d r o m 和磁光记录等的商业需求。然而，存储材料的发 展还是很缓慢，还没有一个象其他技术那样的促进发展的商业应用消费群体来促 进存储材料的发展。 四十多年的发展中，发表了许多有关光折变体全息存储技术的理论分析、新 颖的体系、新的复用设计、存储介质、系统描述和原型描述等等的堪称里程碑式 的优秀的论文。在这么短的篇幅描述全息存储的历史发展是不呵能的，所以我们 在这早只是列举一下。些研究机构的原理样机，以简单概括这四十多年来光折变 体三维全息存储技术的研究进展。虽然出现了许多的原理样机，但是实际的光折 变体三维全息存储技术距离它本身的理论极限还有很大的差距，有许多方面需要 改善。在本论文后面的章节巾，将针对一些具体的技术问题诸如存储密度的提高 方法，噪声抑制的方法以及光折变三维存储技术在其他方面的应用等进行研究和 探讨。 南开大学博士论文一先折变休三维全患存储器若予阉题研究( 第一章) ( 1 ) b e l ll a b s 箍n dt h ed i g i t 魏lp a g e ( 1 9 6 8 歪# ) 在2 0 世纪6 0 年代，全息术的发展刺激了研究者的想象力，由于能记录从三 维物体产生的艇波前同时具有惊人的保真度，这项技术引起了研究者们极大关 注。嶷1 9 鹞年，l 。k 。a n d e r n 写窭了关于搂述全息数字存镶瓣第一篇文献 12 9 1 。 在文献中，他描述了个记录在感光乳胶上的包含1 0 2 4 个全息图阵列的实骏系 统。每个全惫瀚包含4 0 9 繇i t s 鹣信怠，总共容篷为4 m b i s 。这令系统霉蓦雳了一+ 令 能在6 m 内定位3 2 3 2 个全怠图的声光偏转器。当时预测的容量是1 0 0 m b i t s ， 远远麓过当时的磁援线存储器的5 8 m b i t s 的容董。 、 ( 2 ) i b mh o s p ( 19 7 0 年) 在二十世纪六十年代，i b m 利用漂白全息干版发展了一个名为 h o s p ( h o l o g r a p h i co p t i c a ls t o r a g ep r o t o t y p e ) 的只读数字全息存储系统【1 3 0 】。它包 括三个子系统，一个系统是用来产生二进制数据的电路板，第二个系统用来记录 全息图，第三个用来读出数据。其中，电路板可显示4 0 9 6 b i t s ( 6 4 6 4 ) 的信息。在 计算机的控制下，记录干版可以在x ，y 方向上移动，用完一个后，换上一个新的 干版，再次曝光。当时还没有发明复用方式。单个干版的容量是0 ，5 m 字节。利 用一个二维声光数字光偏转器来定位位于4 块儿全息干版上的1 2 8 1 2 8 介位置。 系统的总体容量为2 o m 字节，持续传输速率为1 6 m 字节秒。虽然这三个子系 统能协调的操作，但是没有做成产品。 ( 3 ) r c ah o i o g r a p h i cm e m o r y ( 1 9 7 3 年) 在1 9 7 3 年，r c a 实验室做成了一个1 0 i t s 没有可移动部分的可读可写的全 息内存实验装置【1 3 1 ，l ”。这个内存实验装置包括氩离子激光器、声光光束偏转、 全息光束分束器、向列液晶组页器、一种导光热塑可擦写存储介质以及一个硅光 二极管阵列。这个实验装置能存储单幅包含1 0 2 4 b i t s 的1 0 2 4 个全息图，利用连 接在4 元件芯片的5 个离散团簇i 二的2 0 针的光电二极管来探测代表1 0 b i t s 的2 0 像素。 ( 4 ) h o i o g r a p h i cd a t as t o r a g es y s t e m ( 19 7 4 年) 在1 9 7 4 年，s t r e h l o w 和他的合作者们描述了个7 m 字节的全息存储旧”。 在1 0 c m 1 0 c m 的面积上排列了1 0 2 4 1 0 2 4 个微全息图阵列，每个全息图包含 南开大学博士论文一光折变体三维全息存储器若干问题研究( 第一章) 5 6 b i t s 。利用一个二维扫描电子束泵浦的激光来完成存取，随机存取时间小于l o 微秒。2 8 2 8 的激光源被一个共焦装置扩束来提供一个l o l o c m 2 的光束来读出 全息阵列。在全息图阵列后面紧跟一个傅里叶变换透镜来保证排列在4 1 4 个阵 列上的5 6 个光探测器探测到的是空间上没有变化的像。 ( 5 ) t h o m p s o n c s f r e a d w r i t em e m o r y ( 1 9 7 3 年) 尽管在1 9 6 2 年，角度复用被、铀h e e r d e n 在他的论文中提到，但是直到1 9 7 3 年才被h u i g n a r d 和他的同事们在t h o m p s o n c s f 进行演示。这个改进旨在获得高 的存储密度并且能更好的利用记录介质的动态范围。多年来，角度复用成为被广 泛应用的复用方式之一。 在他们的实验配置中，利用了相当复杂的光学装置，包括级联声光偏转器， 透镜阵列和全息光栅等等。在那个时代的可利用的元器件基础上，他们叠置了 1 0 0 幅全息图，总的存储容量达到1 0 “b i t s 。几年后，他们组装了个可以演示和 试验所有的读写记录元件的实验电路板演示系统【1 33 1 。这个系统具有许多先进的 特征：8 8 的液晶组页器，硅探测阵列，3 秒寻址时间的声光偏转器，傅罩叶变 换透镜等等。在这个实验中，他们利用2 5 个5 5 3 m m 3 的掺铁铌酸锂晶体做为 记录介质。( 如图1 6 ( a ) ，( b ) ) ( b ) 图1 6 三维全息存储器示意图( a ) 和实验平而( b ) 南开大学博士论文一光折变体三维全息存储器若干问题研究( 第一章) ( 6 ) n e ch o l o g r a p h i cc o d i n g p l a t eo rh o l o t a b l e t ( 1 9 7 3 年) 在1 9 7 3 年，n e c 公司利用一个全息输入装置建成了一个只读全息内存系统 3 4 1 。在这个技术基础上，他们研发了全息编码盘。在每个全息图上，存储了代 表这个全息图的在二维平面上的位置的数据图样，这样，通过再现比特图样就能 确定透过这个全息平面的光束的位置。每一个包含2 “2 “个量子化区域的全息图 有一个独一无二的