（物理电子学专业论文）细菌视紫红质薄膜全息存储应用研究.pdf

本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含获得内蒙古大学及其他教育机构的学位或证二l 弓而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献已在论文中作了说明并表示谢意。 学位论文作者签名：主遨指导教师签名：i 坳多订、 指导教师签名： f 1 红，：f 月、刈、 日期：兰里丛 ：出日 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将 学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允 许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。 为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙吉大学。作者今后使 用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用于 发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名： 日 指导教师签名：i ：篷! 垫查对、 内蒙古大学硕+ 学位论文 细菌视紫红质薄膜全息存储应用研究 摘要 细菌视紫红质( b a c t e r i o r h o d o p s i n ) 又被称为菌紫质或者b r ，是一种具有显 著光致变色特性的高分子生物材料。因其所具有的优良光学性质，越来越多的人 们致力于菌紫质的光信息存储研究工作。在众多光存储技术当中，全息光存储技 术以其高存储密度和读写速度成为研究的热点。本文围绕着一种基因改性细菌视 紫红质b r d 9 6 n 在光全息存储中的应用，完成了以下工作： 1 研究了b r d 9 6 n 的光致变色特性：测量了b r d 9 6 n 的光致变色双态吸 收光谱；利用克雷默斯一克朗尼( k r a m e r s - k r o n i g ) 变换关系计算出伴随光致变色 反应产生的折射率变化量光谱。 2 在b r d 9 6 n 薄膜上进行了非共线全息图像存储实验。在同线偏振、同圆 偏振、正交线偏振和正交圆偏振四种不同偏振光的条件下进行了全息图像存储实 验，对所存储图像的对比度、信噪比和衍射效率进行了比较；并且就反射式记录 与透射式记录、参考光再现与共轭光再现等不同情况的图像对比度、衍射效率和 信噪比进行了比较。 3 在b r d 9 6 n 薄膜上进行了共线全息图像存储实验。并就系统体积、稳定 性和衍射效率等方面与传统的双光束干涉全息存储进行了比较。 4 进行了b r d 9 6 n 全息图的非破坏性读出方面的研究：理论上计算了 b r d 9 6 n 全息图的波长前射效率依赖关系；并测量了其在6 3 3 n m 和6 9 5 n m 处的衍射效率。 5 进行了b r d 9 6 n 全息图衍射效率动力学测量实验，并进行了辅助紫光照 射材料提高衍射效率的实验。 关键词：菌紫质，光致变色，全息存储，衍射效率 2 内蒙古大学硕士学位论文 p h o t o g r a p h i cs t o r a g e a p p l i c a t i o n so f b a c t e r i o r h o d o p s i nf i l m s a b s t r a ct b a c t e r i o r h o d o p s i no rb ri sak i n do fp o l y m e r i cb i o m a t e r i a lw i t ho b v i o u s l y p h o t o c h r o m i cc h a r a c t e r i s t i c b e c a u s eo fi t se x c e l l e n to p t i c a lc h a r a c t e r , i tb e c o m e st h e f o c u so ft h er e s e a r c hw o r k si nt h ef i e l do fo p t i c a ls t o r a g e i nm a n yo p t i c a ls t o r a g e t e c h n o l o g i e s ，o p t i c a lh o l o g r a p h i cs t o r a g et e c h n o l o g yi sv a l u e dm o r ea n dm o r ef o ri t s h i 曲s t o r a g ed e n s i t ya n dh i g hs p e e do fr e a d i n ga n dw r i t i n g b a s e do nb r d 9 6 n s a p p l i c a t i o n so fh o l o g r a p h i cs t o r a g e ，t h i sp a p e ri n v o l v e st h e s ew o r k s ： 1 b r - d 9 6 n sp h o t o c h r o m i cc h a r a c t e ri sr e s e a r c h e d ：b r - d 9 6 n sa b s o r p t i o n s p e c t r u mo ft w os t a t e sp h o t o c h r o m i cp r o c e e di sm e a s u r e d ；a n da c c o r d i n gt ot h e k r a m e r s - k r o n i gr e l a t i o n ，t h ev a r i e t yo fr e f r a c t i v ei n d e xo ft h es a m p l e ，b r - d 9 6 nf i l m ， i sc a l c u l a t e d 2 r e s e a r c h e so nt h ep r o p e r t i e so f h o l o g r a p h i cs t o r a g ew i t hb r d 9 6 nf i l m sh a v e b e e nd o n e ：t h eh o l o g r a p h i ci m a g es t o r a g ee x p e r i m e n t sa r er e a l i z e du n d e rd i f f e r e n t k i n d so fc o n d i t i o n s ( 1 i k ep a r a l l e ll i n e a rp o l a r i z a t i o nh o l o g r a p h i cr e c o r d i n g , o r t h o g o n a l l i n e a rp o l a r i z a t i o nh o l o g r a p h i cr e c o r d i n g , p a r a l l e lc i r c u l a rp o l a r i z a t i o nh o l o g r a p h i c r e c o r d i n ga n do r t h o g o n a lc i r c u l a rp o l a r i z a t i o nh o l o g r a p h i cr e c o r d i n ge t c ) a n d c o m p a r i s o no ni m a g e sc o n t r a s ta n ds i g n a ln o i s er a t i o ，a n dd i f f r a c t i o ne f f e c t i v ea l s o h a sb e e nd o n e 3 t h ec o l l i n e a rh o l o g r a p h i ci m a g es t o r a g ee x p e r i m e n to nb r d 9 6 nf i l mi s f i n i s h e d ，a n dc o m p a r i s o n sh a v eb e e nd o n ew i t l lt r a d i t i o n a ld u a l b e a mi n t e r f e r e n c e h o l o g r a p h i cs t o r a g eo ns y s t e mv o l u m e ，s t a b i l i t ya n dd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y 3 内蒙古大学硕士学位论文 4 r e s e a r c h e so nn o nd e s t r u c t i v er e a d o u to nb r d 9 6 nh o l o g r a mh a v e b e e nd o n e ： t h er e l m i o nb e t w e e nd i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yo fb r d 9 6 n sh o l o g r a ma n dw a v e l e n g t h o ft h er e c o n s t r u c t i o nl i g h ti sc a l c u l a t e dt h e o r e t i c a l l y 5 t h ee x p e r i m e n t si nw h i c hw eu s eu l t r av i o l a t et op r o m o t et h ed i f f r a c t i o n e f f i c i e n c yh a sb e e nd o n e a tl a s tt h ed i f f r a c t i o ne f f i c i e n c yo nd i f f e r e n tw a v e l e n g t ho f 6 3 3 n ma n d6 9 5 n mh a sb e e nm e a s u r e d k e y w o r d s ：b a c t e r i o r h o d o p s i n ，p h o t o c h r o m i c ，h o l o g r a p h i cs t o r a g e ，d i f f r a c t i o n e f f i c i e n c y 4 内蒙古大学硕士学位论文 目录 摘要2 a b s t r a c t 3 目 录5 第一章光致变色材料b r d 9 6 n 简介1 1 1 光致变色材料一菌紫质1 1 1 1 菌紫质的结构1 1 1 2 菌紫质的光学性质3 1 1 3 菌紫质的优缺点7 1 2 光信息存储技术简介8 1 2 1 光信息存储技术的优缺点8 1 。2 2 光信息存储技术的发展现状9 1 2 3 全息存储简介9 1 3 本论文的研究内容及意义一11 1 3 1 研究意义1 l 1 3 2 研究内容。1 2 第二章b r - d 9 6 n 的光致变色特性1 3 2 1b r - d 9 6 n 的双态吸收谱。13 2 2b r - d 9 6 n 的光致变色光谱动力学研究1 4 2 2 1b r - d 9 6 n 光致变色动力学实验测量1 4 2 2 。2 吸收光谱理论拟合分析1 5 2 2 3m 态和b 态特征吸收动力学1 8 2 3 光致折射率变化量光谱理论计算2 0 2 3 1 介质复折射率的概念与物理意义一2 0 2 3 2 克雷默斯l 克朗尼( k r a m e r s - k r o nig ) 变换关系2 1 5 内蒙古大学硕士学位论文 2 3 3 光致折射率变化量光谱理论计算2 2 2 4 结论2 3 第三章b r - d 9 6 n 薄膜非共线全息图像存储研究2 5 3 1 不同偏振全息图像存储研究2 5 3 2 参考光再现和共轭光再现( 透射式记录与反射式记录) 全息图像存储研究2 8 3 2 1 参考光再现情况下透射式记录与反射式记录全息图像存储2 8 3 2 2 参考光再现与共轭光再现的比较2 9 3 3 结论一3 0 第四章b r d 9 6 n 薄膜共线光全息及其图像存储研究3 l 4 1 共线全息简介3 l 4 2 共线全息图像存储实验3 4 4 2 1 实验的光路及方法3 4 4 2 2 实验的结果3 5 4 3 结论一3 6 第五章b r o d 9 6 n 全息图的衍射效率研究。3 7 5 1 全息图衍射效率公式推导3 7 5 2b r - d 9 6 n 全息图衍射效率光谱的计算3 8 5 3b r - d 9 6 n 全息图衍射效率动力学测量及辅助紫光对其影晌测量4 0 5 3 1 实验原理及光路设置4 0 5 2 2 实验结果与分析一4 1 5 4 不同波长下b r - d 9 6 n 全息图衍射效率的实验测量4 2 5 4 1 实验光路及实验方法4 2 5 4 2 实验结果与分析一4 4 5 5 结论一4 7 总结与展望4 8 参考文献4 9 致谢5 2 攻读硕士学位期间发表的论文5 3 6 内蒙古大学硕士学位论文 第一章光致变色材料b r d 9 6 n 简介 细菌视紫红质( b a c t e r i o r h o d o p s i n ，简称菌紫质或b r ) 是嗜盐菌进行光和作 用的核心蛋白质，位于嗜盐菌( h a l ob a c t e r i u mh a l o b i u m ) 细胞膜的紫膜( p u r p l e m e m b r a n e ) 上，1 9 7 1 年先后由德国的o e s t e r h e l t 和美国的s t o e c k n i u s 发现，因其 与脊椎动物视网膜上的视紫红质的色素蛋白类似因而被取名为细菌视紫红质【n 。 其主要功能为光能转换器，即利用光能驱使质子进行跨膜运动，在细胞膜内外侧 形成质子电化学梯度，从而提供能量合成a t p 以维持细菌的新陈代谢作用【2 1 。由 于其具有显著的光致变色特性，现阶段已经成为光信息存储领域的研究热点之 一。作为一种具有良好的热稳定性、高抗疲劳度和高感光灵敏度的有机光致变色 材料，菌紫质有着良好的应用前景。 1 1 光致变色材料菌紫质 1 1 1 菌紫质的结构 作为一种基因改性细菌视紫红质，菌紫质是由基因定点突变嗜盐菌的紫膜上 提取的。嗜盐菌天然生存于盐湖和盐田的结晶盐中，是极端嗜盐微生物，需要高 浓度的n a c i 和镁盐才能生长并维持其结构【3 】。在有氧条件下，嗜盐菌通过呼吸 作用产生能量；在缺氧和光照条件下则合成菌紫质，通过光合作用提供新陈代谢 所需能量。嗜盐菌将太阳能转换为化学能的效率为1 5 。图1 1 是嗜盐菌细胞的 结构及功能示意图。其中紫膜中的菌紫质是嗜盐菌进行光合作用的关键蛋白，扮 演着类似于植物光合系统中叶绿素的角色。其它细胞组成还包括a t p 酶 ( a t p a s e ) 、感应视紫红质( s e n s o r y r h o d o p s i n ) i 和i i 、盐视紫红质( h a l o t h o d o p s i n ) 以及鞭毛( f l a g e l l a r ) 。a t p 酶可以利用光合作用产生的质子电化学梯度将a d p 合成a t p 。感应视紫红质可以判断是否存在有利于进行光合作用的波长成分( 其 中绿光促进光合作用而蓝光却抑制光合作用) 。嗜盐菌则依据感应视紫红质的探 测结果而对鞭毛的运动进行控制，使其趋向于有助于光合作用的方向。嗜盐菌中 的盐视紫红质起着氯泵的作用，维持细胞内一定的氯离子浓度。 内蒙吉大学硕士学位论文 图1 - 1 嗜盐茵细胞的结构及功能示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fah a l o b a c t e r i a lc e l la n di t sf u n c t i o n a ls y s t e m s 紫膜是嗜盐菌细胞膜中分化的功能单元，以碎片的形式存在于嗜盐菌细胞膜 中。紫膜是由质量百分比分别为7 5 的蛋白质和2 5 的类脂组成的，蛋白质分 子镶嵌于脂双层之间，如图1 2 所示。 图l - 2 紫膜的结构组成示意图 f i g 1 - 2s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t h es t r u c t u r eo fp u r p l em e m b r a n e 菌紫质是紫膜中的功能单元，是一种蛋白质分子。每个紫膜碎片中大约包含 2 内蒙古大学硕士学位论文 1 0 万个菌紫质碎片。在天然的紫膜中菌紫质以三聚体形式按照二维六角形晶格 结构排列，如图1 - 3 ( a ) 所示。这种晶格独特的排列结构能够增加紫膜的结构稳定 性。 ( a )( b ) 图l - 3 ( a ) 茵紫质三聚体组成的六角晶格结构；( b ) 菌紫质分子结构图 f i g b 3 ( a ) t r i m m e rc o m p o s e dh e x a g o n a ll a t t i c es t r u c t u r eo fb r ；( b ) s t r u c t u r eo fb r 每个菌紫质分子的分子量为2 6 0 0 0 ，由2 4 8 个氨基酸和一个生色团视黄醛 ( r e t i n a l ) 组成，视黄醛的结合使紫膜呈现深紫色。菌紫质的结构与脊椎动物视 网膜上的视紫红质的色素蛋白非常类似，因而被取名为细菌视紫红质 ( b a c t e r i o r h o d o p s i n ，简称b r ) ，如图1 - 3 ( b ) 所示。 1 1 2 菌紫质的光学性质 1 菌紫质的吸收光谱 在2 8 0 n m 波长附近菌紫质存在典型的蛋白质吸收，生色团视黄醛在5 7 0 n m 附近有宽吸收带，在4 0 0 n m 附近有窄的吸收带。当蛋白质与生色团视黄醛的相 互作用被破坏时，可见光吸收带消失。 2 菌紫质的光循环特性 光循环是指b r 分子在光照下产生具有一系列不同吸收光谱的中间产物，最 终返回初始状态的循环过程。初始状态即b r 基态分为暗适应型( d 态) 和光适 应型( b 态) 两种。这两种状态可以相互转化，d 态和b 态的吸收峰分别为5 5 8 n m 和5 6 8 n m 。黑暗中的b r 处于暗适应型，这种状态下b r 的分子组成为4 0 的全 反型和6 0 的1 3 顺型的混合物 4 1 。经过光照暗适应型b r 可以转变为光适应型， 此形态下的生色团是全反型。只有全反型生色团的菌紫质才能进行光循环，因此 b r 的光循环始于光适应型，即b 态( 如图1 4 所示) 。 3 内蒙古大学硕士学位论文 “， a l l - t r a n sr e t i n a l l y s 2 16 矗j 琳a 忌，咚“ i l ii r 丫陬矿1 留咚r 琳 岛w 肇，7 h 掰铲v 5 气缈 南呛7 叫5 0 认 光适应型b r 在光激发下形成最初中间产物j 之后伴随一系列热驰豫中间态 k ，l ，m ，n 和o 再回到基态b ，完成一次光循环。在生理条件下，这些变化 在1 0 m s 内能够完成。图1 - 5 ( a ) 是目前较为公认的野生菌紫质( b r w t ) 的光循 环模型【5 1 。其中中间态m 态的吸收峰波长在4 1 2 n m ，与基态5 6 8 n m 相距很远， 光谱之间几乎不产生重叠，并且寿命较长( m s 量级) ，这为b r 的光存储应用提 供了有利的条件，因此m 态成为菌紫质应用研究的重点。为了研究方便，可以 将其光循环简化为b 态和m 态之间的光致变色过程，如图1 5 ( b ) 所示。但是野 生菌紫质( b r w t ) 的光致变色过程很快，m 态寿命非常短，只有约1 0 m s ，这 对光学信息存储应用显得太短。利用基因工程手段对茵紫质质子泵通道中的主要 氨基酸进行定点突变制备的菌紫质变异体，可以使其光循环和质子泵功能受阻， 从而延长m 态的寿命和光致变色过程。b r - d 9 6 n 就是其中一种基因改性的优良 菌紫质变体，m 态的寿命较b r w t 可以延长六个数量级。与其它菌紫质材料相 比，b r d 9 6 n 薄膜材料具有感光灵敏度较高，m 态寿命较长，折射率变化较大 等优点。 4 内蒙古大学硕士学位论文 翻 5 6 8 n m 獭澍 4 1 2 n m m 图1 5 ( a ) 菌紫质光循环模型；( b ) 简化模型 f i g 1 5 ( a ) t h ep h o t o c y c l em o d e lo f 菌紫质；( b ) t h ep r e d i g e s tm o d e l 菌紫质的光循环的途径并不是唯一的，处于不同条件下的菌紫质分子会有不 同的循环途径。在非生理条件下，菌紫质还有可能存在分支光循环。化学修饰的 低p h 值的野生菌紫质【6 8 1 或去阳离子的菌紫质1 1 可以产生9 一顺式的p 态和q 态【1 2 。4 】。p 态和q 态在室温下是稳定的，是可以用于长寿命存储的中间体，但它 们的量子产率通常很小( o 0 2 ) ，目前正在研究提高其量子产率的方法。 3 菌紫质的光致变色效应 光致变色现象是菌紫质光循环引起的最直接的物理现象。菌紫质光循环过程 中的各个中间体除通常情况下的热弛豫外，还可以通过其对应的最大吸收波长的 光照而直接回到基态b 态。由于m 态在菌紫质的主光循环中是寿命最长的中间 态，并且m 态与b 态的吸收峰差异达1 6 0 n m ( b 态与m 态的吸收光谱如图1 - 6 所示) ，因此以b 态一m 态之间的转换最为重要。 此外，菌紫质的光致变色效应还具有高量子效率( 6 4 ) ，高感光灵敏度 ( 1 0 j c i ：n 2 ) ，强抗疲劳性( 1 0 6 ) ，高空间分辨率( 5 0 0 0 1 i n e m m ) 等优点。 5 内蒙古大学硕士学位论文 6 言5 矗4 害3 2 o 皇1 4 0 04 5 05 0 0 5 5 06 0 06 5 0 7 0 0 九( n m ) 图1 - 6 菌紫质的b m 光致变色吸收光谱 f i g 1 - 6a b s o r p t i o ns p e c t r ao f t h eba n dm s m t e so f b a c t c r i o r h o d o p s i n 4 菌紫质的光致各向异性特性 菌紫质分子是极性分子，因此是各向异性的。在被光激发之前，菌紫质光学 薄膜中的每个菌紫质分子都是随机取向的，表现为宏观的各向同性。在b 态分 子吸收带的线偏振光作用下，只有分子电偶极矩的取向与电场振动一致或接近的 b 态分子才会被激发。对于亚稳态是m 态的菌紫质分子，b 态分子被激发后在 m 态积累，因此m 态的菌紫质分子沿着电场的方向定向排列，产生了宏观的各 向异性，这称之为菌紫质的b 型光致各向异性。反之，在m 态吸收带的线偏振 光作用下，只有分子电偶极矩的取向与电场振动一致或接近的m 态分子才会被 激发至b 态，引起形成的b 态分子的定向排列，这称之为菌紫质的m 型光致各 向异性。若同时使用两束可分别引起b _ m 和m b 的光化学反应的偏振光激 发，则产生b 型和m 型的混合型光致各向异性。 w 唑a v 盛e k a g 恐t k & 脚蝴l 黼黼 椭确4 阳4 2 嘲n m ：心 露哺栩虞n 明 激审：圈：。一圈_ 圈：囟： 绀 秭螃 卿 绚 图1 - 7 几种产生菌紫质光致各向异性的激发方式 f i g 1 - 7s e v e r a le x c i t a t i o nm o d eh a v eb a c t c r i o r h o d o p s i np h o t oi n d u c e da n i s o t r o p y 6 内蒙古大学硕士学位论文 图1 7 给出了几种产生菌紫质光致各向异性的激发方式，图( a ) 、( b ) 的激发 方式产生b 型光致各向异性，图( c ) 的激发方式产生m 型光致各向异性，图( d ) 、 ( e ) 的激发方式则产生b 型和m 型的混合型光致各向异性。 菌紫质的光致各向异性在吸收峰5 7 0 n m 附近时，光致二向色性占主导，远 离吸收峰时，光致双折射则占主导。由于中间态m 态寿命较短，因此随着m 态 分子热弛豫回基态b 态，菌紫质薄膜的光致各向异性也随之消失。此外，由于 分子的热运动也会引起菌紫质光致各向异性的减弱。 1 1 3 菌紫质的优缺点 由于经过自然选择和长期进化，菌紫质具有许多独特和优良的光学及光电性 质，被认为是最有应用前景的生物分子功能材料之一。菌紫质在技术上有望获得 成功应用，是因为它具有以下优点： 1 ) 菌紫质光合作用的机制比较简单。细胞只要合成这一种蛋白质并把它组 装到膜中就能成为光能转换系统，而不需要采用复杂的以叶绿素为基础的光合系 统，所以菌紫质的人工合成技术相对简单。 2 ) 菌紫质特殊结晶结构使得它非常牢固稳定，对光与环境具有很强的抗退 化能力，不需要特殊保存，对热和光化学降解具有长时间的稳定性。菌紫质在 8 0 。c 下仍能保持其天然构象。已经有研究表明，在多层有序的自组装膜中，菌紫 质在1 4 0 c 下仍可保持其天然构象，这种温度对于其它蛋白来说是无法达到的。 3 ) 菌紫质具有亚皮秒级的超快光化学反应时间，可以研制具有超快光电响 应特性的生物分子器件。 4 ) 菌紫质在光循环过程中吸收峰波长发生很大的变化，存在多个可以明显 区分的中间态。各个中间态的吸收光谱都基本在可见光范围，尤其是中间态m 与基态b 的吸收峰差异达到1 6 0 n m ，这为利用光致变色效应进行光存储及光信 息处理应用提供了条件。 5 ) 菌紫质具有良好的非线性光学性能，如存在明显的光致二向色性与光致 双折射效应，具有大的非线性折射率和大的双光子吸收系数，可应用于非线性光 学器件领域。 6 ) 可以利用生化技术与基因工程的办法对菌紫质进行生色团与氨基酸的修 7 内蒙古大学硕士学位论文 饰，产生光学性质更加优良的菌紫质变种，如具有长寿命m 中间态的b r d 9 6 n ， 以及可以产生分支循环p 态的b r d 9 6 n d 8 5 n 。 1 2 光信息存储技术简介 二十一世纪决定一个国家发展水平的三大产业是信息、材料和能源三大产 业，其中信息产业是2 1 世纪的支柱产业，信息技术是2 l 世纪的关键技术。信息 技术的发展在2 0 世纪是基于电子学向光电子学发展的阶段，而在2 1 世纪是由光 电子学向光子学发展的新阶段，两个阶段的根本区别是信息载体和能量载体将由 带负电的电子，即费米子，转变为不带电的光子，即玻色子。信息革命的内容正 以信息载体的转变为基点而展开。信息时代需要有高度先进的信息存储技术。信 息技术的几个主要环节：获取、传输、显示与处理都离不开存储技术。人们需要 处理的不仅是数据、文字、声音、图像，而且需要活动图像和高清晰度的图像等。 信息的数字化是存储技术发展中的一个重要步骤。信息以字节为单位表示其容 量。人们采用的信息存储的手段已从最简单的文字、图像和数据的纸张记录存储、 缩微照相存储发展到磁存储和光存储。信息存储的方式也从只读式的、一次写入 多次读出式的发展到可擦重写式。数据的存入和取出的速度从k b s 发展到 m b s 15 1 。 光存储就是以光子为信息载体的存储，它可进入到电子载体所不能进入的超 高密度，超快速度以及并行输入输出，高度互连的领域。因此光存储己成为当 今信息科学领域的前沿课题之一。 1 2 1 光信息存储技术的优缺点 目前来看，甚至可以断言今后十几年内，信息外存储的主要手段是磁存储和 光存储，其中磁存储的媒介为磁盘、磁带，而光存储的媒介为磁光盘和光盘。与 磁存储技术相比，光存储技术有显著的优点：比如存储密度高，存储寿命长，非 接触式读写和擦除，信息的载噪比高，信息位的价格低。但在当前阶段，光存 储也有其不足之处，如存储驱动器构造复杂，造价比较昂贵。而且光盘机的信息 或数据传输速率比磁盘机偏低，平均数据存储时间在2 0 m s 1 0 0 m s 之间。但是， 光存储还可以利用光并行处理和三维存储的特点( 特别对于图像的存取) ，因此， 8 内蒙古大学硕士学位论文 在存储密度和存取速度上，未来的光存储器不仅可与磁存储器竞争，还可与r a m 半导体存储器竞争，它还可以进一步应用于网络中【1 5 】。 1 2 2 光信息存储技术的发展现状 在与磁存储技术中的竞争中，光存储技术向高密度、高速度和多功能化三个 方面得到了非常快的发展。在提高存储密度方面，光存储技术实现途径主要有： 使用短波长激光和提高透镜数值孔径；使用超分辨技术提高线密度和轨道密度； 改进存储格式和编码方式以及读写方式提高存储效率。一些超高密度存储技术， 包括近场光学存储技术和三维存储技术( 全息存储、光谱烧孔、双光子吸收) 尚 处在研究阶段。目前商业化的光盘密度已从7 m b c m 2 发展到1 8 0 m b c m 2 。 在提高存取速度方面，光存储技术实现途径主要有：减轻光头重量、减化结 构以使光头实现光电集成化；借用磁头飞行技术采用薄膜飞行光头；实现可擦重 写过程中的直接重写技术；提高光盘驱动器的转速和光盘的擦写响应时间；改进 数据编码和信号处理；采用多光头记录和读出技术等。 在存储功能方面，从只读式向可录式( 一次写入多次读出) 、可擦重写式、 可直接重写式技术发展。 1 2 3 全息存储简介 全息存储是依据全息学的原理，将信息以全息照相的方式存储起来，而不是 采用直接的照相存储。普通照相只能记录物光波的强度分布，而全息照相则是把 物光的强度分布和位相分布都完整地记录下来。由于全息照相能把物体的全部信 息都记录下来，因此称这种照相技术称为全息术。全息术的思想首先由英国的 g a b o r 1 6 1 于1 9 4 8 年提出。随着上世纪6 0 年代激光的问世，美国的l e i t h 和 u p a t n i e k s 1 7 】提出了使用离轴参考光进行记录的方法，使再现的原始像和共扼像 能够分开，即离轴全息的思想，苏联的d e n i s y u k t l 8 】提出了反射全息图原理，此 后全息研究就进入了新阶段。 全息存储由于具有容量大、数据传输速率高、数据搜索时间短三方面的优点， 在光存储技术领域占据着不可或缺的地位。作为一种光学信息存储技术，全息存 9 内蒙古大学硕士学位论文 储具有如下几个显著特征： 1 存储密度高：信息是以页面为单位存储的，每个数据页可以包含多达1 m b i t 的信息。存储密度的理论极限值为1 掰( 面全息存储) 或1 妒( 体全息存储) ， 其中九为光波波长。对于1 岬的光波长，该值约为1 0 8 b i t s c m 2 或1 0 1 2 b i t s c m 2 。 现阶段已经诞生了多种复用存储技术，采用这些技术提高了存储器的容量和性 能，使存储密度不断接近理论极限。 2 数据并行传输：信息以页面为单位并行写入和读出，因而具有极高的数据 传输率。其极限值主要由i o 器件( s l m 及c c d ) 来决定。目前多信道c c d 探 测阵列的运行速度已可达1 2 8 m h z ，采用巨并行探测阵列的全息存储系统的数据 传输率将有望达i g b i t s s 。 3 寻址速度快：全息存储不一定要用磁盘和光盘存储系统中必备的机电式读 写头，而可以采用无惯性的光束偏转( 例如声光偏转器) 、参考光束的空间位相 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【1 9 1 ，使系 统的寻址速度很快，寻址一个数据页面的时间小于1 0 0 1 a s ，而磁盘系统的机械寻 址需要1 0 m s 。 4 冗余度高：信息是以全息图的形式存储在一定的体积内，因而具有高度的 冗余性。在传统的磁盘或光盘存储中，每一数据比特占据一定的空间位置，当存 储密度增大，存储介质的缺陷尺寸与数据单元大小相当时，必将引起对应数据丢 失而对全息存储来说，缺陷只会使信号的信噪比降低，而不致引起数据丢失。 5 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。在再现出的光学像被探测到并被转换成 电子数据图样之前，就可以对它们用光学方法进行并行处理，以提高存储系统进 行高级处理的功能。采用适当的光学系统，在读出过程中可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。这种独特的 性能可以实现内容寻址存储器( c a m ) ，成为全光计算或光电混合计算的关键器 件之一，在光学神经网络、光学互连、大型数据库的检索与管理，以及基于图像 相关运算的快速e t 标识别、自动导航【2 0 1 、卫星星图匹配定位等应用领域有着广 阔的应用前景。 目前美国和日本在全息存储方面已经开展了大量的研究工作【2 1 - 2 2 ，2 0 0 6 年 1 0 内蒙古大学硕士学位论文 1 2 月份i n p h a s e 公司的以t a p e s t r y r m h d s 4 0 0 0 记录材料做的第一款全息光盘及其 驱动器上市，其容量为3 0 0 g b ，直径为1 3 0 m m ，厚度为1 5 m m ，传输速率为 2 0 m b s ，是6 4 个d v d 的容量【2 2 1 。而此全息光盘为一次性记录多次读出型光盘 ( h v d r ) ，可擦写式全息存储器件( h v d r w ) 还在研究当中，主要受到全息记 录材料的制约，目前还未找到一种各项指标都优良的可擦写式全息记录材料 2 2 - 2 4 1 。 1 3 本论文的研究内容及意义 1 3 1 研究意义 现代科技的发展离不开信息技术的发展，而信息技术的突破需要有高度先进 的信息存储技术。光存储就是以光子为信息载体的存储：它可进入到电子载体所 不能进入的超高密度、超快速度以及并行输入输出、高度互连的领域。而寻找 可重复使用的低功率实时快速高密度存储器件，已成为当前的一个迫切需要的课 题。 现有的光存储材料已经满足不了新技术的要求。经过长时间的探索，目前来 看最有希望满足如上要求的将是无颗粒有机材料。因为这类材料具有非常优越的 特性：如成本较低、灵敏度高、信噪比高、空气或湿气不易使其降解、存储密度 高( 可以进行分子存储) 、光学和热变形性质可以通过改变有机分子的结构来进 行调变，并且来源广泛，毒性较小等等。而在众多的有机光存储材料中，我们十 分重视对有机光致变色材料的研究。 大规模光信息存储技术中全息光存储以其所具有的高存储容量，高存储密 度，高信息存储冗余度和超快存取速度等优点一直为人们所重视。美国和日本在 全息存储方面投入了大量的研究工作，第一代全息光盘( h v d r o m ) 2 0 0 6 年年 底上市，其容量为3 0 0 g b ( 相当于6 4 个d v d 的容量) ，直径为1 3 0 m m ，厚度 为1 5 r a m ，传输速率为2 0 m b s 。可擦重写的全息存储器件( h v d r w ) 还在研 究中。有机光致变色材料在可擦重写式全息存储领域显示出了很大的潜力2 5 之6 】。 其中菌紫质以它的高灵敏度，高抗疲劳性，高稳定性而深受人们的重视，成为目 前国际上光信息处理和光存储领域的热点研究材料。 内蒙古大学硕士学位论文 1 3 2 研究内容 本文围绕基因改性细菌视紫红质b r d 9 6 n 的全息光存储应用在b r d 9 6 n 薄膜的光致变色特性、非共线和共线全息图像存储实验、以及b r d 9 6 n 全息图 的非破坏性读出等方面展开研究，主要内容安排有： 第一章：简要介绍了光致变色材料b r d 9 6 n 。阐明了b r d 9 6 n 材料的结 构、性质以及作为光存储材料的优缺点。同时简要回顾了光信息存储领域的发展 过程以及当前的研究热点。最后概括了论文的研究意义及研究内容。 第二章：研究了b r d 9 6 n 材料的光致变色特性：首先测量了b r d 9 6 n 的 光致变色双态吸收谱。并通过对b r d 9 6 n 的光致变色动力学实验测量，分离了 样品的d 态、b 态与m 态的吸收光谱，并用最小二乘法对样品热弛豫状态下各 个时刻的吸收光谱进行拟合，得到各个状态下分子数百分比的变化情况。通过克 雷默斯克朗尼( m r a m e r s k r o n i g ) 变换关系计算出光致变色反应的折射率变 化光谱。 第三章：在传统的双光束干涉条件下进行了全息图像存储实验：首先使用 同线偏振、同圆偏振、正交线偏振和正交圆偏振四种不同偏振光在b r d 9 6 n 薄 膜上实现了全息图像存储。并就他们的信噪比、图像对比度以及衍射效率等方面 进行了比较。同时分别在透射式记录和反射式记录的条件下，以参考光再现和共 轭光再现的方式，对存储的全息图的衍射图像进行了分析比较。 第四章：进行了共线全息图像存储实验：以物光与参考光共线的方式，进 行了全息图的存储和再现实验。并且就系统稳定性、体积以及存储密度和衍射效 率等方面与传统双光束干涉全息存储进行了分析比较。 第五章：对b r d 9 6 n 薄膜样品的衍射效率进行了较详细的研究。首先理论 计算了b r - d 9 6 n 薄膜样品上记录的普通全息图的衍射效率光谱曲线。其次，实 验测量了其在6 3 3 n m 和6 9 5 n m 处( 非破坏性读出方面的初探式研究) 衍射效率 动力学曲线，包括辅助紫光对其作用的测量。 第六章：总结与展望。 1 2 内蒙古大学硕士学位论文 第二章b r d 9 6 n 的光致变色特性 菌紫质是一类具有优良光学特性的生物分子光致变色材料，与其他生物分子 相比，它具有结构简单，生物功能健全，对外界环境的适应性强等特剧2 7 之8 1 。对 菌紫质的光学性质进行研究可以为其在光子学领域的应用和光功能器件的开发 等方面提供依据。为了给后面的研究工作打下坚实的基础，本章研究了b r d 9 6 n 薄膜的光致变色特性：首先测量了其b 态、m 态双态吸收光谱，然后进行了光 致变色吸收动力学研究，最后从克雷默斯一克朗尼( k r a m e r s k r o n i g ) 变换关系 推知吸收光谱的变化理论计算出伴随光致变色反应产生的折射率变化量光谱。 2 1b r - d 9 6 n 的双态吸收谱 实验中所采用的样品是上文中提到的基因改性细菌视紫红质b r d 9 6 n 薄 膜，由德国m a r b u r g 大学h a m p p 教授提供。b r - d 9 6 n 是用天门冬酰氨替换第9 6 号天门冬氨酸所产生的b r 变异体，b r d 9 6 n 的亚稳态m 态的寿命比野生b r 延长至5 m i n 左右。样品的制各时从基因定点突变的嗜盐菌( b a c t e r i u ms a l i n a r u m ) 中提取紫膜b r d 9 6 n ，经过蔗糖梯度法纯化和超声破碎，以一定的浓度均匀掺 入到高分子聚合物中( 明胶或聚乙烯醇) ，然后将该聚合物密封到两片平行的光