（光学专业论文）一种全可见光敏感的光致聚合物全息特性研究.pdf

河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 一种全可见光敏感的光致聚合物 全息特性研究 摘要 三维数字体全息存储技术和记录材料成为下一代大容量数据存储技术的重要 的研究方向本文在总结了当前高密度光学信息存储技术和有机光致聚合物材料 的存储原理、性能研究现状的基础上，围绕有机光致聚合物材料主要进行了以下 几方面的工作： 1 制备了一种对全部可见光都敏感的新型全息存储材料； 2 对光致聚合全息存储材料光化学反应过程进行了分析；将反应的不同阶段 的聚合物膜用扫描电镜扫描，把实验结果与理论分析进行比较，两者符合较好， 说明对材料聚合与扩散过程随时间变化动态过程的分析是合理的。 3 分析了记录材料的噪声来源，并对影响全息存储的一些非系统噪声进行了 改进。 4 研究了材料的透过率、衍射效率、曝光灵敏度、动态范围等全息性能参数 随曝光时闻、曝光能量和样品厚度的变化关系，并解释了变化原因；分析了分光 比、光引发剂浓度、光敏剂种类等对材料全息性能的影响。 5 测试了具有一种或两种光敏剂的光致聚合物的全息性能，并与该材料的全 息性能进行了比较。 6 在记录材料中分别存储了模拟全息图和由空间光调制器生成的数字化信 息页，再现信息有较高的保真度。 ， 关键词：数字化全息存储；光致聚合物；全可见光敏感；衍射效率 塑堕奎堂垄堂主些! 唑丝堡主兰垡堡壅 一 一 t h e h o l o g r a p h i c c h a r a c t e r i s t i c so faw h o l e v i s i b l el i g h ts e n s i t i z e dp h o t o p o l y m e r a b s t r a c t t h r e ed i m e n s i o n a ld i g i t a lv o l u m eh o l o g r a p h i cd a t as t o r a g ea n dr e c o r d i n gm a t e r i a l s h a v eb e e nb e c o m i n go n eo ft h ei m p o r t a n ti s s u e so fm a s sd a t ai n f o r m a t i o ns t o r a g e 0 n t h eb a s eo ft h er e v i e wo ft h ep r o c e s so fh i g h - d e n s i t yo p t i c a li n f o r m a t i o ns t o r a g e t e c h n o l o g ya n dt h eh o l o g r a p h i cs t o r a g ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fp h o t o p o l y m e r , t h es t u d yh a db e e nd o n ea b o u tp h o t o p o l y m e rr e c o r d i n gm a t e r i a l si nt h i sd i s s e r t a t i o n i t i n c l u d e s ： 1 aw h o l ev i s i b l el i g h tw a v e l e n g t hr a n g es e n s i t i v ep h o t o p o l y m e rm a t e r i a lb a s e d o np o l y v i n y l - a l c o h o lf o rh o l o g r a p h i cs t o r a g ew a sf a b r i c a t e d 2 p h o t o - i n d u c e dr e a c t i o np r o c e s s e si nt h ep h o t o p o l y m e rf o rh o l o g r a p h i cs t o r a g e w e r es t u d i e d a n dt h ed i f f e r e n tp r o c e s sh o l o g r a m sw e r es c a n n e db ys e m ( s t a r t i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ha n a l y s i so ft h e t h e o r ya n dt h e yw e r e f i t t e dw e l l 3 s o m ek i n d so f t i n - s y s t e mn o i s ew e r er e d u c e dd u r i n ga n a l y z i n gn o i s es o u r c e 4 t h ed e p e n d e n c e so ft h et r a n s m i t t a n c e ，d i f f i a c t i o ue f f i c i e n c y , e x p o s u r e s e n s i t i v i t y ，d y n a m i cr a n g e ，e ta 1 a sf u n c t i o n so fe x p o s u r et i m e s ，e x p o s u r ee n e r g ya n d t h i c k n e s so ft h es a m p l e sw e r ei n v e s t i g a t e d , a n dt h ec a u s e so ft h e s ec h a n g e sw e r e d r e s e n t e d e f f e c ta b o u tt h eb e a mr a t i o ，c o n c e n 心a t i o no f t h ep h o t o i n i t i a t o ra n ds p e c i e so f t h ep h o t o s e n s i t i z e r st od i f f i a e t i o ne f f i c i e n c yw e r ea n a l y z e d 5 s o m eh o l o g r a p h i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h o t o p o l y m e r sw i t ho n eo rt w o 可南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 p h o t o s e n s i t i z e r sw e r ec o m p a r e dw i t ht h em a t e r i a lw h i c hw a sr e s e a r c h e d i nt h e d i s s e r t a t i o n 6 t w od i m e n s i o n a ls i m u l a t ei m a g e sa n dd i g i t a ld a t ap a g e sm o d u l a t e db yas l m ( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ) w e r e ：s t o r e di nt h em a t e r i a l ，a n dt h er e c o n s t r u c t e dd a t ap a g e s h a dg o o df i d e l i t y k e yw o r d s ：d i g i t a lh o l o g r a p h i cs t o r a g e ；p h o t o p o l y m e r ；w h o l ev i s i b l el i g h ts e n s i t i v e ； d i f f r a c t i o ne f f i c i e n c y 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出硕士学位中请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是 本人在导师的指导下独立完成的，对所研究的课题有新酌见解。据我所知，除 文中特别加以说明、标注和致谢酌地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学住或证书而 使用过酌材料。与我一同工作媳凰凛瓣溱麒寂所做的任何贡献均已在论文中作 硼删说 日 段保存、汇编学位论文( 氟质文本和电子文本) ( 涉及保密内容的学住论文在解密后适用本授权书) 学位获得者( 学位论文作者) 釜名：耋遴生 学位论文指导救师签 一枣嘟雾 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 第一章绪论 1 1 超高密度信息存储技术发展现状 2 0 世纪以来随着信息社会的飞速发展和现代计算机速度的迅速提高，人们对 t 快速、高密度信息存储的需求越来越迫切巨大的信息量使人们对高密度、高传 输率的数据存储手段有着近乎无止境的追求。现代存储系统具有高可靠性、高可 用性、高性能( i o 率和数传率) 性、动态可扩展性、易维护性和开放性等众多方 面的需求，而目前使用的存储系统还远不能满足这些需求，它对现有的存储技术 提出了挑战，刺激了各种存储新技术的发展。多层光盘技术、全息存储、蛋白质 存储和探针存储将成为最有希望的四大候选者f 1 - 4 1 。而这四大类技术原理迥异、具 有各自鲜明的特征。其中，全息存储借助光学全息照相的原理，较易实现t b 级的 高存储密度和超过1 0 g b p s 的读写速度，可靠性亦相当优良，可以说是计算机外存 储设备最有希望的替代者。蛋白质存储则是以蛋白质分子的光吸收率不同实现数 据存储功能，它将生物技术与计算机技术巧妙融合在一起，为未来的生物计算机 时代预先准备。探针存储可以看作是原子尺度上的穿孔卡片系统，它的特点是存 储密度高、功耗低，非常适合用在便携电子设各中，但它存在读写速度慢的缺陷， 仍需要大量的时问才能够完善。而现有的已被普及使用的存储技术：磁盘存储技 术和光盘存储技术的发展仍然前景广阔。 提高存储密度是信息存储界永恒的主题，而磁盘密度的提高最为引人瞩目。 从1 9 9 1 年开始，磁盘的密度以每年6 0 0 , 6 的速度提高，而到1 9 9 7 年后，每年的增 长则超过了l 倍嘲。原来的物理学极限多次被突破，其它内存要取代磁盘的说法也 一次又一次的被否定。现在商品化磁盘的密度已达到每平方英寸2 0 g b ，实验室则 已达到1 0 0 g b ，比1 9 5 7 年i b m 推出的第一台磁盘的密度提高了上千万倍嘲。 光盘存储技术是7 0 年代初开始发展起来的。光盘存储具有存储密度高、容量 大、可随机存取、保存寿命长、工作稳定可靠、轻便易携带等一系列其它记录媒 体无可比拟的优点，特别适于大数据量信息的存储和交换。光盘存储技术不仅能 l 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 满足信息化社会海量信息存储的需要，而且能够同时存储声音、文字、图形、图 像等多种媒体的信息，从而使传统的信息存储、传输、管理和使用方式发生了根 本性的变化。光盘存储技术近年来不断取得重大突破，其应用也几乎已深入到人 类社会活动和生活的一切领域。 数据存储技术的热潮已在世界范围内兴起，在国际学术界，一些著名的大学 都大力开展了存储技术和存储系统的研究工作。在工业界，几乎所有的著名盯企 业都以相当大的力度推出了自己的存储系统产品，同时在存储领域出现了一大批 新创业的公司。可以预见数据存储技术将在近几年得到更快的发展。 1 2 光存储技术的发展趋势 随着光学技术、激光技术、微电子技术、材料科学、细微加工技术、计算机 与自动控制技术的发展，光存储技术在记录密度、容量、数据传输率、寻址时间 等关键技术上将有巨大的发展潜力。以光学、集成光学、光子效应、体全息技术、 光感生或磁感生超分辨率等原理为基础的新一代光存储技术的主要发展趋势为： 由远场光存储到近场光存储：由二维光存储到多维光存储；由光热存储到光子存 储。具体而言，它将朝着以下几个方向发展： ( 1 ) 短波长记录 提高现有光盘存储密度的途径很多，其中见效最快的是缩短激光波长以缩小记 录光斑尺寸。2 0 世纪8 0 年代中期至9 0 年代中期推向市场的以c d 家族为代表的 第一代光盘，光源采用8 3 0 r i m 和7 8 0 h m 波长的红外半导体激光，其存储容量为 6 5 0 m b 8 m b c n a 2 ) ；9 0 年代中后期开始出现，现在占领市场的d v d 家族为代 表的第二代光盘，光源采用6 5 0 r i m 波长的红色半导体激光，其存储容量为4 7 g b0 6 0 m b c n l 2 ) ：通过发展蓝绿光( 4 0 0 5 0 0 n m ) 光源和这一波长附近的新型短波长 记录材料和器件，采用超分辨记录和探测技术，有可能将光盘的记录密度进一步 提高( 相当于c d 密度的2 0 倍左右) ，容量达到l o 1 5 g b 【7 叼。2 0 世纪9 0 年代 下半期出现的类蓝光激光器为蓝光光盘记录技术打下了良好的基础。1 9 9 9 年2 月 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论丈 索尼等9 家公司已宣布他们联合研制成功了蓝光光盘，一个单层的蓝光光盘的容 量为2 5 g b 或2 7 g b ，足够刻录一个长达4 小时的高清晰电影。日本磁盘翻造商 t d k 公司也宣布研发出4 层容量为1 0 0 g b 的光盘田。 ( 2 ) 近场光存储 目前的各种光盘驱动器均以包含物镜的光学头进行读写，并完成聚焦与轨迹 跟踪伺服控制。由于物镜离介质较远( 毫米级) ，故称为远场记录。虽然在未来 的几年中，采用短波长激光器和超分辨( s r c ) 等技术，光盘记录密度还会有数十 倍的提高，然而，由于物镜所聚焦的光斑尺寸受波长制约，光斑尺寸进一步减小 的希望只在于波长的缩短，这种缩短即使从目前的红外光转换到紫外光( 目前只 能到蓝光) ，也只有几倍的关系。因此，必须打破光的衍射极限的限制，从光的 远场记录发展到近场记录是超高密度光存储技术的主要途径。 采用近场光学原理设计超分辨率的光学系统，使数值孔径超过1 0 ，相当于探 测器进入介质的辐射场，从而能够得到超精细结构信息，突破衍射极限，获得更 高的分辨率，可使经典光学显微镜的分辨率提高两个数量级，面密度提高4 个数 量级，达到6 g b c m 2 。 ( 3 ) 三维多重体全息存储 利用某些光学晶体的光折变效应记录全息图形图像，包括二值的或有灰阶的 图像信息，由于全息图像对空间位置的敏感性，这种方法可以得到极高的存储容 量，并基于光栅空间相位的变化和材料光信息记录物理性质变化是否可逆，体全 息内存还有可能进行选择性擦除及重写。利用光致折射率变化效应的体全息存储 由于能进行并行传输和处理而发挥光学的优点，在原理上具有高存储容量( 数百 g b ) ，高传输率( 1 g b ，s ) 和快速寻址( 小于1 0 0 1 a s ) 的内在能力全息存储器 可用于随机存取器和光驱间的快速缓冲存储。美国、日本、英国等国家都投入了 大量的人力和财力竟相研究和开发，例如，美国i n p h a s e 公司已经开发出一款能够 提供高达1 6 t b 容量的全息光驱原型；日本o p t w a r e 公司首次公开了可实用的全 息光盘记录及播放装置。理论上，与d v d 相同尺寸的h v d ( h o l o g r a p h i c v e r s a t i l e d i s c ) ( 图1 1 ) 最高可记录3 9 t b 的数据，传输率也可达到1 g b p s l 9 1 ，另外由于 3 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 不可物理复制，所以在安全性方面也拥有出色的表现，但其也存在着诸如：价位 较高、衍射效率不稳定、页面数据有一定的干扰性以及数据记录单位即页面重叠 多个页面时有不可忽略的误码率( 1 0 4 量级) 等缺点f 1 0 1 ，所以还没有完全上市销售。 h v d 光盘h v d 驱动器与h v d 光盘( 带有盘匣) 图1 1o p t w a r 卫出品的h v d 光盘和h v d 驱动器 ( 4 ) 利用当代物理学的其它成就，包括光量子效应、光子回波时域相干光子存储 原理、光予俘获存储原理、共振荧光、超荧光和光学双稳态效应、光子诱发光致 变色的光化学效应、双光子三维体相光致变色效应，以及借助许多新的工具和技 术，诸如扫描隧道显微镜( s t m ) 、原子力显微镜( a f m ) 、光学集成技术及微光 纤数组技术等，提高存储密度和构成多层、多重、多灰阶、高速、并行读写海量 存储系统。实验已证明目前的技术可使光存储密度达到4 0 1 0 0 g b i n 2 。 1 3 光学数字全息存储技术 光盘存储系统虽然在海量存储信息方面有着许多优点，但却和磁存储一样要 求光学头相对记录介质作机械运动，这就使记录信息位的密度被限制在机械调节 的精度内，并使存取时间只能限于毫秒量级【刀。在计算机中高速电子线路与毫秒机 械系统的混合是很不相称的，但要改善这种状况将会付出很大代价，而且往往还 得不偿失。为此就要求有一种既能减少存取时间，又能在降低信息位的价格的情 况下增加存储容量的海量存储技术，光学数字全息存储就是一条有前景的途径。 1 3 1 数字全息存储原理 ， 物光和参考光在全息光存储材料中相遇并发生干涉，干涉图样会使存储材料 的化学或物理特性发生改变，存储材料在折射率或者吸收率上的相应变化就作为 4 i 町南大学光学专业2 0 0 4 缎硕士学位论文 干涉图样的复制品而存储下来。存储下来的干涉图样就是全息图，它保存了物光 的全部信息( 包括振幅和位相信息) 【1 1 1 2 1 。 图1 2 全息数字式光存储中的二维数据页、数据信息的记录和读出 普通全息存储中存储和再现的是事物本身的全息图像，这是一种模拟存储方 式，并非数字式存储。而全息光盘存储则是数字存储方式：需要存储的数字信息 经过编码后组成二维数据页，并被送到空间光调制器( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ，缩 写为s u ) 中。组成m 雏数据页的0 和1 分别对应s l m 像素阵列上的亮点和 暗点，从而在s l m 的像素阵列上形成了一幅二维数据页的图像( 图1 2 ) 。从激 光器发出的激光穿过s l m 而被二维数据页的图像所调制，并在存储材料中和参考 光相遇，从而实现对数字信息的存储 采用不同角度的参考光可以在同一存储材料的同一位置存储另外一幅完全不 同的全息图，这就是全息光存储的一个重要技术特征复用技术在复用情况 下，一个角度的参考光对应一幅全息图。当读出数据页时用和存储该数据页所用 参考光相同的光照射存储材料，光束与存储材料中的干涉图样( 全息图) 发生衍 射，衍射光成像于光电探测器阵列上并被转变为电信号，通过电通道传输到后续 处理环节。每一数据页都可以使用与记录时所用参考光相同的光准确地再现出来。 1 3 2 傅立叶变换全息存储 利用透镜的傅立叶变换性质，将物体置于透镜的前焦面上，在照明光源的共 轭位置得到物光波的傅立叶频谱，然后再引入参考光。这样，在参物光的干涉场 中就可以记录物光波的傅立叶交换光场的信息，即记录一张傅立叶变换全息图。 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 参考光r f 面 图1 3 傅立叶变换及全息存储 傅立叶变换全息存储的方法常采用如图1 3 所示的光学信息处理中的4 f 系统， 激光器发出的激光束经准直扩束镜扩大到与输入面大小的尺寸后，以平行光形式 入射到输入面即第个傅立叶透镜的前焦平面上( 代表二值化光学信息页的空间 光调制器放在该4 f 系统的入射面上，输出物光o ) ，经第一个傅立叶透镜f t l 的 傅立叶变换后在其焦平面上得到物光的频谱( 记录介质放在4 f 系统的频谱面上) ， 再在频谱面位置放置的记录介质上用与物光相干的参考光r 倾斜入射而得到物体 的干涉频谱全息图，频谱再经第二个傅立时透镜f t 2 的傅立叶变换作用在4 f 系统 的输出面即该透镜的后焦平面上( c c d 探测器的接收面放在该平面上) 又合成输 入物面的像。当采用两个相同的俘立叶变换透镜时，输出图像与输入物面尺寸同 样大小。可见利用4 f 系统可以保证在样品上的入射点不随反射镜的转动而改变。 显然利用傅立叶全息存储容易获得很高的存储密度。由于位于透镜后焦面上 的光强过于集中，物光波的高频部分和低频部分的强度与参考光强度之比( 光强 比) 不一样，使再现像的质量下降，因此常采用“离焦法 【1 3 1 ，随机相移法”【1 4 1 和“随 机相移抽样法， 1 5 , 1 6 等技术来提高再现像的质量，增加存储的信噪比减少误码率。 在高密度数字全息存储中，傅立叶变换全息图由于具有空间位移不变性、存储密 度较高、像差小及冗余度高等优势，因此在光信息存储中得到广泛采用。 1 3 3 体光栅与布拉格衍射 两束在x z 面内传播的平面光波入射到厚度为d 的记录介质上，在其内部干涉 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 形成如图1 4 所示的三维光栅。 日2 彪 7 气 7 纱 0 7 量 _- d 图1 4 体光栅的形成 图中j l 为参考光，0 为物光，a 为光栅间距，d 为记录介质的厚度，b 和岛分 别为参、物光束在介质内与z 轴的夹角，口为照明光束与峰值条纹面之间的夹角， m 是光栅矢量r 的倾斜角( 即务纹面法线方向与z 轴的夹角) 按照三维光栅的衍射理论，为使连续散射波同相位相加，以便使总的衍射波 振幅达到极大值，则照明光束的波长五、照明光束与峰值条纹面之间的夹角护及条 纹面的间距( 即光栅间距) a 三者之间必须满足布拉格定律； 2 a s i n 0 = 五 ( 1 1 ) 式中五为介质内的波长。也就是说物光波d 和参考光波露在记录介质内形成的体 积全息图，当再现光束满足布拉格条件时，能再现原物光波d 。因此将。称为布拉 格角。从布拉格定律看出，体全息光栅的性质不仅与材料厚度有关，还与记录波 长和布拉格角也有关；同时也表明，当再现光波偏离布拉格角入射或再现波长偏 离布拉格角入射的正确波长，衍射效率将明显下降所以体积全息图的角度和波 长的选择性要求很高。体积全息图的一个优点是能够抑制不需要的衍射级。因此， 当在布拉格角附近一个很小的范围内再现时，仅有一个有效的衍射级。为便于分 析，引如r 矢量圆。假设记录介质是均匀且各向同性的，并设所有入射到介质内的 光波矢量的大小均为茁= 2 州a ，该值作为j r 矢量圆的半径，那么在介质内与z 轴的 夹角分别为岛和吼的参、物光束，在介质中形成的干涉条纹面将平分两光束之间 7 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 的夹角以一岛) ，这样布拉格角占= 一岛) 2 。光栅矢量r 的大小为； c = 2 嚣| 八= 4 石s m e | 九。 1 3 4 耦合波理论 k o g e l n i k 1 司等分析了体光栅衍射的耦合波理论，从麦克斯韦方程出发，根据记 录介质的电学和光学常量，直接求解描述照明光波和衍射光波的耦合微分方程组， 得到衍射效率。由耦合波方程( 其中q 是空间变化的传播常量) ： v 2 e + q 2 e = 0 ( 1 2 ) 根据布拉格角度和波长选择性的定义( 衍射主瓣两边最小值之间变量的变化 范围) 可以得到透过型光栅的水平角度选择性和垂直角度选择性以及波长选择性： 施平= 警嗣c o s , 9 , u s ， 0 直= 2 ( 9 早ms , ) 1 7 2 ( 1 。4 ) 从：鲨二型丝! 竺呈( 1 5 ) n n d ( 1 - c o s 2 妒) 体全息的角度和波长的选择性使得我们可以利用不同角度入射的光或者不同 波长的光，在同一体积中记录不同的全息图，而且记录介质越厚，选择角和波长 的偏移量就越小，记录的全息图就越多，这就是全息存储复用技术的理论原因， 也就是体全息存储实现大容量存储的依据。 1 3 5 全息存储中的复用技术 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。根据上述体全息光栅的布 拉格选择性，人们提出了角度复用、位相复用和波长复用等复用技术，也是提高 全息存储记录密度和容量的最常用的复用技术。 河南大学光学专业2 0 0 4 级硬士学位论文 角度复用：这是一种使用最早，研究最为充分的复用技术，它利用了体积全 息图的角度选择性，使不同的信息页面可l ；c 互不相干地叠加在同一个空间区域内。 每幅全息图在记录和读出时所采用的物光和参考光的夹角都各不相同，但采用的 激光波长是固定的对角度的调整可以通过旋转反光镜或声光偏转器来实现。角 度复用技术可以有效地增大存储容量，提高存储密度。但角度复用存储的全息图 数目越多，平均衍射效率就越低，并且由于串扰干扰的叠加将导致读出数据的信 噪比下降，这些因素也影响和限制了角度复用技术可以实现的存储容量。 位相复用：为了克服角度复用技术串扰噪声较大的缺点，人们又提出了正交 位相编码复用技术。在这种复用技术中，参考光的波长和光束角度都是固定的， 而位相编码一般使用确定性位相编码中的正交位相编码。正交位相编码的概念是 每个全息图的参考光都是由一组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 即兀。每组这样的光束集合代表一个存储图像 的地址，且和其它所有地址都正交。读出信息时，只有该地址参考光束对应的全 息图的衍射效率最大，而对于其它全息图则是相消干涉，理论上其衍射效率均为 零。因此，位相复用技术可以提高读出过程中全息图的衍射效率，增加读出数据 的信噪比，并且可以使对存储数据的寻址通过改变光束的位相而不是改变光束的 方向来实现，从而使寻址过程更快。 波长复用：由于全息图的再现对读出光的波长也十分敏感，所以波长复用也 是全息光存储的主要复用方式之一。波长复用也是基于全息光存储所具有的布拉 格角选择性，只是此时每幅存储的全息图是与一个特定的光源波长相对应，记录 和读出过程中参考光和物光之间的夹角保持不变。 混合复用技术就是将上述几种复用方法结合使用，以便充分利用各种复用方 法的优点，提高系统的存储容量。主要的几种混合复用技术包括：波长一角度复 用以及波长位相复用等等。此外，随着技术的发展，人们又提出了一些新型的 复用技术。例如，1 9 9 9 年v m a r k o v 等人提出的静态散斑复用技术【1 9 1 ；2 0 0 1 年， 清华大学提出了利用全息光存储系统中随机相位随自身位移产生的动态散斑实现 9 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 的动态散斑复用技术等。相信随着科技的不断进步，会有更多优秀的复用技术 得到开发和应用，从而可以更加充分地发掘全息光存储的存储潜力，实现大容量、 高密度的数字存储。 1 4 光全息存储系统单元器件 全息光存储系统的主要单元器件包括光源、空间光调制器、探测器阵列，以 及变换透镜和相应的光学元件等。系统的性能与这些组成部分的性能密切相关。 圈1 5 所示只是全息光存储系统的部分组件，另外还有复杂的光学系统，访闯其它 存储体的机械部件，控制系统的电子设备和实现编解码处理的存储通道等。 m s b s 图1 5 高密度数字全息存储系统 其中s ：快门，b s ：分束仪，b e ：扩束仪，m ：反射镜，s l i d ：空间光调制器， f t l ：傅立叶变换透镜，h ：全息光盘，c c l 3 电荷耦合器件摄像机： 光源 用于全息光存储系统的光源必须具有高度的空间和时间相干性，以便在要求 的空间形成干涉图样，并在曝光时间内保持干涉图样的稳定，因此一般都采用激 光作为光源。全息存储系统要求激光器具有很好的频率稳定性，振幅稳定性，相 干长度和可靠性。目前激光技术已比较成熟，保证激光光源的质量已不存在大的 问题，主要问题是激光器的体积较大，价格较高，虽然开始有所下降，但由于缺 乏大量的应用，短期内降低的幅度不可能太大。解决的办法是开发集成芯片式激 光光源，它使用的材料较少，也便于大规模生产。对全息存储系统而言，由于全 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 息存储的数据密度反比于波长的二次或三次幂，所以应尽可能选取较短的波长， 但波长的选择还必须考虑所用存储材料和探测器的敏感波长范围。对不含波长复 用的存储方案，可用t e m 0 0 单横模激光；对包含波长复用的存储方案，需要用可 调谐激光器。 组页器 组页器是光学全息存储器的二维信号输入器件，输入信号可以是光信号或电 信号，经过组页器转换成二维相干光学图像，他可以代表灰级模拟图像，也可以 代表数字数据。广义上，组页器就是光学信息处理中的关键器件空间光调制 器( s l m ) ，它可以把光信号或者电信号调制成二维分布的光学图像信息。作为输入 器件，可以把s l m 看作一种可以控制的透明片。对空间光调制器还要求其具有高 对比度和快速转换能力。一般对比度越高越好，最好在4 0 0 ：1 以上。而帧转换速 度则要求能够达到1 0 0 0 帧s ，这样才能够达到1 0 0 m b s 的数据传输率。 探测器阵列 它是全息光存储系统的一个重要组成部件，用于接收读出的图像并生成相应 电信号进入、纠错和解调电路。目前，所有全息光存储系统中采用的都是c c d 光 电转换元件。c c d 有线阵和面阵两种结构，在全息光存储系统中一般使用面阵结 构的c c d 器件，其主要的性能指标有：电荷转移效率、工作频率、噪声、暗电流、 光灵敏度、量子效率、分辨率和动态范围。此外，还需要考虑c c d 器件和s l m 之间的像素匹配程度，即如果s l m 具有1 0 2 4 1 0 2 4 个像素，像素尺寸是1 2 8 1 a n ， 那么理想情况下希望c c d 器件也具有1 0 2 4 1 0 2 4 个像素，且像素尺寸为1 2 1 m i 。 控制电路 图1 5 中没有表示出驱动光学部件的复杂电路，以及编解码、纠错等电通道处 理环节，但这些部分在整个全息光存储系统中起着不可替代的重要作用。在信源 方面，需存储的数字信息须经过调制编码才能形成二维的数据页。而在系统的另 一端，c c d 器件探测到的图像信号只是伪数字信号，必须取阈值变为二值数据， 再经过解调和纠错方能为人们所用。此外，在记录和读出时还要求计算、控制激 坷南大学光学专业2 0 0 4 缎硕士学位论文 光的功率、复用情况。曝光时间、对图像的处理以及纠正图像失真等。这些都需 要由控制电路加以快速、准确地控制，从而实现对数字信息的存储和准确读出。 寻址器件 寻址器是全息存储系统中在信息的读、写和擦除等过程中快速准确定位对应 全息图( 数据页面) 的器件。这个定位过程必须既快又准确，才能提高全息存储 器的数据的传输速率和读出数据的保真度。目前最常采用的是角度复用技术，因 此这里的寻址器主要是指光束扫描器件或偏转器件。这些器件主要分为机械运动 寻址器件和无机械运动寻址器件。 要确保可靠地存储数据和准确地读出数据，必须要有高质量的成像系统引导 复杂的波前贯穿存储材料，以备读出时恢复并成像到c c d 上。c c d 上的数据页图 像质量必须近乎理想，成像系统的任何光学像差、色差或c c d 的散焦都将使一个 像素上的能量扩散到邻近的像素上。光学失真或放大倍率错误也将便像素成像偏 离预定的接收元件，从而导致读出的数据发生错误【1 3 1 4 1 。 1 5 光全息存储材料 1 5 1 高密度数字全息存储对材料的要求 当使用全息存储系统存储信息时，人们最关心的是它的存储容量、信息的写 入与读出速率、存储信息的稳定性、信噪比、误码率以及寿命、价格等。所有这 些，都在很大程度上受到存储材料的限制。因此研制开发合适的存储材料是全息光 存储中最为关键的闯题之一。 具体而言，理想的全息记录材料主要应具有以下特点和优点： ( 1 ) 高分辨率：高密度全息存储要在材料中存放的是经缩微的复杂的干涉花样， 而其读写都完全是靠光学的方法而非电磁学的方法，因此要求材料的分辨率足够 高，现代的高密度全息存储分辨率要求在1 0 0 0 条m m 以上。 ( 2 ) 高曝光灵敏度：光信息存储都是利用材料对光的敏感性来实现的，全息存储 也是这样，不管是光致二向色性、光折变效应、或光致各向异性，要实现较小的光强 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 记录的数据足够可靠，则要求存储材料对激光波长敏感性要高，因为只有如此，才能 有效地利用激光光源，提高各种效应的调制强度，增加存储的动态范围，进而提高衍 射效率及存储密度。 ( 3 ) 较长的信息保存时间：作为信息的存储，要求保存时间足够长，而对高密度 全息存储这样的海量存储器，更是如此，因此要求存储材料对环境的适应性要强， 不会因环境的物理条件如温度、光照、电磁场等的变化使全息光栅被破坏或擦除。 ( 4 ) 衍射效率、动态范围和信噪比要高：衍射效率、动态范围以及信噪比直接 决定了材料的复用度，因而也直接确定了材料所能达到的最高存储密度和容量。 ( 5 ) 材料有较为合适的感光光谱范围：由于材料只有在感光范围内对光子有较 大的吸收，才能更有效的引发光化学反应因此材料要求有合适的光谱范围。 ( 6 ) 可以干法在线处理：传统的记录材料往往需要离线湿法后化学处理，处理 程序比较麻烦。全息记录材料可以干法在线处理，极大的提高了信息的记录和读 取速度，这对现代信息存储技术是必须的。 1 5 2 光全息存储材料的种类 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、光致聚合物、光致变色材料和光折变材料等。下面我 们将就这些材料分别作简单的介绍。 1 银盐材料 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，有较宽的光谱灵敏范围，并且重复性好、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 2 光致抗蚀剂 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 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 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。 3 光导热塑材料 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。 4 重铬酸盐明胶( d c g ) 重铬酸盐明胶( d c g ) 是在明胶中浸入c r 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1 0 3 p m ，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。d c g 可分为未硬化和硬化 两种。未硬化的d c g 记录的全息图的衍射效率只有3 0 ，没有充分体现d c g 材 料的优点。采用硬化d c g 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9 0 ，且背景散射小于信号的1 旷。d c g 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，该材料仍 然被广泛应用于全息存储、各种全息元件的制作等方面。 1 4 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 5 光致聚合物 光致聚合物是近十年来在全息存储材料领域的一个研究的熟点。光致聚合物 主要由单体、粘结剂和光敏剂组成。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，记录的全息图具有很高的几何保真度，并易于长期保存。 光致聚合物的主要缺点在于其体积容易受到影响而发生改变，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 6 光致变色材料 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，这种条件下光致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 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 限制了该材料在全息光存储领域的应用。 7 光折变材料 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。它具有动态范围 大、存储寿命长、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。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( l i n 0 3 ：f e ) 、铌酸锯钡 ( s b n ) 、和钛酸钡( b a t i 0 3 ) ；而常见的有机光折变聚合物则有p m m a d t n b ： c o 和p q p m m a 等。 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 1 5 3 光致聚合物的研究现状 光致聚合物材料因其具有噪声小，不需要后湿化学处理工艺及对环境有很强 的抵抗性等使其成为近年研究的重点。光聚物已经被用来做多功能全息存储介质， 如数据存储、全息光学器件和波导等，尽管其它的全息存储材料，例如无机光折 变晶体也被用来制备这些器件，但由于光聚物的高衍射效率、高敏感、低费用、 和多功能等，使其具有更广泛的商业实用性。光致聚合物材料被认为是最有可能 被最先用来作全息存储的介质，目前在数字化全息存储方面最先进的实验研究机 构几乎都是采用这种记录材料。 在光致聚合物的反应机理方面，人们大都认为光致聚合物中衍射光栅形成是 单体聚合与单体扩散之间复杂的相互作用造成的，单体的扩散率取决于材料的成 分和聚合程度。对于光栅形成的动力学过程，人们提出了多种模型。以下是被多 数学者接受的两种模型：z h a o 和m o u r o u l i s 2 1 】提出的一维扩散模型，该模型假定折 射率与聚合物浓度成线性关系，认为全息图是由于光照射时单体扩散和聚合的相 互作用而形成的。p i a z o l l a 和j e n k i n s l 2 2 1 提出的一次谐波扩散模型，该模型对光栅 形成时的动力学过程作了一种相对比较简单的数学处理，根据聚合和扩散机理， 对全息图内的折射率调制度能够作定性描述。在这个模型中，认为折射率调制度 变化速率与自由单体扩散速率成比例。该模型可以定性预测光栅的一些性质，如 饱和衍射效率随曝光强度的变化和随光束密度调制度的变化( 条纹可见度) ；在暗 区扩散短暂时间内，记录光栅调制度的变化等等。之后，l a u b r e c h p 】，j h k w o n ， j t s h e r i _ d a l l 2 5 等科学家在原来几种模型的基础上对光致聚合物的反应机理进行了 进一步的补充和完善( 2 町。总之，通过各国研究者的不懈努力，如今已对光致聚 合物的反应机理有了一定的了解。 在材料的主要成分方面，大致可以分为四种：丙烯酸酯基光致聚合物、丙烯 酰胺基光致聚合物、烯基光致聚合物和环氧基光致聚合物。丙烯酸酯基光致聚合 物一般是在链的末端带有丙烯酸酯基团的单体，常用的有丙烯酸，甲基丙烯酸甲 酯，季戊四醇三丙烯酸酯，二季戊四醇五丙烯酸酯等 2 9 删。丙烯酰胺基光致聚合 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士学位论文 物指单体中含有丙烯酰胺基团，最常用的单体为丙烯酰胺1 3 3 1 。另外，向丙烯酰胺 单体中加入多功能单体如亚甲基双丙烯酰胺，二羟基乙基双丙烯酰胺，二季戊四 醇五丙烯酸酯等可大大改善聚合物的感光灵敏度口 习。在这种光聚物中，一般记 录的都是透过全息图。烯基光致聚合物体系是由丙烯酸酯和烯基单体的自由基聚 合化反应形成 3 6 - 3 s 1 ，该体系是为了控制光聚物的固化速率，以及全息记录特性而 提出的。环氧基光致聚合物是指单体中均含有环氧基团，如环氧丙基、环六氧等， 在这类光致聚合物中发生的都是阳离子的