（测试计量技术及仪器专业论文）应用共焦显微镜原理实现多层光盘信息读取技术研究.pdf

摘要 摘要 三维光存储能将光存储密度提高几个数量级。实现三维光存储技术的主要 困难之一就是在读取信息时，如何有效地消除相邻数据层之间的相互串扰。本 文提出了一种基于共焦显微镜光学分层技术的三维光盘读取技术。共焦显微镜 能对一定厚度的透明材料进行光学层析扫描，其结构上采用针孔( p i n h o l e ) 装 置，形成物象共轭的独特设计，激光经物镜焦平面上针孔形成点光源对样品扫 描，于测量透镜焦平面的探测针孔处经空间滤波后，有效地抑制同焦平面上非 测量光点附近的杂散荧光和样品非聚焦面上射来的干扰荧光，这是因为光学系 统物象共轭，只有物镜焦平面上的点经针孔空间滤波才能进入探测器被接收。 因此，利用共焦技术，当激光聚焦在选定的信息层上时，来至于其他相隔一定 距离的信息层数据将不会通过共焦小孔而进入探测器被读取，这大大的抑制了 层间窜扰，使我们可以分别对各个信息层进行独立数据读取。 论文主要完成了以下工作： ( 1 ) 引入共焦显微镜原理，系统地设计了共焦多层光盘信号读取的光路系统， 并利用共焦光学传递函数，对共焦多层光盘系统进行数学计算和理论分析。 ( 2 ) 应用矢量衍射理论，建立了光盘信号读取的数学模型，并进行分析。随着 光盘数据容量的不断增大，信息记录尺寸不断的减少，已经将近激光波长量级， 这时采用传统标量衍射理论对光盘模型进行数学分析将带来极大的误差。 ( 3 ) 根据矢量衍射理论数学模型，编制了m a t l a b 光盘矢量衍射程序，并用之 于光盘读出信号的分析。 ( 4 ) 设计并实现了共焦多层光盘数据读取系统，得出实验结果。 本文应用共焦显微镜原理探讨的多层光盘信息抗干扰读取技术及理论，可 有效消除三维光盘信息读取时的干扰问题，是多层光学存储技术开发中的一个 关键技术，具有重要意义。 关键词：光存储；多层存储；共焦显微镜；矢量衍射；严格耦合波分析 a b s t r a e t a b s t r a c t o n er e a s o nt h a tc o m p u t e r sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ti nd a i l yl i f ei s b e c a u s et l l e yo f f e ru n p r e c e d e n t e da c c e s st om a s s i v ea m o u n t so fi n f o r m a t i o n t h e d e c r e a s i n gc o s to fs t o r i n gd a t aa n d t h ei n c r e a s i n gs t o r a g ec a p a c i t i e so fe v e rs m a l l e r d e v i c e sh a v eb e e nk e ye n a b l e r so ft h i sr e v o l u t i o n c u r r e n ts t o r a g en e e d sa r eb e i n g m e tb e c a u s ei m p r o v e m e n t si nc o n v e n t i o n a lt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sm a g n e t i ch a r dd i s k d r i v e s ，o p t i c a ld i s k s ，a n ds e m i c o n d u c t o rm e m o r i e s ，h a v eb e e na b l et ok e e pp a c ew i t h t h ed e m a n df o rg r e a t e ra n df a s t e rs t o r a g e h o w e v e r , t h e r ei ss t r o n ge v i d e n c et h a tt h e s es u r f a c e - s t o r a g et e c h n o l o g i e sa r e a p p r o a c h i n gf u n d a m e n t a ll i m i t st h a tm a yb ed i f f i c u l tt oo v e r c o m e ，a se v e r - s m a l l e r b i t sb e c o m el e s st h e r m a l l ys t a b l ea n dh a r d e rt oa c c e s s e x a c t l yw h e nt h i sl i m i tw i l l b er e a c h e dr e m a i n sa no p e nq u e s t i o n ：s o m ee x p e a sp r e d i c tt h e s eb a r r i e r sw i l lb e e n c o u n t e r e di naf e wy e a r s ，w h i l eo t h e r sb e l i e v et h a tc o n v e n t i o n a lt e c h n o l o g i e sc a t l c o n t i n u et oi m p r o v ef o ra tl e a s tf i v em o r ey e a r s i ne i t h e rc a s e ，o n eo rm o r e s u c c e s s o r st oc u r r e n td a t as t o r a g et e c h n o l o g i e sw i l lb en e e d e di nt h en e a rf u t u r e a n i n t r i g u i n ga p p r o a c h f o rn e x tg e n e r a t i o nd a t a - s t o r a g ei st ou s el i g h tt os t o r e i n f o r m a t i o nt h r o u g h o u t t h et h r e e d i m e n s i o n a lv o l u m eo fam a t e r i a l b yd i s t r i b u t i n g d a t aw i t h i nt h ev o l u m eo ft h er e c o r d i n gm e d i u m ，i ts h o u l db ep o s s i b l et oa c h i e v ef a r g r e a t e r s t o r a g ed e n s i t i e st h a nc u r r e n tt e c h n o l o g i e sc a no f f e r f o ri n s t a n c e ，t h es u r f a c es t o r a g ed e n s i t ya c c e s s i b l ew i t hf o c u s e db e a m so fl i g h t ( w i t h o u tn e a r - f i e l dt e c h n i q u e s ) i sr o u g h l y 1 兄2 w i t hg r e e nl i g h to fr o u g h l y0 5 m i c r o nw a v e l e n g t h ，t h i ss h o u l dl e a dt o4b i t s s q m i c r o no rm o r et h a n4g i g a b y t e s ( g b ) o ne a c hs i d eo fa12 0 m md i a m e t e r , lm mt h i c kd i s k b u tb ys t o r i n gd a t a t h r o u g h o u tt h ev o l u m ea tad e n s i t yo f l 力3 ，t h ec a p a c i t yo f t h es a m ed i s kc o u l db e i n c r e a s e d2 0 0 0 - f o l d ，t o8t e r a b y t e s ( t b ) i ti si n t e r e s t i n gt on o t et h a tt h ed v dd i s k s t a n d a r de x c e e d st h i sr o u g he s t i m a t eo ft h ea r e a ld e n s i t yl i m i td e s p i t eu s i n gl i g h to f s l i g h t l yl o n g e rw a v e l e n g t h h o w e v e r , n ol a b o r a t o r yd e m o n s t r a t i o no fv o l u m e t r i c s t o r a g et od a t eh a sg o r e nc l o s e rt h a na p p r o x i m a t e l y1 o ft h e1 从v o l u m e t r i c d e n s i t yl i m i t t h ev a s tu n r e a l i z e dp o t e n t i a lo fv o l u m e t r i cs t o r a g e ，c o u p l e dw i t ht h e a b s t r a c t h a r dl i m i t a t i o n se n c r o a c h i n gu p o ns u r f a c eo p t i c a l ( a n dm a g n e t i c ) s t o r a g e ，h a sf u e l l e d al a r g en u m b e ro fr e s e a r c he f f o r t s i nt h i sp a p e r am u l t i l a y e ro p t i c a ld a t as t o r a g em e t h o di nw h i c hc o n f o c a l m i c r o s c o p yi su s e df o ri t so p t i c a ls e c t i o n i n gi sp r o p o s e d ac o n f o c a lm i c r o s c o p yh a s t h ea b i l i t yt oc o l l e c to p t i c a ls e c t i o n sf r o mt h i c ks p e c i m e n s ，t h ek e yt ot h ec o n f o c a l a p p r o a c hi st h eu s eo fs p a t i a lf i l t e r i n g ( p i n h o l e ) t oe l i m i n a t eo u t o f - f o c u sl i g h to rf l a r e i ns p e c i m e n st h a ta r et h i c k e rt h a nt h ep l a n eo ff o c u s f o rt h i sr e a s o nt h ec o n f o c a l m u l t i l a y e rt e c h n o l o g yi sp r o m i s i n ga san e wm u l t i l a y e ro p t i cs t o r a g em e t h o d ，i n w h i c hw h e nal a y e rh a sb e e nc h o s e nb yb e i n gf o c u s e dw i t ht h el a s e rb e a m ，t h el i g h t f r o mo t h e rl a y e r si nac e r t a i nd i s t a n c e - - a l w a y st e n so fm i c r o n s - w i l ln o tb ep r o p a g a t e d t h r o u g ht h ep i n h o l ea n dd e t e c t e db yas e n s i t i v es e n s o r t h i sm e a n st h ei n f o r m a t i o n r e c o r d e di nd i f f e r e n tl a y e r sc a nb er e a ds e p a r a t e l y , t h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nl a y e r si s g r e a t l ys u p p r e s s e d t h ep r o p e r t i e s o fm u l t i l a y e rm e m o r yb a s e do nc o n f o c a l m i c r o s c o p ya r ei n v e s t i g a t e d o nt h eb a s i so fv e c t o rt h e o r y t h ea l g o r i t h m sf o r c a l c u l a t i o no ff i e l di n t e n s i t yi naf o c u s e dl a s e rs p o ta n df o c u s e db e a mp r o p a g a t i o n t h r o u g hm u l t i l a y e rs t r u c t u r eh a v e b e e ne l a b o r a t e d t h ed e v e l o p e da l g o r i t h m sa r e a p p l i e df o ri n v e s t i g a t i o no fp r o p e r t i e sf o rm u l t i l a y e rr e c o r d i n gb a s e do nc o n f o c a l m i c r o s c o p y t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fo p t i c a lp r o p e r t i e so fam u l t i l a y e ro p t i c a l d a t as t o r a g es y s t e m 、析t ht h r e el a y e r sh a sb e e ns h o w ni nt h ep a p e r w eu s e dp i t sa n d b u m p st or e c o r di n f o r m a t i o n t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ta n dt h ec o n c l u s i o na r e o b t a i n e df i n a l l y m u l t i l a y e ro p t i c a ld i s kr e a d o u tt e c h n o l o g ya n di t st h e o r ya n a l y s i sb a s i n go n c o n f o c a lm i c r o s c o p yi nt h i sp a p e r , c a ne f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h e i n t e r f e r e n c e p r o b l e m sb e t w e e nd i f f e r e n tl a y e r si nt h r e e d i m e n s i o no p t i c a ls t o r a g e i ti sak e y t e c h n o l o g yi nt h ed e v e l o p m e n to fm u l t i - l a y e ro p t i c a ls t o r a g et e c h n o l o g y , a n dw i l lb e o fg r e a ts i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：o p t i cs t o r a g e ；m u l t i l a y e r ；c o n f o c a lm i c r o s c o p y ；v e c t o rd i f f r a c t i o nt h e o r y ；r i g o r o u s c o u p l e dw a v ea n a l y s i s ( r c w a ) 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人 在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标 明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ： 谚舻 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保 留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论 文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位 论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 保密的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 不保密( ( 请在以上相应括号内打“”) 名二压嗍水6 月日 导师签名： 期：) 必g 年 f 月f 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景、意义、目的 随着信息社会的到来，信息存储在国民经济建设及现代军事科学技术中的重 要性日益突出，信息的存储是社会信息化中不可缺少的环节。由于信息量以指数 函数递增，因此信息的存储必须与之相适应，高密度、大容量信息存储技术己成 为社会信息化中需要长期研究解决的重要课题。所以必须不断研究开发高密度、 高速信息存储技术和系统。高密度大容量光存储是当前的主流研究发展方向，它 建立在包括衍射光学、近场光学、微光学、光电子学、精密工程、材料科学、光 化学、并行工程、信息编码与处理算法等多学科综合发展的基础之上，属于新兴 的边缘科学。 所谓光存储技术，是通过光学方式在一个被称为光盘的圆盘上进行信息读写 的技术。光盘上布满了记录信息的信息坑，又叫信息符。信息符的尺寸对光盘容 量起决定性的作用。在光存储技术中，对于只读光盘，采用在盘片上压制凹坑的 办法，利用凹坑边缘记录0 ，平坦部分记录1 ；对于可擦写光盘，通过激光加热 改变盘片的反射率来产生凹坑。用0 和1 这两种状态来进行存储的方法称为二阶 存储，每个信息符可以保存l b i t 的数据。2 0 世纪8 0 年代的光存储产品进入市场 时，它比当时通常使用的紧密磁盘具有高出一个数量级的存储密度。由于它采用 非接触式读写操作，具有易于更换盘片，保存寿命长，每位信息的成本低廉等优 点而被认为是下一代数字存储的主流产品。但在9 0 年代中期，由于磁盘技术得 到了突破性的发展而使其记录密度达到甚至超过了光存储的记录密度，另外由于 光学头的质量比磁头大得多，使得光存储的读写速度也受到了很大的制约。光存 储技术面临着严峻的竞争。 近年来，光存储不仅在技术上取得了重大突破，在商业性规模生产方面也获 得了巨大成功，逐渐形成了一个引入注目的高科技产业。以光盘为代表的光学数 字式数据存储技术已成为当代信息社会中不可缺少的信息载体，并且因其渗透性 极强和自成体系而备受社会关注。c d ( c o m p a c td i s k ) 光盘系列和正在发展的 d v d ( d i g i t a lv e r s a t i l ed i s k ) 已成为多媒体技术的主要介质，也已形成了上百亿 应用共焦显微镜原理实现多层信息光盘读出技术的研究 元美元的产业。 数字光盘存储技术正向更高存储密度和更高存取方向发展。提高光盘密度和 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，第一代c d 光 盘使用的半导体激光器的波长为8 3 0 n m ，物镜数值孔径为o 3 8 ，其后采用的激光 波长为7 8 0 n m ，物镜数值孔径为o 4 5 ，轨道间距为1 6l am ，最短信息坑长度约 0 81 1m ，容量为6 5 0 m b ，广泛地用于v c d ，c d r o m ，c d r 及c d r w 等产品 系列。而d v d 光盘，激光波长减小到6 5 0 n m ，物镜数值孔径增加到0 6 ，轨道 间距为0 7 41 1m ，最短信息坑长度约0 4l a1 1 3 ，物理密度比c d 光盘提高了4 倍以 上，实现单面单层4 7 g b ，最大盘容量可达到l8 g b 。下一代主流光盘将进一步 沿着这一方向发展，其目标是采用波长更短的蓝光甚至绿光激光器，继续增大物 镜的数值孔径，将波长缩短至4 0 0 n m 左右，而数值孔径加大至0 8 - 0 9 ，最终实 现1 2 0 m m 盘的单面单层容量在2 5 g b 以上。目前蓝光半导体激光有了新的突破， 适用于光盘存储读写用激光器已经开始实用并商业化。我国对光盘技术及产品的 研究、开发、生产及推广应用均己取得了显著成效。 过去2 0 多年来，固体存储器的存储容量提高了4 个数量级，磁记录的面存 储密度一直以6 0 一1 0 0 的年增长率增加，已从1 0 0 m b 每平方英寸以下提高 到1 0 0 g b 每平方英寸以上。光存储的特点是性能起点高，所以虽然发展历史较 短，但在移动存储等领域占据着重要地位。但是，与磁存储、固体存储技术相比， 光存储性能提高的幅度较小。在大体相同的时段，光盘的存储容量仅从1 2 英寸 盘的1 g b 左右提高到5 g b 左右( d v d ) ，即使是最近进入市场的蓝光光盘，其 存储容量也仅仅为2 5 g b 左右。为了保持和提高光存储在信息存储领域的优势和 竞争能力，迫切需要在光盘的存储容量方面有一个大的飞跃。若要再进一步提高 光盘的密度和容量，由于衍射存在，不能完全依赖缩短所用激光器的波长和增大 物镜数值孔径这一技术思路，必须引进新的技术，例如利用空间三维或光的频率 维进行信息存储，采用多阶存储代替目前的二阶存储，采用近场超分辨率技术取 代传统的远场技术等。 下一代数据存储技术中有一种方法引起很多人的兴趣，那就是光学三维体存 储技术。比起当前只利用材料表面的传统存储技术，利用材料的整个体积储存数 据，可存储的容量是无可比拟的。如果没有用近场技术的话，表面数据存储可达 2 第一章绪论 到的存储密度取决于聚焦光斑的大小，大约是1 允21 1 1 。如采用o 5 微米左右波长 的绿光，可以在每平方微米上存储4 个位单元数据，这样l m m 厚，直径1 2 0 m m 的光盘每面可以存储4 g b 以上的数据。但是，使用三维体存储技术，存储密度 可以达到l 力31 1 1 ，同样的一张光盘存储容量可以增加2 0 0 0 倍，到8 t b 。然而， 目前为止的所有体存储研究实验都远远未达到这个极限，因此吸引了大量国内外 研究机构和学者在此领域的研究。 1 2 国内外研究状况及进展 比起表面光存储难以突破的极限，在光存储介质中增加记录层，实现多层存 储，从二维存储向三维存储发展，是提高光盘存储容量的有效手段。体存储技术 的广大的发展潜力，吸引了国内外的大量研究力量，近年来，已经提出了很多全 新的多层化技术，为多层光盘的开发奠定了良好的基础。 1 2 1 双光子吸收三维光存储 1 9 8 9 年，美国国家科学院院士r e n t z e p i s 教授提出了用双光子吸收的方法实 现三维光存储，这种方法是在现有二维光盘的基础上将数据扩展到三维空刚2 1 。 这种方法保持了现有光盘系统的特点，易于操作。与单光子纪录相比，双光子存 储纪录点小，可提高面存储密度。并利用双光子过程实现多层光存储。根据两个 光子同时作用能使光致变色材料激发至另一稳态，使两个光束从两个方向聚焦至 材料的空间同一点，实现空间循址写入。读出则根据不同情况，可利用材料折射 率、吸收度、荧光或电性质的改变来实现。 1 2 1 1 光致变色双光子吸收存储 如图1 1 ，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 1 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 能够实现荧光型和位相型光存储。读出时，对荧光型数据，读出光( 波长2 ) 通过 应用共焦显微镜原理实现多层信息光盘读出技术的研究 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。 s s s a 非写入型 o z l j l 村：呻i 1 0 6 抽岫 l j $ 3 1 m t 铀知i b 写入型 j 皿三 激光碍人 荧光汝出 n 0 ： 图i - i 一种光致变色材料的双光子吸收原理 对于荧光型存储，美国c o n s t e l l a t i o n 3 d ( c 3 d ) 公司开发了一种荧光多层光 盘f m d ( f l u o r e s c e mm u l t i l a y e rd i s k ) 技术【3 1 。该技术可使大小的盘片存储i o o g b 的数据，而且其第二代技术将使盘片存储容量升至1 t b 。读出时，由于激发荧光 的波长与入射激光稍有不同，向红外方向移动了约5 0 n m ，通过滤波器将反射的 激光滤除，只有荧光信号到达检测器，从而减小了杂散光的影响。另外，由于任 何一层发射的荧光都是非相干的，这种非相干光不会受其它记录层中数据坑点和 记号的影响，通过相邻数据层时不会发生变化，而且由于荧光材料是透明的，基 片材料对荧光的吸收率也很低，所以可以大幅度增加记录层。荧光多层技术克服 了反射式光盘存在的层间干扰、光散射和读出信号恶化等问题，改善信噪比，实 现多层记录。研究表明，采用荧光多层技术，可以实现高达1 0 0 层的记录。 对于位相型存储，a t o r i u m i 等人用光致变色聚合物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 环境下存放3 个月后还是稳定的【4 1 。 应当指出的是，对荧光单元数据存储，多次读取荧光信息后，光致漂白效应 使得检测的荧光信号逐渐降低而可能无法继续读取信息，位相单元数据存储不存 4 第一章绪论 在这一问题。另外，双光子吸收光存储记录( 擦除) 数据的速度与材料的光敏特性、 作用光强( 光强增加1 0 倍，记录速度提高1 0 0 倍) 以及脉冲激光的重复频率有关， 最终受脉冲激光的重复频率限制。目前擦除数据多用非相干紫外光源，响应时间 在秒量级，难以达到实时要求。 1 2 1 2 光致聚合双光子吸收存储 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。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，成功地获得了 1 0 1 2 b i t s c m 3 的存储密度。他们用1 0 0l an l 的c i b a t o o l 聚合物膜作为存储介质， 用6 2 0 n m 的脉冲激光( 脉冲宽度为1 0 0 f s ) 来记录据，4 8 8 n m 的激光作为读出光。 【5 】 1 2 1 3 光致漂白双光子吸收存储 掺杂荧光染料的聚合物，在双光子吸收的激发下辐射荧光。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 。f 6 】 1 2 1 4 光折变效应双光子吸收存储 晶体因双光子作用引起折射率的变化，可以记录了一个位相数据。y k a w a t a 等人用钛蓝宝石激光输出的7 6 2 n m 脉冲激光( 脉冲宽度为1 3 0 f s ) ，在无掺杂铌酸 锂晶体中实现了双光子激发的三维数据存储。每个存储点的大小为1 1 2pm 11 8 l am 1 4 1 2um ，存储密度达3 3 g b i t s c m 3 。1 7 1 光折变晶体作为三维光存储介质，其优势在于记录信息前后无须对晶体进行 预处理和后处理。由于光折变晶体中折射率的变化是可逆的，还能够实现可擦除 用茈焦微镜原# 实玑多层信息光盘谊m 技术研究 光存储。通过加热的方法即可擦除存储的信息。但目前还没有实现单个数据的可 重复记录月光折变材料昂贵而凡制备困难。 22 光学体全息存储 上世纪4 0 年代末，英国科学家d e m x i sg a b o r 为提高电子显微镜的分辨率而 提出了全息术，并将其用于x 光图像的放大处理。6 0 年代忉，随着激光器的 现，v a r i h e e r d e n 提出了全息数据存储的概念。7 0 年代中，人们就已经设计出许 多具有相当潜力的全息存储系统。但鉴于当时的技术基础，全息光存储的实用化 一真都比较迟缓。到9 0 年代，随着计算机产业的迅速发展，特别是互联网技术 的兴起，带米了具有决定意义的信息技术革命，同时，也由于光电器件和全息存 储材料领域的研究，取得了突破，才使得人们在全息光存储领域获得r 巨大的进 展，从而也使全息光存储再次成为高密度光存储领域的研究热点。 全息信息存储是随着激光全息的发腱而出现的种大容量、高密度的存储方 式。大容量全息存储是利用博甲叶变换令官图，制作直径约l m m 的点全息陶排成 阵列，或者像唱h 那样排在旋转的圆盘上。全息信包存储具有可靠性高、l 0 录再 现快的优点。因为全息是把每个物点的t i 息记录在整个仝息罔l ，所以全息图r 有划痕，基本不引起信息的变化。 如幽1 2 、1 _ 3 ，一般的光学体全息数据存储机理可简单描绘为：待存储的数 据( 数字或模拟) 经s l m 被调制到信号光l ，形成一个二维信息负，然后与参考光卉= 记录介质中发生干涉，利用材料的光折变效麻形成体全息图，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，可以读出相应的存储在晶体中的全息 图，然后使用光信号探测器件如c c d 将读出的图像输八到训算机巾。 紫 ，矿 习 图1 - 2 体全息数据记录过程图1 - 3 体全息数据读取过程 廖 第一章绪论 在全息光存储中，数据信息以全息图的形式被记录在存储材料中。全息图是 在记录介质里记录两个相交的相干光束形成的干涉图，一束光称为物光束经过空 间调制而携带信息，另一束光称为参考光束以特定方向直接到达记录介质。在两 相干光束相交的空间中形成明暗交替的干涉条纹不同的数据图像与不同的参考 波面一一对应。在写入光束移去后，材料对干涉条纹照明的响应而产生的折射率 分布仍能持续一段时间，因而在材料中形成了类似光栅的结构。读出过程则利用 光栅结构的衍射，用适当选择的参考光照明全息图，使衍射光束经受空间调制，从 而能较精确地复现出写入过程中与此参考光相干涉的数据光束的波面。它不仅保 存了物光的振幅信息，还保存了其完整的空间相位信息。 全息图实质是记录在整个记录体内形成体积三维全息图。体积全息图再现时 对光束的入射角度、波面位相或波长都十分敏感，因而有可能用不同角度或位相 的参考光束，或用不同波长的记录光，在介质的同一体积记录多重全息图即“复 用”，这就大大提高了存储体密度；每一幅全息图都可以在特定的读出条件下分别 读出。图像一幅一幅地进行记录和读取，会大大提高记录和读取速率。 鉴于全息存储巨大的技术潜力，该技术吸引了像i b m 、l u c e n t 这样的大公司 参与。美国政府对全息存储技术也给予高度的重视。自2 0 世纪9 0 年代中期以来， 美国国防部高级研究计划局成立了全息数据存储系统( h o l o g r a p h yd a t as t o r a g e s y s t e m ，h d s s ) 小组和光折变信息材料( p h o t or e f r a c t i v e i n f o r m a t i o ns t o r a g e m a t e r i a l ，p r i s m ) t j x 组，对全息存储材料和系统进行研究。2 0 0 0 年年底，h d s s 小 组展示了一种全息存储器，该存储器能以1 g b s 的速度读出，同时还展示了在 1 0 0 s 以内随机读取选定数据的能力。这一随机读取速度远远高于磁盘驱动器的 随机读取速度。近年i b m 公司a l m a d e n 研究中心研制的采用块状光折变晶体作 为存储介质的体全息存储系统备受关注，从1 9 9 5 年开始先后公布了所研制的 p r i s m 、d e m o n l 3 等体全息存储演示平台。利用角度复用存储技术，在 d e m o n 2 测试甲台中，在f e ：l i n b 0 3 晶体中实现了面密度为3 9 4 p i x e l i t m 2 的 存储密度。在d e m o n 3 系统中，引入了缓冲全息技术、泵浦位相共扼读出以及 非球面切趾技术等一些非常先进的技术，以提高整个系统的综合性能，2 0 0 1 年， 进行了存储密度为2 5 0 g b i t s i n 2 的实验。2 0 0 2 年在n a b 2 0 0 2 会议上，美国i n p h a s e 公司展示了全息记录媒体的播放系统砀p e s t r y ，记录容量达到了1 0 0 g b 。在2 0 0 4 7 应用共焦显微镜原理实现多层信息光盘读出技术的研究 年的o d s 会议上，日本的o p t w a r e 公司成功的将偏振珙县技术用于全息光存储， 展示了量达2 0 0 3 0 0 g b 的1 2 c m 直径全息光盘。 1 2 3 光谱烧孔数据存储 为了增加存储密度，在8 0 年代中期，有人提出把光频率作为附加的存储因素， 光化学反应引起的光谱烧孔( s p e c t r a lh o l eb u r n i n g ，s h b ) 现象是于1 9 7 4 年由 p e r s o n o v 等首先发现的，用光谱烧孔的方法，在同一空间的光斑上可将存储密度 提高到千倍以上。光谱烧孔是指光反应性分子以单分子分散在固体介质中，低温 下，在激光诱导下发生具有位置选择性的光化学反应，引起在非均匀的宽带吸收 光谱带上有选择性地产生一个均匀光谱孔。能发生这种现象的原因应归结为光记 录介质在微观上的不均匀性，即光活性分子处在不均匀的微观环境中，使其吸收 频率存在微弱的差异，从而导致在一个非均匀的吸收带中，可用调谐激光烧出若 干个均匀的窄带，激光照射到非均匀吸收带上，发生光化学反应，即烧出一个孔， 实现信息记录，如图4 所示。这在原来的二维存储中增加一个频率维度，从而提高 其光存储密度。如果上述光化学反应可以长时间保存，则孔也可以长时间保存， 称之为持续光谱烧孔( p s h b ) ，1 9 7 8 年i b m 的科学家提出使用持续光谱烧孔实现 高密度光存储，并论证了其可行性。 f r e q u e n c y 叠 毒 争 客 墨 图l - 4 光谱烧孔原理 为防止读出信息时，读出激光使某频率处原来未写入的分子发生光物化反应 从而干扰己写入的信息，1 9 8 5 年美国i b m 的w e m o e n r e r 提出光子选通光谱烧 孔( p h o t o g a t e ds p e c t r a lh o l eb u r n i n g ，p g h b ) ，即写入信息时需烧孔光和选通光 同时作用才能烧出孔。读出时不加选通光，则不会对控有影响。这可避免多次读 出后信息被破坏。 8 第一章绪论 存储信息的密度由孔的数量决定，而一个光谱线型内烧孔的数目取决于非均 匀线宽和均匀线宽的比值，这个比值可以高达l 06 ，但前提是在小于4 k 的极低 温度下。这种体系还存在的一个问题是确定烧孔是否存在非常困难，最近应用吸 收立体摄影术来降低背景强度可以提高对比度。 1 2 4 利用飞秒脉冲激光在透明介质中实现三维存储 随着激光技术的不断发展，激光脉冲宽度变得越来越短，同时导致激光单脉 冲功率越来越高，将高功率飞秒脉冲紧聚焦到物质体中，通过单光子或多光子电 离激励过程能迅速在局部产生一个高温、高密度的等离子体结构，从而吸收大部 分后续激光能量，在透明介质体内聚焦点附近将物质消融，直接通过汽化改变物 质的局部结构形成一个微小的空腔。相对于长脉冲和连续激光来说，超短激光脉 冲几乎不会产生热作用区域和热损伤，能更精密地改变介质的局部物理化学结 构。这种三维光数据体存储就是利用飞秒脉冲激光对光学介质的非线性作用，从 而引起透明介质体内某空间位置上结构的改变，导致介质折射率发生较大的变 化。用这种办法在介质中记录多层逐位式二进制数据。 飞秒脉冲体存储对材料的选择范围很广，可用有机或无机透明介质( 如玻璃、 熔融石英等) ，这些存储材料的温度、机械、化学、光学、电学等性质非常稳定， 可以在介质中产生十分稳定的记录，不受环境影响，可实现几乎永久性存储、存 储密度可以达到1 0 g b i t c m 3 。由于透明介质的能量损伤阈值较高，能产生出高于 介质的能量损失阀值的飞秒脉冲激光的频率较低，使写入的速度较慢，因此，较 低能量损失阈值的透明介质的选择或高频率高强度飞秒激光器的研制是该方法 达到实用化的关键因素。 1 2 5 其他三维体存储技术 双光子多层技术需要采用体积庞大的高功率激光光源和复杂昂贵的仪器设 备，目前仅限于实验研究，而荧光多层技术的数据记录方法和盘片制作工艺相当 复杂，为此国内致力于光盘研究的学者提出了不少创新性的存储方案。例如南京 师范大学梁忠诚最近提出了一种基于新原理的存储技术一波导多层存储【1 5 】。其工 作原理是利用波导缺陷存储数据，利用波导缺陷的光散效应读出数据，以及利用 9 应用共伟显微镜原理实现多居信息光盘读m 技术的研究 波导刘光的约束作用实现层选址和防1 e 层司串扰 图1 - 5 波导多层存储 波导多层存储是基于波导原理和信息坑的光散射效应，【王】此，对其读出系统 虑有两个关键技术要求：要实现读出光束在光盘侧向的耦合；要能够提高信息坑 的散射光能最。且同内很多人学为此做出了很多例如调焦光路上的研究设引。但 这种技术盘片制作成本商，制造工艺复杂，也不利于实用化。此外，利用单个记 录层不同波长反射特性不同进行存储，亦可视为逻辑多层存储。该存储方式主要 问题在于不同波长之间的串扰。 1 3 国内外目前各种三维存储技术的优缺点比较及发展方向 比较上节所述日前国内外研究机构提出的各种三维存储技术，双光子过程以 其特有的二维处理能力和极高的守间分辨本领已经在光通信、光电集成、生物医 学等广泛领域显示出变革性的应用潜力。目前取光子吸收技术应用于多层光存储 系统的研究已成为光学及其交叉学科中最诱人、最活跃的研究领域之。目前建 步在共焦显微镜基础上，利用双光了吸收激发现象来实现三维高密度存储的方 法，其主要基于以下光致变化：光致变色作爿；| 、光致漂白作用、光致聚合作用、 光致漂白作用、光折变效应等，利用所引起的吸收光谱的不同、折射率的不同、 荧光量子产率的小同等现象实现数字式三维光存储。存光激发下使电子产生跃迁 而达到光存储的目的，具有响应快，容量大的特点，而且易与现有光存储技术兼 容，是海量光存储器件的一个重要发展方向。但光致变色光存储材料处在激发态 的寿命与温度有很大的关系，存储的数据在室温下保存的时间太短，有的只有几 个小时( 甚至几分钟) 。其他双光子吸收光存储材料也有类似的问题，因此，双光 子吸收光存储所选用材料的数据存储的有效寿命是妨碍这技术实用化的关键 第一章绪论 因素。要使双光子吸收三维光存储走向实用化，必须大力发展对存储材料的研究， 特别是具有大双光子吸收截面的有机聚合物材料的合成。 真正有用的全息存储介质必须具备良好的光学和机械性能、对温度的不敏感 性、廉价等特点。全息存储具有高保真度、高存取速率和数据传输速率、快的寻 址时间以及高的存储密度而成为有希望的存储方法。制约全息存储走向实用的关 键仍是存储材料问题，要求材料廉价、有高的数据保存率，没有缺陷，并