第9章 信息存储材料

1、第第9章章 信息存储材料信息存储材料随着信息时代的来临，需要存储和传递的信息量不断增加，信随着信息时代的来临，需要存储和传递的信息量不断增加，信息存储技术也在不断发展，这一切都对信息存储材料提出了更息存储技术也在不断发展，这一切都对信息存储材料提出了更高的要求。高的要求。现在业界推出的很多新技术现在业界推出的很多新技术存储虚拟化、重复数据删除等存储虚拟化、重复数据删除等都是在为用户的存储容量考虑，或者节省或者提高存储空间的都是在为用户的存储容量考虑，或者节省或者提高存储空间的利用效率。利用效率。而纵观存储媒介的发展历史，将近而纵观存储媒介的发展历史，将近300年的时间存储容量已经有年的时间存储

2、容量已经有了数十亿倍的增长，但不断爆炸式增长的数据量还是满足不了了数十亿倍的增长，但不断爆炸式增长的数据量还是满足不了人们的需求，特别是随着图片、视频、流媒体信息的需求不断人们的需求，特别是随着图片、视频、流媒体信息的需求不断旺盛，存储技术发展到现在虽然取得了许多革命性的进步，但旺盛，存储技术发展到现在虽然取得了许多革命性的进步，但如果不继续保持这种势头，发现新的存储媒介，比如纳米，那如果不继续保持这种势头，发现新的存储媒介，比如纳米，那么未来等待我们的依然将是无序的信息泛滥与价值的有限经营。么未来等待我们的依然将是无序的信息泛滥与价值的有限经营。 9.1 光盘存储材料光盘存储材料一、光盘存储

3、原理一、光盘存储原理 光盘存储是利用激光的单色性和相干性，光盘存储是利用激光的单色性和相干性，将要存储的信息、模拟量和数字量等通过将要存储的信息、模拟量和数字量等通过调制激光在记录介质上聚焦，以形成极微调制激光在记录介质上聚焦，以形成极微小的光照微区小的光照微区(直径为光波长的线度，即直径为光波长的线度，即1微米以下微米以下)，使光照部分发生物理和化学变，使光照部分发生物理和化学变化，使光照微区的某种光学性质化，使光照微区的某种光学性质(反射率、反射率、折射率、偏振特性等折射率、偏振特性等)与周围介质有较大反与周围介质有较大反衬度，从而实现衬度，从而实现信息的存储信息的存储。 读取信息读取信息

4、时，用时，用低功率的激光低功率的激光扫描信息轨道，其反射光通扫描信息轨道，其反射光通过光电探测器检测和解调来读取所记录的信息。过光电探测器检测和解调来读取所记录的信息。 存储介质是光存储材料的敏感层，制备时需用保护层将它存储介质是光存储材料的敏感层，制备时需用保护层将它封闭起来，以避免氧化和吸潮。因此光存储材料是由记录封闭起来，以避免氧化和吸潮。因此光存储材料是由记录介质层、保护层以及反射层等构成的具有光学匹配的多层介质层、保护层以及反射层等构成的具有光学匹配的多层结构。多层膜通常是被采用物理或化学方法沉积在衬盘上。结构。多层膜通常是被采用物理或化学方法沉积在衬盘上。 这种在衬盘上沉积光存储材

5、料的盘片称为这种在衬盘上沉积光存储材料的盘片称为光盘光盘。二、光盘工作过程二、光盘工作过程 光盘是用激光写入信息、读出信息的存储器光盘是用激光写入信息、读出信息的存储器件。工作过程分为件。工作过程分为信息写入信息写入和和信息读出信息读出过程，过程，对于可擦出光盘，还有对于可擦出光盘，还有信息擦除信息擦除过程。过程。1. 信息写入信息写入（1）记录信息的形式）记录信息的形式根据信息存储介质的种类，光盘一般采用多种形式来存储信息，其根据信息存储介质的种类，光盘一般采用多种形式来存储信息，其中最常见的一种记录形式是中最常见的一种记录形式是凹坑记录凹坑记录。激光在光盘表面的记录介质上形成小坑的过程可分

6、为激光在光盘表面的记录介质上形成小坑的过程可分为3个阶段。个阶段。1）欲激发阶段）欲激发阶段2）小坑激发阶段）小坑激发阶段记录介质表面受到光照时，吸收记录介质表面受到光照时，吸收激光的能量之后温度上升，在温激光的能量之后温度上升，在温度达到介质薄膜熔点的瞬间，熔度达到介质薄膜熔点的瞬间，熔融前沿开始向基板移动。然而，融前沿开始向基板移动。然而，熔融的周界移动的过快，引起过熔融的周界移动的过快，引起过热。在熔融前沿到达基板的瞬间热。在熔融前沿到达基板的瞬间就形成了小坑。就形成了小坑。小坑并不总是在介质薄膜完全熔融瞬间就能形成的，它还会遇到另外一个能量垒，小坑并不总是在介质薄膜完全熔融瞬间就能形成

7、的，它还会遇到另外一个能量垒，它比熔点的热能大得多。它比熔点的热能大得多。在这个激发阶段起作用的主要因素：在这个激发阶段起作用的主要因素：表面张力。表面张力必须在克服了液态介质的黏滞力和惯性力后才能使介质薄膜表面张力。表面张力必须在克服了液态介质的黏滞力和惯性力后才能使介质薄膜变薄以露出基板，出现完整的小坑。变薄以露出基板，出现完整的小坑。气化。具有一定厚度的介质膜要在气化。具有一定厚度的介质膜要在100ns以上的时间才能完全蒸发。以上的时间才能完全蒸发。表面粗糙度。熔融区内的针孔或者晶态膜之间的微孔，或晶粒周界使膜层成坑时表面粗糙度。熔融区内的针孔或者晶态膜之间的微孔，或晶粒周界使膜层成坑时

8、不存在能量垒。不存在能量垒。激光在光盘表面的记录介质上形成小坑的过程可分为激光在光盘表面的记录介质上形成小坑的过程可分为3个阶段。个阶段。2）小坑激发阶段）小坑激发阶段3）扩张阶段）扩张阶段扩张阶段的时间约为扩张阶段的时间约为10ns。实验发现形成的小坑有一个最小直径，这是因为。实验发现形成的小坑有一个最小直径，这是因为在某个小坑直径以下，开坑后总能量大于开坑前的总能量。在某个小坑直径以下，开坑后总能量大于开坑前的总能量。记录信息的形式除了最常见的凹坑记录外，还有起泡记录、非反射记录信息的形式除了最常见的凹坑记录外，还有起泡记录、非反射记录、光黑化记录、光热软化记录、相变记录、液晶记录、光化学

9、记录、光黑化记录、光热软化记录、相变记录、液晶记录、光化学记录、记录、“光子光子-回声回声”三维记录等多种信息记录形式。三维记录等多种信息记录形式。（2）记录信息的方式）记录信息的方式光盘记录信息方式有恒角速度和恒线速度两种方式光盘记录信息方式有恒角速度和恒线速度两种方式。使用使用恒角速度记录方式恒角速度记录方式时，光盘内圈的记录密度高，而外圈的记录密时，光盘内圈的记录密度高，而外圈的记录密度低，整个盘面上的记录密度是不均匀的。度低，整个盘面上的记录密度是不均匀的。恒线速度方式恒线速度方式是利用光盘上的导向槽是利用光盘上的导向槽(径迹径迹)每圈的展开长度随半径增每圈的展开长度随半径增大而伸长的

10、原理，在最内圈记录一帧图像，依次沿径向延伸。越向外大而伸长的原理，在最内圈记录一帧图像，依次沿径向延伸。越向外圈，每圈记录图像的帧数就越多，使整个光盘面的信息记录密度一致。圈，每圈记录图像的帧数就越多，使整个光盘面的信息记录密度一致。在读出在读出(放像放像)时，光盘机的旋转速度也随着读取信息所在的径迹半径时，光盘机的旋转速度也随着读取信息所在的径迹半径的由小变大而由快变慢，使读出光头的激光束的切向扫描速度保持恒的由小变大而由快变慢，使读出光头的激光束的切向扫描速度保持恒定。定。2. 信息读出信息读出信息读出是指从光盘中读出它所信息读出是指从光盘中读出它所存储的信息。存储的信息。根据光盘的不同用

11、途和类型，信根据光盘的不同用途和类型，信息的读出也可以被称为息的读出也可以被称为信息再现信息再现(如追忆型光盘如追忆型光盘)、信息再生信息再生(如沿如沿用直译日文汉字用直译日文汉字)、信息读取信息读取(如如光盘文件存档系统光盘文件存档系统)。对激光电视。对激光电视唱片的信息读出通常被称为放像；唱片的信息读出通常被称为放像；而激光数字唱片的信息读出被称而激光数字唱片的信息读出被称为放唱或播放。为放唱或播放。与光盘的多种信息记录方式相对应，光盘的信息读出也有相应的多与光盘的多种信息记录方式相对应，光盘的信息读出也有相应的多种方式。种方式。2. 信息读出信息读出以最常用的以最常用的凹坑记录信息方式凹

12、坑记录信息方式的读出的读出为例。为例。对于采用凹坑记录信息方式的光盘，照射到光对于采用凹坑记录信息方式的光盘，照射到光盘上信息径迹上的激光光斑直径约为盘上信息径迹上的激光光斑直径约为0.8微米，微米，与激光波长相接近。当光点落在小坑上时，因与激光波长相接近。当光点落在小坑上时，因为发生强烈的光学衍射，即使有极少量的光波为发生强烈的光学衍射，即使有极少量的光波从小坑底部反射回来，其位相也与非坑区的平从小坑底部反射回来，其位相也与非坑区的平面上反射的光波相差面上反射的光波相差180，将产生光的干涉。，将产生光的干涉。如果反射光的强弱变化使得光敏二极管输出强如果反射光的强弱变化使得光敏二极管输出强度

13、变化的比例达到度变化的比例达到10:1以上，就可以读出信号。以上，就可以读出信号。三、光盘的结构三、光盘的结构光盘是由基片、存储介质、保护层组成。光盘是由基片、存储介质、保护层组成。1. 基片基片基片可以是金属基片可以是金属(如金属如金属铝片等铝片等)、玻璃、玻璃(如硼硅酸玻如硼硅酸玻璃、硝化纤维涂层玻璃等璃、硝化纤维涂层玻璃等)或塑料或塑料(如丙烯酸树脂、聚如丙烯酸树脂、聚碳酸酯等碳酸酯等)。从成本、光学性能和材料与介质之间相互作用的角度来从成本、光学性能和材料与介质之间相互作用的角度来考虑，比较合适的基片材料是聚甲基丙烯酸甲酯考虑，比较合适的基片材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯

14、和玻璃等。、聚碳酸酯和玻璃等。三、光盘的结构三、光盘的结构光盘对光盘对基片材料基片材料的的热性质热性质和和光学性质光学性质的基本要求如下：的基本要求如下：在写入激光波长范围内，透过率要高；在写入激光波长范围内，透过率要高；如果在光敏层内预先形成信息槽或轨迹，则在如果在光敏层内预先形成信息槽或轨迹，则在280380nm范围的紫外光透射率要高；范围的紫外光透射率要高；由分子取向或内应力造成的双折射要小，否则偏振扫描由分子取向或内应力造成的双折射要小，否则偏振扫描与写入激光束就不能精确聚焦，而且还会使偏振状态发与写入激光束就不能精确聚焦，而且还会使偏振状态发生改变；生改变；要有足够的光学均匀性、纯度

15、和耐划痕强度，因为气泡、要有足够的光学均匀性、纯度和耐划痕强度，因为气泡、表面缺陷、杂质、不透明性、划痕等均可以使激光束偏表面缺陷、杂质、不透明性、划痕等均可以使激光束偏折或受阻，从而产生干扰和信息误差；折或受阻，从而产生干扰和信息误差；有足够的抗断裂强度和抗热形变性；有足够的抗断裂强度和抗热形变性；耐潮湿，因为不对称的吸收和膨胀会使存储盘扭曲，水耐潮湿，因为不对称的吸收和膨胀会使存储盘扭曲，水气和氧气通过基片扩散会使高灵敏度的信息层受到腐蚀；气和氧气通过基片扩散会使高灵敏度的信息层受到腐蚀；基片厚度要均匀，提高信噪比，以免引入像差。基片厚度要均匀，提高信噪比，以免引入像差。此外，基片表面状况

16、此外，基片表面状况(比如表面的平整度和洁净度等比如表面的平整度和洁净度等)也也会影响光盘的写入和读出特性。基片表面质量不良会使会影响光盘的写入和读出特性。基片表面质量不良会使基片与介质膜的分离性大大增加，进而减弱介质膜与基基片与介质膜的分离性大大增加，进而减弱介质膜与基片之间的黏合强度，对光盘记录灵敏度产生较大影响。片之间的黏合强度，对光盘记录灵敏度产生较大影响。五、光盘存储的特点五、光盘存储的特点 光盘与软盘或硬磁盘相比，存储潜力更大，具有更多的优点。光盘与软盘或硬磁盘相比，存储潜力更大，具有更多的优点。 （1）高载噪比）高载噪比 载噪比载噪比(CNR)是载波电平与噪声电平之比，以分贝是载波

17、电平与噪声电平之比，以分贝(dB)表示。表示。光盘的载噪比可达到光盘的载噪比可达到50dB以上。以上。 （2）高存储密度）高存储密度 存储密度是指存储介质单位面积或信息道单位长度所能存储存储密度是指存储介质单位面积或信息道单位长度所能存储的二进制位数。前面是面密度，后面是线密度。光盘的线密的二进制位数。前面是面密度，后面是线密度。光盘的线密度一般约为度一般约为104bin-1，信息道的密度约为，信息道的密度约为15000道道in-1，故面，故面密度可达密度可达108109bin-2. 光盘的存储容量很大。容量是指光盘上所存储的二进制字节光盘的存储容量很大。容量是指光盘上所存储的二进制字节的总量

18、。的总量。3in的光盘单面可存储的光盘单面可存储640MB；5in的光盘容量在的光盘容量在1GB以上。若制成双面，则容量加倍。以上。若制成双面，则容量加倍。 （3）长存储寿命）长存储寿命 磁盘存储的信息一般只能保存磁盘存储的信息一般只能保存23年，而光盘所存储信息年，而光盘所存储信息的寿命可以达的寿命可以达10年以上。年以上。 （4）非接触式读写信息）非接触式读写信息 从光学头目镜的出射面到激光聚焦点的距离通常有从光学头目镜的出射面到激光聚焦点的距离通常有2mm，也就是说，光学头非接触式的飞行不会使光学头磨损或划也就是说，光学头非接触式的飞行不会使光学头磨损或划伤盘面，并能自由的更换光盘，使光

19、盘驱动器便于和计算伤盘面，并能自由的更换光盘，使光盘驱动器便于和计算机联机使用。机联机使用。 （5）低信息位价格）低信息位价格 光面（或衬盘）易于大量复制，容量又大，因此，存储每光面（或衬盘）易于大量复制，容量又大，因此，存储每位信息的价格低廉，是磁存储的几十分之一。位信息的价格低廉，是磁存储的几十分之一。 对于光盘机来讲，具有不同功能的机器的结构也对于光盘机来讲，具有不同功能的机器的结构也有所不同，但能够互相兼容是十分重要的。有所不同，但能够互相兼容是十分重要的。 由于由于CD-ROM和和CD-R光盘读出的反射率一致光盘读出的反射率一致（大于（大于65%），所以刻录好的），所以刻录好的CD-

20、R光盘可在光盘可在CD-ROM光盘机上读出。光盘机上读出。 但但CD-RW光盘的反射率低，在光盘的反射率低，在CD-ROM和和CD-R光盘机上读出时需附加多种读出软件。光盘机上读出时需附加多种读出软件。七、可擦重写相变光盘的原理七、可擦重写相变光盘的原理读写相变光盘是利用介质在两个稳定态之间的可读写相变光盘是利用介质在两个稳定态之间的可逆相结构变化来实现反复的写和擦。逆相结构变化来实现反复的写和擦。常见的相结构变化有下列几种：常见的相结构变化有下列几种：晶态晶态I和晶态和晶态II之间的可逆相变，这种相变反衬度太小，之间的可逆相变，这种相变反衬度太小，没有使用价值；没有使用价值；非晶态非晶态I和

21、非晶态和非晶态II之间的可逆相变，这种相变的反衬度之间的可逆相变，这种相变的反衬度也太小，没有使用价值；也太小，没有使用价值； 发生在玻璃态和晶态之间的可逆相变，这种相变有实用发生在玻璃态和晶态之间的可逆相变，这种相变有实用价值。价值。1. 激光热致相变可擦重写光存储激光热致相变可擦重写光存储 存储材料存储材料 该类存储盘所用相变介质该类存储盘所用相变介质(多元半导体的晶态和非晶态多元半导体的晶态和非晶态)都都是是共价键共价键结构，其晶态长程有序；而非晶态因结构，其晶态长程有序；而非晶态因键长键长和和键角键角发生畸变，原子组态出现各类缺陷，因而短程有序。发生畸变，原子组态出现各类缺陷，因而短程

22、有序。 这类介质中原子受到键长和键角的约束，平均配位数为这类介质中原子受到键长和键角的约束，平均配位数为2.45，配位数大于此值为，配位数大于此值为过约束过约束，小于此值为，小于此值为欠约束欠约束。 蒸发、溅射等淀积的非晶态记录介质是无定形态，不稳定，蒸发、溅射等淀积的非晶态记录介质是无定形态，不稳定，可以通过晶化过程进入结晶态，也可以通过玻璃化过程进可以通过晶化过程进入结晶态，也可以通过玻璃化过程进入玻璃态，即通过读、写、擦等初始化过程进入晶态或玻入玻璃态，即通过读、写、擦等初始化过程进入晶态或玻璃态。璃态。 由于两态光学参量差异很大，因而可获得较大的反衬度和由于两态光学参量差异很大，因而可

23、获得较大的反衬度和信噪比。因此记录介质的可逆相变选定为玻璃态和晶态中信噪比。因此记录介质的可逆相变选定为玻璃态和晶态中间的反复转变；间的反复转变；写信息写信息时吸收能量从晶态进入玻璃态，时吸收能量从晶态进入玻璃态，擦擦除信息除信息时从玻璃态回到晶态。时从玻璃态回到晶态。可逆相变光记录介质的基质材料：可逆相变光记录介质的基质材料：碲基、硒基及碲硒基等硫系元素半导体碲基、硒基及碲硒基等硫系元素半导体具有二度配位数的共价键结构，欠约束，其无序态原子排列成链状结构，且具有二度配位数的共价键结构，欠约束，其无序态原子排列成链状结构，且具有生性活泼的孤对电子，容易因激发而使介质发生相结构的变化，对光的具有

24、生性活泼的孤对电子，容易因激发而使介质发生相结构的变化，对光的响应十分灵敏。响应十分灵敏。材料的晶化温度和晶化激活能越高，热稳定性越好。为了改变材料的晶化温度和晶化激活能越高，热稳定性越好。为了改变硫系元素半导体晶化温度偏低、稳定性差等缺陷，需掺入过约硫系元素半导体晶化温度偏低、稳定性差等缺陷，需掺入过约束元素，形成二元无序体系。束元素，形成二元无序体系。无序体系的热稳定性越好，晶化就越困难。为了解决增强热稳无序体系的热稳定性越好，晶化就越困难。为了解决增强热稳定性和提高晶化速率的矛盾，在制备过程中还要掺入能起成核定性和提高晶化速率的矛盾，在制备过程中还要掺入能起成核或起催化作用的或起催化作用

25、的Cu、Ag、Au等一价元素，或等一价元素，或Ni、Co、Pd等过等过渡金属元素，以加快相变速率，因而形成三元结构体系。渡金属元素，以加快相变速率，因而形成三元结构体系。为了增加介质分别处于玻璃态和晶态的反射率对比度，制备时为了增加介质分别处于玻璃态和晶态的反射率对比度，制备时还需要掺入一些对反衬度有增强效应的元素。还需要掺入一些对反衬度有增强效应的元素。只要材料的设计满足一定的条件，可以既增强介质玻璃态的稳定性，只要材料的设计满足一定的条件，可以既增强介质玻璃态的稳定性，又提高其晶化速率。又提高其晶化速率。掺入的元素应尽量避免在晶化过程中发生分离，因为相分离一出现，掺入的元素应尽量避免在晶化

26、过程中发生分离，因为相分离一出现，光盘的擦、写循环次数会降低。光盘的擦、写循环次数会降低。 存储原理与过程存储原理与过程 近红外波段的激光作用在介质上，能加剧介质结构中原子、近红外波段的激光作用在介质上，能加剧介质结构中原子、分子的振动，从而加速相变的进行。因此近红外激光对介分子的振动，从而加速相变的进行。因此近红外激光对介质的作用以热效应为主，其中写、读、擦激光与其相对应质的作用以热效应为主，其中写、读、擦激光与其相对应的相变过程如下图。的相变过程如下图。信息的记录信息的记录 对应介质从晶态对应介质从晶态C向玻璃态向玻璃态G的转变。的转变。选用选用功率密度高、脉宽为几十至几百纳秒的激光脉冲，

27、使光功率密度高、脉宽为几十至几百纳秒的激光脉冲，使光斑微区因介质温度刹那间超过熔点斑微区因介质温度刹那间超过熔点Tm而进入液相，再而进入液相，再经过液相快淬完成达到玻璃态的相转变。经过液相快淬完成达到玻璃态的相转变。信息的读出信息的读出 用低功率密度、短脉冲的激光扫描信息道，用低功率密度、短脉冲的激光扫描信息道，从反射率的大小辨别写入的信息。一般介质处在玻璃态从反射率的大小辨别写入的信息。一般介质处在玻璃态(即写入态即写入态)时反射率小，处在晶态时反射率小，处在晶态(即擦除态即擦除态)时反射率时反射率大。在读出的过程中，介质的相结构保持不变。大。在读出的过程中，介质的相结构保持不变。信息的擦除

28、信息的擦除 对应介质从对应介质从 玻璃态玻璃态G向晶态向晶态C的转变。的转变。选用选用中等功率密度、较宽脉冲的激光，使光斑微区因介质温中等功率密度、较宽脉冲的激光，使光斑微区因介质温度升至度升至Tm处，再经过成核处，再经过成核-生长完成晶化。在此过程中，生长完成晶化。在此过程中，光诱导缺陷中心可以成为新的成核中心，因此，由于激光诱导缺陷中心可以成为新的成核中心，因此，由于激光作用使成核速率、生长速度的大大增加，从而导致激光作用使成核速率、生长速度的大大增加，从而导致激光热晶化比单纯热晶化的速率要高。光热晶化比单纯热晶化的速率要高。2. 激光光致相变激光光致相变 随着激光波长移向短波长，激光的光

29、致相结构变化效应逐随着激光波长移向短波长，激光的光致相结构变化效应逐渐明显，相变机制也与热相变的机制不同。渐明显，相变机制也与热相变的机制不同。 符合化学计量比的介质不仅可以用单纯加热的方式使之晶符合化学计量比的介质不仅可以用单纯加热的方式使之晶化，还可以不加热，通过激光束或电子束的粒子作用在极化，还可以不加热，通过激光束或电子束的粒子作用在极短时间内完成晶化的全过程。短时间内完成晶化的全过程。 这一过程中，介质在光激发作用下通过无原子扩散的直接这一过程中，介质在光激发作用下通过无原子扩散的直接固态相变实现从玻璃态到晶态的突发性转变，在晶化突然固态相变实现从玻璃态到晶态的突发性转变，在晶化突然

30、发生的瞬间，介质中光照微区的温度还来不及升高至晶化发生的瞬间，介质中光照微区的温度还来不及升高至晶化温度温度Tc之上，因而相变速度极快。之上，因而相变速度极快。N表示任意时刻受表示任意时刻受激载流子浓度。激载流子浓度。左图所示的在高功率密度的激光脉冲下，介质内部发生的带间左图所示的在高功率密度的激光脉冲下，介质内部发生的带间吸收和自由载流子吸收。吸收和自由载流子吸收。由于入射激光束不与非晶网络直接作用，光子能量几乎直接用由于入射激光束不与非晶网络直接作用，光子能量几乎直接用来激发电子。来激发电子。激光脉冲结束后，等离子体激光脉冲结束后，等离子体中的过热电子在与声子相互中的过热电子在与声子相互作

31、用过程中将能量传递给网作用过程中将能量传递给网络，或与空穴复合而释放能络，或与空穴复合而释放能量，最终使介质回到自由能量，最终使介质回到自由能最低的晶态。最低的晶态。光晶化的机制是一种无扩散光晶化的机制是一种无扩散的跃迁复合机制。的跃迁复合机制。3. 可擦重写光盘存储结构可擦重写光盘存储结构可擦重写光盘在记录信息时一般需要先将信道上原有的信息擦可擦重写光盘在记录信息时一般需要先将信道上原有的信息擦除，然后再写入新信息。除，然后再写入新信息。虚线框内是一个双光束光学头，或叫光学读写头。虚线框内是一个双光束光学头，或叫光学读写头。1、2、3分别为写入激光光斑、擦除激光光斑和写入的信息道，分别为写入

32、激光光斑、擦除激光光斑和写入的信息道，激光聚焦在盘面上的分别是写入光斑激光聚焦在盘面上的分别是写入光斑1、擦除光斑、擦除光斑2 和写入和写入信息信息3 。 1是写读光路，是写读光路， 2是擦除光路。是擦除光路。由于擦信号脉宽较宽，必然影响光盘数据传输速率的提高，由于擦信号脉宽较宽，必然影响光盘数据传输速率的提高，并带来光盘驱动器设计与制作上的复杂性。并带来光盘驱动器设计与制作上的复杂性。 全息信息存储全息信息存储 光盘存储系统虽然在巨大容量（或称海量）存储信息方面光盘存储系统虽然在巨大容量（或称海量）存储信息方面具有许多优点，但却与磁鼓、磁盘或磁带一样都要求光学具有许多优点，但却与磁鼓、磁盘或

33、磁带一样都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范限制在机械调节的精度内，并使存取时间只能限于毫秒范围内。光全息存储是一条可循的途径。围内。光全息存储是一条可循的途径。 全息全息是指物体整个空间情况的全部信息。是指物体整个空间情况的全部信息。全息存储全息存储是指同是指同时存储物光的强度分布和位相分布，即记录了物体的全部时存储物光的强度分布和位相分布，即记录了物体的全部信息。信息。 所有的全息记录材料原则上都可以作为全息存储的记录介所有的全息记录材料原则上都可以作为全息存储的记录

34、介质材料。最早用于全息存储的介质材料是银盐材料质材料。最早用于全息存储的介质材料是银盐材料(重复重复性好、保存期长、使用方法简单性好、保存期长、使用方法简单)。 全息信息存储的特点全息信息存储的特点： 存储容量大；数据传输速率高，存储与读出时间短；高冗存储容量大；数据传输速率高，存储与读出时间短；高冗余度；抗电磁干扰；存储寿命长余度；抗电磁干扰；存储寿命长全息存储器的分类全息存储器的分类 典型的光学全息存储器中存储的信息可分为块状典型的光学全息存储器中存储的信息可分为块状结构和顺序结构两类。结构和顺序结构两类。 （1）块状结构全息存储器）块状结构全息存储器 全息存储技术的基本概念是把存储的信息

35、构成一个全息存储技术的基本概念是把存储的信息构成一个像像，将，将此像作为全息记录系统中的此像作为全息记录系统中的物物，并把物存储于，并把物存储于全息图全息图中。中。 由于在具体的存储器中被存储的信息可以是以电子信号的由于在具体的存储器中被存储的信息可以是以电子信号的形式传递的，因此需要用一个通常称为形式传递的，因此需要用一个通常称为组页器组页器的特殊器件的特殊器件来呈现信息。来呈现信息。例如，一张由白点和黑点的列阵组成的透明片，每一点表示一个二进例如，一张由白点和黑点的列阵组成的透明片，每一点表示一个二进制信息元，例如白点为二进制信息制信息元，例如白点为二进制信息“1”，黑点为，黑点为“0”。

36、如果将信息存。如果将信息存储页从全息图上读出，其储页从全息图上读出，其1级再现像就被聚焦在一探测器阵列上。它级再现像就被聚焦在一探测器阵列上。它由光电二极管列阵组成，每只二极管与原组页器透明片上一个单元相由光电二极管列阵组成，每只二极管与原组页器透明片上一个单元相对应。对应。组页器和探测器列阵实际上就是电组页器和探测器列阵实际上就是电-光和光光和光-电接口。电接口。组页器组页器-全息图全息图-探测器列阵是所有块状探测器列阵是所有块状(页状页状)结构全息存储器中的结构全息存储器中的基本存储单元基本存储单元。更复杂的海量存储器是以此单元以及一些附加器件为基础的，更复杂的海量存储器是以此单元以及一些

37、附加器件为基础的，而这些附加器件则是用来对能并行的存储许多页的存储面上大量全息图寻址的。而这些附加器件则是用来对能并行的存储许多页的存储面上大量全息图寻址的。激光器输出光束中配置一个激光器输出光束中配置一个x-y光束偏转器，使光束偏转器，使写入光束写入光束同同参考参考光束光束重叠在存储面上任何重叠在存储面上任何(x,y)点，从而可在存储面上记录许多点，从而可在存储面上记录许多并行排列的小全息图列阵。并行排列的小全息图列阵。激光束对全息图的寻址是由激光束对全息图的寻址是由x-y光束偏转器来控制的。光束偏转器来控制的。读出时，每一个小全息图被一束方向与参考方向相同的激光束读出时，每一个小全息图被一

38、束方向与参考方向相同的激光束所照射，而其再现页所照射，而其再现页(信息信息)则成像在同一个探测器列阵上则成像在同一个探测器列阵上(不管小不管小全息图在存储面上的位置如何，其再现像始终成在同一个位置上全息图在存储面上的位置如何，其再现像始终成在同一个位置上)，所以只，所以只要用一只探测器来探测由所有小全息图再现出的各个像。要用一只探测器来探测由所有小全息图再现出的各个像。 在随机存取存储器中，激光束是在相同的随机存在随机存取存储器中，激光束是在相同的随机存取时间内导向和作用在所需的小全息图上的。取时间内导向和作用在所需的小全息图上的。 将存储面划分成许多可选择的寻址的页（小全息将存储面划分成许多

39、可选择的寻址的页（小全息图）而不采用存储所有页（信息）的一个单一的图）而不采用存储所有页（信息）的一个单一的大全息图的理由是，要求块状信息可选择的擦除大全息图的理由是，要求块状信息可选择的擦除和读出。和读出。 可选择的擦除部分信息只可能利用许多不相连的可选择的擦除部分信息只可能利用许多不相连的小全息图，因为现在还不知道有什么方法可选择小全息图，因为现在还不知道有什么方法可选择性的擦除叠加在同一个全息图上的部分图像。性的擦除叠加在同一个全息图上的部分图像。 此外，还有一些关系到部件的提供、全息图的衍此外，还有一些关系到部件的提供、全息图的衍射效率等实际问题，也要求在存储平面上不用一射效率等实际问

40、题，也要求在存储平面上不用一个单一的大全息图，而只能用一些不相连的小全个单一的大全息图，而只能用一些不相连的小全息图。息图。实际上，在全息海量存储器中，要使光实际上，在全息海量存储器中，要使光束偏转器能使物光束和参考光束精确的束偏转器能使物光束和参考光束精确的交于存储面上的各点来记录小全息图，交于存储面上的各点来记录小全息图，还要配置一个还要配置一个蝇眼透镜蝇眼透镜。控制控制参考光束参考光束和和写入光束写入光束使使写入光束写入光束投射投射到蝇眼透镜的一到蝇眼透镜的一个微透镜上个微透镜上蝇眼透镜中微透镜的数目与存储蝇眼透镜中微透镜的数目与存储面上的小全息图的总数相同，作面上的小全息图的总数相同，

41、作用是扩展输入的准直光束。用是扩展输入的准直光束。透镜透镜L2和和L3的作用是使准的作用是使准直光束成为方向与微透镜直光束成为方向与微透镜的位置相关的平行光的位置相关的平行光透过组页器的物光束经透镜透过组页器的物光束经透镜L4和和L5的的傅立叶变换，汇聚在存储面傅立叶变换，汇聚在存储面H上的一上的一个小区域并同照射在该处的平行参考个小区域并同照射在该处的平行参考光束叠加，形成一个小全息图。光束叠加，形成一个小全息图。存储面上各个微元存储面上各个微元与微透镜阵列单元与微透镜阵列单元的位置一一对应。的位置一一对应。若用记录时的参考光作为读出光束来照射各小全息图，则可从探若用记录时的参考光作为读出光

42、束来照射各小全息图，则可从探测器阵列逐个输出对应于被存储的各页信息。测器阵列逐个输出对应于被存储的各页信息。 在块状结构的全息存储器中不应包含机械部分，在块状结构的全息存储器中不应包含机械部分，这是达到与计算机要求相一致的实际运行速度所这是达到与计算机要求相一致的实际运行速度所必须的。必须的。 此外，复杂的存储系统中的机械运动往往会使可此外，复杂的存储系统中的机械运动往往会使可靠性降至不能接受的程度。靠性降至不能接受的程度。 光学全息存储器可按在存储和检索过程中所使用光学全息存储器可按在存储和检索过程中所使用的记录介质的厚度来分类：的记录介质的厚度来分类： 二维存储器：薄记录介质，记录面全息图

43、；二维存储器：薄记录介质，记录面全息图； 三维存储器：厚记录介质，记录体全息图。三维存储器：厚记录介质，记录体全息图。基本部分：光源、光束偏转器、记录介质、探测器阵列。基本部分：光源、光束偏转器、记录介质、探测器阵列。薄记录介质薄记录介质是热塑料或高分辨率照相底片。是热塑料或高分辨率照相底片。部件之间用光学和电子部件之间用光学和电子的部件互相连接。的部件互相连接。存储器的操作是靠存储器的操作是靠电光偏转转子电光偏转转子来控制光束的偏振方向以实现来控制光束的偏振方向以实现写入写入和和读出读出。因设计的分束板不反射平行于入射面振动的偏振光束，故写入时用因设计的分束板不反射平行于入射面振动的偏振光束

44、，故写入时用垂直于入射面振动的光束，读出时用平行振动的偏振光束。垂直于入射面振动的光束，读出时用平行振动的偏振光束。在在写入过程写入过程中，记录介质上物光束的复振幅分布是组页器中数据页中，记录介质上物光束的复振幅分布是组页器中数据页的傅立叶变换的傅立叶变换(近似近似)，该振幅与参考光束在记录面上，该振幅与参考光束在记录面上相干涉相干涉而形成而形成全息图全息图。系统的光学元件可使物光束与参考光束相交于光束偏转器所选定的系统的光学元件可使物光束与参考光束相交于光束偏转器所选定的存储面上任何一个地址的存储介质上，这样，物光束和参考光束就存储面上任何一个地址的存储介质上，这样，物光束和参考光束就自动的

45、相互跟踪。自动的相互跟踪。在数据页再现的的读出过程中，只有参考光出现，因此光束照射记在数据页再现的的读出过程中，只有参考光出现，因此光束照射记录介质后被全息图上的光栅衍射出记录时物光束的频谱（傅里叶变录介质后被全息图上的光栅衍射出记录时物光束的频谱（傅里叶变换）。该频谱再经其后的傅里叶变换透镜就再现出原始物光波的复换）。该频谱再经其后的傅里叶变换透镜就再现出原始物光波的复振幅，其光斑（数字数据）花样就照射在光电探测器阵列上并被它振幅，其光斑（数字数据）花样就照射在光电探测器阵列上并被它读出。读出。电光晶体或光致变色晶体电光晶体或光致变色晶体三维存储系统在厚记录介质内三维存储系统在厚记录介质内同

46、一个位置同一个位置重叠许多全息图，它是通重叠许多全息图，它是通过对其中每一个全息图使用不同方向的参考光而被记录的，这些全过对其中每一个全息图使用不同方向的参考光而被记录的，这些全息图由于其体性质而呈现十分强的息图由于其体性质而呈现十分强的角选择性角选择性。要读出其中一个全息图，要读出其中一个全息图，一定要用与该全息图相应一定要用与该全息图相应的参考光束照明。的参考光束照明。该参考光束的入射角度则要求处在对该全息图而言的布拉格角附近该参考光束的入射角度则要求处在对该全息图而言的布拉格角附近的角度范围内，否则，再现数据的强度将随角度的偏离而很快下降。的角度范围内，否则，再现数据的强度将随角度的偏离而很快下降。而且，全息图越厚，再现的角度范围就变的越窄。而且，全息图越厚，再现的角度范围就变的越窄。在单一的体位置上重叠许多个全息图将引入一个额在单一的体位置上重叠许多个全息图将引入一个额外问题：外问题： 在光折变介质的体积中写入一个新的全息图而不在光折变介质的体积中写入一个新的全息图而不影响原来在那的全息图。影响原来在那的全息图。 该问题已在铌酸锂晶体中外加一电场获得解决。该问题已在铌酸锂晶体中外加一电场获得解决。 它可大大增加写