拉曼光谱偏研究毕业论文.doc

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1、编号_本科生毕业设计 双折射光纤拉曼光谱偏振态的研究Research on SRS Polarization State of Birefringence Optical Fiber学 生 姓 名王磊专 业电子科学与技术学 号0712212指 导 教 师张喜和分 院光电科学分院2011年 6月 摘 要 随着社会的发展和科技的进步,信息的存储容量在以几何级数增加,高密度数据存储技术始是人们关注的研究领域。在当前主流的三种存储技术磁存储、半导体存储和光存储中,光存储具有存储密度大、信息保存时间长、生产成本低、潜力巨大等特点,因此被视为最有发展前途的存储方法。本文简单介绍了国内外光存储技术的发展现状

2、，了解了激光存储的原理、分类、及激光存储的特点，进一步分析了传统光盘存储技术、激光全息存储技术、多阶光存储技术各自的应用，在此基础上展望了未来光存储技术的发展趋势。关键字：激光存储、全息光存储、多阶光存储技术Research of Laser storage technologyABSTRACT With the development of society and the advancement of technology, the information storage capacity increase geometrically, the research field of high-

3、density data storage technology is the beginning of peoples attention. In the mainstream of the three storage technology magnetic storage, semiconductor storage and optical storage, optical storage, storage density, the information is stored for a long time, low production costs, has great potential

4、 and other characteristics, is seen as the most promising storage method. This paper briefly describes the development status of optical storage technology at home and abroad to understand the characteristics of the principle of laser storage, classification, and laser storage and further analysis o

5、f the traditional optical storage technology, laser holographic storage technology, multi-order optical storage technology applications, on this basis, looked to the future development trend of optical storage technology.Keywords：Laser Storage Holographic Optical Storage Multi-order Optical Storage

6、Technology目 录2011年6月1目 录I绪 论1第一章 激光存储的发展11.1国外的发展现状11.2国内状况31.3 研究的目的和意义4第二章 激光存储42.1激光存储的基本原理42.2激光存储的特点52.3光存储的分类5第三章 激光存储技术73.1激光光盘存储73.1.1CD、DVD73.1.2磁光盘存储83.1.3HD- DVD光盘83.2全息存储技术93.2.1 全息存储工作原理93.2.2 全息存储的特点103.3多阶光存储113.3.1电子俘获多阶技术113.3.2 部分结晶多阶技术113.3.3 光致变色多阶技术113.4激光存储新技术简介12第四章 激光存储的展望13结

7、论15参考文献：16致谢17绪 论 21世纪人类进入信息社会,知识经济成为推动社会进步,促进科技发展的强大动力,信息存储、传输与处理是提高社会整体发展水平最重要的保障条件之一。随着信息技术的不断进步,人们所能获取并使用的数据和信息急剧增长,由于信息的多媒体化，人们需要处理的不仅是数据、文字、声音、图像，而且是活动图像和高清晰的图像等。一页A4文件为2KB(千字节)，而一张A4 彩色照片就占5MB( 兆字节)，放一分钟广播级的FMV 就要占40MB,可见信息量与日俱增。这使得人们对于信息的载体存储技术提出了更高的要求:更大的存储容量、更高的存储密度和更快的存取速度。当然,这也是从事存储研究和生产

8、的诸多研究人员和工程师们不断追求的目标。 20世纪80年代到90年代，人们最关心的是信息处理,即如何提高计算机芯片的处理速率和效率,全球掀起的计算机主处理器竞争已使本世纪可达1GHz 的处理速度;随后通信网络的掀起及数据共享和通信使人们认识了网络时代的到来;面对21世纪,人们又在考虑如何有效地存储和管理越来越多的数据和如何应用这些数据,信息存储空间日益拥挤,信息数据的采集和数据管理体系的复杂性越来越高,以及网络的普及,导致21世纪信息技术的浪潮将在存储领域兴起。 第一章 激光存储的发展 1.1国外的发展现状 在1981年第一代的CD光盘出现以后，录音带迅速地被CD光盘取代，录像带迅速地被VCD

9、光盘取代，软磁盘也迅速地被CD-ROM、CDR光盘所取代。 1996年出现了第二代光存储的DVD光盘，与第一代的CD光盘出现相比，时间上已经过去了15年，在单层光盘容量上，也由640MB提高到4.7GB，记录密度提高了7.3倍。2005年，世界上DVD光盘的年销售量，已经突破100亿张，成为一个巨大的产业。 与此同时，2005年出现了第三代光存储的蓝光光盘，其中最具代表性的有以索尼和松下为代表的BD蓝光光盘技术，以东芝为代表的HD蓝光光盘技术，此外，还有以台湾企业为代表的红光高清光盘技术。2008年2月，东芝宣布放弃HD蓝光光盘技术，红光高清光盘技术也很快地退出市场，BD蓝光光盘技术成为第三代

10、光存储的唯一合法代表。第三代光存储的BD蓝光光盘，与第二代的DVD光盘相比，时间上间隔了9年，记录密度提高了5.3倍。而东芝单层HD光盘的记录密度与DVD光盘的记录密度相比，只提高了3.2倍，从记录密度上来说没有达到升级换代的水平，就保存特性而言，HD光盘也没有BD光盘耐磨，这是东芝出局的原因所在。国外的一些大公司，在2000年以前，就开始了第四代和第五代光存储技术的研究，这两年，公布了单张光盘超过100GB的BDXL标准，也推出了容量超过1000GB的全息光盘样品和样机。第四代和第五代光存储技术有多种方案，第四代光存储技术的代表是超分辨光盘技术、多维光盘技术、低容量全息光盘技术，第五代光存储

11、技术的代表是高容量全息光盘技术，日前GE已经取得了技术上的突破。第一代光存储技术的CD光盘规格，是飞利浦公司建立的；第二代光存储技术的DVD光盘规格，是以飞利浦、松下、索尼、东芝等大公司牵头建立的；第三代光存储技术的BDA产业联盟中，有18家企业成为核心的理事会成员，它们也由飞利浦、松下、索尼、日立、先锋、夏普、JVC、TDK、迪斯尼、福克斯等大公司构成。DVD光盘和蓝光光盘光盘产业始于CD，走过了DVD时代，现在进入了BD时代，这一历史基本上是以日本为中心的发达国家垄断技术，独占鳌头的过程。在前三代光存储技术中，尽管中国早已是生产大国，但却不拥有知识产权。在后两代光存储技术的开发应用中，中国

12、不仅要跟上世界发展的潮流，而且要努力走在前面。2009年，日立MAXELL公司开发出了一种新的超薄型大容量光盘，厚度仅0.2mm，单层双面的最大容量为50G，双层双面为100G，叠层使用100张，最大容量大10TG。日本智能光盘株式会社今年推出了“电脑盘”新光碟技术，可直接在光碟上嵌入芯片，这与博通的技术一样，都是光存储产业的革命性创新。在蓝光存储领域开展国际合作，特别是进行中日技术交流，对促进中国光存储事业的发展，推进蓝光存储产业化，至关重要。日本SPINET公司是一家世界领先的蓝光存储研发企业，拥有多项蓝光存储技术专利，该公司首席执行官保坂功认为，要实现蓝光存储的产业化，就要在研发、生产和

13、销售过程中积极开展协作，包括国际合作。如果发达国家自己拥有专利技术优势，争得制定国际标准话语权，就可能迫使后进的发展中国家企业支付技术使用费，增加开发生产成本，加大推广风险。 1.2国内状况 中国是世界上最大的发展中国家，也是蓝光存储产业最大的市场之一，毫无疑问，中国应该参与BD国际标准的制定，拥有自己的话语权。有中国参与的标准才是真正的国际标准，才能为新兴工业化国家、金砖四国，甚至非洲等发展中国家所采用，才能真正促进BD产业的发展。中国光盘产业，现在已经拥有了第三代光盘生产的雄厚技术储备和基础。 清华大学光盘工程技术中心对第四代和第五代光存储技术已经进行了多年的理论研究，取得了多项理论研究成

14、果；中科院上海光机所也对超分辨光盘技术进行了长达十年的研究，他们也取得了多项理论研究成果，为中国发展自己的新一代光存储产业，构建自己的知识产权框架奠定了坚实的基础。 在国内的硬件厂家中，中国华录集团有限公司等拥有VCD、DVD、BD播放机和刻录机、激光头物镜、DVD激光头等关键件的多年生产经验，据报道华录将于今年年底开始批量生产BD激光头。另外，德赛电子、步步高的BD蓝光播放机也早已推向市场。蓝光播放器 目前国内有130多个厂家可以生产CD、DVD、BD光盘。广州三力声像自主研发生产的CD、DVD光盘生产线，不仅打开了国内市场，而且远销印度、东南亚、俄罗斯、朝鲜等国家。今年三力将推出自己研发的

15、BDR光盘生产线。目前国内仅三力CD、DVD、BDR光盘生产线的总产能，就已经超过每年2亿张。东莞宏威数码机械早在2006年，就已经成为世界第二大光盘设备制造商，它们自己研发生产的CDR、DVDR光盘生产线，已经在国内外（包括阿根廷、巴西、俄罗斯、印度、东南亚、德国等国家和地区）的光盘厂使用多年，它们自己研发的BDR光盘生产线在2009年开始生产BDR光盘。目前国内使用宏威CDR、DVDR、BDR光盘生产线的总产能，已经超过每年8亿张。在光盘生产用耗材方面，浙江安瑞森自己生产的CD光盘保护层材料、DVD光盘粘合层胶水，已打开国内外市场，远销美国、欧洲、印度等国家的光盘厂。他们自主研发生产的BD

16、光盘用0.1mm覆盖层胶水，也在今年投产。目前安瑞森耗材的年生产量，已经超过5万吨。国内的光盘产业现在已经拥有了第三代光盘生产设备、第三代光盘生产材料、第三代光盘播放机和刻录机、第三代光盘产业用激光头等关键件自主研发生产的能力，具备了冲击第四代、第五代光存储技术的条件、实力与能力。 1.3 研究的目的和意义随着社会进步、生产和科学技术的不断发展，人类对信息的依赖程度日益加深，需要处理、传输和存储的信息急剧增加，这对信息的存储和管理提出了越来越高的要求。特别是对存储容量和速率无止境的需求，促进了各种存储技术的发展。现有的存储技术，如磁存储和 导体存储等虽然仍在不断地改进以满足人们对存储容量和速率

17、等的要求，但这些存储手段正逐渐接近其物理极限。由于传统光盘存储受衍射分辨率极限的限制，既使采用更大数值孔径的聚焦镜和更短的波长，也很难进一步提高存储密度；而近场光存 储技术虽然突破了衍射分辨极限，可以获得较高的存储密度，但是需要光学头和盘面之间有很近的距离，光学头需要相对记录介质作机械运动，导致光机系统比较复杂。为满足信息社会的发展需求，激光存储技术应运而生，并成为现代信息社会中不可缺少的存储技术之一。 第二章 激光存储 2.1激光存储的基本原理激光存储是利用材料的某种性质对光敏感,带有信息的光照射材料时，该性质发生改变，且能够在材料中记录这种改变，这就实现了光信息的存储。用激光对存储材料读取

18、信息时，读出光的性质随存储材料性质的改变而发生相应的变化，从而实现已存储光信息的读取。激光存储技术是用用带有信息的激光照射介质材料时，通过激光与介质的相互作用使介质发生物理、化学变化，将信息存储下来的技术。其基本物理原理是：存储介质受到激光照射后，介质的某种性质(如反射率、反射光极化方向等)发生改变，介质性质的不同状态映射为不同的存储数据，存储数据的读出则通过识别存储单元性质的变化来实现。 在光盘存储技术中,采用载有信息的调制激光束通过物镜聚焦于光盘存储介质层上记录,属于远场光记录,记录点的尺寸决定于聚焦光的衍射极限。众所周知,在光的衍射极限下,光线的聚焦的直径(d)与光波长()成正比例而与镜

19、头的数值孔径(NA )成反比, d=0.56 (l)而存储密度成正比于的平方。所以要提高存储的位密度,就要缩短激光波长和升高物镜的数值孔径,增加存储的道密度,就要缩短伺服道的间距(d)。在高密度光盘存储技术中,由于记录点的尺寸小于光斑的尺寸,在远场记录中,光斑的尺寸受光的衍射极限的限制,所探测记录点的信号要用超分辨技术。常采用热虹食的原理,有两层工作薄膜,一层是记录层,另一层是读出层。对于磁存储和磁光存储来说,采用磁致超分辨技术(Magnetic Superresolution MSR)或用磁畴放大技术(Magnetic Amplifying Magneto 一Optical System ,

20、MAMOS ),前者利用磁光盘的记录层、读出层以及中间层的磁静藕合或磁交换藕合等原理产生热虹食,在光盘表面形成磁罩或磁窗,而缩小有效读出光斑。后者也用多层磁层薄膜的磁交换藕合在读出层瞬间放大记录层的磁畴尺寸,使易于读出。所以高密度光盘是多层膜结构。按照记录、读出和擦除的各方面要求,合理地设计多层膜结构和选择各膜层的材料,以及精细地制备出多层膜光盘都是十分关键的。 目前得到广泛应用的CD光盘、DVD光盘等光存储介质以二进制数据的形式来存储信息。信息写入过程中，将编码后的数据送入光调制器，使激光源输出强度不同的光束。调制后的激光束通过光路系统，经物镜聚焦照射到介质上。存储介质经激光照射后被烧蚀出小

21、凹坑，所以在存储介质上存在被烧蚀和未烧蚀两种不同的状态，分别对应两种不同的二进制状态0或1。读取信息时，激光扫描介质，在凹坑处入射光不返回，无凹坑处入射光大部分返回。根据光束反射能力的不同，将存储介质上的二进制信息读出，再将这些二进制代码解码为原理。2.2激光存储的特点 （1）存储密度高信息的存储密度表征单位面积或单位体积可存储的二进制位数（bit/cm2，bit/cm3），用以表示各种存储方法的性能指标。电子存储器的存储密度约104106 bit/cm2 ，即使是超大规模集成电子存储器也不会超过106 bit/cm2 。光学存储器的理论极限值：面存储密度为1/2 ；体存储密度为1/3 。 按

22、=500 nm 计算，存储密度为 1 Tbit/cm3。 （2）并行程度高光子之间不会相互作用，因而光计算的并行处理能力远远高于电子计算。提供并行输入输 出和数据传输。（3）抗电磁干扰光子不荷电，抗电磁干扰。（4）存储寿命长磁存储 23年；光存储10年以上。（5）非接触式读写信息（6）信息价格位低 价格可比磁记录低几十倍。2.3光存储的分类 只读式光盘记录介质为涂有光刻胶的玻璃盘基。在调制后的激光束的照射下，再经过曝光、显影、脱胶等过程，正像母盘上就出现凹凸的信号结构。之后利用蒸发和电镀技术，得金属负像母盘，最后用注塑法或光聚合法在金属母盘上复制光盘。读出信息：激光照射在凹坑上，利用凹坑与周围

23、介质反射率差别读出信息。 CD-R 光盘记录信息：利用热效应。用聚焦激光束照射CD-R 光盘中的有机染料记录层，照射点的染料发生汽化，形成与记录信息对应的坑点，完成信息的记录。读出信息：利用坑点与周围介质反射率的区别。 可檫写光盘相变型存储材料的光盘 记录信息：高功率调制后的激光束照射记录介质，形成非晶相记录点。非晶相记录点的反射率与未被照射的晶态部分有明显的差异。读出信息：用低功率激光照射存储单元，利用反射光的差异读出信息。信息的擦除：相记录点在低功率、宽脉冲激光照射下，又变回到晶态。 磁光存储材料的光盘 记录信息：记录介质为磁化方向单向规则排列的垂直磁光膜。在聚焦激光束照射下，发生热磁效应

24、，记录点的磁化方向发生变化，进而完成信息记录。读出信息：利用法拉第效应和克尔效应。信息的擦出：在激光的作用下，改变偏磁场的方向，删出了记录信息。 DVD光盘 多媒体信息时代的第一次数字化革命是以直径为12cm 的高音质CD（Compact disc）光盘取代直径为30cm 的密纹唱片。这其中包括CD-ROM, CD-R 和CD-RW 类型。CD 光盘使用的激光波长为780nm，数值孔径为0.45，道间距为1.6um，存储容量为650MB。第二代数字多用光盘DVD(Digital Versatile Disk)使用的激光波长为635/650nm，数值孔径为0.6，道间距为0.74um，单面存储容

25、量为4.7GB，双面双层结构的为17GB。DVD光盘系列有DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW, DVD+RW 等多种类型。目前DVD-Multi 已兼容了 DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM 三种光盘。上述这些产品的问世，对包括音频、视频信息在内的数据的记录都发挥过巨大的作用。 蓝光存储及近场光存储高清晰度电视HDTV(High-Definition)的投入使用，要求研发出更高存储密度的光盘，蓝光存储、近场光存储等应运而生。 多阶光存储多阶光存储是目前国内外光存储研究的重点之一，缘于它可以大大地提高存储容量和数据传输率。在传统的光存储系统中，二元数据序列存储在记录介质中，

26、记录符只有两种不同的物理状态，例如只读光盘中交替变化的坑岸形貌。多阶光存储是读出信号呈现多阶特性，或者直接采用多阶记录介质。多阶光存储分为信号多阶光存储和介质多阶光存储。 从技术上讲，蓝光光盘的下一代存储技术是相当先进的，不过由于蓝光光盘格式本身与现存的红光DVD格式并不兼容，所以如果采用蓝光光盘格式的厂商必须大动干戈的更换整条生产线，这大大增加了生产厂商的生产成本，使得其价格普遍偏高，从很大程度上阻碍了蓝光光盘格式的普及。所以虽然蓝光技术得到了很多大厂得支持，但价格是蓝光技术的致命伤。不过还是有很多有实力的大厂如三星、飞利铺 、LG、三菱、索尼等表示他们已经或很快将要推出其支持蓝光技术的产品

27、。 第三章 激光存储技术 3.1激光光盘存储3.1.1CD、DVD 近年来,世界光盘产业高速增长,产品门类从CD (Colnpact Disk 压缩光盘)发展到数字多用途光盘 DVD 系列、磁光盘MOD系列、高密度HD一DVD系列,技术向多方面发展。只读式CD经基片成型、反射膜、保护膜等工艺制作,衬盘材料通常用聚甲基丙烯酸甲醋或聚碳酸醋,也可用形变温度较高的聚烯烃类非晶材料,注塑法将材料压制成直5.1-13.3cm,厚12 的高平整度基片,通过光致聚合作用制成各类光盘。CD-RM利用记录介质在晶态和非晶态之间的可逆相变,通过光调制来实现信息的反复擦写。CD一RW在未来相当一段时间内,关键问题是

28、提高性能。DVD(Digital versatile Disk)分为只读式、视频式、可录、可擦重写型等。DVD-RAM 也采用与CD 一R W 相类似的膜层结构和相变材料做记录介质, 世界上正在研究用无机材料、合金薄膜提高其记录密度, 开发存储容量为4、7CB 的DVD 一R和DVD 一RW。21 世纪将是可擦写DVD的高潮,为让其用于计算机与网络的下载存储。 SHD(超高密度)一DVD的发展目标是10 一20 GB l in Z ,世界上正在研究近场光学存储和数字全息光存储技术,以Zn Cd se 或G a N 半导体激光器为光源,开发光学或磁致超分辨率检测及热虹食技术。在研究中必须解决一些

29、关键问题, 包括: 缩短道间距,改进存储格式和编码方式,采用槽脊与槽沟同时记录犊出方式,研制适合蓝绿光存储的介质材料,建立适用于光学超分辨率技术记录和读出的多层膜结构等。 3.1.2磁光盘存储磁光盘存储技术以往一直以计算机专业应用为主,因此光盘的尺寸规格与磁盘一致, 即主要为5.24英寸和3. 5英寸2种。由于多功能CD和DVD系列的光盘技术的兴起, 磁光盘的已经逐渐淡出人们的视野。磁光存储与磁存储相似,写入与擦除是使磁畴的方向颠倒, 是物理过程,响应时间是快的(纳秒量级)。因此在可擦重写光盘存储中有其优越性。近几年来解决了直接重写技术和磁超分辨率检测技术,在可擦重写高密度光盘存储中仍有其优越

30、性。超高密度光盘存储技术可能用磁光存储方式更为现实。 3.1.3HD- DVD光盘超高密度光盘( HD- DVD) 存储技术的目标是存储密度达到10 20Gb/ in2, 最小记录点尺寸小于200nm, 接近或小于光衍射极限。可采取的措施有:缩短记录激光波长( GaN激光器);增大物镜的数值孔径; 超分辨率检测技术,如光学超分辨率技术、磁致超分辨率技术、热虹食技术; 缩短道间距; 改进存储格式( ZCLV、ZCAV、SS) 、编码方式( 标记边缘记录) 和记录/读出方式( 槽脊和槽沟同时记录) 。 HDDVD光盘的主要性能指标见表10。表 HDDVD光盘（120nm）的主要性能指标容量20GB

31、(15GB)激光波长物镜的数值孔径（NA）存储密度可擦写次数数据传输率最小记录点长度道间距410nm0.8512.6Gb/in（10.5Gb/in）10(抖动jitter10%)50Mb/s200nm(250nm)400nm(450nm)要实现超高密度存储，获得符合要求的材料是关键之一。超高密度光盘的材料有这样一些要求：其光学常数适用于蓝绿光范围存储，有清晰和稳定的亚微米范围的记录点，能建立适用于光学超分辨率技术记录和读出的多层膜结构，能快速响应，记录/擦除时间小200纳秒，长寿命，记录信息的保存时间可大于10年。 3.2全息存储技术激光全息存储技术是一种利用激光干涉原理将图文等信息记录在感光

32、介质上的大容量信息存储技术。目前，这项信息存储技术是通过将缩微胶片上的影像转变为光信息，然后制出存储密度更大的全息图的方法实现的。与目前其它光存储方法所不同的是,由于全息存储材料上保存数据信息的全息图所记录的是物光和参考光的干涉图样，因此它不仅保存了物光的振幅信息，而且还保存了其完整的空间位相信息，这是由全息方法本身的物理特性所决定的。下面，我们先介绍一下全息图记录与再现的基本原理。图3 全息图的记录与再现如图3中所示,来自物方携带有调制信号(欲实现存储的信息)的光称为物光, 另一束光称为参考光。物光和参考光是由同一激光器输出的激光束经分光镜而得到的, 因此满足形成干涉所需的相干条件。当物光和

33、参考光相遇时就会产生干涉,从而在空间形成光的干涉图样。令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干沙图样的复制品而存储下来。存储下来的干涉图样, 它保存了物光的全部信息(包括振幅和位相全息)。 日常所说的全息都是指全息图像。在存储领域,全息存储则是指由数据组成的全息图。在全息数据存储中,目标激光束经过数据调制,和另一束连续激光形成一个干涉图案(全息图)； 感光媒体(如立方晶体或胶片)就暴露在该干涉图像中,通过改变光学吸收率、折射角或厚度等,记录这些干涉条纹。记录完成后, 通过一束激光就可从媒体中读

34、取数据。全息存储技术在几个方面取得了突破:1.能够在一个小的物理空间中层叠存储数百幅；2.全息图像达到1 TB/ cm以上：新技术使得读写数据时，并行方式取代串行方式，提高了数据传输率达到数百M Bps 以上，比硬盘高1 个数量级；3.具有抗辐照的优点。 3.2.1 全息存储工作原理图5 全息存储工作原理全息存储工作原理如图5所示。在全息存储器中，一束激光被分成两束：载有数据的信号束和参考束。数据是通过一个叫数据页调制到信号束上的，数据页将数百万的0、1 数据转换为亮暗的阵列干涉图案，该图案也称为页，每页均记录在光敏感存储媒体上。记录的位置就是信号束和参考束形成干涉的地方(全息图所处的位置)。

35、在恢复数据时，一束参考激光束对准介质，将全息图投影到图像检测阵列上，图像检测阵列将干涉图案转换为数据。其中用到的光束控制器是一种新型产品，用于改变激光束的角度，使得在全息存储器中不再有大型活动部件。从全息存储器的工作原理上看，数据是以百万位并行读出或写入的，这就是为什么全息存储具有高传输率的原因。同一卷存储介质上的多层全息图可以通过改变记录时参考光束的角度或波长加以区分，这就是为什么全息存储具有巨大的容量。就如同利用全息技术在同一帧胶片中多次曝光，参考光束可以将它们各自分开。 3.2.2 全息存储的特点 信息存储容量大全息存储是一种高密度、大容量的信息存储技术。利用高解像力的银盐全息记录介质，

36、可将约有10000多个汉字的文件资料（相当于一版人民日报）缩小记录在直径仅有1mm左右的全息图内，其信息存储密度比普通缩微影像的存储密度高几十倍。记录速度快利用全息摄影机，通过使银盐感光介质感光成像的拍摄方法，将普通缩微胶片上的影像摄制成全息图，具有操作简便，记录快速的特点。记录信息不易丢失由于全息图中的每个细部都包含有被记录信息的全部内容，因此，当全息图因擦伤出现划痕，造成全息图局部破坏时，其记录的内容也不会丢失。尽管在还原时全息图再现的影像反差会有所下降，但是全息图所记录的全部内容仍可被显示出来。便于长期保存记录在全息银盐感光介质上的全息图具有能够长期保存的特点，其保存寿命同普通银盐缩微胶

37、片相当。试验表明，银盐记录载体的保存寿命可达数百年以上。便于拷贝复制利用全息拷贝机，通过接触拷贝、曝光成像的方法，可方便地复制出多部全息拷贝片。其他除上述特点外，全息存储技术还有许多其他特点，例如：利用全息摄影技术可以制出能够表现被摄物立体效果的全息图，也可以通过由全息图组成的全息视听盘进行活动画面的再现等。不足之处全息存储技术也存在着一些不足之处，例如：对影调连续变化的原件记录效果差，不易表现被摄物的色彩，与计算机联机使用比较复杂，在阅读用单色激光显示的再现影像时视感较差等等。 3.3多阶光存储 信息技术的发展对光存储系统容量和数据传输率提出了越来越高的要求。传统光存储受到光学衍射极限的限制

38、，采用缩短激光波长和增大数值孔径的方法来提高存储密度的空间非常有限。多阶光存储技术能够在不改变光学数值孔径的情况下，利用先进的信号处理与编码技术，显著提高存储容量和数据传输率，目前已经成为国内外光存储研究的热点方向之一。 3.3.1电子俘获多阶技术 OPtex 通信公司于1992年着手研究电子俘获光存储技术（ETOM：Electron Trapping Optical Memory ）。ETOM 光盘的记录层中掺杂有两种稀土元素，利用短波长激光（例如蓝光）来实现数据写入。当第一种掺杂离子吸收光子后，其电子被激发到高能级状态。该电子可能被第二种掺杂离子“俘获”，实现数据的写入。读出时，用另一长波

39、长激光（例如红光）将俘获的电子释放到原来的低能级状态，存储的能量以荧光的形式释放出来，可供后续信号探测。由于发出的荧光强度与俘获的电子数量成比例，同时也与写入激光的强度成比例，该写入读出过程具有线性响应，使得电子俘获材料适用于数字光存储。 电子俘获光存储利用了光子效应，反应速度很快，可以实现纳秒时间的读写。更重要的是， ETOM 光盘能够在多个能级上记录数据，从而实现介质多阶光存储。 OPtex 对 ETOM 技术进行了深入研究，并获得了12个核心技术专利。由于ETOM 所需的绿激光器在当时价格较高，并且消费市场上对高容量视频存储系统的需求不够急迫，导致 ETOM 技术的产品化未能顺利进行。该

40、项目于1998年中止，但是作为早期的一种多阶光存储技术方案，该项目对此后的多阶光存储研究具有相当重要的借鉴意义。 3.3.2 部分结晶多阶技术 新加坡数据存储中心（DSI）研究了基于相变材料的部分结晶（Partial Crystallization）多阶技术。在当前广泛应用的相变光盘中，通过不同激光功率加热记录介质，获得不同反射率的晶态与非晶态两种结构实现写入和擦除，探测这两种状态的不同反射率实现信号读出。利用足够高功率的激光加热相变材料直至超过熔点，然后迅速淬火降至室温，可以得到非晶态。如果在结晶温度和熔点之间的范围内逐渐退火，则得到晶态。晶态与非晶态之间可能存在一种部分结晶的状态，通过调整

41、退火时间和温度，控制相变材料的结晶程度，则有可能实现多阶反射调制存储。 3.3.3 光致变色多阶技术 清华大学光盘国家工程研究中心（OMNERC）提出了光致变色多阶光存储技术，具有比部分结晶相变材料更好的多阶光存储特性。在不同波长光照射下，光致变色材料能够在不同化学状态之间发生快速可逆转换，如图 6 所示，A 和 B两种稳定的化学状态的吸收谱完全不同，以这两种状态来表示数字“0”和“1”，可实现基于光致变色材料的数字存储。这是一种光子型的记录方式，反应时间极短且反应尺度在分子量级。 图 6 光致变色数字存储原理理论分析和实验研究表明，光致变色数字存储的反应程度与所吸收的光子数目相关，通过控制写

42、入激光的能量，可以在光致变色材料上实现多阶光存储，并且分阶特性优于传统的相变材料。利用光致变色材料的合成技术，已经分别获得了吸收峰在780nm，650nm和 5532nm 附近的光致变色材料，它们的吸收峰与当前用于光存储的激光波长相对应。采用与 DVD 系统相同的激光波长和数值孔径，已成功实现8阶幅值调制光致变色存储。目前正在进行MLRLL光致变色记录的实验研究，有望实现超过15G的存储容量。 由于光致变色材料对入射光具有选择性吸收的特点，如果将具有不同敏感波段的多种光致变色材料作为记录层，用多种波长的激光进行多记录层的并行读写，可以实现频率维的多波长存储。与前面的光致变色多阶光存储相结合，O

43、MNERC 提出了光致变色多波长多阶（MWML）光存储方案，通过多阶和并行编码，能够进一步提高光存储容量和数据传输率。由于 MWML 的记录层由多种光致变色材料混合旋涂而成，可以很方便的实现读写过程中的聚焦和道跟踪；并且 MWML 光盘与现有的光盘系统有较好的兼容性，具有相当广阔的应用前景。 3.4激光存储新技术简介 （一）光学非辐射场利用光学非辐射场与光学超衍射极限分辨率的研究成果，进一步减小记录信息符尺寸。因光束照射到物体表面时，无论透射或反射都会形成传播场（传播波）和非辐射（隐失波）。传播波携带着物体结构的低频信息，容易被探测器探测。隐失波携带描述物体精细结构的高频信息，沿物体表面传播。

44、只要把这一部分信息扑捉到，就可提高系统的分辨率。（二）近场光学原理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。（三）光量子效应以光量子效应代替目前的光热效应实现数据的写入与读出，从原理上将存储密度提高到分子量级甚至原子量级，而且由于量子效应没有热学过程，其反应速度可达到皮秒量级（1O-12秒），另外，由于记录介质的反应与其吸收的光子数有关，可以使记录方式从目前的二存储变成多值存储，使存储容量提高许多倍。（四）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

45、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，体全息存储器还有可能进行选择性擦除及重写。（五）当代物理学的其它成就利用当代物理学的其它成就，包括光子回波时域相干光子存储原理、光子俘获存储原理、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（STM）、原子力显微镜（AFM）、光学集成技术及微光纤阵列技术等，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。实验证明，目前的技术可使光存储密度达到40-100Gbitsin2。 第四章

46、激光存储的展望综合起来看，光存储市场在最近的20年里发展很快。至于新出现的光存储概念与技术，其市场前景又各有不同。近场技术可大大提高记录密度，但付出的代价是牺牲了光盘盘片的可更换性。因此，该技术必须直接与硬盘技术争夺市场。鉴于目前硬盘技术迅猛发展的势头及近场记录的技术潜力，近场记录的前景不容乐观。但是，在光磁混合记录领域，近场技术将得到极好的应用机会。Philips、Sharp、卡内基-梅隆、Hitachi 均对此投入了大量的研究资源。目前，它们提出了三种研究方案：(1) 以Philips为代表的大光斑热辅助磁记录方案；(2) 以Hitachi 为代表的小光斑激光脉冲调制方案；(3) 以Sharp、Seagate和卡内基-梅隆大学数据存储系统中心为代表的基于波导的光磁混合记录方案。光磁混合记录是目前研究的热点, 其前景为多数专家看好。尽管许多存储技术均支持多媒体计算机应用,但对更高密度、可更换媒体的需求加速了新存储技术的开发和推向市场。磁盘技术进步和降低成本措施的采取，降低了每GB数据存储的费用。但问题是备份这些硬盘及移动多媒体应用中产生的大量数据的技术还没有，而全息存储技术最有可能满足这些应用方面的要求。其潜在的需求有：计算机备份、图像