用于海量信息快速读写的光敏感全息存储材料及技术.pdf

用于海量信息缺速读写的 光敏感垒息存储榭料殛攘恭 注：山西省青年科技研究基金资助项目( 项目编号：2 0 110 2 10 2 1 3 ) 摘要：阐述了全息存储的原理及特点，详细介绍了用于全息存储的光敏感平面及体全息存储材料，以及在这一 活跃的研究领域中的新进展，特别是为了提高存储容量和抑制串象噪音所发展起来的各种全息复用技术。光全 息存储的独特优点，尤其是体全息存储的高容量和高数据传输速率，使光全息存储最有希望成为下一代海量存 储技术。 关键词：全息存储；串象噪音；复用技术 中图分类号：0 4 3 8 1 文献标识码：A文章编号：10 0 6 8 8 3 X ( 2 0 1 2 ) 0 8 0 0 0 6 - 0 6 收稿日期：2 0 12 - 0 7 0 2 一、引言 人类已经步入了一个数字化的信息时代，信息在社会生活的各个领域中正处于前所未有的关键地位。当 今社会的数据归档、数字电影、互动媒体游戏等对数据存储的容量、速度、便携性提出了更高的要求。据统 计，现在全人类每年要产生( 1 2 ) x 1 0 9 G B 的新信息，这一信息数量相当于全球每人每年要产生2 5 0 M B 的信 息。另据美国加州大学B e r k e l e y 分校及E M C 公司所做的调查显示，在全社会每年产生的所有信息中，有超过 7 5 的信息是属于固定内容( F i x e dc o n t e n t ) 的数据，也就是说，这些信息一旦生成就不再变更。这类固定内 容的信息存储上要包括法律条文、标准和规范的电子文档以及数字化医学信息、电子邮件及附件、支票图像、 卫星图像、音频视频信息等，这为光学存储提供了更大的应用空间。全息数据存储技术与现有光学存储技术 不同，提供的更大的存储容量、更高的读写速度，被认为是重要的第四代光存储技术1 1 1 。 二、全息存储原理及特点 l 、全息存储技术的原理 全息一词事实上源自于英文中的“H o l o g r a p h y ”，H o l o g r a p h y 则由h o l o ( 即w h o l e ) 与g r a p h 两词组合而成。 全息( H o l o g r a p h y ) ，顾名思义，就是记录光场的全部信息，包括光波的强度分布和位相分布。 信息记录过程是两束相干光束重叠，产生干涉图。干涉图的强度由两束相干光束的振幅和相位决定。干 涉图被记录材料保存为全息图，这是一个光照下的化学物理过程，最终在其内部形成全息光栅。两束相干光 束的任意一束照射全息图都可以再现出另一束相干光束。一个常见的例子就是一束光照射到全息图上，我们 可以看到一个三维的图像。具体的物理过程简介如下：一束平面光束或者球面光束分为两束作为两束相干光 束，其中一束照射到三维物体上，其散射光与另一束相干光干涉，全息图记录了散射光的全部信息，即散射 光的强度光场的振幅和三维物体表面的起伏光场的相位。用相干光照射全息图时，散射光就可以真实的再现 出原来的三维物体。 g j 黼薰鹜黪渗鞠圉簿 j | ；l i i i 嘲霸滴酾鳓霸馥鳓醪商# ，垂鳓磐劳| 马晨 l；l；瀛了。 万方数据 早在上世纪7 0 年代，国外诸多研究机构就已设计出许 多有潜力的全息存储系统。但由于当时的技术和材料均不够 完善，在其他存储技术尚能满足需求的情况下，全息存储器 的实用化进程一度迟缓。近年来，并行高速计算机对海量商 速存储器的需求，以及在光学计算领域的研究日趋高涨，因 而在全息存储领域再次掀起了研究热潮。 全息数据存储与复现系统的示意图如图l ，5 3 2 n m 激光 器发出的光束经由分光棱镜( P B S ) ，分为两束光；一束光经 过空间光调制器( S p a t i a lL i g h tM o d u l a t o r 。S L M ) 称为信号 光，另一束光称之为参考光。原始信息经过采样量化，成为 数字信息。数据经过编码成为二维数据页，上载到空间光调 制器。空间光调制器根据上载的数据对信号光的振幅或相位 进行调制，调制后的信号光与参考光在绿光敏感的记录材料 里涉，数据就以全息光栅的形式存储在材料中。数据读取 时，关闭信号光，参考光照射记录材料( 般使用其他波段 的激光，如图l 巾的6 3 2 n m 激光，因为材料在此处不吸收) ， 携带数据的信号光再现处理被探测器接收，经过解码，就得 T e C h n o I o g yR e v i e w 到数据，如图2 。由于次可以记录或凌取个数据贝，全 息存储系统理论【：可以达到很高的数据传输率。l | | j ：全息存 储在记录材料的同一位置复用多幅全息图，因此可以达到很 高的存储密度。改变入射参考光的某参数比如波长、入 射角、相位等，就n J 以往记录材料的同一位置存储多幅个n 图，用相应的参考光就町以读 信号光。 2 、全息存储技术的特点 ( 1 ) 全息存储具有存储容量大的优势。用感光干板作为普 通照相记录信息时，信息存储密度的数量级一般为 1 0 5 b i t m m 2 ；用平面全息图存储信息时，存储密度一般可提高 一个数最级达1 0 6 b i t m m 2 ：如果用体全息图存储信息时，存 储密度町高达1 0 U b i t m m 2 。 ( 2 ) 全息存储具有极大的冗余性，存储介质的局部缺陷和 损伤不会引起信息丢失。 ( 3 ) 全息存储具有读取速率高和能并行读取的特点，每个 数据页n T 包含达1 M b i t 的信息，写入一页的时间在1 0 0 m s 左 右，读信息的时间可以小于1 0 0 雌，而磁盘的寻址时阳J 至少 需要1 0 r e s 。 三、光敏感全息存储材料 目前用于光敏感全息存储的材料分 为两火类：+ 类是平面全息记录材料， 包括银盐材料、光致抗蚀剂以及光导热 塑材料：另一类是体全息记录材料，包 括重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致变 色材料与光折变材料。理想的全息存储 材料应该具有高的分辨率、较高的灵敏 度、低噪卢、高动态范围和高衍射效率， 保存时间长和价格低等特点。 l 、甲面全息记录材料 甲- 面全息记录材料通常取薄膜形 式。即使材料本身的厚度可以比波长入 得多，但它对光照的响应主要反映在记 录介质表面，而不是在介质内部的体积 中。 ( 1 ) 银盐材料 银盐材料是传统的全息记录材料， 银盐乳胶有很高的感光灵敏度和分辨 率，有较宽广的光谱灵敏范围，并具有 很强的通用性。它既可以用来记录振幅 型全息图，也可以记录高衍射效率的位 2 0 12 0 8S e n s o r W o r l d w w w s e n s o m c o d d0 3 mc n 万方数据 已经具有成熟的制备 是银盐材料的显影过 整个可见光波段都敏感，尤其对绿光区响应最佳：它衍射效 率较高，可获得干法、原位、实时显影，并可重复使用。它 的缺点是分辨率不高，一般小于2 0 0 0 线对m m ，且高质量薄 膜制造困难。 2 、体全息记录材料 作为体全息记录材料。不仅要求其厚度远大于光波长， 而且介质的整个体积内部都应该能对光照产生响应。 ( 1 ) 重铬酸盐明胶 重铬酸盐明胶拥有很好的全息存储能力，其特点是高衍 射效率、高分辨率、低噪声、图像消失后可以通过再处理基 本恢复、制备工艺简单等。利用重铬酸盐明胶记录信息时， 它很少吸收和散射光，在介质内可以形成很大的折射率变化， 制成尽可能厚的全息图，衍射效率接近1 0 0 。D C G 光化学 全息记录过程为：作为感光敏化剂的重铬酸盐溶解在明胶中， 它以六价铬离子C r 6 + 与明胶胶合，形成D C G 膜。曝光时， 在D C G 膜吸收光后使六价铬离子c r 6 + 变为低价离子态 C 一。随后与其附近的明胶分子的残基进行共价结合而形成 交联，使明胶坚膜硬化。由于各区曝光程度不同，这种交联 的数量也随之不同。交联程度与D C G 的溶胀、密度、折射 率等性质密切相关。由于整个光化学反应在明胶内，交联作 用也使得水洗显影时，未曝光部分不象软明胶那样被冲洗掉， 而仅仅是洗去残余的重铬酸盐。同时明胶也因吸水而溶胀， 溶胀程度与曝光量成反比。最后，在异丙醇中浸泡脱水，并 快速干燥，使曝光部分的折射率提高，就制成了衍射效率很 高的位相型全息图。 重铬酸盐明胶尽管拥有理想的全息存储特性，但它有个 缺点限制了它的广泛应用：在自然环境中不稳定，难以得到 得利的结果，而且从曝光到显影阶段，光敏层的变形问题也 没有解决。这种材料的感光度不高，光谱敏感区也有限。 ( 2 ) 光致聚合物 光致聚合物是一类非常适合商用全息存储的记录材料。 它有许多潜在的优点：如可以通过掺入不同的光敏剂选择工 作波长，提高灵敏度；选择单体成分提高衍射效率；增大动 态范围，增加存储密度和容量；工艺简单，成本低廉，化学 组成范围宽、能大规模生产、并可实现干法在线处理等优点， 使人们对它的研究产生了很大的兴趣，在这方面杜邦，宝丽 莱，佳能，富士等公司都做了大量的工作，理想的光致聚合 物材料的出现，使光学全息存储器的实用化逐渐成为可能： 光致聚合物主要由单体、聚合体和光敏剂组成。光致聚 合物是以化学方法产生自由基或离子引发单体分子发生聚合 的反应。光致聚合物中全息图的形成可定性描述为：记录光 万方数据 照射聚合物后，光敏剂被光了激发，随后产生引发曝光过程； 然后，自由基引发空间非均匀分布的单体分子聚合，曝光量 大的区域聚合分子浓度相应较大，并且自由单体向聚合物浓 度大的区域扩散，直至自由单体耗尽。最后采用均匀曝光处 理进行定影，使残余的单体完全聚合，最终在介质内形成位 相型全息图。根据膜层厚度，可以是表面调制的浮雕型全息 图，也可以是整层内折射率调制的全息图，如图3 。 全息光致聚合物常用单体有丙烯酸甲酯、丙烯酸三溴苯 酯、缩乙二醇双丙烯酸酯等。般的光聚物单体光照时不敏 感，不能直接产生聚合，所以通常要在其中掺入对适当波段 比较敏感的光敏剂及光聚合引发剂。常用的光敏聚合引发剂 有羰基化合物、偶氮化合物、有机硫化物、氧化还原体系、 感光色素类等等，如安息香、偶氮二异丁、硫醇类、核黄素、 花菁类色素等。为提高光致聚合物材料的机械物理性能、衍 射效率和灵敏度，常在聚合物中加入成膜树脂。如明胶、聚 乙烯醇、聚苯乙烯、纤维素乙酸丁酯等。 ( 3 ) 光致变色材料 光致变色存储是利用记录材料在光子作用下发生化学变 化而实现信息存储，常用的光致变色材料有螺吡南、吡咯俘 精酸酐、二芳乙烯、偶氮苯等有机物。根据光致变色材料的 性能，它可用于多种光学记录材料，如光学双稳态记录、多 重记录、超分辨记录和全息记录4 个方面。 利用光致变色材料作全息记录时，由于光致变色膜层内 的分子极化特性在入射光光子的作用下发生改变，导致膜层 折射率变化。尤其是记录波长与介质吸收谱线发生共振时， 膜层内部可产生显著的折射率变化。此时全息图的衍射效率 主要来源于介质折射率的变化，而不是介质吸收率的变化。 利用这一特点，可用物光和参考光的干涉场在光致变色材料 T e c h n o l o g yR e v i e w 【f l 形成折射率调制的全息图。光致变色材料具有无颗粒特征， 分辨率仅受记录波长的限制。并且，若记录光功率足够强 则不必采用干法或湿法显影，只需光照就可以在原位记录或 擦除全息图。光致变色材料还具有宽的动态范围。其t 要缺 点是灵敏度较低，响应速度慢。 ( 4 ) 光折变材料 光折变晶体是一种优良的全息存储材料，目前在全息光 存储和光学信息处理领域得到了广泛的应用。光折变效应是 光学材料在光辐射下折射率随光强空间分布而变化的效应， 是一+ 种非局域的非线性光学效应，由贝尔实验室A s h k i n 等人 于1 9 6 6 年在无机电光晶体中发现。两年以后，研究人员认识 到可以利用这种效应存储信息。光折变晶体中的杂质、缺陷 和空位，在晶体禁带隙中形成中间能级，即构成施主和受主 能级，成为光激发载流子的主要来源。在全息记录期间，干 涉光束在电光晶体中产生亮区和暗区。