【正文】 波長(zhǎng)復(fù)用和角度復(fù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)超高密度存儲(chǔ)。 2023/3/28 67 光與現(xiàn)代科技 2．全息存儲(chǔ)的應(yīng)用 ? (1)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ) ? 1997年，一個(gè)集成化的角度復(fù)用全息存儲(chǔ)模塊 (如圖 631所示 )由 Drolet等人設(shè)計(jì)出來(lái)。 ? 該模塊包括一個(gè) BaTios光折變晶體、一對(duì)液晶光束偏轉(zhuǎn)器 (圖中只能見到一個(gè)，另一個(gè)在晶體后面 )和光電子集成電路 (OEIC包括光電子 SLM、探測(cè)器、刷新器等 )。 圖 631緊湊型集成化的角度復(fù)用全息存儲(chǔ)模塊 2023/3/28 68 光與現(xiàn)代科技 2．全息存儲(chǔ)的應(yīng)用 ? 此模塊的 優(yōu)點(diǎn) 是：采用共軛讀出方式，再現(xiàn)光逆向經(jīng)過(guò)信號(hào)光束記錄時(shí)所通過(guò)的路徑 (從 SLM到記錄介質(zhì) )，不需要額外的再現(xiàn)光路和成像光路；另外共軛讀出方式還校正了讀出光的線性相位畸變。 ? 其中 OEIC的每個(gè)像素都具有存儲(chǔ)、光探測(cè)和調(diào)制功能，它本身可完成像素之間的局部數(shù)據(jù)傳輸 (如探測(cè)器到存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器到調(diào)制器 )，具有動(dòng)態(tài)刷新的功能。 圖 631緊湊型集成化的角度復(fù)用全息存儲(chǔ)模塊 (1)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ) 2023/3/28 69 光與現(xiàn)代科技 2．全息存儲(chǔ)的應(yīng)用 ? (2)超大容量全息存儲(chǔ)器 ? 人們利用體全息材料進(jìn)一步研究超大容量的全息存儲(chǔ)技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展了幾種盤式全息存儲(chǔ)的方案，如三維盤式全息存儲(chǔ)方案就是實(shí)現(xiàn)超大容量存儲(chǔ)的一種途徑。 圖 632分塊式全息存儲(chǔ)盤的示意 ? 圖 632給出基于全息存儲(chǔ)技術(shù)的分塊盤式全息存儲(chǔ)示意圖，圖中沿盤面上的同心圓軌道上劃分為互不重疊的空間位置 (全息塊 )，每個(gè)位置上復(fù)用存儲(chǔ)大量全息圖?？捎酶道锶~全息圖也可以用像面全息圖的形式記錄物信息，參考光采用平面波。復(fù)用方式可以是角度復(fù)用、波長(zhǎng)復(fù)用或相位復(fù)用。 2023/3/28 70 光與現(xiàn)代科技 2．全息存儲(chǔ)的應(yīng)用 ? 研究發(fā)現(xiàn)：角度復(fù)用和波長(zhǎng)復(fù)用可以存儲(chǔ)的全息圖總數(shù)大致相同，但波長(zhǎng)復(fù)用有著更高的面密度。 ? 全息盤潛在的高數(shù)據(jù)傳輸率不是依靠盤面轉(zhuǎn)速的提高，而是通過(guò)整頁(yè)并行讀出實(shí)現(xiàn)的，這也將相應(yīng)地緩解系統(tǒng)對(duì)高速機(jī)械運(yùn)動(dòng)的要求。 ? 目前，激光全息存儲(chǔ)仍然處于研究之中，它的實(shí)用化還有一定難度。 2023/3/28 71 光與現(xiàn)代科技 激光存儲(chǔ)技術(shù)的新進(jìn)展 ? 電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù) ? 一種適用于未來(lái)大容量計(jì)算系統(tǒng)的理想存儲(chǔ)器必須同時(shí)具有高存儲(chǔ)密度、高存取速率和長(zhǎng)壽命三個(gè)特點(diǎn)。 ? 電子俘獲存儲(chǔ)方式可具有這些特點(diǎn)，它是通過(guò)低能量激光去俘獲光盤特定斑點(diǎn)處的電子來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)的，它是一種高度局域化的光電子過(guò)程。理論上講它的寫、讀、擦不受介質(zhì)物理性能退化的影響。 ? 最新開發(fā)的電子俘獲材料的寫、讀、擦次數(shù)已達(dá)108次以上，且寫、讀、擦的速率快至納秒量級(jí)。 ? 因此，借助于電子俘獲材料的固有特性，可以使激光存儲(chǔ)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的光存儲(chǔ)介質(zhì)。 2023/3/28 72 光與現(xiàn)代科技 電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù) 1 ? 電子俘獲激光存儲(chǔ)的具體過(guò)程是：當(dāng)一束激光 (其光子能量在電子躍遷能量范圍內(nèi) )照射到電子俘獲材料時(shí)，材料中的基態(tài)電子被激發(fā)到高能級(jí) E，后下落并被低能級(jí) T處的陷阱俘獲，形成被電子填充了的陷阱，它代表二進(jìn)制信息位“ l”。寫入光束中斷后，此狀態(tài)仍能保持，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字光信號(hào)的存儲(chǔ)； ? 信息的讀出是以陷阱對(duì)電子的釋放為基礎(chǔ)的，在一束近紅外光 (其波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于足以使被俘獲電子逃逸出陷阱并躍入能級(jí) E之中的光子能量 )照射下，光斑局域位置的被俘獲電子在獲得光子能量后躍遷到能帶 E中，并與另種稀土原子作用后返回到基態(tài) G，同時(shí)發(fā)射出與躍遷過(guò)程損失的能量相對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光子，探測(cè)到這種光就能證實(shí)存儲(chǔ)單元局域位置處的陷阱被電子所填充 (存在二進(jìn)制信息位“ 1”)。 ? 所以多次讀出 (或選用適當(dāng)大功率光一次讀出 )會(huì)使被俘獲電子基本耗盡，這就對(duì)應(yīng)于信息的擦除。 2023/3/28 73 光與現(xiàn)代科技 電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù) 2 ? 實(shí)際測(cè)量表明：電子俘獲激光存儲(chǔ)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)模擬或多電平數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，利用這種技術(shù)并采用多電平信號(hào)鑒別和相關(guān)碼，可使傳統(tǒng)光盤的每面存儲(chǔ)容量增加至 ，若進(jìn)一步將不同光譜響應(yīng)度的電子俘獲材料薄膜層堆疊起來(lái)，則能實(shí)現(xiàn)三維光存儲(chǔ)。 ? 電子俘獲技術(shù)還有如下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)表面缺陷及形貌擾動(dòng)不敏感，寫／擦循環(huán)次數(shù)無(wú)限，高速度存取等。 ? 總之，電子俘獲存儲(chǔ)是一種相當(dāng)有前途的激光存儲(chǔ)技術(shù)。 2023/3/28 74 光與現(xiàn)代科技 2．光學(xué)雙光子雙穩(wěn)態(tài)三維數(shù)字存儲(chǔ) ? 基于高速響應(yīng)、鎖模脈沖激光器的雙光子吸收產(chǎn)生了光學(xué)雙光子雙穩(wěn)態(tài)三維數(shù)字記錄方法，其基本原理是根據(jù)兩種光子同時(shí)作用于原子時(shí)，能使介質(zhì)的原子中某一特定能級(jí)上的電子激發(fā)至另一穩(wěn)態(tài)，并使其光學(xué)性能發(fā)生變化，所以若使兩個(gè)光束從兩個(gè)方向聚焦至材料的同一空間點(diǎn)時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)三維空間的尋址寫入。 ? 利用材料折射率、吸收度、熒光或電性質(zhì)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)。這種存儲(chǔ)技術(shù)的光信號(hào)是由熒光讀出，在未寫入點(diǎn)無(wú)熒光 (零背景 )，所以讀出靈敏度很高。 ? 由于光信號(hào)的寫入與讀取屬于原子對(duì)光量子的吸收過(guò)程，反應(yīng)速度為皮秒級(jí)。最小記錄單元的尺寸在理論上可達(dá)到原子級(jí)。 ? 這種方法能實(shí)現(xiàn) Tb／ cm3的體密度、 40Mb／ s的傳輸速率。 2023/3/28 75 光與現(xiàn)代科技 2．光學(xué)雙光子雙穩(wěn)態(tài)三維數(shù)字存儲(chǔ) 1 ? 雙光子存儲(chǔ)技術(shù)的特點(diǎn)： ? (1)在雙光束記錄結(jié)構(gòu)中，對(duì)各光束的峰值功率要求不太高； ? (2)在單光束記錄結(jié)構(gòu)中，對(duì)光束的峰值功率要求很高，必須采用飛秒級(jí)鎖模脈沖激光器。 ? (3)存儲(chǔ)體的形狀可采用立方體或多層盤片結(jié)構(gòu)，以提高存儲(chǔ)容量。 ? (4)記錄信息的讀取，普遍采用“共焦顯微”系統(tǒng)以及CCD攝像頭。 ? (5)對(duì)于光色變材料的記錄信息可采用雙光子讀出或者單光子讀出方案。 ? (6)在光色變存儲(chǔ)方案中，摻雜 AF240(2％ )光色變分子 (有機(jī)聚合物 )的存儲(chǔ)密度可達(dá)到 100Gb i t s／ cm3以上。 2023/3/28 76 光與現(xiàn)代科技 3．持續(xù)光譜燒孔技術(shù) ? 光盤存儲(chǔ)通常稱為“位置選擇光存儲(chǔ)”，三維全息存儲(chǔ)稱為“角度和波長(zhǎng)選擇光存儲(chǔ)”，它們的存儲(chǔ)密度由于衍射限制所能達(dá)到的極限是 1／ λ3數(shù)量級(jí)或 1012cm3左右，相應(yīng)地 1bit信息所占據(jù)的空間含有 106107個(gè)分子。 ? 如果能用一個(gè)分子存儲(chǔ) 1位信息，存儲(chǔ)密度便能在目前光存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上提高 106～ 107倍，但相應(yīng)地要有適當(dāng)選擇或識(shí)別分子的方法。 ? 持續(xù)光譜燒孔 (PSHB： Persistent Spectral HoleBurning)技術(shù)利用對(duì)不同頻率的光吸收率不同來(lái)識(shí)別不同分子，它有可能使光存儲(chǔ)的記錄密度提高 34個(gè)數(shù)量級(jí)，它屬于四維光存儲(chǔ)。 2023/3/28 77 光與現(xiàn)代科技 3．持續(xù)光譜燒孔技術(shù) ? 用頻率為 w0且線寬很窄的強(qiáng)激光 (燒孔激光 )激發(fā)非均勻加寬譜線的工作物質(zhì)，同時(shí)用另一束窄帶可調(diào)諧激光掃描該物質(zhì)的非均勻加寬的吸收譜線，則在吸收頻帶上激發(fā)光頻率 w0處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)凹陷，這就是“光譜燒孔” 。 ? PSHB光存儲(chǔ)是把燒孔激光調(diào)諧到熒光吸收譜帶內(nèi)的不同頻率位置，孔就出現(xiàn)在不同的頻率上，于是以有孔和無(wú)孔分別表示信息“ 1”和“ 0”兩個(gè)狀態(tài)，用測(cè)量透射光強(qiáng)的方法可以檢測(cè)孔的有無(wú)。 ? 但這種“孔”是瞬時(shí)的，可用強(qiáng)激光激發(fā)與之共振的離子發(fā)生光化學(xué)或光物理變化，從而使“孔”能保持較長(zhǎng)的時(shí)間，這樣就實(shí)現(xiàn)了光信息的存儲(chǔ)。這就是PSHB存儲(chǔ)技術(shù)的基本原理。 2023/3/28 78 光與現(xiàn)代科技 3．持續(xù)光譜燒孔技術(shù) ? 光譜燒孔方法有可能突破光存儲(chǔ)密度的衍射限制，因?yàn)楣庾V燒孔除了利用記錄材料的空間維度以外，還可利用光頻率維度。在光斑平面位置不變的情況下，調(diào)諧激光頻率在吸收譜帶內(nèi)燒出多個(gè)孔，可實(shí)現(xiàn)在一個(gè)光斑位置上存儲(chǔ)多個(gè)信息。 ? 除了 PSHB存儲(chǔ)信息外，還實(shí)現(xiàn)了光譜燒孔的全息存儲(chǔ)，全息圖的記錄是通過(guò)不同子集分子的光學(xué)特性而實(shí)現(xiàn)的。 ? Kachru和 Shen使用摻稀土的燒孔材料，在數(shù)據(jù)輸入 /輸出（ I/O）速率方面取得了突破性的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了以 30Hz的幀速（視頻速率）隨機(jī)讀取 500幅全息圖（每幅含有512 488像素）。這種存儲(chǔ)方法基于平面全息圖的存儲(chǔ)，如果將 PSHB技術(shù)與全息技術(shù)相結(jié)合，其應(yīng)用前景將不可限量。 2023/3/28 79 光與現(xiàn)代科技 ? 除了激光光盤存儲(chǔ)技術(shù)以外，上述各種光存儲(chǔ)技術(shù)還處于研究發(fā)展階段，它們都是以提高存儲(chǔ)容量、密度、可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率為主要目標(biāo)。從整個(gè)學(xué)科發(fā)展的角度預(yù)測(cè)，高密度激光存儲(chǔ)技術(shù)的主要發(fā)展將著重于： ? （ 1）最基本、有效的數(shù)字式記錄方式。 ? （ 2）進(jìn)一步縮小記錄單元，近場(chǎng)超分辨存儲(chǔ)是發(fā)展高密度光存儲(chǔ)的一個(gè)典型嘗試。隨著精密技術(shù)及弱信號(hào)處理等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，光信息的記錄單元將從目前的分子團(tuán)逐漸減小到單分子或原子量級(jí)。 2023/3/28 80 光與現(xiàn)代科技 ? （ 3）從目前的二維存儲(chǔ)向多維存儲(chǔ)發(fā)展。多維包含兩方面的含義：一是指記錄單元空間尺度的多維，平面存儲(chǔ)拓展到三維體存儲(chǔ)和基于光譜燒孔效應(yīng)的四維光存儲(chǔ)；二是指復(fù)用維數(shù)的多維，用全息的波長(zhǎng)或角度選擇性增加實(shí)際存儲(chǔ)的復(fù)用維數(shù)。 ? （ 4）并行讀寫逐步代替串行讀寫，以提高數(shù)據(jù)的讀取傳輸率。并行讀寫功能是體信息頁(yè)面存儲(chǔ)的一個(gè)固有特性，是體全息存儲(chǔ)被普遍重視的原因之一。 ? （ 5）改善和發(fā)展存儲(chǔ)系統(tǒng)的尋址方法，努力實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械尋址的實(shí)用化，從根本上解決目前難以提高隨機(jī)尋址速度的問(wèn)題。 ? （ 6）光學(xué)信息存儲(chǔ)同光學(xué)信息處理相結(jié)合以提高信息系統(tǒng)整體性能及功能，充分利用光學(xué)特性實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)、傳輸、處理和計(jì)算的集成。 2023/3/28 81 光與現(xiàn)代科技 本章思考題與習(xí)題 ? 1. 激光在信息技術(shù)中有那些應(yīng)用？ ? 2. 給出激光掃描器的應(yīng)用實(shí)例。 ? 3. 激光打印機(jī)的基本組成是什么？其工作原理是什么？ ? 4. 激光打印機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)？ ? 5. 激光存儲(chǔ)的基本原理是什么？ ? 6. 激光存儲(chǔ)如何分類？ ? 7. 光存儲(chǔ)技術(shù)與傳統(tǒng)的磁存儲(chǔ)技術(shù)相比有何特點(diǎn)？ ? 8. 激光光盤有那些類型？ ? 9. 光存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是什么？ 2023/3/28 82 光與現(xiàn)代科技 本章結(jié)束， 謝謝！ 2023/3/28 83 光與現(xiàn)代科技 演講完畢，謝謝觀看！