信息存储新领域——全息存储及其材料

信息存储新领域——全息存储及其材料摘要：从目前磁记录、磁光记录以及光盘记录的现状和发展趋势出发，指出现有的记录方法不能满足未来超大容量、高存取速率的要求。

而全息存储将是最理想的存储技术。

文章介绍了全息存储技术的概念、原理和特点，着重探讨了全息存储对记录材料的性能要求。

最后对目前几种常见全息材料的性能进行比较，按照其不同的存储原理和理化性能，分析各自的优点和不足。

文章最后指出，全息存储将在未来的社会生活中扮演重要角色。

关键词：全息存储；存储材料；材料性能1 全息存储的背景信息技术在经历了以解决计算机运算速度为主要任务的CPU时代和解决信息传播、传输、交换为主要矛盾的网络时代之后，现在又进入以解决信息存储和安全备份为主要矛盾的信息存储时代。

进入21世纪以来，通过开发新材料、改善材料存储性能、采用高性能软磁材料做磁头、缩小记录光斑尺寸、使用多层膜耦合及超分辨率读出等新技术手段，磁性和磁光记录存储的记录密度得到大幅度提高。

磁盘的容量可达10Gb/in2，磁光盘的容量也可以达到20Gb/in2。

但磁和磁光记录位不可能无限地小，它还受到无法克服的一个致命制约，这就是超顺磁效应。

当磁和磁光记录介质中的铁磁颗粒比单畴的临界尺寸小时，热涨落可使这种颗粒的磁矩产生一种类似于布朗运动一样的混乱转动，破坏磁矩间的整齐排列，使剩余磁化衰减或消失。

100Gb/in2量级的记录密度可能是磁和磁光记录的极限。

在光盘的存储方面，人们通过研发新型有机光化学材料、采用短波长激光读写、提高道密度和线密度、开发多数据层光盘、提高盘面转速等技术，显著提高了光盘的存储密度和传输速率。

然而，现有光盘的存储原理决定了它存在1/λ2(λ为光波波长)的面密度限制，其二维存储的密度将要接近物理极限，研究人员已将目光转向了三维体存储。

对于光存储而言，体存储容量与面存储容量之比是所用激光器波长的平方与立方的关系。

在现有的几种基于页的三维存储研究方案中(例如：全息记录、光谱烧孔、光子回波、双光子存储和光致变色多层存储)，由于全息数据存储同时具有较高的数据传输速率(1Gb/ps)、巨大的存储容量(V/λ3：V 是全息存储晶体的体积，λ同上)和短暂的访问响应时间(<100μs)，是最有希望的下一代数据存储技术。

2 全息存储技术及其特点全息存储是利用光的干涉，在记录材料上以全息的形式记录信息，并在特定条件下以衍射形式恢复所存储的信息的一种超高密度存储技术。

全息即物体的全部信息，包括物光波的强度分布和位相分布。

全息记录原理与全息照相原理相同，但具体方法却有点差异。

一是数据不是放在底片上，而是放在具有光折射特性的材料里，一块像小糖块大小的介质上含有上千个页(页相当于一张底片)，每一页可包含几百万比特信息；二是使用物光的方式不一样。

全息存储在写入操作中，激光器输出的一束激光被分成2束，其中一束被扩束后作为参考光投射到记录介质上。

另一束激光被扩束后经过被记录物体表面的漫反射作为物光也投射到记录介质上。

物光用以携带数据，它被扩大到能够完全照射在整个立体光调制器(SLM)上。

SLM其实就是一个LCD(液晶显示器)壁板，它以亮的和暗的像素阵列用整页的方式显示所要存储的二进制数据，物光穿过SLM 后，有的点亮，有的点暗，也就是携带了该页的数据。

然后，同参考光在介质内起作用，把整页的数据都变成干涉条纹图样，整页的数据便通过干涉图样存放在介质中。

读出数据时，只要用参考光照射存储介质，同其内部干涉图样起衍射作用便可还原先写进去的亮的和暗的像素(分别表示1和0)构成的图像，落在CCD(电荷耦合器件)构成的读取阵列上。

于是，便可读出整页的数据。

全息存储的特点是：(1)存储密度高、容量大。

全息存储容量的上限为l/λ3，理论上全息存储密度可达1Tb/cm3(1Tb=1000Gb)，目前的技术已达10Gb/cm3。

高存储密度是通过在感光材料的同一区域记录多张全息图得到的。

目前，最常用的多重记录方法有多波长、多角度、多相位记录。

为了得到更高的存储密度，可以将几种多重记录方法综合使用。

例如，可以采用波长一角度相结合进行记录；(2)数据传输速率高和存取时间短。

全息图采用整页存储和读出的方式，一页中的所有信息位都被并行地记录和读出。

此外，全息数据库可以用无惯性的光束偏转(例如声光偏转器)或波长选择等手段来寻址，不一定要用磁盘和光盘存储中必需的机电式读写头，因而数据传输速率和存取速率可以很高；(3)高冗余度。

与按位存储的磁盘和光盘不同，全息图以分布式的方式存储信息，每一信息位都存储在全息图的整个表面上或整个体积中，故记录介质局部的缺陷和损伤不会引起信息的丢失；(4)存储可靠性高。

全息存储材料都选用光学性能好、化学性能稳定的银盐晶体、有机高分子聚合物或金属化合物晶体。

和全息照相的底片一样，即使存储载体有部分损坏，仍能读出全部数据，只不过清晰度有所降低。

全息存储材料记录的信息可保持30年以上；(5)可进行并行内容寻址。

全息存储器能够接输出数据页或图像的光学重构信息，因此可以行地进行面向页面的检索和识别，具有快速的内相关寻址功能。

这种独特的性能可以用来构建内寻址存储器。

3 全息存储对材料的性能要求3.1衍射效率全息图衍射效率的定义为：在全息光栅成像时，有效成像光通量与照射全息光栅的入射光通量之比，用η表示。

材料所能达到的最大衍射效率，是衡量一种材料有无全息存储潜力的重要因素。

材料的衍射效率越大，在同一体积上记录的多个全息图可分享的记录响应能力越强，从而每个全息图的衍射效率就越大，信息页面重构时的亮度越明显。

影响衍射效率的因素有材料的化学成分、记录光强及物光和参考光的光强比等。

3.2感光灵敏度感光灵敏度是指记录介质受到光照后，其响应的灵敏程度，一般定义为具有最大衍射效率时所需的曝光能量。

但由于各介质的最大衍射效率相差很大，所需的光照时间不同，这一定义不能准确反映材料对光照的响应灵敏度，所以全息记录材料的灵敏度定义为：在1mm厚的介质中记录衍射效率为1％的光栅所需要的能量密度(W)，单位为mJ/cm2。

光聚物的灵敏度与其化学成分有密切的关系，我们通常希望材料的灵敏度值越低越好。

3.3感光动态范围全息材料的感光动态范围即材料的最大折射率改变，是指当曝光时间与响应时间相比为足够长时，材料所达到的折射率变化。

材料的感光动态范围直接决定了高密度全息存储的衍射效率及材料可达到的最大存储容量。

该范围与材料的写人和擦除特性有关，一般来说，对某种材料要想充分利用其动态范围，必要的曝光时间必不可少。

3.4分辨率分辨率代表材料的分辨本领，是指它区分输入图像细节的能力，或它所能记录的光强空间调制的最小周期。

分辨率是每毫米分辨多少线对作为定量指标，单位为：线对/mm。

全息材料记录的是物光与参考光的干涉条纹，对分辨率的要求较高。

全息存储中，要求记录介质的分辨率大于全息图的分辨率。

3.5信噪比信噪比是衡量感光材料信息失真度和清晰度的指标。

材料噪声过大将严重损害再现数据的质量。

噪声来源于材料的缺陷和非均匀性造成的对输入信号的随机散射。

信噪比一直是人们用来描述信号质量的经典方法，通常定义为：S/N，其中S表示信号强度，N表示噪声强度。

3.6重复性及保存期全息记录材料的重复性是指信息可重复擦写的能力。

保存期是指全息材料对已记录信息的保存时间。

4 几种常见全息存储材料及其特性4.1卤化银乳胶卤化银乳胶是全息领域应用最早的记录材料，它用来制作传统的全息干板用感光层，主要由照相明胶、卤化银(AgCl，AgBr，AgI)及适当的添加剂(坚膜剂、增感剂、稳定剂等)构成。

卤化银乳胶一般用于作平面全息存储，但膜层较厚的卤化银乳胶在经过漂白处理后，介质内部产生折射率变化，因此也可以看作是体全息存储材料。

卤化银感光胶其显著优点是感光灵敏度高、分辨率高和信噪比高。

但银盐材料用于全息记录时获得的衍射效率偏低，而且银盐材料需要经过湿法显影处理。

卤化银乳胶已不能满足使用者越来越高的要求，尤其是它在全息领域的应用受到很大的限制。

4.2重铬酸盐明胶(DCG)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100％。

DCG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Cr6+与明胶胶合，形成DCG膜。

曝光时，在DCG膜吸收光后使六价铬离子Cr6+变为低价离子态Cr3+。

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DCG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，未曝光部分不像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。

4.3铌酸锂晶体(LiNbO3)铌酸锂晶体是一种无机光折变材料，属于铁电晶体类位相型存储材料。

它具有光折变效应，在光辐照下，具有一定杂技或缺陷的电光晶体内部形成与辐照光强空间分布对应的空间电荷分布，并且由此产生相应的空间电荷场。

空间电荷场通过线性电光效应(泡克尔斯效应)，在晶体内形成折射率的空间调制变化，产生折射率调制的位相光栅。

光折变晶体材料通常可做成几mm厚甚至cm量级，记录的全息图的选择角可以仅有百分之几度，因而可以在同一体积中记录大量的全息图而观察不到显著的串象噪音。

由于光折变材料中存储的信息可以用光学方法擦除，在多重存储过程中，每一次全息记录对于前面已经记录下来的全息图也有擦除效应，存储的全息图数目越多，每个全息图的衍射效率就越低。

所以，材料的存储容量不仅取决于晶体的厚度，还取决于所能提供的最大折射率改变(即动态范围)。

铌酸锂晶体作为最常用的折变材料，它的动态范围大，使得在给定晶体存储大容量全息图成为可能。

存储持久性长，并且可以固定(定影)。

它容易长成大尺寸的光学质量优良的晶体，其写入和灵敏度可以受掺杂浓度和外加电压的控制。

铌酸锂晶体用于全息存储材料的缺点是灵敏度相当低，制作工艺复杂，不利于市场化。

4.4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。