光全息存储原理与实验方法

信息与工程学院光信息科学与工程20051202020 韩文钦
光全息存储原理与实验方法
摘要
随着激光技术、材料科学以及光电器件研究的发展，光全息存储技术在记录密度、容量、数据传输率、寻址时间等关键技术上将有巨大的发展潜力，必将在本世纪成为信息产业中的支柱技术之一。

本文将系统地介绍光学数字数据全息存储的有关原理、技术实现、及光学信息存储系统的实例，以便了解信息存储的概念、方式和相关存储技术，认识光全息存储的基本原理，掌握三维体全息存储机理，了解光信息存储领域的研究现状与发展趋势。

Optical holographic storage theory and experimental methods
Abstract
With its tremendous potential in the main performances such as the storage density, capacity, data transfer rate, and access time, the optical storage will become consequentially an important candidate of key IT technologies in this century, due to the development of laser, material and photoelectronics technologies.
The papers of Optical Digital Holographic Storage introduces the
principle and implementation of optical digital data storage and also some example systems. The papers covers the concepts, manners and techniques of information storage; and also the basic principles of optical holographic storage and the volume holographic storage mechanism.
关键词（key words）：
光全息--Optical holography 存储器--storage 激光—laser
光学—optics 信息—information 全息图—hologram 探测器—detector
光存储介质的发展史
早在个人计算机出现以前的1972年，荷兰飞利浦公司推出了世界上第一台激光视盘机---LD(Laser Disc)，LD盘片作为数字时代来临的标志，可以说是世界上最早出现的光学存储器。

但是LD盘片巨大的体积，昂贵的价格，以及技术的不完善再加之家用磁带录像机的出现，LD没有得到推广，几乎无人问津。

但之后在其基础上出现的cd还是把我们带入了光存储时代。

（图1）第一部CD播放
机 Sony CDP-101
1981年，个人计算机出现，人们开始寻求信息存储介质，在当时软盘还是主流存储设备，1M的容量已经足够大部分人使用，但随着信息时代的临近，巨头商家知道软盘的寿命已为期不远。

1985年，Philips和Sony联手推出了计算机使用的CD-ROM标准黄皮书(Yellow Book)，从此开启了光存储时代的大门。

1993年飞利浦公司和JVC公司制定了VCD标准。

VCD全称为视频光盘(video compact disc)，利用MPEG-I压缩技术，在一张光盘上可记录74min的活动图像及立体声伴音，画质高于VHS录像机，光盘有了用武之地。

在1995年计算机业内最轰动的事件莫过于Windows 95的发布。

Windows 95是第一种用光盘发行的操作系统，虽然也有软盘版，但几十张软盘已经超出了用户的忍耐极限，光驱终于流行开来，
光存储设备也开始出现在我们的日常生活中。

之后的刻录机，dvd，以及新一代的蓝光dvd，hd-dvd，光存储技术开始大行其道。

（图2）最新一
代的HD DVD盘
随着光电信息技术的迅猛发展，超大容量的光学体全息存储成为继磁存储后的又一高新技术。

信息存储的高密度化的数据处理及高速化将是今后信息化社会发展的关键。

采用掺杂铌酸锂晶体制作成的海量存储器，已成为各国科研机构研究的热点，特别是半导体红光、蓝光激光器的研制成功，使光学体全息存储技术得到了迅猛发展，尤其是光折变晶体材料
具有体积小、存储容量大、传输速率快、
可并行计算等优点，受到了极大的重视。

美国的Imation公司、IBM公司、德国的拜
耳公司、日本的NTT 公司等，都投入了巨
额资金进行研制和开发。

2005年4月举行的
拉斯维加斯美国传播媒体展（NAB）上，美
国Inphase科技公司就展示了其成产的全
息存储驱动器：Tapestry驱动器及全息存
储碟片的原型。

（图3）光盘尺寸5.25英寸，容量300GB，
数据传输率20MB/s
光全息存储原理
如图4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涉图样
的复制品而存储下来。

存储下
来的干涉图样就是全息图，它
保存了物光的全部信息（包括
振幅和位相信息）。

（图4）全息图的记录与再现普通全息存储中存储和再现的是事物本身的全息图像，这是一种模拟存储方式，并非数字式存储。

而全息光盘存储则是数字存储方式：需要存储的数字信息经过编码后组成二维数据页，并被送到车间光调制器（Spatial Light Modulator，缩写为SLM）中。

组成M维数据页的"0"和"1"分别对应SLM像素阵列上的亮点和暗点，从而在SLM的像素阵列上形成了一幅二维数据页的图像（图5（a））。

（a）SLM上的二维数据页（b）数据信息的记录（c）数据信息的读出
(图5）全息数字式光存储中二维数据页、数据信息的记录和读出从激光器发出的激光穿过SLM而被二维数据页的图像所调制，并在存储材料中和参考光相遇，实现对数字信息的存储。

采用不同角度的参考光可以在同一存储材料的同一位置存储另外一幅完全不同的全息图，这就是全息光存储的一个重要技术特征——复用技术。

在复用情况下，一个角度的参考光对于一幅全息图。

当读出数据页时，用和存储该数据页所用参考光相间的光照射存储材料，光束与存储材料中的干涉图样
（全息图）发生衍射，衍射光成像于光电探测器阵列上并被转变为电信号，通过电通道传输到后续处理环节。

每一数据页都可以使用与记录时所用参考光相同的光准确地再现出来。

要确保可靠地存储数据以及准确地读出数据，必须要有高质量的成像系统引导复杂的波前贯穿存储材料，以备读出时恢复并成像到CCD上。

CCD上的数据页图像质量必须近乎理想，成像系统的任何光学像、色差或CCD的散焦都将使一个像素上的能量扩散到邻近的像素上。

光学失真或放大倍率错误也将使像素成像偏离预定的接受无件，从而导致读出的数据发生错误。

存储中的复用技术是全息光存储所特有的技术特征，采用合理的复用技术可以有效地增加系统的存储容量，提高存储系统的性能。

全息光存储中的复用技术主要包括空间复用、体积复用和混合复用三大类。

空间复用技术是将记录介质的二维平面划分成不同的区域，在每一个区域中单独存储一幅全息图。

空
间复用技术是发展得最早
的复用技术，主要适合于
平面型记录材料，存储材
料中的存储格式类似于硬
盘和光盘。

空间复用技术
的优点是：由于相邻的全
息图在空间并不重叠，因
此再现出的页面之间可以
完全避免串扰噪声，每个
全息图的衍射效率也都可
以达到单个全息图所能达（图6）多层薄膜波导结构全息原理图
到的最大衍射效率。

此外，由于存储的所有全息图都可以采用相同的参考光角度，因此系统的光路设计和构架相对简单。

单纯空间复用技术的主要缺点是不能充分利用存储材料的厚度来增加系统的存储容量，因此没有充分利用全息存储技术的潜力实现最大存储容量。

为了弥补空间复用技术的缺陷，人们提出了体积复用技术。

体积复用技术分为三种：角度复用、位相复用和波长复用。

下面我们分别进行介绍。

角度复用：这是一种使用最早，研究最为充分的复用技术，它利用了体积全息图的角度选择性，使不同的信息页面可以互不相干地叠加在同一个空间区域
内。

每幅全息图在记录和读出时所采用的物光和参考光的夹角都各不相同，但采用的激光波长是固定的。

对角度的调整可以通过旋转反光镜或声光偏转器来实现。

角度复用技术可以有效地增大存储容量，提高存储密度。

但角度复用存储的全息图数目越多，平均衍射效率就越低，并且由于串抗干扰的叠加将导致读出数据的信噪比下降，这些因素也影响和限制了角度复用技术可以实现的存储容量。

位相复用：为了克服角度复用技术串扰噪声较大的缺点，人们又提出了正交位相编码复用技术。

在这种复用技术中，参考光的波长和光束角度都是固定的，而位相编码一般使用确定性位相编码中的正交位相编码。

正交位相编码的概念是——每个全息图的参考光都是由一组平面波束的集合组成，对其中每个光束都进行纯位相调制，即相对位相延迟非0即π。

每组这样的光束集合代表一个存储图像的地址，且和其它所有地址都正交。

读出信息时，只有该地址参考光束对应的全息图的衍射效率最大，而对于其它全息图则是相消干涉，理论上其衍射效率均为零。

因此，位相复用技术可以提高读出过程中全息图的衍射效率，增加读出数据的信噪比，并且可以使对存储数据的寻址通过改变光束的位相而不是改变光束的方向来实现，从而使寻址过程更快。

波长复用：由于全息
图的再现对读出光的波长
也十分敏感，所以波长复
用也是全息光存储的主要
复用方式之一。

波长复用
也是基于全息光存储所具
有的布喇格角选择性，只
是此时每幅存储的全息图
是与一个特定的光源波长
相对应，记录和读出过程
中参考光和物光之间的夹
角保持不变。

（图7）TAPESTRY数据读取示意图最后，谈谈混合复用技术。

混合复用技术就是将上述几种复用方法结合使用，以便充分利用各种复用方法的优点，提高系统的存储容量。

主要的几种混合复用技术包括稀疏波长—角度复用、空间—角度复用以及空间—位相复用等等，在此不再赘述。

此外，随着技术的发展，人们又提出了一些新型的复用技术。

例如，1999
年V．Markov等人提出的静态散斑复用技术；2001年，清华大学提出了利用全
息光存储系统中随机相位极自身位移产生的动态散斑实现的动态散斑复用技术等。

相信随着科技的不断进步，会有更多优秀的复用技术得到开发和应用，从而可以更加充分地发掘全息光存储的存储潜力，实现大容量、高密度的数字存储。

光全息存储的实现
所谓的全息存储技术，实质上还是一种光盘存储
技术。

“全息”这一概念产生于1947年，当时匈牙利物
理学家、诺贝尔物理学奖获得者丹尼斯·嘉柏(Dennis
Gabor)为提高电子显微镜的分辨率提出了全息摄影术
（holography）。

“全息”意思是摄影时除记录波长
和强度以外，还记录物光的相位、物光的全部信息。

所以，全息摄影能使物体产生极其逼真的立体感觉，
立体电影就是在全息摄影技术的基础上发展而来的。

Dennis Gabor（1900～1979）全息摄影利用有四个镜头的特殊照相机，照相机的镜头能对准拍摄目标从不同角度进行拍摄，得到景物的立体照片。

全息摄影术能获得景物的每个细节辐射或反射光波的全部信息，拍出的照片任何一个局部都可以复现原照片的所有信息。

也就是说，即便把一张照片撕成碎片，只要有一个碎片，就可以复原原照片的整个图像。

因此，在那个时代，全息摄影术被称为“我们这个时代最伟大的发明之一”。

具有实用价值的全息摄影是在美国物理学家雷夫和于帕特倪克斯发明了激光后才得到实际应用。

高速全息摄影最快的每秒钟能拍40000张照片，能记录气体爆炸、内燃机点火等高速动作。

美国柯达公司和史宾物理公司合作研制出一种世界高速影像记录分析系统SP—2000。

它可以每秒拍成12000张照片，不但可拍摄到发射中的子弹的行进过程，甚至对蜂鸟的拍翼情景也能清晰记录下来。

可以说，全息摄影是照相技术和激光技术结合的产物。

60年代初，随着激光器的出现，Van Heerden提出了全息数据存储的概念。

在全息光存储中，数据信息是以全息图的形式被记录在存储材料中。

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。

目前在全息存储技术上出现了两种技术方案，一种方案由Inphase提供，采存储介质为两层光敏聚合物，介质厚度为1.5毫米，并被安置在了全息碟片的两层塑料外壳中间。

InPhase还研究了一种先进的多点记录技术，通过重叠数据的“书” 而不是重叠数据的页来创造更大的数据密度。

InPhase的多点记录技术消除了数据卷，因此增加了数据密度。

读取光头采用波长407nm的蓝色激光。

另一方案是日本企业Optware公司研发的同线全息技术（Collinear holography），其读写速度比传统DVD要高出40倍。

Optware计划于2006年6月推出容量达200GB的企业级可移动磁盘，初期的目标用户是医疗保健机构。

目前，Optware、FujiFilm和CMC Magnetics等厂商组建了一个全息多功能磁盘联盟，目的就是要实现该技术的标准化。

全息光存储系统的主要组成部分包括光源、空间光调制器（SL）、探测器阵列，以及变换透镜和相应的光学元件等。

系统的性能与这些组成部分的性能密切相关。

图8所示只是全息光存储系统的部分组件，另外还有复杂的光学系统，访问其它存储体的机械部件，控制系统的电子设备和实现编解码处理的存储通道等。

1—激光光源
2—SLM
3—光学整形元件
4—存储材料
5—探测器阵列
6—光学变换透镜（图8）全息光存储系统的组成
光源：用于全息光存储系统的光源必须具有高度的空间和时间相干性，以便在要求的空间形成干涉图样，并在曝光时间内保持干涉图样的稳定，因此一般都采用激光作为光源。

早期一般都使用体积庞大的Ar+气体激光器，其波长为514.5nm，输出功率高达5W。

随着存储材料所需记录功率的下降，以及全息技术
商品化的需要，人们逐渐使用微型LD双频泵浦全固体ND：YAG绿光激光器，其波长为532nm，输出功率在100mw左右。

据报道，在Optware和Inphase最新展示的系统中，则采用了新型的氮化镓（GaN）蓝光半导体激光器，其波长为405nm，输出功率可达30mw。

空间光调制器（SLM）：用于全息光存储系统的空间光调制器必须是二维的，但并不一定需要是彩色的。

此外，对空间光调制器还要求其具有高对比度和快速转换能力。

一般对比度能达到5：1就可以接受，越高当然越好。

而帧转换速度则要求能够达到1000帧/s，这样才能够达到100MB／s的数据传输率。

探测器阵列：它是全息光存储系统的一个重要组成部件，用于接收读出的图像并牛成相应电信号进入取阈、纠错和解调电路。

目前，所有全息光存储系统中采用的都是CCD光电转换元件。

CCD有线阵和面阵两种结构，在全息光存储系统中一段使用面阵结构的CCD器件，其主要的性能指标有：电荷转移效率、工作频率、噪声、暗电流、光灵敏度、量子效率、分辨率和动态范围。

此外，还需要考虑CCD器件和SLM之间的像素匹配程度，即如果SLM具有1024*1024个像素，像素尺寸是12.8μm，那么理想情况下希望 CCD器件也具有1024*1024个像素，且像素尺寸为12μm。

控制电路：图8中没有表示
出驱动光学部件的复杂电路，以
及编解码、纠错等电通道处理环
节，但是这些部分在整个全息光
存储系统中起着不可替代的重要
作用。

在信源方面，需要存储的
数字信息必须经过调制编码才能
形成二维的数据页。

而在系统的
另一端，CCD器件探测到的图像（图9）光存储示意图
信号只是伪数字信号，必须取阈值变为二值数据，再经过解调和纠错方能为人们所用。

此外，在记录和读出时还要求计算、控制激光的功率、复用情况。

曝光时间、对图像的处理以及纠正图像失真等。

这些都需要由控制电路加以快速、准确地控制，从而实现对数字信息的存储和准确读出。

光全息存储的实验设计
虽然光全息存储代表着最新一代的信息存储技术，但她对我们来说并不是遥不可攀的，我们可以利用现有的实验仪器设备和实验材料来进行简单的光全息存储实验。

下面我们就来设计一个能在我们实验室进行的全息照相实验。

【实验仪器】
JQX－1型激光全息实
验台，He-Ne激光器，光开
关及DBD－I电脑多功能曝
光定时器，分束镜一个，扩
束镜两个，全反射镜两个，
被摄物体（如：小鸡，小鸭
等）及放置物体的底座，全
息干版及底架，暗室技术使
用的设备。

（图10）实验仪器实物图
【全息照相过程】
全息照相分为两个过程
（一）波前的全息记录
利用干涉的方法记录物体散射的光波
在某一个波前平面上的复振幅分布，
这就是波前的全息记录。

通过干涉方
法能够把物体光波在某波前的位相分
布转换成光强分布，从而被照相底片
记录下来，因为我们知道，两个干涉
光波的振幅比和位相差决定着干涉条
纹的强度分布，所以在干涉条纹中就
包含了物光波的振幅和位相信息。

典
型的全息记录装置如图2所示：从激（图11）漫反射全息光路图
光器发出的相干光波被分束镜分成两束，一束经反射、扩束后照在被摄物体上，经物体的反射或透射的光再射到感光底片上，这束光称为物光波；另一束经反射、扩束后直接照射在感光底片上，这束光称为参考光波。

由于这两束光是相干的，所以在感光底片上就形成并记录了明暗相间的干涉条纹。

干涉条纹的形状和疏密
反映了物光的位相分布的
情况，而条纹明暗的反差
反映了物光的振幅，感光
底片上将物光的信息都记
录下来了，经过显影、定
影处理后，便形成与光栅
相似结构的全息图——
全息照片。

所以全息图不
是别的，正是参考光（图12）实验装置实物图
波和物光波干涉图样的记录。

显然，全息照片本身和原是物体没有任何相似之处。

（二）物光波前的再现
（图13）物光波再现光路图物光波前的再现利用了光波的
衍射，如图3所示。

用一束参考光
（在大多数情况下是与记录全息图
时用的参考光波完全相同）照射在
全息图上，就好像在一块复杂光栅
上发生衍射，在衍射光波中将包含
有原来的物光波，因此当观察者迎
着物光波方向观察时，便可看到物
体的再现像。

这是一个虚像，它具
有原始物体的一切特征。

此外还有一个实像，称为共轭像。

应该指出，共轭波所形成的实像的三维结构与原物并不完全相似。

【实验内容与步骤】
一、全息记录
1．调节防震台。

分别对三个低压囊式空气弹簧充
气，注意三个气囊充其量要大致相同，然后成
等腰三角形放置，气嘴应向外。

然后再把钢板
压上。

用水平仪测量钢板的水平度，如果不平，
可稍稍放掉一些某个气囊中的空气，知道调平
为止。

2．打开激光器，参照图2摆好光路，使光路系统
满足下列要求：
（1）物光和参考光的光程大致相等；（图14）虚像再现实物图
（2）经扩束镜扩展后的参考光应均匀照在整个底片上，被摄物体各部分也应得到较均匀照明。

（3）使两光束在底片处重叠时之间的夹角约为450。

（4）在底片处物光和参考光的光强比约为1:2 ～ 1:6。

3．关上照明灯（可开暗绿灯），
确定曝光时间，调好定时曝
光器。

可以先练习一下快门
的使用。

4．关闭快门挡住激光，将底片
从暗室中取出装在底片架
上，应注意使乳胶面对着光
的入射方向。

静（图15）被拍摄的小鸡置三分钟后进行曝光。

曝光过程中绝对不准
触及防震台，并保持室内安静。

5．显影及定影。

显影液采用D－19，定影液采用F－5。

它们由实验室提供。

如室温较高，显影后底片应放在5%冰醋酸溶液中停显后再定影。

显影定
影温度以20摄氏度最为适宜。

显影时间2～3分钟，定影时间5～10分
钟。

定影后的底片应放在清水中冲洗5～10分钟（长期保存的底片定影
后要冲洗20分钟以上），晾干。

二、物像再现
将全息照片放回原处，遮住物光，用参考光束照亮全息片，可观察到：
（1）物的虚像−＋1级衍射光，在全息片后，用眼睛直接地观察，在原物处有物的虚像。

改变
观察角度，看到虚像会有角
度上的变化。

（2）物的共轭像−―1级衍射
光（在0级光的另一侧），
用毛玻璃屏接收物体的共轭
实像。

（图16）得到的全息图样
【实验注意事项】
为了实现全息照相，实验装置必须具备下述的三个基本条件：
1．一个好的相干光源。

全息原理是在1948年就已提出，但由于没有合适的光源而难以实现。

激光的出现为全息照相提供了一个理想的光源，这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性。

本实验用多纵模He-Ne激光器，其波长为632.8 nm，其相干长度约为20 cm。

为了保证物光和参考光之间良好的相干性，应尽可能使两光束的光程接近，一般要求光程差不超过4cm，以使光程差在激光的相干长度内。

2．一个稳定性较好的防震台。

由于全息底片上所记录的干涉条纹很细，相当于波长量级，在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊，不能形成全息图，因此要求整个光学系统的稳定性良好。

从布拉格法则可知：条纹宽度
⎪⎭⎫ ⎝⎛=2sin 2θλ
d ，由此公式可以估计一下条纹的宽度。

当物光与参考光之间的
夹角︒=60θ时，nm 8.632=λ，则m d μ6328.0=。

可见，在记录时条纹或底片移动1 μm ，将不能成功地得到全息图。

因此在记录过程中，光路中各个光学元件（包括光源和被摄物体）都必须牢牢固定在防震台上。

从公式可知，当θ角减小时，d 增加，抗干扰性增强。

但考虑到再现时使衍射光和零级衍射光能分得开一些，θ角要大于300，一般取450左右。

还有适当缩短爆光时间，保持环境安静都是有利于记录的。

3．高分辨率的感光底片。

普通感光底片由于银化合物的颗粒较粗，每毫米只能
记录几十至几百条，不能用来记录全息照相的细密干涉条纹，必须采用高分辨率的感光底片（一般采用条纹宽度d 的倒数表示空间频率或感光材料的分辨率）。

我们采用的是天津感光胶片厂出品的GS-I 型红光干版。

其极限分辨率为3000条每毫米。

其实，要获得最终的全息图，充分了解和学习感光底片的显影、定影、冲洗等有关摄影的暗室技术知识也是不可缺少的。

【附录】
（一）D －19显影液
1．配方：
（1）温水500C 800 ml
（2）米土尔 2 g
（3）无水亚硫酸钠 72 g
（4）对苯二酸 8.8 g
（5）无水碳酸钠 4.8 g
（6）溴化钾 4 g
2．配制：
将上述药品按配方顺序放入容器中，同时充分搅拌，每加一种药完全溶解后，再加另一种药品。

否则所配的显影液容易产生浑浊而效果差，最后加水至1000ml 充分混合，室温4摄氏度避光保存。

（二）F-5定影液
1．配方：
（1）温水60-700C 600 ml
（2）结晶硫代硫酸钠 240 g
（3）无水亚硫酸钠 15 g
（4）醋酸30% 45 ml
（5）硼酸 7.5 g
（6）铝钾钒 15 g。