(光存储原理与应用)第二章全息光存储
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2020/10/4
存储数 据
信息光
通过干涉存 储了数字信
号
2020/10/4
全息加密技术
空间光调制器
加密码
参考光
相位调制的参考光 （个人信息）
个人信息
高度安全的全 息存储技术
2020/10/4
思考
• 从全息的原理来看，如何提高全息存储的 容量？
2020/10/4
全息复用
Dt=12 ns
2020/10/4
• 也就是相当于四个波的累加
t•p R 思 ？(x 考,y ：)加 入(tb 重 构B 波O O 就* 是)R 用 参B 考R 2 光O ，* 会B 得R 到2 什O 么
2020/10/4
衍射再现
• 此时重构场可以整理为三项
R (x ,y )tp (tb B* O )R B O 2 O R * B R 2 O
2020/10/4
点源的全息
点源全息的构建模式 实用中点源可以被任意物体取代，来记录物体信息
全息记录板
参考平面光 x
感光盘
1. 记录干涉图案 2. 感光乳剂有小颗
粒表面 (要求)
z y2020/10/4
物光 – 球面波
2020/10/4
干涉记录:
• 参考光Reference
wave
R ( x , y , z ) R ( x , y , z ) ex p j kr r
2020/10/4
2020/10/4
液晶光阀：不加 电液晶分子取向 杂乱，光不能通 过；加电分子取 向一致，可以通 过——开关作用
2020/10/4
思考：如何使用液晶光阀实现灰阶图 像调整
• 每个像素靠加电和不加电，分别只对应透 过和不透过两种状态，那么如何获得灰阶 图像调制？
2020/10/4
空间光调制器（SLM）
• 空间光调制器是一类能将信息加载于一维 或两维的光学数据场上，以便有效的利用 光的固有速度、并行性和互连能力的器件 。
• 这类器件可在随时间变化的电驱动信号或 其他信号的控制下，改变空间上光分布的 振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或 者把非相干光转化成相干光。由于它的这 种性质，可作为实时光学信息处理、光计 算和光学神经 网络等系统中构造单元或关
2020/10/4
2020/10/4
2020/10/4
Holographic Versatile Disc structure
1. Green writing/reading laser (532 nm)
2. Red positioning/addressing laser (650 nm)
3. Hologram (data)
2020/10/4
2020/10/4
技术比较
• 记录读取原理差异：现有光存储通过刻槽 数字记录；全息则通过干涉写入，衍射读 出。
• 记录媒介差异：现有光存储信息记录在金 属膜上，为二维记录；而全息信息则直接 写在感光媒介内，为体记录；
• 使用寿命差异：普通存储光盘寿命约10年 ；全息存储光盘能达到50-100年。
ttbB(O2O*RO*)R
• tb – 由于 |R|2 项产生的背景光 • B – 记录及定影过程相关的强度效率常数
2020/10/4
衍射再现
ttbB(O2O*RO*)R
• 衍射再现：当用一个相干光 A(x,y)（通常被称 为重构波）照射全息片时， 最终的衍射场可以
t表p A 示( x 为,y ：) tb A B O O * A B O * R A B O R * A
(HODS) 或全息数据存储 Holographic Data Storage System (HDDS)
– 目前最可预见的下一代光存储技术 – 图像存储而非数字存储 – 同一媒介可以多次存储
• Tbit的存储技术
2020/10/4
全息光存储？
• 当前的光盘存储和磁光存储已经接近了极 限 – 磁密度极限 – 模斑尺寸极限-光波长极限 • 衍射极限
with
a
194 7 2020/10/4
196 196 196 196 024 8
199 200
4
0
全息技术应用经历的三个时代
• 第一代,只能在单色光下再现的全息图; • 第二代, 可在白光下再现的全息图, 它主要包括两大类型, 第一类是1962
年由前苏联人丹尼苏克发明的反射式全息图, 这种全息图由于它的层状 结构, 不能形成浮雕条纹, 难以快速复制, 故目前主要用于装饰品,“激光 宝石”即是这类全息图; • 另一类全息图是1969 年由美国人Beton 发明的彩虹全息图; 这类全息图 由于衍射效率高, 制作过程简单, 特别是能够形成浮雕状条纹, 故得到快 速发展,目前在全息领域占有重要地位; • 第三代, 压印在薄膜上的模压全息图。正是由于模压全息图能大批量地 快速复制, 且成本低廉, 才使全息图最终走出实验室, 进入人们社会生活 的很多领域。模压全息图除了可用于贺卡、艺术图片、邮件、广告外, 最重要的应用是在防伪领域。目前, 很多国家的护照、身份证、信用卡 、商标、商品包装上都有模压全息图做为防伪标识。 • 模压全息图的制作过程可分为: 激光摄制; 电成型; 模压。
MIRROR STRIPS
MIRROR
LENS
CRYSTAL
LENS
HOLOGRAM READER
hologram reader 全息图读写器 scanner assembly 扫描组件 beam splitter 电子（射）束 分裂器
在全息存储系统里，激光被分为两束 ，一束用 于调制信号，一束平行光作为参考光，两束光干 涉将信息记录在全息媒介里。
2020/10/4
词根起源
• Hologram 来自希腊语 holos, 意思为 whole ，后一半gramma 意思为 message
• 全息——全部的信息
2020/10/4
思考：为什么叫全部的信息？
•思考：常规成像技术丢失了 什么？
2020/10/4
2020/10/4
思考这种特 效照片的产 生原因
• 思考：如何实现彩色成像？
2020/10/4
全息种类 – 反射式 vs. 透射式
• 透射式全息: 参考光和物光在全息片的同一侧 • 反射式全息: 参考光和物光在全息片的两侧
2020/10/4
透射式
反射式
Biblioteka Baidu
简介
• 全息：干涉记录-衍射再现 • 全息光存储Holographic Optical Storage
8. Aluminium reflective layer (reflecting red light)
9. Transparent base
2020/10/4
思考：如何提高全息存储的安全性？
ttbB(O2O*RO*)R
tp A ( x ,y ) tb A B O O * A B O * R A B O R * A
4. Polycarbon layer
5. Photopolymeric layer (data-containing layer)
6. Distance layers 7. Dichroic layer (reflecting green light)
Picture of a HVD by Optware
物体虚像
2020/10/4
共轭波
带系数的 参考光
实像
WHY?
• 全息图形的每一部分都 是接受了物体发出的全 部光, 所以全息图形随 便割下一块，仍能恢复 出全部物体信息
2020/10/4
全息对波长的依赖
• 思考：当用一个白光作为衍射光照 射全息片时，在上图虚像方向将会 有什么现象？
• 全息片相当于一个相位光栅，会有 衍射、色散的效果
全息光存储
2020/10/4
2020/10/4
2020/10/4
全息存储
SPATIAL-LIGHT MIRROR MODULATOR
BEAM SPLITTER LASER
LENS LENS
SCANNER ASSEMBLY
MIRROR OBJECT BEAM
BEAM SPLITTER
REFERENCE BEAM LENS
• 物光Object waveO ( x, y , z ) O ( x, y , z ) ex p j kr o
• 干涉强度分布
其中
r x2 y2 z2
I(x, y) O R 2 OO* RR* OR* O*R
2020/10/4
干涉记录
• 当用介质记录干涉信息时，依赖于记录强度分布 ，以及记录转换效率，将得到一个干涉条纹决定 的相位光栅
• 存储容量差异：单张普通光盘在可见光范 围内最高容量少于100Gbit；单张全息光盘 202容0/10/量4 可达500-1000Gbit
体存储
01 0 1 0 0 100 10 01 0101 0
1 010
2020/10/4
2020/10/4
思考：全息光存储光学系统如何构成？
2020/10/4
全息背景知识
• 回忆：何谓全息？ • 全息：两束光（平面波或球面波）
干涉记录，一束为空白参考光，一 束经过光调制，带有信息，再使用 其中一束光照射记录好的图像，通 过衍射再现信息。 • 概况：干涉记录，衍射再现
2020/10/4
The Tale
"Train laser.
and
BEUimrpdwam"thniesiitetettkhLlsDGeiegihfeatihrtsnbtatrnoanhnirdossloJmugirrsiassmionevheorlomgaradme
• 光存储如果要继续发展，只能寻求替代技 术
2020/10/4
Practical Solution or Toy?
• 目前出现的技术中最可行的一种 • 超高的存储密度、超长的存储寿命 • 超快的接入可能
– 保守估计至少 10 of MBit/sec and 有望 达到几百 MBit/sec
• 小尺寸
参考波 – 和参 考光分布相同 ，只是多了个
常数因子
2020/10/4
共轭物波 – 物光的复共 轭，只不过 有个 2 的
角度偏移
物波 – 除了一 个强度系数， 分布和物光完
全相同
衍射再现的三项场分布
使用斜入射平面参考光和球面物光记录后，再用参考光入射再现，获得的衍射波 强度分为三部分：
参考波 物波
Changing object
1.45mm X 1.06mm
存储数 据
信息光
通过干涉存 储了数字信
号
2020/10/4
全息加密技术
空间光调制器
加密码
参考光
相位调制的参考光 （个人信息）
个人信息
高度安全的全 息存储技术
2020/10/4
思考
• 从全息的原理来看，如何提高全息存储的 容量？
2020/10/4
全息复用
Dt=12 ns
2020/10/4
• 也就是相当于四个波的累加
t•p R 思 ？(x 考,y ：)加 入(tb 重 构B 波O O 就* 是)R 用 参B 考R 2 光O ，* 会B 得R 到2 什O 么
2020/10/4
衍射再现
• 此时重构场可以整理为三项
R (x ,y )tp (tb B* O )R B O 2 O R * B R 2 O
2020/10/4
点源的全息
点源全息的构建模式 实用中点源可以被任意物体取代，来记录物体信息
全息记录板
参考平面光 x
感光盘
1. 记录干涉图案 2. 感光乳剂有小颗
粒表面 (要求)
z y2020/10/4
物光 – 球面波
2020/10/4
干涉记录:
• 参考光Reference
wave
R ( x , y , z ) R ( x , y , z ) ex p j kr r
2020/10/4
2020/10/4
液晶光阀：不加 电液晶分子取向 杂乱，光不能通 过；加电分子取 向一致，可以通 过——开关作用
2020/10/4
思考：如何使用液晶光阀实现灰阶图 像调整
• 每个像素靠加电和不加电，分别只对应透 过和不透过两种状态，那么如何获得灰阶 图像调制？
2020/10/4
空间光调制器（SLM）
• 空间光调制器是一类能将信息加载于一维 或两维的光学数据场上，以便有效的利用 光的固有速度、并行性和互连能力的器件 。
• 这类器件可在随时间变化的电驱动信号或 其他信号的控制下，改变空间上光分布的 振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或 者把非相干光转化成相干光。由于它的这 种性质，可作为实时光学信息处理、光计 算和光学神经 网络等系统中构造单元或关
2020/10/4
2020/10/4
2020/10/4
Holographic Versatile Disc structure
1. Green writing/reading laser (532 nm)
2. Red positioning/addressing laser (650 nm)
3. Hologram (data)
2020/10/4
2020/10/4
技术比较
• 记录读取原理差异：现有光存储通过刻槽 数字记录；全息则通过干涉写入，衍射读 出。
• 记录媒介差异：现有光存储信息记录在金 属膜上，为二维记录；而全息信息则直接 写在感光媒介内，为体记录；
• 使用寿命差异：普通存储光盘寿命约10年 ；全息存储光盘能达到50-100年。
ttbB(O2O*RO*)R
• tb – 由于 |R|2 项产生的背景光 • B – 记录及定影过程相关的强度效率常数
2020/10/4
衍射再现
ttbB(O2O*RO*)R
• 衍射再现：当用一个相干光 A(x,y)（通常被称 为重构波）照射全息片时， 最终的衍射场可以
t表p A 示( x 为,y ：) tb A B O O * A B O * R A B O R * A
(HODS) 或全息数据存储 Holographic Data Storage System (HDDS)
– 目前最可预见的下一代光存储技术 – 图像存储而非数字存储 – 同一媒介可以多次存储
• Tbit的存储技术
2020/10/4
全息光存储？
• 当前的光盘存储和磁光存储已经接近了极 限 – 磁密度极限 – 模斑尺寸极限-光波长极限 • 衍射极限
with
a
194 7 2020/10/4
196 196 196 196 024 8
199 200
4
0
全息技术应用经历的三个时代
• 第一代,只能在单色光下再现的全息图; • 第二代, 可在白光下再现的全息图, 它主要包括两大类型, 第一类是1962
年由前苏联人丹尼苏克发明的反射式全息图, 这种全息图由于它的层状 结构, 不能形成浮雕条纹, 难以快速复制, 故目前主要用于装饰品,“激光 宝石”即是这类全息图; • 另一类全息图是1969 年由美国人Beton 发明的彩虹全息图; 这类全息图 由于衍射效率高, 制作过程简单, 特别是能够形成浮雕状条纹, 故得到快 速发展,目前在全息领域占有重要地位; • 第三代, 压印在薄膜上的模压全息图。正是由于模压全息图能大批量地 快速复制, 且成本低廉, 才使全息图最终走出实验室, 进入人们社会生活 的很多领域。模压全息图除了可用于贺卡、艺术图片、邮件、广告外, 最重要的应用是在防伪领域。目前, 很多国家的护照、身份证、信用卡 、商标、商品包装上都有模压全息图做为防伪标识。 • 模压全息图的制作过程可分为: 激光摄制; 电成型; 模压。
MIRROR STRIPS
MIRROR
LENS
CRYSTAL
LENS
HOLOGRAM READER
hologram reader 全息图读写器 scanner assembly 扫描组件 beam splitter 电子（射）束 分裂器
在全息存储系统里，激光被分为两束 ，一束用 于调制信号，一束平行光作为参考光，两束光干 涉将信息记录在全息媒介里。
2020/10/4
词根起源
• Hologram 来自希腊语 holos, 意思为 whole ，后一半gramma 意思为 message
• 全息——全部的信息
2020/10/4
思考：为什么叫全部的信息？
•思考：常规成像技术丢失了 什么？
2020/10/4
2020/10/4
思考这种特 效照片的产 生原因
• 思考：如何实现彩色成像？
2020/10/4
全息种类 – 反射式 vs. 透射式
• 透射式全息: 参考光和物光在全息片的同一侧 • 反射式全息: 参考光和物光在全息片的两侧
2020/10/4
透射式
反射式
Biblioteka Baidu
简介
• 全息：干涉记录-衍射再现 • 全息光存储Holographic Optical Storage
8. Aluminium reflective layer (reflecting red light)
9. Transparent base
2020/10/4
思考：如何提高全息存储的安全性？
ttbB(O2O*RO*)R
tp A ( x ,y ) tb A B O O * A B O * R A B O R * A
4. Polycarbon layer
5. Photopolymeric layer (data-containing layer)
6. Distance layers 7. Dichroic layer (reflecting green light)
Picture of a HVD by Optware
物体虚像
2020/10/4
共轭波
带系数的 参考光
实像
WHY?
• 全息图形的每一部分都 是接受了物体发出的全 部光, 所以全息图形随 便割下一块，仍能恢复 出全部物体信息
2020/10/4
全息对波长的依赖
• 思考：当用一个白光作为衍射光照 射全息片时，在上图虚像方向将会 有什么现象？
• 全息片相当于一个相位光栅，会有 衍射、色散的效果
全息光存储
2020/10/4
2020/10/4
2020/10/4
全息存储
SPATIAL-LIGHT MIRROR MODULATOR
BEAM SPLITTER LASER
LENS LENS
SCANNER ASSEMBLY
MIRROR OBJECT BEAM
BEAM SPLITTER
REFERENCE BEAM LENS
• 物光Object waveO ( x, y , z ) O ( x, y , z ) ex p j kr o
• 干涉强度分布
其中
r x2 y2 z2
I(x, y) O R 2 OO* RR* OR* O*R
2020/10/4
干涉记录
• 当用介质记录干涉信息时，依赖于记录强度分布 ，以及记录转换效率，将得到一个干涉条纹决定 的相位光栅
• 存储容量差异：单张普通光盘在可见光范 围内最高容量少于100Gbit；单张全息光盘 202容0/10/量4 可达500-1000Gbit
体存储
01 0 1 0 0 100 10 01 0101 0
1 010
2020/10/4
2020/10/4
思考：全息光存储光学系统如何构成？
2020/10/4
全息背景知识
• 回忆：何谓全息？ • 全息：两束光（平面波或球面波）
干涉记录，一束为空白参考光，一 束经过光调制，带有信息，再使用 其中一束光照射记录好的图像，通 过衍射再现信息。 • 概况：干涉记录，衍射再现
2020/10/4
The Tale
"Train laser.
and
BEUimrpdwam"thniesiitetettkhLlsDGeiegihfeatihrtsnbtatrnoanhnirdossloJmugirrsiassmionevheorlomgaradme
• 光存储如果要继续发展，只能寻求替代技 术
2020/10/4
Practical Solution or Toy?
• 目前出现的技术中最可行的一种 • 超高的存储密度、超长的存储寿命 • 超快的接入可能
– 保守估计至少 10 of MBit/sec and 有望 达到几百 MBit/sec
• 小尺寸
参考波 – 和参 考光分布相同 ，只是多了个
常数因子
2020/10/4
共轭物波 – 物光的复共 轭，只不过 有个 2 的
角度偏移
物波 – 除了一 个强度系数， 分布和物光完
全相同
衍射再现的三项场分布
使用斜入射平面参考光和球面物光记录后，再用参考光入射再现，获得的衍射波 强度分为三部分：
参考波 物波
Changing object
1.45mm X 1.06mm