光子存储技术

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4、全息式和其他多维形式 通过角度、位相、波长和空间等多功能实现全息式光存储。 存储密度可达1012-1013bit/cm3。
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光子储存技术 1、光致变色存储 2、光谱烧孔存储 3、电子俘获光存储 4、光折变存储
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一、光致变色存储 光致变色现象是指一个化合物（A），在收到一定波长的 光照射时，可进行特定的化学反应或物理效应，获得产物 （B），由于结构的改变导致其吸收光谱发生明显的变化。 而在另一波长的光照射或热的作用下，产物（B）又能恢复 到原来的形式。如下式所示： 光 A 光或热
光子存储技术
数据储存： 利用储存介质的双稳态特性，来分别代表数据信息“0”
和“1”。
光存储：
利用光学方法来改变材料的状态，即进行数据写入和利用
光作为载体进行数据读出。
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利用光的热效应来改变物质 的状态；也可以利用光将材 料激发到激发态，利用激发 态的特征进行双态存储。 双态存储（右图）：
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读出过程利用了光过程的衍 射，再次利用参考光照明全息图 使衍射光束经受空间调制，从而 精细地复现出写入过程中与此参 考光干涉的物光束的波面，这就 是全息图的再现过程，如图6-12。
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2、光折变效应 光折变效应：即光致折射率变化效应，指在介质在光场的作用下， 通过电光效应使其折射率呈现空间不均匀变化的现象。 1966年Ashkin等人将激光束聚焦在铁电材料（LiNbO3和 LiTaO3）上进行光倍频实验时，意外的发现强光辐射会引起折射 率的变化，从而严重破坏了相位匹配条件。
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记录介质上，靠光子与介质之间的相互作用完成信息记录。
一个斑点即一个信息位。
波长越短，斑点越小。
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2、矢量式
通过激光一维列阵实现的。
从一个斑点扩展到一条线。
具有较高的带宽。
具有高记录密度和高处理速度的特点。
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3、图像式 从记录一条线扩展为同时记录一个平面图像。 通过激光二维列阵实现记录格式。 更大容量，更高速度。
优点
高密度存储 响应快 擦写次数多 制备方便 造价低 应用方便灵活
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电子俘获光存储写入与读出简单原理如图6-10所示
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过程1表示晶体受电离辐射产生跃过禁带的自由电子和空穴； 过程2、4表示自由电子被俘获并暂时存储在陷阱中； 过程3、5表示存储在陷阱中的电子和空穴在受可见光或红 外光激励时跃迁出陷阱，又处于自由状态；
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B
光致变色前后的状态A和B通过分子和材料的设计， 可以 实现不同时间刻度的双稳。从信息存储的角度来看 ，合适 能量的光子作用到A上使其变为B即可完成存储过程，在另一 种能量的光子或热的作用下所记录的信息可以被擦除。由此 可见，光致变色材料非常适合于可擦重写型光存储。
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假定光折变介质含有一定类型的杂质和缺陷，所有的施主杂质占据同一个深能 级。 （1）这些施主杂质通过吸收光而电离，光电子被激发至导带，可通过扩散或 漂移在导带中运动。
（2）被电离的施主成为未被电子占据的空态，它们可作为俘获光电子的陷阱。
（3）当光电子迁移至暗区时，被该出的陷阱复合，形成空间电荷的分离。 （4）分离的空间电荷在晶体内建立了空间电荷场，空间电荷场通过电光效应 在晶体内引起与入射光强的空间分布相对应的折射率变化。
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3、光折变存储
图6-15中存储介质为理想配比的1mm厚 的掺镨铌酸锂晶体，掺杂浓度为0.2%， 写入光波长为800nm。该光束经分束后， 一束作为参考光，另一束经空间光调制器 SLM后携带数字信息作为物光束。掺镨铌 酸锂晶体置于物光束和参考光的相干场中。 在476nm门光束的均匀照射下，晶体中发 生光折变过程，这样就记录了物光束中的 数字信息。图中晶体绕垂直轴转180。， 可实现位相共轭读出，并由电荷耦合器件 CCD将数据并行传到计算机中。
0态物质在一种光子作用下
可变为1态物质，而1态物质在
另一种能量的光子作用下又可
返回到0态。
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光子存储是基于光子同记录介质的直接相互作用，即记录介质首先吸收光子。 这种光被物质吸收的过程非常快，达飞秒量级，其结果首先是导致一种短命激发 态的形成，进而发生状态或结构的变化，即从1态转变为0态。
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二、 光谱烧孔存储 基本原理 利用不同格位或环境的原子分子对不同频率的光吸收率不 同来加以识别。 用激光作为光源激发一部分原子，使他们到达激发态，留 在基态上的数目明显减少。因此，吸收光谱内出现一个凹 陷，这种现象称为光谱烧孔。
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烧孔分类
按照过程中是否发生了化学变化，烧孔可分为光化学烧孔和光物理烧 孔。
的有无表示。
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三、电子俘获存储
基本原理： 一种光激励发光现象。 光激励发光是指材料受到辐射时，产生的自由电子和空穴 被俘获在晶体内部的陷阱中，从而将辐射能量存储起来， 当受到光激励时，这些电子和空穴脱离陷阱而复合发光。 因而这种材料被形象地称为“电子俘获材料”。
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光物理烧孔：把单电子从基态激发到激发态，在吸收光谱中得到孔
是光物理烧孔。这种孔是瞬态孔，烧孔光撤除以后，孔将以一定的
速率恢复；
光化学烧孔：在光化学烧孔中，离子或分子的结构或价态发生变化。
如果物质发生了分解，这种变化就不可恢复了。
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如图6-9所示，改变激光 频率可以在非均匀线形内不 同频率上烧出孔。将信息在 频率上编码，如图中 1110101，每一位分别对应 不同的频率，1和0分别用孔
④ 能与半导体激光器匹配使用。
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（2）双光子三维存储
①双光子信息的记录与读出 双光子三维存储方法有两种：一是垂直双光束写入，如图 6-5（a）；一是相对相遇双光束写入，如图6-5（b）。
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②双光子影像记录与读出
把要存储的图像或信
息置于一束光束中，将其
透射或反射光谱引入到三 维存储器，另一束光通过 圆筒聚焦器，将其引入三 维存储器。
这种光子同物质或记录介质之间的直接作用基础上的存储方式，决定了它的
最大优点在于超高记录速度、超高密度和超高分辨率。
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光子存储记录方式 1、斑点式 2、矢量式 3、图像式 4、全息式和其他多维形式
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1、斑点式 最常见的技术。
将激光通过一个圆形透镜将其聚焦成为一个斑点，作用到
过程6、7、8表示这些自由电子和空穴可以在材料中的某 些发光中心离子的局域能级上发生复合，而把它们所带的 能量释放出来从而完成整个读出及写入过程。
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电子俘获光存储材料
1、MFX类型材料 （M=Ba、Sr、Ca，X=Cl、Br） 2、碱土金属硫化物电子俘获材料 （Sr:eU，Sm及CaS:eU，Ce等双稀土掺杂） 3、其他类型电子俘获材料
（1）有机光致变色信息存储 原理：光诱导的吸收光谱可逆变
化。
保护层：起到保护反射层的作用。
反射层：喷镀的金属膜，读取数据 时用来反射激光。 盘基：是透明聚碳酸脂材料。
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有机光致变色存储介质应具备以下条件：
① 有良好的抗疲劳性能；
② 热稳定性好，能长期保存信息；
③ 灵敏度高，能快速写入和擦除信息；
全息术包括两个过程：记录与再现
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全息记录的一般光路如图6-11所示。自激光器输出的光束经分束 器BS分为两束：一束经反射镜M1反射和透镜L1扩束后投射到记录介质 H上作为参考光R，另一束经M2反射和L2扩束后照射到物体上，再经物 体表面的漫反射作为物光波也投射在记录介质上，形成物光O。参考 光和物光相干，将记录介质置于该干涉场中，于是就将物光波的全部 信息以干涉条纹的形式记录下来，这就是波前记录过程。
（KCl:eU2+，KBr：Eu2+等）
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四、光折变存储
光折变存储主要指将光折变材料用于光全息存储，因此在 介绍光折变存储之前先简单的介绍一下全息存储。
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1、全息图的记录与再现
全息存储是依据全息学的原理，将信息以全息照相的方式 存储起来；
全息照相则是把物光的强度分布和位相分布完整的记录下 来，由于记录了物体的全部信息，因此我们把这种照相技术 称为全息照相术或全息术。