三維光信息存儲的方法

寧夏育才中學 張小明

隨著信息科學的迅猛發展，人們對數據存儲器的存儲密度和存儲容量的要求也在不斷提高。對超高密度、大容量數據存儲方法的研究是當前信息科學重要的研究熱點之一。現在已經出現的三維光存儲有：將體空間的Z軸作為第三維的雙光子吸收光存儲，飛秒脈沖激光體存儲，將頻率作為附加的第三維的光譜燒孔存儲，將參考光的入射角度和相位作為第三維的光存儲等。光存儲由二維到三維，存儲密度提高了幾個數量級，同時也帶來了許多問題，如雙光子吸收的室溫下保存時間只有幾小時，飛秒脈沖體存儲的寫入速度等問題。

一、三維關信息存儲的方法

1.雙光子吸收存儲

雙光子吸收體存儲原理是介質中的分子同時吸收兩個光子而被激發到較高能級上。在吸收過程中，任何一個波長的光子都不能使分子激發躍遷。兩束光必須在時間空間相互重疊，波長可以相同也可以不同。利用雙光子吸收的光存儲能夠提高層與層的抗干擾能力，能夠將信息寫到焦平面上而不會對超出瑞利范圍的鄰近層產生干擾。雙光子吸收光存儲是基于分子能級的躍遷，材料響應時間可以達到皮秒量級，能夠實現告密度體存儲，理論上的分辨極限可以達到分子尺度。

2.光譜燒孔存儲

光譜燒孔存儲技術的基本原理是將頻率作為存儲的第三維。分子對不同頻率光線的吸收是不同的，不同分子組團有不同頻率的吸收光帶，每一光帶的半寬度叫做均勻線寬。各組團的吸收的吸收光帶疊加而成的展寬光帶稱為材料的非均勻吸收光帶，他的物理機制是，基態E1粒子在激光照射下會被激發到激發態E2，粒子從E1到E2會出現吸收飽和現象。若用激光掃描吸收線，在吸收譜線上出現凹陷即“孔”。為防止信息讀出時，讀出光束使頻率Vi處未寫入的分子組團發生光物化反應，發生信息串擾。

3.激光全息存儲

激光全息存儲將參考光的入射角度和相位作為第三維存儲。其基本原理是物光和參考光相疊加形成干涉圖象。參考光為數據讀出設計，物光攜帶欲寫入的數據信息。由于干涉條紋的強光分布包含著物光振幅和相位信息，因而稱為全息圖。

為了在有限的空間存儲更多的信息，最簡單的是角度復用，在波長一定的情況下，固定的物光束方向，依次改變參考光束方向。這樣記錄的光柵矢量，他的方向和長度都不同，可用于角度尋址。今年又發展了波長-角度復用技術、空間-角度技術等。空間-角度復用指全息圖之間即不完全分開，也不完全重疊，只是部分重疊。

4.飛秒脈沖體存儲

飛秒脈沖體存儲是利用飛秒脈沖激光對光學介質的非線性作用，從而引起透明介質內某空間位置上結構的改變，導致介質折射率發生較大變化。用這種辦法在介質中記錄多層逐位式二進制數據。將高功率飛秒脈沖聚焦到物質中，通過單光子或多光子電離過程能迅速在局部產生一個高溫、高密度的等離子體結構，從而吸收大部分后續激光能量，在透明介質體內聚焦點附近將物質消融，直接通過汽化改變物質的局部結構形成一個微小的空腔，超短激光脈沖相對于長脈沖和連續脈沖來說，不會產生熱作用區域和熱損傷，更能精密地改變介質的局部物理化學結構。

二、三維光存儲的特點

1.三維光存儲都是在傳統二維基礎上附加第三維。以空間Z軸為第三維的雙光子吸收光存儲。光譜燒孔又將入射頻率作為第三維。而全息存儲的第三維是光束入射角度和頻率。方法不一各有千秋，但都是三維的，具有高密、大容量的特點。

2.四種存儲方式雖然理論都是完好的，但存在技術應用缺陷。溫度的控制、材料的選擇及讀/寫速度等問題，制約了三維光存儲的大眾化、商業化。

3.推進三維光存儲的使用化，全息存儲最有希望。其存儲密度可大于1Tb/cm3，而且全息圖以頁面方式記錄再現。具有高存取速度和數據傳輸速率，最主要是全息本身包括了振幅和相位，具有高保真度。

4.光存儲載體由電子變成光子，存儲尺度進入了分子大小，因而光存儲的依賴性很大。

三、21世紀光數字存儲展望

21世紀光數字存儲勢必向著超高密和超快速方向發展。深入研究激光與介質相互作用的光物理化學過程，用光子效應取代光熱效應，實現皮秒，亞皮秒數量級的光響應過程，以提高光數據記錄速率。另一方面實現并行寫入/讀出，提高數據傳輸速率，還有推進三維光存儲實用化。

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[2]劉青,劉卜,程光華,陳國夫.三維光數據存儲技術[J].寧夏大學學報(自然科學版),2002,12.

[3]劉青,程光華,王屹山,趙衛,陳國夫.飛秒脈沖在透明材料中的三維光存儲及其機理[J].光子學報,2003,3.

[4]姚啟鈞.光學教程[M].高等教育出版社,1989,10.