光學全息技術在信息存儲的應用

王月琪

摘 要：當今時代科技高速發展，如何更快速、更大容量、更安全地存儲信息成為人們關注的問題，在應對這一問題方面，全息存儲因其存儲容量大、記錄速度快而逐漸走入大眾的視野。本文將從全息存儲技術的原理開始，對全息存儲材料及其特點進行了綜述，介紹了全息存儲技術的應用前景以及限制其發展的問題。意在推動這項技術由學術化到商業化的轉變。

關鍵詞：光學全息;全息存儲;存儲材料;全息存儲驅動器

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0030-02

0 引言

全息投影技術最早由英國籍的匈牙利科學家丹尼斯·蓋伯提出，1947年他發現了顯微鏡在分辨率方面存在缺陷，于是提出了一種新的光波記錄法——波前重建，但由于實驗條件和設備相對較差，只能利用相干性較差的汞燈作為光源，因此此時正處于萌芽階段的全息技術發展緩慢。隨著激光技術的出現和進步，激光被用來替代相干性差的原始汞燈，使得全息術迅速發展，在信息處理、全息顯示等領域均有突出成果。

隨著全息術的發展，1963年美國的Van Heerden首次提出可以在數據存儲的領域對全息技術加以應用。1975年，美國通用電氣公司利用光折變晶體材料首次實現了大容量的光學全息存儲。隨著70年代高性能電荷耦合元件的問世，全息存儲技術也得到了更深入發展，到了90年代，美國的IBM、杜邦等公司在全息存儲系統的小型化和新型有機全息存儲材料的研究上取得了很大的進展，有效地推進了全息存儲的商業化進程。日前，全息術在日常生活中應用廣泛，但仍存在亟待解決問題，還需要在不斷的創新中發展與完善。

1 全息存儲的原理和特點

光學全息存儲是指利用光的干涉和衍射記錄不同樣式的干涉條紋，從而將物質波的全部信息記錄在全息存儲材料上，通過參考光的重新照射利用衍射而再現原物的全部信息，已達到存儲信息和再現信息的目的。在進行信息存儲時，全息存儲技術不僅僅利用存儲介質的表面進行信息的存儲，而是在整個材料內部記錄干涉圖樣進而對信息進行存儲。這就需要兩束激光在介質中形成干涉圖樣，其中一束激光形成信號源，另一束不加載物質信息的參考光用作校準光，當信號光和參考光在晶體中相遇后，會在晶體中展現出多個折射角度的圖案，由此形成光柵，最終以“頁”為單位存儲信息。在進行信息讀取時，它的原理是由同一束激光經過反射分束擴束和傅里葉變換，通過光柵對參考光的衍射得到原始圖案。與全息照相不同的，只是將乘載物光的底片換為特殊材料，使用物光的方式也稍有不同，如圖1所示。

全息存儲的優勢在于其在存儲容量、存儲速度和可靠性上具有很大的發展潛力。全息存儲的容量得益于三種存儲技術：空間復用技術、波長復用技術和角度復用技術，空間復用技術可將信息記錄在介質的不同位置，不同位置間又相互沒有重疊，因此互不干擾可以較好的再現信息;波長復用技術和角度復用技術則分別利用不同波長的物光、從不同角度射入，攜帶的信息也因此更多，實現了大容量存儲。在速度方面則有賴于以“頁”為讀寫單位，不同頁面的數據可以同時讀寫，據估計，未來可以實現1GB/s的傳輸速度以及小于1毫秒的隨機訪問時間;與一般的硬盤等存儲設備不同，存儲材料由于具有較好的穩定性，一般不宜損毀，即便有損毀也不會造成信息的丟失，只是會對清晰度有所影響，因此光學全息存儲具有很好的可靠性。

2 全息存儲材料

2.1 光折變材料

光折變材料具有光電導特性和電光效應，所以兼具光電調制功能和光電探測功能，同時由于結構簡單、工藝可控、空間分辨率和對比度高等優點，成為了受到廣泛關注的全息存儲材料之一。作為光折變材料之一，鉀鈉鈮酸鍶鋇具有較大的電光系數和熱釋系數。1992年中國科學院物理研究所首次研制成功的摻鈰欽酸鋇顯示出某些在未摻雜欽酸鋇晶體中所不具備的獨特的光折變特性，這是我國在光折變材料上取得的重大突破[2]。除此之外，劉玉華等在優化全息存儲的光路以及曝光的時間的基礎上，利用鈮酸鍶鋇晶體中獲得了全息存儲圖像，并采集了存儲時間的衰弱曲線[3]。除鉀鈉鈮酸鍶鋇，鋯鈰鐵鈮酸鋰晶體同樣也具有較好的光折變性質。靳麗婕等對鋯鈰鐵鈮酸鋰晶體的光折變靈敏性、寫入時間、擦除時間和衍射效率等參數進行研究，得到了鋯鈰鐵鈮酸鋰晶體的性能要強于鈰鐵鈮酸鋰晶體的結論如圖2所示。[4]。

2.2 光致聚合物材料

光致聚合物是一種感光高分子材料，以其具有高分辨率、高衍射效率、寬光譜響應、儲存穩定等特點脫穎而出。光致聚合是指在光的照射下，聚合體系產生活性自由基使得單體和小分子的聚合反應，體系內的小分子或單體組合成聚合物。菲醌（PQ）摻雜的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和摻雜Fe3O4納米粒子的復合光致聚合物材料是典型的這類全息存儲材料。劉穎等對摻雜有PQ的PMMA進行了研究，發現感光劑PQ的含量增加，能夠提高在PQ/PMMA光致聚合物材料的衍射效率，對材料的特性有一定的提升[6]。在摻雜Fe3O4納米粒子光致聚合物的研究中，針對材料在獲得高折射率調制的同時存在的皺縮現象，有研究表明加入納米粒子可改善這一問題，李春柳等制備了經檸檬酸修飾和未修飾的Fe3O4納米顆粒，研究其對材料全息性能的影響，發現檸檬酸修飾的修飾使得Fe3O4納米顆粒具有更好的分散性和穩定性，從而對提升光致聚合物的全息性能有很大的幫助[7]。

2.3 光致變色材料

光致變色材料是指材料的結構受特定波長光的激發發生可逆氧化還原反應，從而使得結構發生可逆的變化，而不同的結構具有不同的光吸收譜，進而使得材料在光照后展現出不同的顏色。我們常見的變色眼鏡就應用了此類材料。光致變色材料具有較大的存儲密度，能對信息進行快速的寫入和擦除，且有較好的抗疲勞性。在改變輻照光的強度和波長時，光致變色材料的顏色可以反復甚至循環變化，利用這個特點可將其制成信息存儲器件。常見的光致變色材料，如螺噁嗪類化合物（SO），在光致變色性能和抗疲勞性方面有較為突出的優勢，吉瑞亞等進行了SO/SiO2薄膜可擦除藍紫光全息存儲和抗疲勞特性的研究，證明了SO在SiO2基質環境中可極大提高信息可擦除能力和抗疲勞性[8]。

3 全息存儲的應用前景

全息存儲技術的發展將讓幾十個GB的下一代DVD光盤相形見絀。作為科技前沿時代尖端，全息存儲在專業化和商業化方面均衡用力，在專業化方面多體現于國防科技，其安全性和可靠性都為國家機密信息保駕護航，成為各國都極為重視的研究方向。在商業化方面多體現在各大企業對全息存儲方面的資金投入比逐漸上升，前不久，致力于全息存儲技術的InPhase公司向公眾展示了全息存儲驅動器以及全息存儲碟片，全息存儲驅動器利用嗜鹽桿菌進化上的適應方法，制成光敏膜蛋白質，將數據儲存在一個三維空間而不是二維空間中，其數據檢索速度比傳統的驅動器快幾百倍，同時因蛋白質不尋常的活力，目前的生物技術可以很快的批量生產，具有成本低的優點。但由于某些存儲材料價格昂貴，要求精細的操作和嚴苛的條件，全息存儲向商業化方向的轉變依舊任重而道遠。

4 結語

“大數據”時代的到來使信息變得愈發重要，采集、處理、儲存、輸出信息都是必不可缺的，全息存儲技術在儲存和輸出方面展示其獨特優勢的同時，也因其出現時間較短，技術不成熟，材料成本大等眾多因素限制了其發展。如今，對全息技術的重點開發已成為大勢所趨，走出實驗室，面向廣大市場，是當前全息存儲技術發展的目標和方向，王大珩教授精確的指出：“21世紀是光子的世紀”，未來有光，也有全息。

參考文獻

[1] 馬晨.用于海量信息快速讀寫的光敏感全息存儲材料及技術[J].傳感器世界，2012，18（08）：6-11.

[2] 朱鏞.新的光折變晶體──摻鈰鈦酸鋇[J].物理，1995（10）：636.

[3] 劉玉華，忽滿利，李育林.鈮酸鍶鋇晶體的光存儲實驗研究[J].光子學報，1999（08）：56-58.

[4] 靳麗婕.鋯鈰鐵三摻鈮酸鋰晶體生長及光全息存儲性能的研究[D].燕山大學，2014.

[5] 范蕾.鉀鈉鈮酸鍶鋇的全息存儲特性研究[D].西安工業大學，2015.

[6] 劉穎.基于菲醌摻雜的聚甲基丙烯酸甲酯全息存儲材料的研究[D].北京理工大學，2015.

[7] 李春柳.摻雜Fe3O4納米粒子光致聚合物材料全息存儲特性研究[D].河南大學，2014.

[8] 吉瑞亞.基于布花青聚集體調控的近紫外全息存儲研究[D].東北師范大學，2018.