光学全息技术在信息存储的应用

王月琪

摘 要：当今时代科技高速发展，如何更快速、更大容量、更安全地存储信息成为人们关注的问题，在应对这一问题方面，全息存储因其存储容量大、记录速度快而逐渐走入大众的视野。本文将从全息存储技术的原理开始，对全息存储材料及其特点进行了综述，介绍了全息存储技术的应用前景以及限制其发展的问题。意在推动这项技术由学术化到商业化的转变。

关键词：光学全息;全息存储;存储材料;全息存储驱动器

中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0030-02

0 引言

全息投影技术最早由英国籍的匈牙利科学家丹尼斯·盖伯提出，1947年他发现了显微镜在分辨率方面存在缺陷，于是提出了一种新的光波记录法——波前重建，但由于实验条件和设备相对较差，只能利用相干性较差的汞灯作为光源，因此此时正处于萌芽阶段的全息技术发展缓慢。随着激光技术的出现和进步，激光被用来替代相干性差的原始汞灯，使得全息术迅速发展，在信息处理、全息显示等领域均有突出成果。

随着全息术的发展，1963年美国的Van Heerden首次提出可以在数据存储的领域对全息技术加以应用。1975年，美国通用电气公司利用光折变晶体材料首次实现了大容量的光学全息存储。随着70年代高性能电荷耦合元件的问世，全息存储技术也得到了更深入发展，到了90年代，美国的IBM、杜邦等公司在全息存储系统的小型化和新型有机全息存储材料的研究上取得了很大的进展，有效地推进了全息存储的商业化进程。日前，全息术在日常生活中应用广泛，但仍存在亟待解决问题，还需要在不断的创新中发展与完善。

1 全息存储的原理和特点

光学全息存储是指利用光的干涉和衍射记录不同样式的干涉条纹，从而将物质波的全部信息记录在全息存储材料上，通过参考光的重新照射利用衍射而再现原物的全部信息，已达到存储信息和再现信息的目的。在进行信息存储时，全息存储技术不仅仅利用存储介质的表面进行信息的存储，而是在整个材料内部记录干涉图样进而对信息进行存储。这就需要两束激光在介质中形成干涉图样，其中一束激光形成信号源，另一束不加载物质信息的参考光用作校准光，当信号光和参考光在晶体中相遇后，会在晶体中展现出多個折射角度的图案，由此形成光栅，最终以“页”为单位存储信息。在进行信息读取时，它的原理是由同一束激光经过反射分束扩束和傅里叶变换，通过光栅对参考光的衍射得到原始图案。与全息照相不同的，只是将乘载物光的底片换为特殊材料，使用物光的方式也稍有不同，如图1所示。

全息存储的优势在于其在存储容量、存储速度和可靠性上具有很大的发展潜力。全息存储的容量得益于三种存储技术：空间复用技术、波长复用技术和角度复用技术，空间复用技术可将信息记录在介质的不同位置，不同位置间又相互没有重叠，因此互不干扰可以较好的再现信息;波长复用技术和角度复用技术则分别利用不同波长的物光、从不同角度射入，携带的信息也因此更多，实现了大容量存储。在速度方面则有赖于以“页”为读写单位，不同页面的数据可以同时读写，据估计，未来可以实现1GB/s的传输速度以及小于1毫秒的随机访问时间;与一般的硬盘等存储设备不同，存储材料由于具有较好的稳定性，一般不宜损毁，即便有损毁也不会造成信息的丢失，只是会对清晰度有所影响，因此光学全息存储具有很好的可靠性。

2 全息存储材料

2.1 光折变材料

光折变材料具有光电导特性和电光效应，所以兼具光电调制功能和光电探测功能，同时由于结构简单、工艺可控、空间分辨率和对比度高等优点，成为了受到广泛关注的全息存储材料之一。作为光折变材料之一，钾钠铌酸锶钡具有较大的电光系数和热释系数。1992年中国科学院物理研究所首次研制成功的掺铈钦酸钡显示出某些在未掺杂钦酸钡晶体中所不具备的独特的光折变特性，这是我国在光折变材料上取得的重大突破[2]。除此之外，刘玉华等在优化全息存储的光路以及曝光的时间的基础上，利用铌酸锶钡晶体中获得了全息存储图像，并采集了存储时间的衰弱曲线[3]。除钾钠铌酸锶钡，锆铈铁铌酸锂晶体同样也具有较好的光折变性质。靳丽婕等对锆铈铁铌酸锂晶体的光折变灵敏性、写入时间、擦除时间和衍射效率等参数进行研究，得到了锆铈铁铌酸锂晶体的性能要强于铈铁铌酸锂晶体的结论如图2所示。[4]。

2.2 光致聚合物材料

光致聚合物是一种感光高分子材料，以其具有高分辨率、高衍射效率、宽光谱响应、储存稳定等特点脱颖而出。光致聚合是指在光的照射下，聚合体系产生活性自由基使得单体和小分子的聚合反应，体系内的小分子或单体组合成聚合物。菲醌（PQ）掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和掺杂Fe3O4纳米粒子的复合光致聚合物材料是典型的这类全息存储材料。刘颖等对掺杂有PQ的PMMA进行了研究，发现感光剂PQ的含量增加，能够提高在PQ/PMMA光致聚合物材料的衍射效率，对材料的特性有一定的提升[6]。在掺杂Fe3O4纳米粒子光致聚合物的研究中，针对材料在获得高折射率调制的同时存在的皱缩现象，有研究表明加入纳米粒子可改善这一问题，李春柳等制备了经柠檬酸修饰和未修饰的Fe3O4纳米颗粒，研究其对材料全息性能的影响，发现柠檬酸修饰的修饰使得Fe3O4纳米颗粒具有更好的分散性和稳定性，从而对提升光致聚合物的全息性能有很大的帮助[7]。

2.3 光致变色材料

光致变色材料是指材料的结构受特定波长光的激发发生可逆氧化还原反应，从而使得结构发生可逆的变化，而不同的结构具有不同的光吸收谱，进而使得材料在光照后展现出不同的颜色。我们常见的变色眼镜就应用了此类材料。光致变色材料具有较大的存储密度，能对信息进行快速的写入和擦除，且有较好的抗疲劳性。在改变辐照光的强度和波长时，光致变色材料的颜色可以反复甚至循环变化，利用这个特点可将其制成信息存储器件。常见的光致变色材料，如螺噁嗪类化合物（SO），在光致变色性能和抗疲劳性方面有较为突出的优势，吉瑞亚等进行了SO/SiO2薄膜可擦除蓝紫光全息存储和抗疲劳特性的研究，证明了SO在SiO2基质环境中可极大提高信息可擦除能力和抗疲劳性[8]。

3 全息存储的应用前景

全息存储技术的发展将让几十个GB的下一代DVD光盘相形见绌。作为科技前沿时代尖端，全息存储在专业化和商业化方面均衡用力，在专业化方面多体现于国防科技，其安全性和可靠性都为国家机密信息保驾护航，成为各国都极为重视的研究方向。在商业化方面多体现在各大企业对全息存储方面的资金投入比逐渐上升，前不久，致力于全息存储技术的InPhase公司向公众展示了全息存储驱动器以及全息存储碟片，全息存储驅动器利用嗜盐杆菌进化上的适应方法，制成光敏膜蛋白质，将数据储存在一个三维空间而不是二维空间中，其数据检索速度比传统的驱动器快几百倍，同时因蛋白质不寻常的活力，目前的生物技术可以很快的批量生产，具有成本低的优点。但由于某些存储材料价格昂贵，要求精细的操作和严苛的条件，全息存储向商业化方向的转变依旧任重而道远。

4 结语

“大数据”时代的到来使信息变得愈发重要，采集、处理、储存、输出信息都是必不可缺的，全息存储技术在储存和输出方面展示其独特优势的同时，也因其出现时间较短，技术不成熟，材料成本大等众多因素限制了其发展。如今，对全息技术的重点开发已成为大势所趋，走出实验室，面向广大市场，是当前全息存储技术发展的目标和方向，王大珩教授精确的指出：“21世纪是光子的世纪”，未来有光，也有全息。

参考文献

[1] 马晨.用于海量信息快速读写的光敏感全息存储材料及技术[J].传感器世界，2012，18（08）：6-11.

[2] 朱镛.新的光折变晶体──掺铈钛酸钡[J].物理，1995（10）：636.

[3] 刘玉华，忽满利，李育林.铌酸锶钡晶体的光存储实验研究[J].光子学报，1999（08）：56-58.

[4] 靳丽婕.锆铈铁三掺铌酸锂晶体生长及光全息存储性能的研究[D].燕山大学，2014.

[5] 范蕾.钾钠铌酸锶钡的全息存储特性研究[D].西安工业大学，2015.

[6] 刘颖.基于菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯全息存储材料的研究[D].北京理工大学，2015.

[7] 李春柳.掺杂Fe3O4纳米粒子光致聚合物材料全息存储特性研究[D].河南大学，2014.

[8] 吉瑞亚.基于布花青聚集体调控的近紫外全息存储研究[D].东北师范大学，2018.