光折变晶体中高密度全息存储热固定技术的研究

光折变晶体中高密度全息存储热固定技术的研究温亚芹（哈尔滨华德学院通识教育学院，黑龙江哈尔滨150025）摘要：随着社会的进步及科学技术的发展，尤其是近年来计算机和互联网技术的发展，人们获取、处理、传输、存储和显示的信息量正以指数方式日益增加。光折变晶体以其特殊的性能优点在光学体全息存储等领域中有着广泛的应用。近年来，在提高数据存储密度、存取速度以及存储器性能等方面，已经取得了重大的研究进展。本研究主要从理论对全息储存热固定技术进行简单说明，并对光折变全息存储材料特性的优化进行简单介绍。关键词：光折变晶体；全息存储；热固定0引言信息科学技术的高速发展对信息存储技术提出了更高的要求，光学体全息存储是光存储领域中独具特色和发展潜力的一项技术，它具有存储容量大、存取时间短、抗电磁干扰能力强、冗余度高、可进行内容寻址等优点，因而引起了众多研究者的关注。为了使信息能够长期保存和非破坏读出，必须对全息图进行固定。固定方法有热固定和电固定等，其中，热固定技术是目前研究得最为活跃并且效果很好的固定技术。1、体全息存储技术及发展概况步入信息时代，随着数字多媒体、互联网等高新科技的飞速发展，各种形式的数据信息日益激增，这无疑对现有的存储技术提出了更高的要求，因此，研究开发快速存取、超大容量、更高密度的新型存储器具有重要意义。1.1体全息存储的特点由于信息科学技术的快速发展，使得需要处理和存储的信息量日益加大，信息系统对存储量、数据传输速率及数据存储可靠性的要求不断提高。体全息存储是当前最有潜力的高速大容量信息存储技术，光折边材料是全息存储的首选材料。体全息存储技术与其它的数据存储技术相比，存在着许多优点：首先，体全息存储器可以用于存在强电磁场干扰的特殊环境中。其次，体全息存储容量很高，而且全息图的波面重现性质决定了其高冗余度的特点，这是其它存储技术不具有的。体全息存储技术可能达到非常高的数据传输率和很短的存储时间。1.2体全息存储技术的发展概况在全息术发成展的初期，全息图就被看作是有潜力的光学存储方式。研究表明，全息存储器可望存储几千亿字节数据，以每秒10亿位或10亿位以上的速度传送数据，并在100微秒或更短的时间内随机选择一个数据页面。根据全息存储的特性研究各种总体设计方案，均衡考虑误码率、容量、数据传输速率、坚固性和封装等，以期完善全息存储实用化系统设计，其中包括各种演示装置和产品级别测试系统。2、光折变晶体中全息存储的基本原理在光折边晶体中，记录的全息图暗保存时间通常很短，而且在读取过程会受到读出光的擦除。为了使信息能够长期保存和非破坏性读出，必须对全息图进行固定。体全息存储就是在厚记录介质内部记录下物光与参考光的干涉图样，其在记录介质内部形成的体全息图的干涉条纹面是三维光栅。当三维光栅的总衍射波振幅达到最大值时，三维光栅的衍射应该满足布喇格条件，体全息图总是在满足布喇格条件时才能衍射出最强的再现像，若读出光入射角度或波长不满足布喇格条件，均会引起再现衍射效率的急剧下降。体全息图的这种角度或波长的选择性，允许我们在进行体全息存储时，采用不同入射角或不同波长的参考光，在记录介质的同一体积中记录多个不同的全息图。3、光折变边晶体的全息存储热固定技术光折变晶体是常规体全息存储记录介质。光折变体全息存储是利用光折变晶体中光激发载流子的激发和输运机制，以全息电子光栅的形式记录信息的，并且使用均匀光照射读取信息。3.1热固定的基本概念对全息电子光栅的热固定是基于空间电荷场下离子的运动机制，铌酸锂晶体中参与作用的离子被证明是H+质子。完整的热固定过程包括两个步骤：定影和显影过程。离子光栅适合于更长期的保存和更持久的光读出，从而实现非易失性全息存储。3.2热固定方法实施热固定的基本方法分为记录后补偿法和同时记录补偿法。一般而言，同时补偿记录比记录后补偿的热固定全息图的衍射效率更高。另外，由于同时记录补偿法的记录和读出在不同温度下进行，光折变晶体中全息光栅的条纹间距以及晶体折射率均会随温度发生改变，导致相应的布喇格角也随温度变化。4、光折变体全息存储材料特性与优化光折变材料通常指可由光致空间电荷场通过线性电光效应引起折射率变化的电光材料。利用光折变材料的这种性质，可以在晶体内实现信息存储。材料的质量决定了存储系统的存储质量。4.1光折变体全息存储材料的性能要求光学质量、光折变灵敏度、动态范围和信息存储寿命是光折变全息存储介质的首要参考特性，这些特性直接影响和制约着存储器的存储密度、存储容量、数据读/写速率和数据误码率。信息通过成像系统和记录介质成像于阵列探测器上，成像的好坏不仅受成像系统质量的影响，而且还受存储介质光学质量的影响。我们可以改善材料的光折变性能，通过改变LN晶体陷阱中心（如Nb犷十、Fe，十）的浓度和光折变敏感中心（如FeZ+）的浓度，以满足光折变体全息存储对材料灵敏度和再现图像信噪比的要求。信息存储寿命是每个存储系统都必须具备的性能。光折变材料的其它性能，如光折变光栅的建立时间（响应时间）、光致光散射以及空间分辨率也对光折变全息存储的写入速度、误码率等有重要的影响。4.2光折变材料光折变材料包括有机高分子聚合物、有机晶体和无机材料（光折变晶体、陶瓷等）等多种材料。光折变晶体可分为三类：化合物半导体、秘硅族氧化物和铁电晶体。所有光折变材料都可以记录折射率光栅，原则上都可以用作光折变体全息存储器的存储介质。4.3晶体参数的优化晶体的掺杂量对光栅的热固定效率影响很大，为了得到高的热固定效率，应该选用掺杂浓度小的晶体样品。D2A和D2B晶体的掺杂浓度相同，但还原处理不同。No8晶体虽为高掺杂晶体，但它是氧化晶体，故依然可显影出离子光栅，这表明晶体的氧化P还原态对热固定效率的影响是显著的。无论是电子光栅还是离子光栅，受到光照以后都会有一定程度的光擦除，室温时放置于黑暗处也会产生衰减。Ce2，Ce3和D2A晶体均为强还原晶体，热固定效率极低，以致不能观察到离子光栅。如果降低这几种晶体的掺杂浓度，有可能获得可显影的且暗衰减时间常数很长的离子光栅。5、结语二十一世纪世界进入信息社会，知识经济成为最活跃的推动社会进步、促进科学技术发展的强大动力。高密度全息存储技术是具有开发潜力和应用前景的海量存储技术，其实用化关键在于兼顾全息图保真度下实现高密度全息图的存储和固定。虽然热固定的研究取得了一定的进展，不过在研究中也发现存在一些问题，有待今后改进和解决。总而言之，热固定技术是实现光折变晶体中全息图稳定存储的有效方法。体全息存储的研究正在持续高涨，并处在实用化和产品化的重大突破阶段。通过国内外科研人员的不断努力，光折变海量存储器越来越接近实用化。随着研究的不断深入，相信在不远的将来，体全息存储会得到更加广泛和实际的应用。参考文献：[1]江竹青，陶世荃等.光折变多重全息图分批热固定的光擦除特性.2005，32（2）：236～239[2]江竹青.光折变晶体中高密度全息存储热固定技术的研究.北京工业大学博士论文.2003[3]万玉红，陶世荃等.高密度盘式全息存储及其热固定的实验研究.中国激光.2005，32（5）：361～364StudyofphotorefractivecrystalinhighdensityholographicstoragethermalfixingtechniqueWenYaqin(HarbinHuadeUniversityGeneralEducationCollege，HeilongjiangHarbin150025)Abstract:withthedevelopmentofsocialprogressandscienceandtechnology,especiallythedevelopmentofcomputerandInternettechnologyinrecentyears,peopleaccess,processing,transmission,storageanddisplaytheamountofinformationisincreasingexponentially.Photorefractivecrystalwithitsadvantagesofspecialperformanceintheopticalholographicstorageandotherfieldsarewidelyusedin.Inrecentyears,theimprovementofdatastoragedensityandaccessspeedandmemoryperformanceetc,havemadesignificantadvancesinthestudyof.Thisresearchmainlycarriesonthesimpledescriptionfromthestoredthermalfixingtechniqueofholographictheory,andoptimizationofthephotorefractiveholographicstoragematerialpropertiesareintroduced.Keywords:photorefractivecrystal;holographicstorage;thermalfixing作者简介：温亚芹（1978-），哈尔滨华德学院通识教育学院物理教研室主任讲师，研究方向：物理教育与凝聚态物理。联系电话：[phone]邮箱：[e-mail]哈尔滨华德学院科学研究项目：应用型本科院校大学物理教学内容改革的研究