信息光學(xué)簡明教程 課件 【ch07】光信息存儲

第七章光信息存儲光電&儀器類專業(yè)教材信息光學(xué)簡明教程01概述一、阿貝成像理論信息從信息源傳播到受眾，是通過信道傳輸?shù)?。在信息傳輸鏈路中，由于各個環(huán)節(jié)的速度可能不相同，有時還需要存儲器作為信息處理的中間環(huán)節(jié)。顯示則通常是信道傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)入人眼或其他人工智能設(shè)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。02二維光存儲——光盤存儲只讀存儲光盤

只讀存儲光盤的記錄介質(zhì)主要是光刻膠，記錄方式多數(shù)采用經(jīng)聲光調(diào)制的聚焦氪離子激光，將信息刻錄在介質(zhì)上制成母盤,然后進(jìn)行大量模壓復(fù)制。由于制作工藝和設(shè)備的限制，這種光盤只能用來播放已經(jīng)記錄在盤片上的信息，用戶不能自行寫入。CD只讀、CD音像和LV都屬此類。配備了CD-ROM驅(qū)動器的微機(jī)，也可讀取大量光盤中存儲的軟件和多媒體信息。一、光盤的類型一次寫入光盤

一次寫入光盤利用聚焦激光在介質(zhì)的微區(qū)產(chǎn)生不可逆的物理和化學(xué)變化寫入信息。這類光盤具有寫、讀兩種功能，用戶可以自行一次寫入，寫完即可讀；但信息一經(jīng)寫入便不可擦除，也不能反復(fù)使用。它特別適合于文檔和圖像的存儲和檢索。為了保證光盤能被用戶寫入，實現(xiàn)寫后即讀記錄的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r加以檢驗，一次寫入光盤上的地址碼(信道號、扇區(qū)號及同步信號等)都以標(biāo)準(zhǔn)格式預(yù)先刻錄并復(fù)制在光盤的襯盤上。光盤的存儲介質(zhì)應(yīng)當(dāng)是不須經(jīng)過中間處理的類型。除了分辨率高、對比度高、抗缺陷性能強(qiáng)等對光盤存儲介質(zhì)的共同要求外，一次寫入光盤還要求介質(zhì)具有較高的記錄靈敏度和較好的記錄閾值，并且存儲介質(zhì)的的力、熱及光學(xué)性能應(yīng)與預(yù)格式化襯盤相匹配。一次寫入光盤的寫入過程主要是利用激光的熱效應(yīng)，其記錄方式有燒蝕型、起泡型、熔融型、合金型、相變型等很多種。目前一次寫入光盤已經(jīng)實現(xiàn)商品化。一、光盤的類型可擦重寫光盤可擦重寫光盤是利用記錄介質(zhì)在兩個穩(wěn)定態(tài)之間的可逆變化來實現(xiàn)反復(fù)的寫與擦的。光盤可擦重寫技術(shù)的關(guān)鍵是解決新的存儲介質(zhì)材料。經(jīng)過多年的努力，已在磁光型存儲材料上得到突破而獲得實用化。一、光盤的類型直接重寫光盤前面介紹的可擦重寫磁光盤，在記錄信息時往往需要兩次動作，即先將信道上原有的信息擦除，然后再寫入新的信息。這可以用一束激光的兩次動作完成，也可用擦除光束和隨后的寫入光束配合完成。無論采取那種方式，都將限制光盤數(shù)據(jù)傳輸速率的提高。光盤存儲技術(shù)目前的研究熱點，一是提高可擦重寫光盤的性能，二是研究直接重寫光盤。直接重寫光盤可用一束激光、一次動作錄入信息，也就是在寫入新信息的同時自動擦除原有信息，無須兩次動作。顯然，這種光盤能夠有效地提高數(shù)據(jù)傳輸率，有希望應(yīng)用到計算機(jī)系統(tǒng)的隨機(jī)存取存儲器。實現(xiàn)直接重寫的可能途徑之一，是利用激光束的粒子作用，在極短的時間內(nèi)使介質(zhì)完成快速晶化。這種光致晶化的可逆相變過程可以非?？臁．?dāng)擦除激光脈寬與寫入激光脈寬相當(dāng)時,相變光盤可進(jìn)行直接重寫，從而大大縮短了數(shù)據(jù)的存取時間。近年來，國內(nèi)外的大量研究工作都圍繞著降低擦除時間、提高晶態(tài)和非晶態(tài)的反襯度以及多次擦除中材料穩(wěn)定性等方面進(jìn)行。一、光盤的類型二、光盤存儲器光學(xué)系統(tǒng)是圍繞著以下幾方面配置的：從半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光一般都有較大的發(fā)散角，為了更有效地利用光能量，首先要把半導(dǎo)體激光器中發(fā)出的發(fā)散光束準(zhǔn)直成平行光束。多數(shù)半導(dǎo)體激光束的截面為橢圓，需要經(jīng)過整形變成圓光束，才能最后在光盤上聚焦成圓光斑，滿足讀/寫的要求。要采取措施使沿同一光路傳播的入射到光盤的光束和從光盤反射回來的光束不致發(fā)生干涉，要防止光盤表面的反射光進(jìn)入到激光器，否則會在激光輸出中增加顯著的。根據(jù)光盤存儲介質(zhì)的不同，其光學(xué)系統(tǒng)大致可分為單光束光學(xué)系統(tǒng)和雙光束光學(xué)系統(tǒng)兩類。單光束光學(xué)系統(tǒng)適合于只讀光盤和一次寫入光盤，具備信息的寫/讀功能。對于直接重寫相變光盤原則上也可使用，只是激光器功率及脈沖要求不同，激光器的驅(qū)動電路也不同。二、光盤存儲器二、光盤存儲器三、光盤存儲技術(shù)的進(jìn)展相對于CD和DVD光盤系列，HD-DVD和BD具有更高的面存儲密度和數(shù)據(jù)傳輸速率。四、超分辨率光存儲技術(shù)1.遠(yuǎn)場根據(jù)阿貝衍射理論，成像系統(tǒng)分辨率對應(yīng)于其頻率響應(yīng)，并進(jìn)而由系統(tǒng)的光瞳函數(shù)所決定。而根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限的瑞利判據(jù)可知，通過壓縮艾里斑尺寸可以提高分辨率。將同樣的概念應(yīng)用于單個點源的成像，由于在點源形成的艾里斑范圍內(nèi)光場總是相干的，如果在光學(xué)系統(tǒng)的孔徑上加裝光瞳濾波器，改變光瞳函數(shù)的復(fù)振幅分布來控制光學(xué)系統(tǒng)出瞳的傳遞函數(shù)，可以減小像面艾里斑的尺寸，實現(xiàn)超衍射極限的分辨率，這就是光學(xué)切趾術(shù)。將這種技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)有光盤的光學(xué)頭中，可以在不改變物鏡的數(shù)值孔徑或波長情況下減小記錄光斑，在理想情況下，能使聚焦光斑縮小80%左右。四、超分辨率光存儲技術(shù)1.近場近場光學(xué)的高密度光存儲主要有以下三種方案。(1)固態(tài)浸沒透鏡技術(shù)一種典型的近場光學(xué)超分辨率技術(shù)是通過使用高數(shù)值孔徑的固體浸沒透鏡來減小記錄光斑的直徑。四、超分辨率光存儲技術(shù)1.近場(2)孔徑探針近場光學(xué)存儲近場光學(xué)理論研究涉及納米尺度光波的物理特征與現(xiàn)象?？梢哉f近場光學(xué)是光學(xué)通向納米科學(xué)技術(shù)的橋梁。所謂“近場”意味著在納米距離上進(jìn)行光信號的操作、存儲和探測等。當(dāng)探針在近場區(qū)域?qū)悠愤M(jìn)行掃描成像時，物體上的納米特征能夠被分辨成像。同樣，近場光學(xué)技術(shù)也可以用于高密度存儲。采用掃描探針顯微術(shù)原理的光存儲技術(shù)方案中，納米孔徑探針仍然是其核心元件。將激光束耦合進(jìn)光纖探針，通過納米孔徑進(jìn)行記錄和讀取，如果記錄介質(zhì)距小孔相當(dāng)近，通過小孔的光便在光盤上形成尺寸與小孔相當(dāng)?shù)挠涗淈c。這種技術(shù)也存在著一些缺點。四、超分辨率光存儲技術(shù)1.近場(3)

)超分辨率近場結(jié)構(gòu)型方案1998年日本學(xué)者提出了一種超分辨近場結(jié)構(gòu)光盤，此種技術(shù)可以用一般光驅(qū)的讀寫頭，在記錄層上寫入或讀出一個小于光學(xué)衍射極限尺寸的記錄點，被認(rèn)為是光學(xué)存儲技術(shù)的一大突破。Super-RENS具有多層膜系。03三維光存儲

一、體全息的基本原理

二、體全息光柵的衍射效率1兩種特殊情況的衍射效率

二、體全息光柵的衍射效率(2)無吸收反射型相位光柵衍射效率為不論是透射光柵還是反射光柵，其衍射效率對布拉格失配量ξ十分敏感。由于ξ的改變量與角度的偏移量△θ以及波長的偏移量△λ成正比，因此入射光的角度或波長偏離布拉格條件會導(dǎo)致衍射效率迅速下降。體積全息圖的這一特性稱之為角度和波長的靈敏性，或者說選擇性。二、體全息光柵的衍射效率1兩種特殊情況的衍射效率

二、體全息光柵的衍射效率2角度選擇性

二、體全息光柵的衍射效率當(dāng)再現(xiàn)光的波長與記錄波長不同，但以記錄時參考光的角度入射時，由此引起的相位失配可求出使衍射效率降低到第一個零點時的波長偏移量為此波長偏移量稱為全息圖的帶寬。對于非傾斜光柵的特殊情況，全息圖帶寬為二、體全息光柵的衍射效率3波長選擇性三、體全息存儲材料的存儲特性用于全息存儲的記錄材料需對寫入的激光波長敏感。目前，全息記錄主要采用連續(xù)的可見激光。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器和倍頻固體激光器等光源，在全息存儲中的作用也越來越重要。在光折變材料中進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿诫s和熱處理，可以使得敏感波長的范圍覆蓋從近紫外到近紅外。在光致聚合物中采用不同的染料敏化劑及引發(fā)體系，也可以改變材料的敏感波長范圍。光譜響應(yīng)

動態(tài)范圍三、體全息存儲材料的存儲特性

響應(yīng)時間常數(shù)全息圖的存儲持久性用其暗存儲時間來表征。光致聚合物材料由于聚合反應(yīng)的不可逆性成為優(yōu)良的只讀存儲介質(zhì)，信息可以長期保存。而由于光折變效應(yīng)的可逆性，常用光折變晶體的的暗存儲時間從數(shù)秒到數(shù)年不等。存儲持久性較短的材料適合于實時信號處理、相干光放大和光學(xué)相位共軛。然而，只讀存儲器要求長的存儲持久性。存儲持久性三、體全息存儲材料的存儲特性散射噪音是全息記錄材料的本質(zhì)性問題。材料中任何缺陷會使光散射成球面波，這些散射波會與初始的入射波相干涉，形成噪音相位光柵；與此同時，入射光作為讀出光通過噪音光柵的自衍射，入射光能量向散射光轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生放大的散射光，并且材料中存在的多束散射光同時寫入了多組相位光柵。由于散射光在空間無規(guī)則分布，因此這些相位光柵疊加成噪聲光柵。散射噪音在靈敏度指材料受到光照后，其響應(yīng)的靈敏程度，是直接影響全息存儲器的寫入速度及寫入過程能耗的一個重要性能指標(biāo)。材料的全息記錄靈敏度S。當(dāng)定義為在記錄的初始階段，靈敏度正比于單位寫入光強(qiáng)在單位厚度的材料中產(chǎn)生的折射率變化速率，數(shù)學(xué)表示為靈活性

2.數(shù)據(jù)頁的讀取速度對于大多數(shù)全息存儲系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)頁的讀取速度滿足下面的不等式：四、全息存儲器的數(shù)據(jù)