專利名稱：一種非易失性體全息數(shù)據(jù)存儲的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)信息存儲及體全息數(shù)據(jù)存儲技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及在光致色變材料中實(shí)現(xiàn)體全息數(shù)據(jù)存儲的方法?？蓱?yīng)用于高密度、快速記錄、可多次重復(fù)擦寫、非易失性讀出的體全息數(shù)據(jù)存儲。
背景技術(shù)：
信息化是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢。隨著信息時代的到來，人們對于信息存儲、傳輸與處理的要求與日俱增。光信息存儲技術(shù)以其密度高、壽命長等特點(diǎn)成為繼磁存儲技術(shù)之后的新興存儲技術(shù)，成為世界各國競相研究的對象。光學(xué)體全息存儲技術(shù)以其冗余度高、數(shù)據(jù)并行傳輸、存儲密度高、尋址速度快和相關(guān)尋址功能等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前最具潛力的光存儲技術(shù)。而可重復(fù)擦寫、非易失性讀出的體全息存儲技術(shù)仍是這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
光致色變材料在不同波長作用下，其開環(huán)閉環(huán)狀態(tài)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化并伴隨著折射率和吸收率的變化，這被用來實(shí)現(xiàn)可擦寫的體全息存儲，清華大學(xué)劉國棟等人在中國物理快報(bào)第20卷1051-1053頁報(bào)導(dǎo)了用二芳烯(光致色變材料)作記錄介質(zhì)進(jìn)行體全息數(shù)據(jù)存儲。圖1為該存儲系統(tǒng)的主要光路結(jié)構(gòu)圖，其系統(tǒng)主要包括激光光源11、依次設(shè)置在該光源出射光路上的針孔濾波器12、準(zhǔn)直透鏡131、攔光光闌14和第一反射鏡151，依次設(shè)置在第一反射鏡的反射光路上的第一半波片161、偏振分光棱鏡17，在該偏振分光棱鏡17透射光路上的第二半波片162、第一組快門181和第二反射鏡152，設(shè)置在第二反射鏡152的反射光路上的空間光調(diào)制器19、傅立葉變換透鏡132、記錄介質(zhì)100、傅立葉逆變換透鏡134、第二組快門182和探測器CCD200，設(shè)置在該偏振分光棱鏡17反射光路上的第三反射鏡153，記錄介質(zhì)100同時位于第三反射鏡反射光路上。
該存儲系統(tǒng)的存儲方法為記錄時，激光光源11產(chǎn)生的波長為514.5nm的激光經(jīng)針孔濾波器和準(zhǔn)直透鏡擴(kuò)束、準(zhǔn)直后，經(jīng)第一反射鏡151、第一半波片161調(diào)整偏振態(tài)后，垂直入射到偏振分光棱鏡17，入射光被分為透射光和反射光其透射光，經(jīng)第二半波片162調(diào)整為S偏振態(tài)后，由空間光調(diào)制器19調(diào)制，構(gòu)成記錄所需的物光，其光功率為0.5mW；其反射光，經(jīng)過第三反射鏡153，構(gòu)成記錄所需的參考光，其光強(qiáng)為12mW/cm2?？臻g光調(diào)制器19、傅立葉變換透鏡132、記錄介質(zhì)100、傅立葉逆變換透鏡134、探測器CCD200構(gòu)成典型的4F結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傅立葉譜全息記錄和物光的讀出。參考光和物光以夾角90度入射到置于譜面位置的記錄介質(zhì)100中干涉形成光柵，記錄一個數(shù)據(jù)頁；讀取過程則將物光光路阻斷，用參考光作讀出光在相應(yīng)的記錄位置讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)頁信息，讀出時，調(diào)節(jié)讀出光的光強(qiáng)至110μW/cm2。
采用上述方法連續(xù)讀出2小時后，再現(xiàn)圖像的質(zhì)量沒有明顯下降。但該方法由于材料對記錄(讀出)波長存在線性吸收，這將產(chǎn)生兩個不利因素其一、由于記錄材料中的體光柵是一振幅位相型混合光柵，它的動態(tài)范圍要比純位相型光柵動態(tài)范圍小，存儲密度將不如后者的存儲密度大；其二、記錄材料對讀出光波的線性吸收反應(yīng)，會擦除材料中已存的數(shù)據(jù)信息。所以在連續(xù)讀取更長的時間后，再現(xiàn)圖像會逐漸變得模糊直至最后消失。由此可見，采用強(qiáng)光記錄、弱光讀出的單光子全息記錄是不能真正實(shí)現(xiàn)高密度、快速記錄、可多次重復(fù)擦寫、非易失性讀出的體全息數(shù)據(jù)存儲的。
趙健于2003年在清華大學(xué)碩士學(xué)位論文“雙摻雜鈮酸鋰晶體體全息存儲性能研究”中，使用摻銅、鈰的鈮酸鋰晶體作記錄介質(zhì)進(jìn)行非易失性體全息數(shù)據(jù)存儲。圖2為該存儲系統(tǒng)的主要光路結(jié)構(gòu)圖，其系統(tǒng)主要包括第一激光光源211，在該第一光源211的出射光路上依次設(shè)置的第一針孔濾波器221、第一準(zhǔn)直透鏡231、第一攔光光闌241、第一反射鏡251，在該第一反射鏡251的反射光路上設(shè)置的第一半波片261和第一偏振分光棱鏡271，在該偏振分光棱鏡271的透射光路上設(shè)置的第二半波片262、第一組快門281和第二反射鏡252，在該第二反射鏡252的反射光路上設(shè)置的空間光調(diào)制器29、傅立葉變換透鏡232和體記錄介質(zhì)300，以及傅立葉逆變換透鏡234、第二組快門282、探測器CCD200；還包括第二激光光源212，設(shè)置在該第二激光光源212的出射光路上的第二針孔濾波器222、準(zhǔn)直透鏡232、第二攔光光闌241和第三反射鏡253，在該第三反射鏡253的反射光路上設(shè)置第二偏振分光棱鏡272，以及在該第二偏振分光棱鏡272的反射光路上設(shè)置第三反射鏡253，該記錄介質(zhì)300的另一介質(zhì)面垂直于第三反射鏡253的反射光路上。
該系統(tǒng)的存儲方法為記錄時，第一激光光源211產(chǎn)生的波長為632.8nm的激光經(jīng)針孔濾波器和準(zhǔn)直透鏡擴(kuò)束、準(zhǔn)直后，經(jīng)第一半波片261調(diào)整偏振態(tài)后，垂直入射到第一偏振分光棱鏡271，入射光被分為兩路其透射光，經(jīng)第二半波片262調(diào)整為S偏振態(tài)，經(jīng)第一組快門281、第二反射鏡252后由空間光調(diào)制器29調(diào)制，構(gòu)成記錄所需的物光，其光強(qiáng)為50mW/cm2；其反射光，經(jīng)過第二偏振分光棱鏡272、第三反射鏡253，構(gòu)成記錄所需的參考光，其光強(qiáng)為10mW/cm2。同時，第二激光光源212產(chǎn)生的波長為488nm的激光經(jīng)針孔濾波器和準(zhǔn)直透鏡擴(kuò)束、準(zhǔn)直后，入射到第二偏振分光棱鏡272、其反射光經(jīng)過第三反射鏡253，構(gòu)成記錄所需的敏化光，其光強(qiáng)為5mW/cm2，其光路與參考光光路相同?？臻g光調(diào)制器29、傅立葉變換透鏡232、記錄介質(zhì)300、傅立葉逆變換透鏡234、探測器CCD200構(gòu)成典型的4F結(jié)構(gòu)。參考光、敏化光分別和物光成90度角入射到置于譜面位置的記錄介質(zhì)300中干涉形成光柵，記錄一個數(shù)據(jù)頁。讀取過程則將第二激光光源212關(guān)閉，同時將物光光路阻斷，用與記錄時一致的參考光在相應(yīng)的記錄位置讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)頁信息，在連續(xù)讀取5小時后，圖像質(zhì)量沒有明顯改變，從而實(shí)現(xiàn)了所存儲信息的光固定。采用基于雙摻雜鈮酸鋰晶體的雙色體全息存儲雖可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的非易失性讀出，但其存在動態(tài)范圍小、靈敏度低、不能實(shí)現(xiàn)快速記錄等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種非易失性體全息數(shù)據(jù)存儲的方法及其系統(tǒng)，利用光致色變材料在固態(tài)時具有較強(qiáng)的雙光子吸收效應(yīng)及在紅外波段無線性吸收的特性，采用雙光子記錄，單光子讀出實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速記錄、非易失性讀出。本發(fā)明提高了光致色變材料體全息存儲的密度，可應(yīng)用在基于光致色變材料的高密度、快速記錄、可多次重復(fù)擦寫、非易失性讀出的體全息數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域。
本發(fā)明提出的一種非易失性體全息數(shù)據(jù)存儲的方法，采用光致色變材料作為體全息記錄介質(zhì)，通過雙光子記錄，單光子讀出及紫外光擦除來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息快速記錄，非易失性讀出和多次重復(fù)擦寫；包括以下步驟1、雙光子體全息數(shù)據(jù)記錄過程首先，根據(jù)光致色變材料的吸收譜特性，選擇與其相匹配的脈沖激光器作為記錄光；該脈沖激光器發(fā)出的光被分成物光和參考光兩束光，使全息記錄介質(zhì)置于物光和參考光相干場中，其次，調(diào)節(jié)記錄光的光強(qiáng)，使物光和參考光的相干場的光強(qiáng)大于使記錄介質(zhì)發(fā)生雙光子吸收反應(yīng)的強(qiáng)度，且小于該記錄介質(zhì)的光強(qiáng)損傷域值(避免造成記錄材料的損傷)；最后，調(diào)節(jié)參考光和物光的光程差，使兩束光的光程差在脈沖激光器的相干長度以內(nèi)；2、單光子體全息數(shù)據(jù)讀出過程選擇與記錄光波長相同的低功率連續(xù)激光器作為讀出光，調(diào)節(jié)讀出光的光路使之與所述參考光光路相同，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的非易失性讀出(因?yàn)樽x出光波長與記錄光波長相同，因而不會產(chǎn)生由于布拉格失配而導(dǎo)致地再現(xiàn)圖像的失真；又因?yàn)椴牧蠈υ摬ㄩL無線性吸收，因而不過出現(xiàn)讀出光對已存數(shù)據(jù)信息的擦除。這樣就真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的非易失性讀出)。
本發(fā)明方法還可包括記錄信息的擦除過程采用紫外光源出射光，使其對準(zhǔn)該記錄介質(zhì)所要擦除的區(qū)域，便可擦除該位置所存儲的數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的可重復(fù)擦寫。
本發(fā)明的原理是利用光致色變材料在固態(tài)時具有較強(qiáng)的雙光子吸收效應(yīng)及在紅外波段無線性吸收的特性，采用雙光子記錄，單光子讀出實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速記錄、非易失性讀出。
本發(fā)明提供的方法采用紅外波長的雙光子吸收全息記錄，雙光子吸收反應(yīng)只在參考光和物光的相干區(qū)域發(fā)生，且記錄介質(zhì)材料的折射率變化與記錄光場的分布呈線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)信息的記錄。讀出時采用同波長的低功率連續(xù)激光器實(shí)現(xiàn)信息的非易失性讀出。
圖3為光致色變材料的單光子和雙光子吸收譜圖，31，32分別為材料在開環(huán)和閉環(huán)狀態(tài)的單光子(線性)吸收曲線，33為材料由閉環(huán)狀態(tài)轉(zhuǎn)化成開環(huán)狀態(tài)的雙光子(三階非線性)吸收曲線。從圖中可以看出，在雙光子吸收波長區(qū)域內(nèi)，材料的開環(huán)和閉環(huán)狀態(tài)的分子均無線性吸收，且雙光子的吸收峰值波長約為閉環(huán)狀態(tài)吸收峰值波長的2倍，即材料既可以通過吸收波長為λ2的一個光子也可同時吸收波長為λ3的兩個光子來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)狀態(tài)向開環(huán)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。光致色變材料的雙光子體全息記錄過程實(shí)際上是通過材料在閉環(huán)狀態(tài)的一個分子通過一個中間虛擬態(tài)吸收兩個光子轉(zhuǎn)化為開環(huán)狀態(tài)，從而導(dǎo)致折射率變化形成位相型布拉格光柵的過程。信息的擦除過程是通過波長為λ1的光使材料全部轉(zhuǎn)化成閉環(huán)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的。
進(jìn)行雙光子體全息記錄需滿足以下條件首先，脈沖激光的光強(qiáng)要低于記錄介質(zhì)的光強(qiáng)損傷域值，但要能使材料發(fā)生雙光子吸收效應(yīng)；其次，記錄光波長要在材料的線性吸收區(qū)域以外，這樣才能使記錄介質(zhì)只發(fā)生三階的雙光子吸收反應(yīng)，在單光子讀出時不會發(fā)生讀出光對已存信息的擦除，一般光致色變材料在閉環(huán)狀態(tài)的線性吸收區(qū)域在500-650nm，因此，雙光子吸收區(qū)域一般為其線性吸收波長的2倍，即在紅外區(qū)域的1000-1300nm；最后，脈沖激光器發(fā)出的光被分成兩束光，即參考光和物光，它們到達(dá)材料時的光程差要在脈沖激光的相干長度以內(nèi)，這樣才能發(fā)生干涉，形成調(diào)制場，若設(shè)脈沖激光器的單個脈沖持續(xù)時間為100ps，則它的相干長度為30mm，參考光和物光的光程差必須在30mm以內(nèi)，才能形成干涉場。
相比于以前的光全息存儲系統(tǒng)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是雙光子體全息記錄過程是依賴于光強(qiáng)的，只有光強(qiáng)達(dá)到一定的域值，才能發(fā)生雙光子吸收，從而實(shí)現(xiàn)信息的記錄，這就克服了采用相同波長的低功率再現(xiàn)光進(jìn)行信息讀取時產(chǎn)生的擦除效應(yīng)。
雙光子體全息記錄可以選擇對光致色變材料不產(chǎn)生線性吸收的波長進(jìn)行記錄，該波長遠(yuǎn)離光致色變材料的吸收峰。因此，選擇紅外波段的波長實(shí)現(xiàn)對信息記錄和讀出，因?yàn)樵摬ㄩL對材料的開環(huán)閉環(huán)狀態(tài)均無線性吸收，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的非易失性讀出。
雙光子體全息記錄時間非常短，可以實(shí)現(xiàn)快速記錄，采用皮秒甚至更短脈沖的激光器，其雙光子反應(yīng)的時間也在皮秒甚至更短的時間范圍內(nèi)，信息的記錄時間也即雙光子反應(yīng)的時間。因此可實(shí)現(xiàn)快速記錄。


圖1為已有的基于二芳烯材料的單光子體全息存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2為已有的基于雙摻雜鈮酸鋰材料的雙色體全息存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖3為光致色變材料的單光子和雙光子吸收譜圖。
圖4為本發(fā)明的基于光致色變材料的雙光子記錄和單光子讀出的體全息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的一種非易失性體全息數(shù)據(jù)存儲的方法實(shí)施例結(jié)合附圖詳細(xì)說明如下本發(fā)明方法實(shí)施例采用一種雙光子記錄和單光子讀出的全息存儲系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)主要光路結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括第一激光光源411，依次設(shè)置在該激光光源出射光路上的第一針孔濾波器421、第一準(zhǔn)直透鏡431、第一攔光光闌441和第一反射鏡451、第一半波片461、偏振分光棱鏡47，由設(shè)置在該偏振分光棱鏡47透射光路上的第二半波片462、第一組快門481和第二反射鏡452、空間光調(diào)制器49、傅立葉變換透鏡433構(gòu)成物光光路，由設(shè)置在該偏振分光棱鏡47反射光路上的位相補(bǔ)償器410、第四反射鏡454構(gòu)成參考光路；參考光和物光成90度角入射到置于譜面位置的體記錄介質(zhì)400中；第二激光光源412，由依次設(shè)置在該第二激光光源出射光路上的第二針孔濾波器422、第二準(zhǔn)直透鏡432、第二攔光光闌442、第三組快門483、半反半透棱鏡40(反射)、第三反射鏡453、偏振分光棱鏡47(透射)、位相補(bǔ)償器410、第四反射鏡454構(gòu)成讀出光路；由同軸設(shè)置的空間光調(diào)制器49、傅立葉變換透鏡433、記錄材料400、傅立葉逆變換透鏡434及探測器CCD200構(gòu)成典型的4F結(jié)構(gòu)；還包括第三光源413，依次設(shè)置在該第三光源出射光路上的第三針孔濾波器423、第三準(zhǔn)直透鏡433、第三攔光光闌443、半反半透棱鏡40(透射)、第三反射鏡453、偏振分光棱鏡47(透射)、位相補(bǔ)償器410、第四反射鏡454構(gòu)成擦除光路。
上述系統(tǒng)的第一激光器采用波長為1064nm的脈沖激光器，其脈沖寬度為50ps，光功率調(diào)范圍為0.5GW-4GW；第二激光器采用波長為1064nm的連續(xù)低功率激光器，其輸出的光強(qiáng)為100μW/cm2，記錄介質(zhì)采用具有雙光子效應(yīng)的光致色變材料，第三光源采用波長為384nm的紫外光源。
其它元器件均采用常規(guī)產(chǎn)品。
利用上述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的非易失性體全息數(shù)據(jù)存儲的方法實(shí)施例，其主要通過雙光子記錄，單光子讀出及紫外光擦除來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息快速記錄，非易失性讀出和多次重復(fù)擦寫的。包括以下步驟(參見圖4)1、雙光子體全息數(shù)據(jù)記錄過程；脈沖寬度為50ps的激光光源411產(chǎn)生的波長為1064nm的激光經(jīng)針孔濾波器和準(zhǔn)直透鏡擴(kuò)束、準(zhǔn)直后，經(jīng)半波片461調(diào)整偏振態(tài)后，垂直入射到偏振分光棱鏡47，入射光被分為兩路其透射光，經(jīng)半波片462調(diào)整為S偏振態(tài)后，由空間光調(diào)制器49調(diào)制，構(gòu)成記錄所需的物光，將其光功率調(diào)整為1.1GW；其反射光，經(jīng)位相補(bǔ)償器410、反射鏡454，構(gòu)成記錄所需的參考光，其光功率調(diào)整為0.8GW。空間光調(diào)制器49、傅立葉變換透鏡433、記錄介質(zhì)400、傅立葉逆變換透鏡434、探測器CCD200構(gòu)成典型的4F結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傅立葉譜全息記錄和物光的讀出。參考光和物光成90度角入射到置于譜面位置的記錄介質(zhì)400中干涉，產(chǎn)生雙光子吸收效應(yīng)形成光柵，從而快速記錄了一個數(shù)據(jù)頁。
2、單光子體全息數(shù)據(jù)讀出過程。關(guān)閉脈沖激光器411，連續(xù)低功率激光器412產(chǎn)生的1064nm的激光經(jīng)針孔濾波器和準(zhǔn)直透鏡擴(kuò)束、準(zhǔn)直后，經(jīng)反射鏡453、偏振分光棱鏡47透射后，經(jīng)位相補(bǔ)償器410、反射鏡454，構(gòu)成讀出光，其讀出光強(qiáng)為100μW/cm2，讀出光在偏振分光棱鏡47與記錄材料400之間光路與全息記錄時相應(yīng)位置處的參考光光路相同。這樣便實(shí)現(xiàn)了信息的非易失性讀出。
3、記錄信息的擦除過程。關(guān)閉脈沖激光器411和連續(xù)低功率激光器412，打開紫外光源413，從該光源413出的光經(jīng)針孔濾波、擴(kuò)束、準(zhǔn)直后，使其對準(zhǔn)記錄材料所要擦除的區(qū)域，便可擦除該位置所存儲的數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的可重復(fù)擦寫。
權(quán)利要求
1.一種非易失性體全息數(shù)據(jù)存儲的方法，其特征在于，采用光致色變材料作為體全息記錄介質(zhì)，通過雙光子記錄，單光子讀出及紫外光擦除來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息快速記錄，非易失性讀出和多次重復(fù)擦寫；包括以下步驟1)雙光子體全息數(shù)據(jù)記錄過程首先，根據(jù)光致色變材料的吸收譜特性，選擇與其相匹配的脈沖激光器作為記錄光；該脈沖激光器發(fā)出的光被分成物光和參考光兩束光，使全息記錄介質(zhì)置于物光和參考光相干場中；其次，調(diào)節(jié)記錄光的光強(qiáng)，使物光和參考光的相干場的光強(qiáng)大于使記錄介質(zhì)發(fā)生雙光子吸收反應(yīng)的強(qiáng)度，且小于該記錄介質(zhì)的光強(qiáng)損傷域值；最后，調(diào)節(jié)參考光和物光的光程差，使兩束光的光程差在脈沖激光器的相干長度以內(nèi)；2)單光子體全息數(shù)據(jù)讀出過程選擇與記錄光波長相同的低功率連續(xù)激光器作為讀出光，調(diào)節(jié)讀出光的光路使之與所述參考光光路相同，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的非易失性讀出。
2.如權(quán)利要求1所述的非易失性體全息數(shù)據(jù)存儲的方法，其特征在于，還包括記錄信息的擦除過程采用紫外光源出射光，使其對準(zhǔn)該記錄介質(zhì)所要擦除的區(qū)域，便可擦除該位置所存儲的數(shù)據(jù)信息。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)信息存儲及體全息數(shù)據(jù)存儲技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種非易失性體全息數(shù)據(jù)存儲的方法。采用光致色變材料作為體全息記錄介質(zhì)，通過雙光子記錄，單光子讀出及紫外光擦除來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息快速記錄，非易失性讀出和多次重復(fù)擦寫；本發(fā)明提高了光致色變材料體全息存儲的密度，可應(yīng)用在基于光致色變材料的高密度、快速記錄、可多次重復(fù)擦寫、非易失性讀出的體全息數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域。
文檔編號G11B7/00GK1571034SQ20041003766
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月29日
發(fā)明者何慶聲, 駱守俊, 劉國棟, 金國藩 申請人:清華大學(xué)