全息存储技术及配置布置

现在，许多家庭都有激光唱机（CD）。信息以数字的形式存储在光盘下面，通过在镀铝层上嵌入不同深度的小坑来指示数字信息，然后在镀铝层上面覆盖一层塑料^[29]。这些小坑从中心开始向外螺旋，与传统的凹槽记录类似，只是它们更加紧密。在光盘上，带有信息的小坑位于微小隆起线的平顶上，微小隆起线起到定位信号的作用。以前采用凹槽和磁带记录信息，这时要求读头位于旋转盘上面1mm处。与凹槽和磁带不同，光盘的读头是一个低功率的GaAlAs半导体激光，它可以在光盘表面紧密地聚焦。当连续光束从小坑中被反射回来时就会在反射光束内产生一个数字信号，采用光电探测器对信号的信息进行读取。这个系统看起来比较简单，但实际上是光学工程的一个奇迹，它的组成部分如图1.39所示。首先，光束被准直和圆偏振；然后光束通过一个偏振光束分离器和一个石英薄片后形成一束出射光束，反射光束变成一个与出射光束彼此成一定角度的偏振光，这样会使反射光束在偏振光束分光器中得到很好的分光；最后这个反射信号传到一个弧形的光电探测器中，这个探测器不仅可以对信号进行读取，还可以对隆起线的相对位置和聚焦正确性进行检测，并能够自动更正。

家用光盘系统也许不够专业，它采用3个光束，其中两个用于跟踪隆起线，一个用于读取信号。最新版的家用光盘系统采用了一个由波导和全息光学元件制造的小型化读头，该读头集成了光束分光器、物镜和光电探测器，通过这些改进可以使激光唱机更加便宜和小巧。

现在市场上已经出现了光盘写入系统，一次性写入的光存储（WORM）对于档案的存储是比较理想的选择。该系统包括一个碲（Te）的吸收层，它被夹在塑料或玻璃制成的保护膜之间，在吸收层与保护片之间留一定的气隙，在该气隙内能够开展钻孔工艺。这个系统的结构与图1.39相似，但它是采用功率更高的激光束，从而可以在碲中烧出小孔。一个双面14英寸光盘的存储能力可以超过10G。其他一次性写入光盘技术包括可漂白的染料和永久相变。

现在市场上出现了可读写的光盘系统，它们是一种基于磁光的存储系统，如图1.40所示。在这个系统中，光盘是由一层铁磁体材料制作而成，铁磁体材料可以是TbFeCo或者FeTbGd，当它被加热到居里点以上的温度时，将变为顺磁性材料，这就意味着磁极可以通过微小线圈提供的外部场进行设置。当读光盘信息时，在光学上依赖于反射光束的偏振内存在一些微小不同，这种不同是由克尔效应造成的，这种差异是非常小的，接近于0.5°。

图1.39 从CD读盘配置布置图

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图1.40 磁光读写系统

写入存储光盘的数据密度随着光头波长平方的增加而减少，存储数据密度主要由存储数据面积所决定，到目前为止，基于GaAlAs的半导体激光占主要地位，它们的工作波段为780nm左右。基于GaAlAsP的半导体激光的工作波段为680nm，采用这种激光可以提高每平方厘米的存储量，从80Mbytes/cm²提高到0.2Gbytes/cm²。当使用波长为428nm的两倍频半导体激光，或使用波长为408nm的蓝光半导体激光时，可以使存储密度进一步提高到0.4Gbytes/cm²。正在发展的多层重叠技术可以使紧密储存系统的储存能力获得惊人的增加。最新的光盘读写设备采用了一个蓝色GaN的半导体激光，光盘具有两层，通过相位移技术把两层分开。这种光盘可以用于一个读写存储设备，每层可以存储25Gbytes的信息，能够承受10000次的重复记录，寿命超过30年^[30]。2010年前，蓝光半导体激光的市场被设定为要超过20亿美元。

然而光盘这种存储能力与潜在的全息存储相比是微不足道的。通过这种技术可以使整个《英国大百科全书》存储在一个5分硬币大小的装置内。每页以明和暗像素的二维图样由一个空间光调制器（SLM）编码到激光束上。将这个数字信息作为一个单全息片写入到存储材料，并在其中与参考光束干涉而形成正常的全息图，全息存储的基本结构如图1.41所示。读取数据是通过来自于参考光束的小功率激光的闪光，全息数据的输出由CCD阵列读取，这个系统的数据传输速度可以达到1Gbit/s，随机访问时间小于1μs。通过改变参考光束的波长、方向或相位可以使更多的全息图存储在同一材料中。通过一个声光设备（见1.2.3节）可以使光束的角度快速改变。该系统通常采用光折变材料作为存储介质，当光束的功率足够大时，这种材料的折射率将发生改变，存储介质的发展是当今许多研究的主题^[31]。

图1.41 全息存储系统配置布置图