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1、第五章：光信息存储材料,数字信息存储,信息产生：能量在时间或者空间上的分布,信号：传递信息的能量,噪声：那些被检测到但并非我们所需要信息的能量,信息的存储：介质存储某一时刻的空间能量分布，并在此之后给与再现。,光学存储：用介质记录光强的分布，经过激发，这个介质能忠实的还原先前存储的光强分布！,5.1 信息存储技术发展史,结绳记事,文字出现,磁盘产生,光盘应用,5.2 光信息存储技术,光信息存储技术：利用特定波长的光作为信息的读写工具，从信息存储介质中读出或向信息存储介质中写入信息。,光信息存储光源：激光（相干性、单色性、方向性）,利用全息照相原理，将信息存储在记录介质中，读出时，通过光电探测器
2、将光信号再转变成电信号输出。,通过受信号调制的激光束与记录介质相互作用时产生的状态变化逐点记录信号，读出时再用激光束投射到记录介质表面，从反射光的强度变化中读出信息。,5.3 光信息存储技术优点及性能指标,1、信息存储密度高 2、易于快速随机存取 3、能存储图像和数字两种信息 4、价格低廉，使用方便 5、保存方便，且不易丢失,光信息存储技术优点：,光信息存储技术性能指标:,1、存储容量：存储单元的数量 2、存储密度：存储器单位面积上所能记存的数的多少 3、存储周期：存或取一个数据所需要的时间,6,5.4 光全息存储材料,1948年伽伯（D. Gabor，全息照相之父）发现 全息照相基本原理，1
3、9世纪60年代后迅速发展，1971年度的诺贝尔物理学奖。,1、全息照相术的简介：,利用干涉和衍射原理记录并再现物体光波波前的一种技术,三维,2、全息照相术的基本原理：是基于干涉、衍射的原理,全息照相过程包含记录和再现两过程: （1）用干涉方法记录物光波的全部信息； （2）用衍射方法再现物体的光学现象。,（一）波前的全息记录(拍摄过程):,2、全息照相术的基本过程,把一束激光分为两束，其中一束直接照到全息干板上，称为参考光R，另一束照射到被摄物体上，经物体反射后再照射到干板上，称为物光O。 这两束光在全息板上相遇并产生干涉，经过显影、定影等暗室处理后，底片上形成明暗的复杂的干涉条纹，形成全息图,
4、底片上以干涉条纹的形式记录下物光波的全部信息(强度和位相),干涉图样的明暗对比程度反映了物光波相对于参考光波之间振幅的变化； 干涉图样的形状和疏密变化反映了物光波和参考光波之间的相位变化。,首先利用光的干涉原理，从物体上发出的光波与参考光波发生干涉，记录干涉图样。由于干涉图样中既记录了光波的光强，又记录了光波的相位，故记录了相干光及物体光波的全部信息。,干涉图样为什么能记录相位呢？,由图中的几何关系得： 此式表明，在底片上同一处，来自物体上不同点的光，由于 它们的 或 不同，与参考光形成的干涉条纹的间距就不同，因此底片上各处干涉条纹的间距反映了物光相位的不同，也反映了物体上各发光点的位置的不同
5、。,O 为物体上某一发光点。设A,B为底片上两条相邻的暗纹，在A,B两处的物光和参考光必须都反相。由于参考光在A,B两处是同相位的，所以到达A,B两处的物光的光程差等于激光的波长 。,（二）物光波前的再现: (成像过程)利用衍射原理再现物质光波,用一束参考光（在大多数情况下是与记录全息图时用的参考光波完全相同）照射在全息图上，就好像在一块复杂光栅上发生衍射，在衍射光波中将包含有原来的物光波，因此当观察者迎着物光波方向观察时，便可看到物体的再现像。,全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地
6、分别显示出来。,4、在同一张照片上，可以重叠数个不同的全息图。,光全息照相的特点,1、相干片上的花纹与被摄物体无任何相似之处，在相干光束的照射下，物体图像却能如实重现。,2、立体感很明显（三维再现性），如某些隐藏在物体背后的东西，只要把头偏移一下也可以看到。视差效应很明显。,3、全息图打碎后，只要任取一小片，照样可以用来重现物光波。,此时存储是由多个层面组成的存储，每一层中记录的页面存储采用了不同的编码。,当一指定层被选出来写入或读出数据时，其他各层必须有效地不被激活。,在全息三维光学存储器中，输入的二维页面信息被编码并分布到整个存储空间。,光全息照相的特点,在最简单的光学系统中，页面存储是被
7、显示在页面编排器上的，这是一种空间光调整器。,像面全息图,记录,再现,平面全息存储器,只有用与记录全息图所用参考光束完全相同的光作为参考光束才能再现物，这一特征提供了复用能力。,参考光束相继以不同的入射角投向同一张胶片上，就可以记录多张全息图。,特定角度的参考光只再现特定位置上记录的物，而其他物的再现位置是偏移的。,需要高功率激光器和复杂光学元件,页面存储的大小受空间光调制器和列阵探测器技术发展水平的限制，也受到透镜和系统中其他光学元件大小的限制。,堆叠全息图三维存储器,如果能够选择激活任意一层，那么几个平面全息图就能以分层的结构方式堆叠在一起形成三维光学存储器。,设计思想,采用双光子吸收材料
8、的光子选通三维存储器,采用电子俘获材料的叠层三维存储器,电信号可以激活选定的层。,堆叠全息图的三维光学存储器,Thaxster和Kestigian在1974年证实，外加电场可以控制SBN全息图记录的灵敏度和全息图再现中的衍射效率。,铌酸锶钡( )通常写为SBN，是一种可以用来产生全息图的光折变材料。,当在合适的方向加外场，且外场达到,灵敏度增加，能够记录全息图,外电场提供的漂移场促进了光离化电荷的分离。,SBN层的堆叠,注意，电极应放在SBN层的边缘。,隐藏：加对抗场，增强记录的电场方向相反,记录：加增强记录的电场方向相同,再记录：加增强记录的电场方向相同,衍射效率降低,SBN层的堆叠,Che
9、n和Brady提出了用PVA叠层和偏振转动器构成三维存储器件的建议。,用PVA层存储全息图，每一层PVA上有偏振旋转器，它是由一对透明电极之间夹一层液晶而成。,PVA特点,只有在特定的偏振态下才能记录和再现全息图。,PVA叠层结构,PVA层堆叠,未加电压时，液晶旋转器可以将入射光的偏振态旋转90（ON）； 加上电压后，液晶偏振旋转器将不影响入射光的偏振态（OFF）。,液晶偏转器工作过程,ON态,OFF态,入射光偏振方向是0，且激活PVA层要求90。,液晶偏振器在OFF态时，入射光通过PVA层不受影响；,液晶偏振器在ON态时，入射光偏振态旋转90，激活选定的PVA层，下一个PVA层也置于ON态，
10、入射光偏振态又回到0。,PVA叠层三维存储器工作原理,被记录的三维干涉图样称为体全息图，在再现过程中，它又可以转换成最初的二维图样。,提高存储容量,图的再现受布拉格条件的限制，相同波长的再现光束的照射角度必须与记录过程中的参考光束记录角度相同。,体全息图再现要求,在普通应用中，平面全息图用来产生物体的三维显示； 在数字光学存储应用中，体全息图用于记录和显示二维页面存储。,具有三维衍射光栅的性质,体全息三维光学存储器,具有独创性设计的第一个三维全息光学存储器原型是DAuria等人1974年提出的，它基于下图所示的结构，只是每一个微小的平面亚全息图替换为掺铁铌酸锂体亚全息图。,偏转器将参考光束定位
11、到全息片的亚全息图上以再现页面存储,三维全息光学存储器研究进展,工艺,用SBN光纤制作微体积亚全息图，其直径为1mm，长度为4mm，存储容量为3050个页面。,材料易生长,进展,Mok等人后又将5000张全息图存储在2cmX1.5cmX1cm掺铁铌酸锂晶体内。,Mok等人成功的将500张320X320像素图像全息图存储在1cmX1cmX1cm掺铁铌酸锂晶体内。,实验装置必须具备下述的三个基本条件：,3高分辨率的感光底片。,1一个好的相干光源。激光，时间相干与空间相干；,2一个稳定性较好的防震台。干涉条纹宽度属于波长数量级；,光全息照相与普通照相的区别,动态全息图,白光全息图,真彩全息图,光全息
12、图片,全息照相的应用,1、全息干涉测量,全息干涉测量特别适用于各种材料的无损检验。全息干涉测量技术是把全息照相和干涉测量技术结合在一起形成的，也叫三维干涉测量技术。,一个被测物体经过全息照相后，即记录了该物体的一个精确的形象。如果物体以后发生了某种形变，可以把这个物体经全息照相记录的形状与被记录的物体的原始形状进行光学比较，从而精确地指出物体形状的微小变化，尽而判断物体的某些性质和状态。 其具体方法有一次曝光法和二次曝光法。,2、全息照相制作光学元件,用全息照相法制作光学元件，能大大地改善光学元件的性能。,例如，用全息法制作光栅完全摆脱了机械刻划的陈旧方式。采用记录干涉条纹的照相方法可以方便地
13、得到质量较好的衍射光栅。这种全息光栅的特点：杂散光很小，且一般来说分辨率高。 全息图还可以制作波带片等光学元件及作为防伪商标。,5.3 光学存储介质,照相胶片（photographic），或者叫卤化银胶片，是用来存储图像的最常用的介质。,胶片或者照相干板通常以透明的醋酸纤维胶片或者玻璃作为基片，在其上镀一层感光乳胶。乳胶有大量微小的感光卤化银颗粒组成，这些颗粒悬浮在明胶当中。,卤化银乳胶可以用来产生相位调制和振幅调制,存储机制,AgBr，AgCl,5.3.1 照相底片,最初溴离子吸收光子产生一个溴原子：,银离子能与电子结合产生银原子,AgeAg0,提供了潜影,照相底片,当感光乳胶曝光时，一些卤
14、化银颗粒吸收光能后发生复杂的物理化学变化，吸收足够能量的颗粒马上会还原为银原子。,生成的明胶乳剂熔化后涂布在玻璃板或塑料片基上，形成照相干板。,照相三步骤,曝光,显影,定影,5.3 光学存储介质,根据底片的感光特性及当时的照明条件，选择适当的曝光量将底片曝光，使其在底片上形成潜像,显影的作用是使有潜像的底片在显影液的化学作用下，以潜像上已析出的银原子为显影中心，将附近卤化银微粒的银原子还原出来。析出的银粒子数目与感光强弱成正比。显影一定时间后，就会显现出黑白图像,其作用是将底片上未起光化作用的卤化银微粒从片基上溶去，以防止它们继续感光变黑。,如果将牛的软骨、蹄和骨头放在一起煮足够长的时间，它们
15、最终将成为胶状，这些胶在经过提炼可以得到明胶。,明胶胶片可以通过在衬底上浸涂(dip-coating)或者刮制(doctor-blading)的方法获得,提取方法,明胶遇水膨胀。明胶本身对光不敏感，用化学敏化方法增加其感光性，通常是在其中加入重铬酸铵(NH42Cr2O7)，它能够使明胶内部发生变化从而对光敏感。,明胶特点,5.3.2 重铬酸盐明胶,明胶光化学反应,聚合过程就是两个或者多个相同物质的分子在一起形成一个新的分子（聚合体），这个分子和原来的物质分子（单体）具有相同的组分，其分子量是组成聚合体的原始分子量的整数倍。,商用的光聚合物是由单体和光敏物质通过聚合胶混合形成的软片。,聚合定义,
16、光聚合物（photoploymer）,5.3.3 光敏聚合物,光聚合过程,聚合体的浓度变化,荧光曝光,使图像稳定，实现折射率调制,单体扩散,光刻胶是一种有机光敏材料，它广泛应用于集成电路(IC)芯片制造的光刻过程。,负型胶：在曝光之后，光刻胶会由于聚合或者其他过程变得不溶于溶剂，那些没有曝光的部分被冲洗掉之后就剩下了曝光的图像。 正型胶：感光的光刻胶溶于显影溶液的,图像以浮雕图样被记录下来,光刻胶有两种类型：正型胶和负型胶。,5.3.4 光刻胶,5.3.4 光刻胶,光刻胶由三部分组成：1，感光剂；2，增感剂；3，溶剂。,超分辨率干版就是在玻璃基片表面上涂布一层含颗粒极细的卤化银乳胶,乳胶的成分：乳化剂、分散介质和辅助剂等 乳化剂：硝酸银和卤化物(溴化钾，碘化钾、氯化钠等) 分散介质：明胶。它易溶于热水，冷凝后成固体状态，其分子链的连接是通过链上某些氨基(NH)中的氢和相邻分子链上羰基( =C=O)中的氧所形成的氢健。,增感剂的作用是使卤化银的感光范围展宽 防灰雾剂的作用是抑制乳胶中灰雾中心的形成，常用的防灰雾剂有苯酚
