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1、概 论,光信息存储技术是在激光光源出现以后开始发展起来的，由于它具有信息存储密度高(比磁盘高几百倍)，易于快速随机存取，能存储图像与数字两种信息等优点，从20世纪70年代初展露头角以来，得到世界各国的普遍重视。钙钛矿锰氧化物-巨磁电阻材料，用于高密度记录读出磁头，使器件小型化、廉价化。,2007年10月，法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得格林贝格尔因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。一台1954年体积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。正因为有了这两位科学家的发现，单位面积介质存储的信息量才得以大幅度提升。目前，根据该效应开发的小型大容量硬盘已得
2、到了广泛的应用。司空见惯的笔记本电脑、MP3、U盘等消费品，居然都闪烁着耀眼的科学光芒。,光信息存储技术有全息存储和逐点存储两种类型。全息存储是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将光信号再转变成电信号输出。逐点存储是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(如熔化、相变)逐点记录信号的，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。全息存储所用的记录介质称为全息材料，逐点存储所用的记录介质对应于磁盘而被称为光盘材料。,21全息材料,全息成像过程是利用光的干涉和衍射现象，在照相干板或胶片上以干涉条纹形式把图像记录下来，然后以光照射这种
3、干板，就能以立体形式再现物体的原来图像。由于它记录了物体的全部信息(振幅和相位)，所以称为全息照相术(Holography),1基本原理,全息照相述的基本原理,2全息过程的数学描述,全息图的分类,二、全息图的分类,薄全息图亦称平面全息图，它的记录介质的厚度比所记录的条纹间隔要小；厚全息图亦称体积全息图，其记录介质的厚度等于或大于所记录的条纹间隔。一般用Q来衡量。,照明光波的波长； n记录材料的折射率 d记录材料的厚度； A被记录到的条纹的间隔。一般把Q10的全息图看作体积全息图，而把其余情况下的全息图看作平面全息图。,全息图包可根据再现照明波的衍射机理进行分类。在振幅型全息图中，干涉图记录到的
4、是记录介质发生的密度变化，而当再现时，照明光波的振幅就被进行了相应的调制；而在位相全息图中，被加在再现照明波上的是相位调制。,三、全息材料的特征值,1、曝光量H 2、衍射效率 3、灵敏度和光谱灵敏度 4、分辨率,1、曝光量H,曝光量表示在全息材料表面上单位面积所接受的光能多少，它等于光强度与曝光时间的乘积，用下式表示H=t式中 H曝光量（mJ/cm2）；光强度单位时间内通过单位面积的能量（mJ/cm2s）；t曝光时间（s）。,2、衍射效率,衍射效率等于总的有效成像光强度衍射与用来照明全息图的总光强度入射之比，即=衍射/入射表2-2 各类全息图的最大理论衍射效率值,3、灵敏度和光谱灵敏度,灵敏度
5、是指全息材料在接受光的作用后，其反应的灵敏程度。在全息技术中，材料的灵敏度用下式表示式中 衍射效率； V曝光强度的条纹反衬度；H平均曝光量。 在获得相同衍射效率的情况下，所需的V值和Hm值越小时越灵敏。 每种全息材料都有一波长的红限，波长大于红限的光不能与材料起光化学反应；另外每种全息材料都有它自己的吸收带，在吸收带内的波长才能起光化学反应，这就是光谱灵敏度。,4、分辨率,全息材料的分辨率是指它所能记录的光强空间调制的最小周期，其单位是cy/mm。 分辨率并不完全取决于全息材料本身，还与全息图种类、记录夹角等因素有关。,反射全息图记录介质的分辨率,四、全息材料的种类,全息记录介质分类,1、卤化
6、银乳胶,卤化银乳胶是将颗粒很细的(012m)卤化银混合弥散在明胶中，再加一定的敏化剂制成。常见的银盐干板是由乳胶层、底层、玻璃板和防光晕层组成。 最大优点是灵敏度比其他材料高，并可成为全色。它的光谱灵敏度在蓝光的紫外光谱区域，常在乳剂表面吸附一层对长波光谱区有吸收的染料，使卤化银乳剂的感光灵敏度扩展到长波区域。卤化银乳胶的缺点是分辨率不高，噪声大和容易引起光散射。,卤化银乳胶,2重铬酸盐明胶,重铬酸盐明胶是将明胶溶液加入少量的重铬酸盐溶液配制而成，是一种重要的全息材料。重铬酸盐明胶的光化学过程为：溶解在明胶中的重铬酸盐是感光敏化剂，当曝光时，由于光的吸收作用，使Cr6+变为Cr3+，而Cr3+
7、与明胶分子起反应，引起交联使明胶硬化。接着在水中洗掉未曝光的重铬酸盐部分，在异丙醇中快速脱水干燥，使曝光部分的折射率提高，成为高衍射效率的位相全息图。,重铬酸盐明胶材料的优点是分辨率高和衍射效率高，几乎接近于理论值。重铬酸盐明胶的缺点是感光度低，而且灵敏波长在蓝光部分。如果要用633nm波长还需要加其他的染料敏化，常用的染料有亚甲基蓝和亚甲基绿。重铬酸盐明胶的另一缺点是全息图经醇脱水后，乳胶面呈现白色，即产生“白膜”(milk white)。,白膜的形成机理,溶于热水中的低分子量明胶和较能旋转的明胶分子长支链或交联度低的明胶分子的长端链，经不良溶剂脱水后收缩成较紧缩无规线团沉积在明胶表面上。这
8、种线团的直径与可见光波长属同一数量级时，就会散射入射光而呈乳白色，即形成白膜。,3光导热塑料,是一种浮雕型位相全息记录材料。这种材料是在玻璃片基上镀上透明的导电膜，再在上面徐布厚度为23m的光电导体和厚度约为1m的热塑性塑料而构成的。,进行曝光前，在光导热塑料上装上电极，当用48kv的电压使之产生电晕放电后，就使热塑性塑料带电并具有感光性能。然后在材料上曝光，同时使电流流到片基的透明电极上，当发热到60左右时，利用其产生的热量使热塑性塑料变软。再使柔软的热塑性塑料表面带电，依靠静电力可使塑料产牛与曝光量相应的变形，光导热塑料可以擦除后重复使用，擦除的方法是适当的加热，恢复到原来的情况后冷却。,
9、光导热塑料作为全息材料的优缺点,优点是对可见光敏感，干法显影，适合于实时观察；衍射效率高，能重复使用。缺点是分辨率较低(2000cymm)，高质量薄膜制造很困难。,4光致抗蚀剂(photoresist),光致抗蚀剂是用于制造集成电路或超大规模集成电路的材料。把光致抗蚀剂以几微米的厚度涂布在玻璃支持体上制成干板，曝光之后通过显影，没有曝光部分的抗蚀剂就被溶解掉，产生浮雕像。光致抗蚀剂分为负性和正性光致抗蚀剂两种。,负性光致抗蚀剂是指那些光交联型光敏树脂，如聚肉桂酸酪型、双叠氮环化橡胶型等，它是在曝光的地方吸收光，变得不溶解，显影后未曝光部分被溶解掉。正性光致抗蚀剂是指那些光分解型光敏树脂，如邻醌
10、偶氮型等，它是曝光部分被溶解掉。光致抗蚀剂是一种位相型全息材料，其优点是衍射效率高，分辨率在1000cymm左右。缺点是感光度很低，如用448nm的氩离子激光器记录，曝光量约为2000Jcm2。,光致抗蚀剂,用于全息存储时，无机光致变色材料多于有机材料。优点是不需显影，而且可以用热或光的方式擦除后重复使用。缺点是灵敏度较低，存储信息时间短。,5光致变色材料,光致变色材料,6光致聚合物,光致聚合物作为全息材料的基本原理是由于光的作用，使小分子或单体被聚合成大分子或聚合物，使材料在曝光前后产生折射率差。,光致聚合物,光致聚合物由单体材料，如丙烯酸、内烯腈、苯乙烯和光敏剂、交联剂等组分组成。光致聚合
11、物的灵敏度比光致抗蚀剂和光致变色材料的高，分辨率可达到3000cy/mm。其优点是干显影和快速处理，可以得到高分辨率的全息图。当曝光充足时，可长期保存。,7光折变材料,光折变材料是能吸收外来光而产生材料内载流子的迁移，由此形成一个空间载流子的重新分布和相应的电场，通过电光效应，使材料的折射率受到调制的材料。材料中产生光折变效应的必要条件是：能生成可移动的载流子；对光有吸收；能传输载流子；有能捕获载流子的势阱；有一定的电光系数，对于有机分子要求有二阶非线性光学性质。,光折变材料的种类,电光晶体，如BaTi05、KNbO3、LiNb03、LiTaO3 非铁电氧化物，如Bi12(Si，Ce，TiO2
12、0)等 半导体化合物，如GeAs、InP、CdTe等 光折变聚合物，如DMNPAAPVKECZ/TNF体系,五、应用,光全息存储材料已分别在干涉计量、材料与元件的无损探伤、制作防伪商标以及图书资料的高密度存储等方面得到实际应用。另外，还可做成全息光学元件，如全息透镜、全息光栅、全息空间滤波器、分束器等，由于全息光学元件重量轻、性能好，用它装配整机，可以使整机的重量减轻许多。,2.2 光盘材料,光盘是新一代记录媒质，与塑料软盘、固定磁盘和磁带相比，它具有记录密度高、非接触、可靠性高和使用寿命长等特点。光盘可作为计算机的档案库或数据库的文字存储器，能将正文、图形图表和语言等信息编写统一的数字信号再
13、进行存取。 光盘所用的材料称光盘材料，是一种具有记录（写入）、存储和读出功能的材料。光盘材料有光盘基板材料和光记录材料两部分组成。,激光束通过调制器受输入信号调制，成为载有信息的激光脉冲。经光学系统、偏振分束棱镜和/4波片导入大数值孔径物镜，在光盘介质表面汇聚成成直径小于1m光斑。激光束与介质相互作用后，在介质表面蚀成孔或形成相变，以此记录信息（介质表面激光作用区与未受激光作用区，形成某一物理性质有显著差别的两个状态，如反射率差别、折射率差别、透射率差别，这两个状态被分别定义为“1”和“0”）。当物镜沿径向移动，光盘在转台上旋转时，在光盘表面形成螺旋状或同心圆信息轨道。用小功率激光束反射强度的
14、变化经调制后还原所记录的信息。,光盘采用的七种光记录形式示意图,是烧蚀凹坑式，即通过激光加热可在记录膜上产生凹坑记录信息，这类记录介质多为碲、铋、锗、硒等元素及其合金薄膜。,所示的记录介质是采用两种不同材料的薄膜构成，如金属铑膜和非晶硅膜层，在激光照射处这两种材料相互作用可形成合金，以此记录信息。,为绒面-镜面结构，激光照射处，绒面薄膜被熔化可形成一个小的平坦区域（镜面），以此记录信息。,所示的记录介质是一种有微小颗粒组成的膜层，在激光作用下这些微粒重新结合形成较大的颗粒，以此记录信息。,为起泡式记录，这种光记录介质由两层不同材料的膜层构成，下面一层为易汽化的聚合物薄膜，上面层为高熔点的金属薄
15、膜，诸如金膜或铂膜在激光照射处可形成气泡记录信息。,所示的光记录薄膜为相变型材料，激光照射处记录薄膜可由晶相转变为非晶相记录信息。,态变型材料，这种材料在激光照射下始终保持非晶相，只是非晶相的微观结构发生了细微变化，导致薄膜的光学参数发生改变来记录信息。,二、光盘分类及结构,光盘按功能分为可擦除光盘和不可擦除光盘两种。不可擦除光盘又有只读型(ROM)和一次写入多次读出型(WORM)两种。光盘结构有多种形式。已商品化的不可擦除光盘结构有单层膜型、三层膜消反射型和空气夹心饼”型三种。,(1)单层膜型,采用玻璃或聚氯乙烯基板，表面蒸镀蹄合金膜，激光辐射烧蚀合金膜，形成反射率突变的凹坑，实现信号写入。
16、,(2)三层膜消反射型,在基板材料上蒸镀三层膜，截面设汁成消反射结构，几乎能完全吸收入射光。透明涂层使三层膜免受尘埃、擦伤等影响。SiO2热阻挡层改善了光热转换效率。激光辐射烧蚀薄金属膜使反射层暴露。,(3)空气“夹心饼”型,由两张各自镀有一层灵敏的蹄合金薄膜的PMMA盘片组成，用两个垫圈在信息带的内外径处隔开，将薄膜密封在“夹心饼”结构中。在薄膜上面用激光加工微孔，写入情息。,三、光盘基板材料,光盘对基板材料的主要要求是：透光性好，很小的双折射性，良好的物理和化学稳定性，基板上的记录膜不发生剥离，价格便宜。光盘基板材料主要有无机材料和高分了材料两大类。,无机材料有金属(如铝、铝合金)、Al2
17、O3和玻璃等。金属基板价格便宜、坚固耐磨。但是它会影响光磁性能，因而不适用于制作磁光盘。玻璃基板具有良好的光学特性、耐热性、尺寸稳定性和寿命长等优点。 高分子基板材料以聚甲基丙烯酸甲酪(PMMA)和聚碳酸酯(PC)为主流，其次是环氧树脂和聚烯烃树脂(PO)，以及乙烯酸树脂、紫外线硬化树脂等。结晶高分子能产生很强的双折射性使光的透过率降低，因而要使用非晶高分子材料作光盘基板。,光盘基板材料,表续,四、光记录材料,光记录材料是光盘材料的核心，在理论上应该具有高灵敏度(数毫瓦量级记录功率)、高分辨率(1000cy/mm)、高信噪比、随录随放功能(具有实时记录特性)、高的抗缺陷性以及使用寿命长等性能
18、。,1.不可擦除的光记录材料,所记录的比特尺寸应足够小，约为1m；记录能量适中；记录和非记录区信号对比度大；介质噪声小；介质物理化学性能稳定，信息存储寿命长。,不可擦除的光记录材料的种类很多，包括有元素金属或其合金，如Au、Pt、Cr、Bi、Cu及Pb等；元素半导体，如Te、Si、Ge、Se、S和它们之间或其他元素如As、In、0、H、C等所形成的合金；还有染料聚合物等都可以做记录介质。在上述材料中，以蹄(Te)为主要成分的膜材料最引人注日，因此可将这类材料简单地分为碲系记录材料和非碲系记录材料两种。,碲系记录材料包括碲和碲系合金，碲碳混合物和碲的低价氧化物等。这类材料由于具有记录密度高(5x
19、l07位cm2)，信号输入速度快(50兆位s)，信息位价格低(每位10-8美分)，位出错率低(10-6)，信噪比高(50dB)，快速随机存取(1s左右)，半永久性存储寿命(10年以上)，与计算机联机方便等优点。成为第一代不可擦除光盘介质的主流。,碲系膜性质,非碲系记录材料主要包括碲系玻璃，金、铂系贵金属及合金材料等等。,非碲系记录介质的性质,不可擦除介质的光记录形式主要是烧蚀和鼓泡两类，其优点是具有永久性记录，记录的信号不因外界环境或偶然的误操作而消失。,2、可擦除的光记录材料,可擦除型光记录材料按记录信号的不同机理分为态变形、相变形、磁光型和光致变色型四种。,（1）态变形材料,这类材料主要是
20、一些不成化学计量比的氧化物，如MoOx、SbOx、TeOx、GeOx等。用这类材料制成的薄膜在光辐照和热作用下光透过率大幅度下降。,加热时各种氧化物记忆薄膜的透过率变化,（2）相变形材料,相变光盘是用相变材料的光致晶态非晶态转变进行记录的。当用激光进行扫描时，材料融融后急剧冷却而变成非晶态时进行信号记录；材料达到结晶温度而变成晶态时则进行信号消除。主要有硫系半导体薄膜和一些低熔点合金材料，如TeOx、MoOx、SbOx等金属氧化物或半金属化合物薄膜、GeTeSb薄膜、TnSbTe薄膜、Ag-ZnAg-Al-Cu之类的二元或三元合金等。,可擦除记录介质,(3)磁光型材料,用磁光型记录材料做成的光
21、盘称为磁光盘，它是利用磁光效应来记录的。磁光记录再生原理是磁光盘用激光对矫顽力大的垂直磁化膜进行部分加热，使磁化反向，通过这种反向部分组合把信息记录在磁性膜上。读出信息是借助磁性克尔效应的反射光或者法拉第效应透过光的偏光面旋转获得的。,高密度磁光盘需要高灵敏、高密度、可擦除的光记录介质。良好的磁光记录材料应该具有高矫顽力的垂直磁化膜、大的磁光克尔效应或法拉第效应、物理化学性质稳定、缺陷或晶界等的介质噪音源小、低的居里温度(250300以下)等待性。 主要的磁光记录材料有铁柘榴石单晶膜，MnBi、PtCo等多晶膜和稀土过渡金属非晶膜等三大类，,磁光记录材料及特性,(4)光致变色型材料,用激光重复
22、着色、脱色的光致变色化合物做的，可用不同波长的激光来改变其颜色进行读取和改写。用于光盘的光致变色材料是一些无色光致变色型硫系玻璃。如As2S3、As2Se3、AsSeGe等和有机光致变色化合物，如二烯马来酸二甲基衍生物、俘精酸酐、螺吡喃和偶氮苯等。,五、光盘材料的应用及发展趋势,光盘材料主要用于制造光盘。光盘的应用已深入到极其广泛的领域，首先是应用于娱乐方面的小型唱盘格放机及电视光盘系统。激光唱盘、影碟等产品已广泛应用于家庭中。另外，光盘还可以用作商品介绍，用于计算机辅助教学，用于提供专利检索，用于文献存档等等许多领域。,光盘今后将重点研究方向,新型可擦除光盘的记录材料。在数据密度方面今后若干
23、年内可望提高到39倍。随着半导体激光束高精度伺服技术的日趋成熟，可擦除式磁光记录成为引入注目的重要技术，具有广阔的发展前景。目前磁光盘的主要弱点是平均存取时间长(约为磁盘的23倍)，且不能直接重写。今后将进步研制磁光效应强、居里温度低、信噪比高、热稳定件好和易于制作的新型磁光记录材料，从而满足以直接重写、高速传输为重点的磁光存储技术要求。,电子俘获型材料是把A、B两类稀土元素掺入碱土硫化物晶体中形成两个局域杂质能带R带和T带：R带位于价带VB上25eV处，它与VB间允许跃迁，T带位于R带以下 15eV处，它与VB间禁止跃迁。碱土硫化物的能隙宽45eV。写入信息时，用480 nm(hw=2.5e
24、v)波长的激光使价带电子激发到R带，并很快被陷阱T所俘获(abc)。信息擦除是用20nm(hw=1.5ev)的近红外光激发陷阱中的电子到R带再返回基态VB，并发出hw2光(def)，由于不存在热疲劳，故写擦可无限次循环。读出信息时，只要用较低功率的激光hw2，使陷阱T带的电子返回基态并发出hw3读出光束，它是利用发光原理读出信息，与相变和磁光型材料不同。,近来还研究开发了电子俘获型和光化学开孔型光记录材料。,光化学开孔型（PHB)材料是利用材料中分子吸收光能从基态跃迁到激发态并生成光致化合物，使均匀光带上出现开空缺口，形成一个按扫描激光的频率分布构成的频率维布储空间，使原来的二维光班变成一个三维存储空间，其存储密度对比二维存储密度高103104倍。光化学开孔型材料由主体和客体两部分组成，主体为高聚物、无机溶剂或低温玻璃态物质，客体是光活性有机分子或无机色心材料。,
