[科普中國]-全息通用光盤

全息通用光盤又可作為全息可記錄光盤，改變參考光的入射角度，就能在介質(zhì)的同一位置記錄多幅干涉圖案，用來記錄光盤的全息信息。

全息通用光盤的特點全息光盤記錄了光的全部信息；

2. 全息光盤將光信息的二維面存儲跨越到三維體存儲；

3. 全息光盤信息位的存儲不是比特→比特的逐位存儲，而是頁面→頁面的逐頁存儲，每個頁面約含比特

的信息，如圖1所示。因此，全息光盤不僅有很高的存儲密度，而且有很高的數(shù)據(jù)傳輸率。

全息存儲器通過各種復(fù)用技術(shù)使全息光盤的容量以及數(shù)據(jù)傳輸率與年俱增的速率很快。

全息通用光盤的盤片結(jié)構(gòu)其盤片結(jié)構(gòu)如圖所示，其中各層自下而上依次為：

1．帶有地址信息坑的聚碳酸酯襯底，地址信息坑與全息光盤的伺服系統(tǒng)一起提供全息光盤的尋址功能并確保全息光盤的互換性；

2．鋁反射層，用于反射讀出地址信息的紅光；

3．隔離層；

4．分色鏡層，用來反射藍色或綠色寫/讀激光，但可以讓紅光透過；

5．隔離層；

6．全息數(shù)據(jù)記錄層，材料是光致聚合物；

7．覆蓋層，材料是聚碳酸酯。

由圖可知，用來寫入/讀出全息數(shù)據(jù)的綠光或藍光被盤片中的分色鏡反射，而用來讀出地址信息的紅光則能透過分色鏡并由鋁反射層反射，這表明全息光盤的數(shù)據(jù)信息和地址伺服信息被記錄在盤片的不同膜層上1。

全息通用光盤的寫讀原理1.光的波動特性光波實質(zhì)上是電磁波，由電場和磁場在空間的交替變化來傳播，通常用電矢量隨空間和時間的變化來描述光的波動特性，對平面波有E=E(x, t)，而對球面波E=E(r, t)。

對于平面波，假設(shè)有一列平面波在空間沿X方向傳播，如圖所示，則平面波的波動方程表示為：

對于球面波，則波動方程表示為：

式中K=2π/λ表示波矢，λ是波長；ω=2πυ，υ為光波頻率，頻率決定光的顏色； 或 /r是波的振幅，振幅與光強直接有關(guān)。圖2中的v表示光波的波速。以上公式中的余弦函數(shù)項表示光波的相位。頻率、振幅和相位是光波波動特性的三要素。光波波動特性的三要素在具體應(yīng)用中的體現(xiàn)舉例如下：一般黑白照片，底片上記錄的是光波的振幅信息（也就是光強信息）；一般彩色照片，底片上記錄的是光波的頻率及振幅信息；唯有全息照相，干板上記錄的是光波的頻率、振幅以及相位等全部信息，所以稱為“全息”。光波的振幅和相位是兩列（或多列）波疊加時的重要參量。

2.光的干涉特性若有兩列光波在空間相遇，不論是平面波與平面波、球面波與球面波、還是球面波與平面波（如圖5所示），只要這兩列波滿足光的相干條件，也就是說，這兩列波的頻率相同、振動方向相同而且在相遇地點有一定的相位差，則兩列波在疊加區(qū)會發(fā)生干涉現(xiàn)象并出現(xiàn)明暗相間的干涉條紋，如圖5（a）所示。

在此情況下，若將一片鍍有光敏介質(zhì)的載體置于相干區(qū)就會產(chǎn)生感光效應(yīng)。因為干涉條紋光強分布不同，導(dǎo)致介質(zhì)中的吸收不同，因而介質(zhì)各處的折射率（或其他光學(xué)常數(shù)）也發(fā)生不同的改變，如圖光學(xué)常數(shù)）也發(fā)生不同的改變，如圖5（b）其他光學(xué)常數(shù)）也發(fā)生不同的改變，如圖所示。如圖5（c）表示，若將上述載體取出，則載體上保留了光的干涉信息。這就是通常所說的信息被記錄或?qū)懭氲浇橘|(zhì)上.

若圖5（a）中的點光源含有信號信息，則介質(zhì)上記錄的是含有信號信息的干涉條紋。如果要從上述介質(zhì)記錄的干涉條紋中提取所需的光信號，還要經(jīng)過下述信號再現(xiàn)的過程。

如圖6所示，將一束頻率與寫入信息時所用參考光頻率相同的光作為讀出參考光，照射記錄介質(zhì)的干涉信息，就可以再現(xiàn)信號光。該再現(xiàn)信號光可以成像于探測器中，以便檢測單個比特。一個比特的信息可作為一個全息圖來存儲，同理，讀出時探測器中的一個全息圖對應(yīng)一個比特。

3.全息圖的記錄與讀出圖7給出全息圖的生成過程：一束綠光或藍光經(jīng)分束鏡分成兩束激光：信號光束和參考光束。信號光束通過空間光調(diào)制器后匯聚到記錄介質(zhì)的某一位置，而參考光由反射鏡反射后，以一定角度射入到記錄介質(zhì)的同一位置.因這兩束光來自同一束激光，頻率相同、波幅振向相同、且在相遇點有一定的相位差，滿足光的相干條件，因此在記錄介質(zhì)的該位置上疊加后形成干涉圖案，稱為全息圖，如圖7所示。這就是說在記錄介質(zhì)中存入了由信號光和參考光共同寫入的標(biāo)記——全息圖。全息圖實質(zhì)上就是信號光和參考光在匯聚點的干涉圖案。改變參考光的入射角度，就能在介質(zhì)的同一位置記錄多幅干涉圖案。用來記錄全息信息的光盤稱為全息光盤。

全息光盤不像CD/DVD光盤，信息刻錄在盤片表面，因而可用光反射的方法讀出。全息圖存儲在全息光盤記錄介質(zhì)的整體內(nèi)，沒法用光反射法讀出，只能用光學(xué)成像方法將它“取出”。這種方法從原理上講，只要將全息圖成像裝置中的空間光調(diào)制器除去，如圖8所示，使參考光以寫入時相對應(yīng)的各個角度照射記錄介質(zhì)上的記錄位置，就能將在各點記錄的全息圖一一讀出。圖7及圖8均引自In Phase公司的有關(guān)資料。

4.全息圖的記錄與讀出系統(tǒng)圖9（a）給出了全息圖的記錄與讀出系統(tǒng)，其中空間光調(diào)制器是一種對光波的空間分布進行調(diào)制的器件，可對輸入信號作實時二維并行輸入與處理?？臻g光調(diào)制器含有很多獨立的單元，它們在空間排成二維陣列，每個單元都可以獨立地接受光信號的控制，并按此信號改變本身的光學(xué)常量，如折射率、反射率、透射率等，這樣就對通過它的光波進行調(diào)制。記錄時，空間光調(diào)制器將待存儲的二進制數(shù)據(jù)“1”或“0”轉(zhuǎn)變?yōu)橛珊诎紫袼匦纬傻捻撁?，該頁面作為相干光信號，通過傅里葉變換透鏡（FT）入射到全息存儲介質(zhì)上；與此同時，將已進行角度編碼的參考光入射到存儲介質(zhì)的同一位置上，以便實現(xiàn)多幅圖像的記錄。一個角度編碼對應(yīng)一幅全息圖，多個角度編碼對應(yīng)多幅全息圖，這就是通常所說的“角度復(fù)用”，也就是利用角度編碼，在記錄介質(zhì)的一個位置上實現(xiàn)全息圖的多重記錄。全息存儲除了角度復(fù)用技術(shù)外，還有其他的復(fù)用技術(shù)，例如波長復(fù)用等。

讀取信息時，使用與寫入時相對應(yīng)編碼的參考光掃描記錄介質(zhì)，讀出的光信號經(jīng)過逆傅里葉變換透鏡(FT-1)照射到CCD探測陣列上，被CCD圖像光束探測系統(tǒng)接收，然后送至后續(xù)處理器。圖9（b）中用不同顏色的光來區(qū)別全息圖寫入和讀出時的光路。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王慧維 - 副研究員 - 西南大學(xué)