數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)與技術(shù)講座_光信息存儲(chǔ)技術(shù)與光盤(pán)

1、光盤(pán)及存儲(chǔ)類型光盤(pán)及存儲(chǔ)類型2 只讀存儲(chǔ)光盤(pán)只讀存儲(chǔ)光盤(pán)3 一次寫(xiě)入光盤(pán)一次寫(xiě)入光盤(pán)4 可擦重寫(xiě)光盤(pán)可擦重寫(xiě)光盤(pán)5 光盤(pán)襯盤(pán)材料光盤(pán)襯盤(pán)材料 6 光信息存儲(chǔ)新技術(shù)光信息存儲(chǔ)新技術(shù)信息存儲(chǔ)是將字符、文獻(xiàn)、聲音、圖像等有用數(shù)據(jù)通過(guò)寫(xiě)入裝置暫時(shí)或永久地記錄在某種存儲(chǔ)介質(zhì)中，并可利用讀出裝置將信息從存儲(chǔ)介質(zhì)中重新再現(xiàn)的技術(shù)總合。存儲(chǔ)技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步經(jīng)歷了由紙張書(shū)寫(xiě)、微縮照片、機(jī)械唱盤(pán)、磁帶、磁盤(pán)的演變過(guò)程，發(fā)展到今天的采用光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)的新階段。近年來(lái)，光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)不論是在純光學(xué)的全息掃描記錄還是在采用光熱形變的光盤(pán)或采用光熱磁效應(yīng)的光磁盤(pán)技術(shù)等方面都取得了很大進(jìn)展，它們的發(fā)展前景是十分光明的。光

2、學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)凝聚了現(xiàn)代光電子技術(shù)的精華和技術(shù)訣竅，有關(guān)檢測(cè)、調(diào)制、跟蹤、控制等各種光電方法得到了充分的利用。以互聯(lián)網(wǎng)為代表的海量信息傳輸技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了海量信息存儲(chǔ)問(wèn)題，這是目前國(guó)際上的研究熱點(diǎn)之一。大容量、高速度、高密度、高穩(wěn)定性和可靠性的存儲(chǔ)系統(tǒng)競(jìng)相研究與推出，各類信息庫(kù)及工作站相繼建成，目前信息存儲(chǔ)中的記錄方式向全光光盤(pán)發(fā)展，光頭逐漸向短波長(zhǎng)方向推進(jìn)，因而記錄密度不斷增大。 1.1 1.1 光盤(pán)存儲(chǔ)類型光盤(pán)存儲(chǔ)類型光存儲(chǔ)包括信息的“寫(xiě)入”和“讀出”過(guò)程。信息寫(xiě)入就是利用激光的單色性和相干性，將要存儲(chǔ)的模擬或數(shù)字信息通過(guò)調(diào)制激光聚焦到記錄介質(zhì)上，使介質(zhì)的光照微區(qū)（直徑一般在微米以下）發(fā)生物理

3、、化學(xué)等變化，從而實(shí)現(xiàn)信息的記錄效果。而信息“讀出”就是利用低功率密度的激光掃描信息軌道，利用光電探測(cè)器檢測(cè)信號(hào)記錄區(qū)反射率的差別，通過(guò)解調(diào)取出所需要的信息過(guò)程。光盤(pán)存儲(chǔ)類型通常有以下兩種。1.1.記錄用光盤(pán)記錄用光盤(pán) 也稱“寫(xiě)后只讀型（draw）”光盤(pán)，它兼有寫(xiě)入和讀出兩種功能，并且寫(xiě)入后不需要處理即可直接讀出所記錄的信息，因此可作為信息的追加記錄。 專用再現(xiàn)光盤(pán)專用再現(xiàn)光盤(pán) 也稱“只讀（read only）”型光盤(pán)。它只能用來(lái)再現(xiàn)由專業(yè)工廠事先復(fù)制的信息，不能由用戶自行追加記錄。 1.2 1.2 光盤(pán)存儲(chǔ)的特點(diǎn)光盤(pán)存儲(chǔ)的特點(diǎn)存儲(chǔ)密度高存儲(chǔ)密度高 存儲(chǔ)密度是指記錄介質(zhì)單位長(zhǎng)度或單位面積內(nèi)所存

4、儲(chǔ)的二進(jìn)制位數(shù)B。前者稱線密度，一般是103B/ mm,后者是面密度,一般是105106B/mm2。 在直徑為300mm的數(shù)字光盤(pán)中，光盤(pán)紋跡間距為1.6um，每面有54000道紋跡，如果每圈紋跡對(duì)應(yīng)一幅圖像，則可供容納50000多幅靜止圖像。寫(xiě)入讀出率高寫(xiě)入讀出率高 數(shù)字光盤(pán)單通道可達(dá)25106位/s。數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)每秒幾至幾十MB量級(jí)，并向每秒GB、TB量級(jí)發(fā)展。存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)存儲(chǔ)壽命長(zhǎng) 光記錄中，記錄介質(zhì)薄膜封入兩層保護(hù)膜之中，激光的寫(xiě)入和讀出都是無(wú)接觸過(guò)程，防塵耐污染，因此壽命很長(zhǎng)，庫(kù)存時(shí)間大于10年以上，而商用磁盤(pán)僅為35年。每信息位的價(jià)格低、易復(fù)制每信息位的價(jià)格低、易復(fù)制 一張CD光

5、盤(pán)650MB，僅需510元，每MB僅幾分錢(qián)；一張DVD容量4.7GB，10元左右，每MB不足一分錢(qián)。操作方便，易于計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)使用。有隨機(jī)尋址能力有隨機(jī)尋址能力 隨機(jī)存取時(shí)間小于60ms。 2.1 ROM 2.1 ROM光盤(pán)存儲(chǔ)原理光盤(pán)存儲(chǔ)原理圖51是只讀存儲(chǔ)光盤(pán)的存儲(chǔ)原理示意圖。圖51 ROM刻錄示意圖激光束被聚焦成1um光點(diǎn)，光盤(pán)的凹坑一般寬度為0.4um，深度為讀出光波長(zhǎng)/4，約為0.11um，螺旋線型的紋跡間距為1.67um。 2.2 ROM 2.2 ROM光盤(pán)主盤(pán)與副盤(pán)制備光盤(pán)主盤(pán)與副盤(pán)制備圖52時(shí)光盤(pán)制備過(guò)程示意圖。經(jīng)過(guò)調(diào)制的激光束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻膠的玻璃襯盤(pán)上，使光刻

6、膠曝光，之后經(jīng)過(guò)顯影、刻蝕、制成主盤(pán)（又稱母盤(pán)，master），再經(jīng)噴鍍、電鍍等工序制成副盤(pán)（又稱印膜，stamper），然后再經(jīng)過(guò)“2P”注塑形成ROM光盤(pán)。圖52 ROM光盤(pán)制備過(guò)程示意圖圖53 ROM主盤(pán)、副盤(pán)制備工序襯盤(pán)甩膠。對(duì)玻璃等襯盤(pán)進(jìn)行精密研磨、拋光后進(jìn)行超聲清洗，得到規(guī)格統(tǒng)一、表面清潔的襯盤(pán)；在此光盤(pán)上滴以光刻膠，放入高速離心機(jī)中甩膠，以在襯盤(pán)表面形成一層均勻的光刻膠膜；取出放入烘箱中進(jìn)行前烘，以得到與襯底附著良好且致密的光刻膠膜。調(diào)制曝光。將膜片置入高精度激光刻錄機(jī)中，按預(yù)定調(diào)制信號(hào)進(jìn)行信息寫(xiě)入。 顯影刻蝕。將刻有信息的盤(pán)片放入顯影液中進(jìn)行監(jiān)控顯影，若所用光刻膠為正性光刻膠，

7、則曝光部分脫落（若為負(fù)性光刻膠，不曝光部分脫落），于是個(gè)信息道出現(xiàn)符合調(diào)制信號(hào)的信息凹坑，凹坑的形狀、深度、及坑間距與攜帶信息有關(guān)。這種攜帶有調(diào)制信息的凹凸信息結(jié)構(gòu)的盤(pán)片就是主盤(pán)。由于此過(guò)程中所用的光刻膠一般為正性，因而所得主盤(pán)為正像主盤(pán)。噴鍍銀層。在主盤(pán)表面噴鍍一層銀膜。這層銀膜一方面用來(lái)提高信息結(jié)構(gòu)的反射率，以便檢驗(yàn)主盤(pán)的質(zhì)量，另一方面，還作為下一步電鍍鎳的電極之一。電鍍鎳層。在噴鍍銀的盤(pán)片表面用電解的方法鍍鎳，使得主盤(pán)上長(zhǎng)出一層厚度符合要求的金屬鎳膜。將上述盤(pán)片經(jīng)過(guò)化學(xué)處理，使得鎳膜從主盤(pán)剝脫，形成一個(gè)副盤(pán)。上述主盤(pán)每一個(gè)都可用通過(guò)（5）、（6）步驟的重復(fù)，制得若干個(gè)副像子盤(pán)副盤(pán)；而每一

8、副盤(pán)又都可以通過(guò)（5）、（6）步驟的重復(fù)，制得若干個(gè)正像子盤(pán)。 2.3 ROM 2.3 ROM光盤(pán)光盤(pán)“2P”2P”復(fù)制復(fù)制將上述所得正像或副像子盤(pán)作為“印膜（stamper）”加工中心孔和外圓后裝入“2P”噴塑器中，經(jīng)進(jìn)一步的“2P”復(fù)制過(guò)程來(lái)制作批量ROM光盤(pán)?！?P”是photopolymerization(光致聚合作用)一詞的縮寫(xiě)，其物理過(guò)程如圖54所示?？偟膩?lái)講，只讀存儲(chǔ)光盤(pán)的記錄介質(zhì)是光刻膠，記錄方式是用聲光調(diào)制的氬離子激光器將信息刻錄在介質(zhì)上，然后制成主盤(pán)及副盤(pán)，再用副盤(pán)作為原模，大量復(fù)制視頻錄像盤(pán)或數(shù)字音像唱片。一個(gè)原模一般可復(fù)制至少5000片盤(pán)片。圖54 “2P”過(guò)程示意圖

9、3.1 3.1 一次寫(xiě)入方式一次寫(xiě)入方式一次寫(xiě)入光盤(pán)是利用激光光斑在存儲(chǔ)介質(zhì)的微區(qū)產(chǎn)生不可逆的物理化學(xué)變化進(jìn)行信息記錄的盤(pán)片，其記錄方式主要有以下幾種：燒蝕型燒蝕型 存儲(chǔ)介質(zhì)可以是金屬、半導(dǎo)體合金、金屬氧化物或有機(jī)染料。利用介質(zhì)的熱效應(yīng)，是介質(zhì)的微區(qū)熔化、蒸發(fā)，以形成信息坑孔圖55（a）。起泡型起泡型 存儲(chǔ)介質(zhì)由聚合物高熔點(diǎn)金屬兩層薄膜組成。激光照射使聚合物分解排出氣體，兩層間形成的氣泡使上層薄膜隆起，與周圍形成反射率的差異而實(shí)現(xiàn)信息的記錄圖55（b）。熔絨型熔絨型 存儲(chǔ)介質(zhì)用離子刻蝕的硅，表面呈現(xiàn)絨狀結(jié)構(gòu)，激光光斑使照射部分的絨面熔成鏡面，實(shí)現(xiàn)反差記錄圖55（c）。合金化型合金化型 用PtS

10、i、RhSi或AuSi制成雙層結(jié)構(gòu)，激光加熱的微區(qū)熔成合金，形成反差記錄圖55（d）。相變型相變型 存儲(chǔ)介質(zhì)多用硫?qū)倩衔锘蚪饘俸辖鹬瞥杀∧?，利用金屬的熱效?yīng)和光效應(yīng)使被照微區(qū)發(fā)生非晶到晶相的相變圖55（e）。圖55 一次寫(xiě)入方式 3.2 3.2 燒蝕型燒蝕型寫(xiě)寫(xiě)/ /讀光盤(pán)對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的基本要求讀光盤(pán)對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的基本要求光盤(pán)讀寫(xiě)對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)有多方面的要求，綜括起來(lái)主要包括以下幾方面。分辨率及信息凹坑的規(guī)整幾何形狀。這是為例保證光盤(pán)能在高存儲(chǔ)密度的情況下獲得較小的原始誤碼率。圖56示出已記錄的信息坑孔，坑孔邊緣形狀不規(guī)整的偏差程度用表示。當(dāng)讀取激光束從信息道的無(wú)記錄區(qū)掃入或掃出信息凹坑時(shí)，定為讀取

11、信號(hào)的“1”，否則為“0”。這樣得到的讀取信號(hào)波形如圖56的下方所示。 沒(méi)有中間處理過(guò)程。存儲(chǔ)介質(zhì)要能實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)并及時(shí)讀出信息，不需要任何中間處理過(guò)程，只有這樣才可能使光盤(pán)能實(shí)現(xiàn)寫(xiě)后直讀（即direct read after write, DRAW功能）以保證記錄數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)校驗(yàn)。較好的記錄閾值。記錄閾值是指在存儲(chǔ)介質(zhì)中形成規(guī)整信息標(biāo)志所需要的最小激光功率密度。只有適當(dāng)?shù)挠涗涢撝悼梢允剐畔⒈蛔x出次數(shù)大于108次仍不會(huì)使信息凹坑發(fā)生退化，記錄閾值過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響凹坑質(zhì)量和讀出效果。圖56 讀取分辨率示意圖若存儲(chǔ)密度為108B/cm2,每信息位僅占有1m2的面積。存儲(chǔ)介質(zhì)應(yīng)能保持這些顯微坑孔的規(guī)

12、整幾何形狀并已更高精度分辨它們的位置，這就要求邊緣偏差落在100以內(nèi)，以保證原始誤碼率小于108。記錄靈敏。要求存儲(chǔ)介質(zhì)對(duì)所用的激光波長(zhǎng)吸收系數(shù)大、光響應(yīng)特性好，能在較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、保證波形不失真的情況下，用很小的激光功率形成可靠的記錄標(biāo)志。如用波長(zhǎng)830nm、達(dá)到盤(pán)面功率10mW左右、脈寬可調(diào)的激光對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的多元半導(dǎo)體記錄時(shí)，可獲得每秒幾兆字節(jié)的數(shù)據(jù)速率。較高的反襯度。反襯度是指信道上記錄微區(qū)與未記錄區(qū)的反射率對(duì)比度。存儲(chǔ)介質(zhì)以及經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的光盤(pán)應(yīng)有盡可能高的反襯度，以便讀出信噪比達(dá)到最佳值。穩(wěn)定的抗顯微腐蝕能力。存儲(chǔ)介質(zhì)應(yīng)做到大面積成膜均勻、致密性好、顯微缺陷密度小、抗缺陷性能強(qiáng)，

13、從而得到低于10-4數(shù)量級(jí)的原始誤碼率及至少10年的存儲(chǔ)壽命。與預(yù)格式化襯盤(pán)相容。一次寫(xiě)入光盤(pán)可用來(lái)存儲(chǔ)和檢索文檔資料，因此光盤(pán)上應(yīng)有地址碼，包括信道號(hào)、扇區(qū)號(hào)及同步信號(hào)等。這些碼都以標(biāo)準(zhǔn)格式預(yù)先刻錄并復(fù)制在光盤(pán)的襯盤(pán)上。存儲(chǔ)介質(zhì)應(yīng)與預(yù)格式化襯盤(pán)實(shí)現(xiàn)力、熱及光學(xué)的匹配，以保證軌道跟蹤的順利進(jìn)行并能實(shí)現(xiàn)在任一軌道的任意扇區(qū)進(jìn)行信息的讀和寫(xiě)。高生產(chǎn)率、低成本。 3.3 WORM 3.3 WORM光盤(pán)的存儲(chǔ)原理光盤(pán)的存儲(chǔ)原理利用激光熱效應(yīng)對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)單層薄膜進(jìn)行燒蝕時(shí)，存儲(chǔ)介質(zhì)吸收到達(dá)的激光的能量超過(guò)存儲(chǔ)介質(zhì)的熔點(diǎn)時(shí)形成信息坑孔。常用的WORM光盤(pán)以聚甲基丙烯酸脂為襯底，厚1.2mm，上面濺射一介質(zhì)薄

14、層。用830nm激光聚焦在1um2范圍內(nèi)，溫度呈高斯型空間分布，當(dāng)中心溫度超過(guò)熔點(diǎn)Tm時(shí)，在介質(zhì)表面形成一熔融區(qū)，周圍的表面張力將此熔融區(qū)拉開(kāi)成孔；激光脈沖撤去，孔的邊緣凝固，在記錄介質(zhì)上形成與輸入信息相應(yīng)的坑孔。這樣記錄的信息，很難滿足上述寫(xiě)/讀光盤(pán)對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的要求，原因是入射到膜面的激光能量E0（圖57），一部分在膜面反射（ER），大部分被薄膜吸收（EA），還有一部分在薄膜中因徑向若擴(kuò)散而損失（E），剩余的部分透射到襯盤(pán)之中（ET），即若要存儲(chǔ)介質(zhì)的靈敏度高，上式中的EA應(yīng)盡量地大，以更快更好地吸收能量，使光斑中心的溫度盡快超過(guò)介質(zhì)的熔點(diǎn)，為此ER、ET及E都應(yīng)盡可能地小。ER要最小，必須

15、使記錄層上下兩個(gè)界面反射回來(lái)的光實(shí)現(xiàn)相消干涉。由于上界面有半波損失而下界面沒(méi)有，由此要求記錄層最小厚度 /2n1.由于上下界面能量差很大，很難實(shí)現(xiàn)明顯的消反，為此在紀(jì)錄層和襯底之間加一層金屬鋁反射層，這樣紀(jì)錄層下限為/4n1。0RATEEEER 圖57 記錄光的分配加鋁條之后ER得到明顯減小，但由于鋁是熱得良導(dǎo)體，反而會(huì)使ET加大，為此，還應(yīng)在記錄層和反射層之間加一層熱障層（一般選透明介質(zhì)SiO2），其折射率為n2，厚度為d2。它可以充分阻擋介質(zhì)層吸收的能量向襯盤(pán)傳導(dǎo)。此時(shí)，消反條件得相應(yīng)得最小厚度為這樣就形成了記錄層、熱障層和反射層這種三層結(jié)構(gòu)得存儲(chǔ)介質(zhì)，如圖58（a）所示 目前，實(shí)用化WO

16、RM光盤(pán)均為三層式，主要采用空氣夾層式圖58（b）和直接封接式圖58（c）兩種基本結(jié)構(gòu)，且均以商品化。11224ndnd圖58 一次寫(xiě)入光盤(pán)結(jié)構(gòu)可擦重寫(xiě)光盤(pán)從記錄介質(zhì)寫(xiě)、讀、擦的機(jī)理來(lái)講，主要分為兩大類：相變光盤(pán)：這類光盤(pán)采用多元半導(dǎo)體元素配制成的結(jié)構(gòu)相變材料作為記錄介質(zhì)膜，利用激光與介質(zhì)膜相互作用時(shí)，激光的熱和光效應(yīng)導(dǎo)致介質(zhì)在晶態(tài)與玻璃態(tài)之間的可逆相變來(lái)實(shí)現(xiàn)反復(fù)寫(xiě)、擦要求，可分為熱致相變光盤(pán)和光致相變光盤(pán)。磁光盤(pán)：這類光盤(pán)采用稀土過(guò)渡金屬合金制成的磁性相變介質(zhì)作為記錄薄膜，這種薄膜介質(zhì)具有垂直于薄膜表面的易磁化軸，利用光致退磁效應(yīng)以及偏置磁場(chǎng)作用下磁化強(qiáng)度取向的正或負(fù)來(lái)區(qū)別二進(jìn)制中的“0”或

17、“1”。結(jié)構(gòu)相變光盤(pán)和磁光盤(pán)雖說(shuō)工作機(jī)制不同，但從本質(zhì)上來(lái)講，都屬于二級(jí)相變過(guò)程。它與一級(jí)相變不同，不存在兩相共存情況，故可用介質(zhì)的兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)來(lái)區(qū)別二進(jìn)制中的“0”或“1”?？刹林貙?xiě)光盤(pán)中的反復(fù)寫(xiě)、擦過(guò)程與記錄介質(zhì)中的可逆相變過(guò)程相對(duì)應(yīng)。從廣義的角度講，任何具有光致雙穩(wěn)態(tài)變化的材料都可用做RW記錄介質(zhì)。 4.1 4.1 可擦重寫(xiě)相變光盤(pán)的原理可擦重寫(xiě)相變光盤(pán)的原理RW相變光盤(pán)是利用記錄介質(zhì)在兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)之間的可逆相結(jié)構(gòu)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)反復(fù)的寫(xiě)和擦。常見(jiàn)的相結(jié)構(gòu)變化有下列幾種：晶態(tài)晶態(tài)之間的可逆相變，這種相變反襯度太小，沒(méi)有使用價(jià)值。非晶態(tài)非晶態(tài)之間的可逆相變，這種相變的反襯度亦太小，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。發(fā)生

18、玻璃態(tài)晶態(tài)之間的可逆相變，這種相變有實(shí)用價(jià)值。1 1、激光熱致相變可擦重寫(xiě)光存儲(chǔ)、激光熱致相變可擦重寫(xiě)光存儲(chǔ)存儲(chǔ)材料。該類存儲(chǔ)盤(pán)所用相變介質(zhì)（多元半導(dǎo)體的晶態(tài)和非晶態(tài)）都是共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，其晶態(tài)長(zhǎng)程有序，非晶態(tài)因鍵長(zhǎng)和鍵角發(fā)生畸變，原子組態(tài)出現(xiàn)各種缺陷，因而短程有序。材料的晶化溫度和晶化激活能越高，熱穩(wěn)定性越好。無(wú)序體系的熱穩(wěn)定性越好，晶化就愈困難。這樣就形成了三元或多元合金光記錄介質(zhì)。圖59（a）給出相變過(guò)程中介質(zhì)體積隨溫度的變化情況，圖59（b）給出透射率隨溫度的變化情況。只要材料設(shè)計(jì)滿足一定條件，可以既增強(qiáng)介質(zhì)玻璃態(tài)的穩(wěn)定性，又提高其晶化速率。圖59 可擦重寫(xiě)光盤(pán)材料特性存儲(chǔ)原理與過(guò)程。近紅

19、外波段的激光作用在介質(zhì)上，能加劇介質(zhì)結(jié)構(gòu)中原子、分子的振動(dòng)，從而加速相變的進(jìn)行。因此近紅外激光對(duì)介質(zhì)的作用以熱效應(yīng)為主，其中寫(xiě)、讀、擦激光與其相應(yīng)的相變過(guò)程見(jiàn)圖510。 信息的記錄信息的記錄 對(duì)應(yīng)介質(zhì)從晶態(tài)C向玻璃態(tài)G的轉(zhuǎn)變。選用功率密度高、脈寬為幾十至幾百鈉秒的激光脈沖，使光斑微區(qū)因介質(zhì)溫度剎那間超過(guò)熔點(diǎn)Tm而進(jìn)入液相，再經(jīng)過(guò)液相快淬完成達(dá)到玻璃態(tài)的相轉(zhuǎn)變。 信息的讀出信息的讀出 用低功率密度、短脈沖的激光掃描信息道，從反射率的大小辨別寫(xiě)入的信息。 一般介質(zhì)處在玻璃態(tài)（即寫(xiě)入態(tài)）時(shí)反射率小，處在晶態(tài)（擦除態(tài)）時(shí)反射率大，在讀出的過(guò)程中，介質(zhì)的相結(jié)構(gòu)保持不變。信息的擦除信息的擦除 對(duì)應(yīng)介質(zhì)從玻

20、璃態(tài)G向晶態(tài)C的轉(zhuǎn)變。選用中等功率密度、較寬脈沖的激光，使光斑微區(qū)因介質(zhì)溫度升至接近Tm處，再經(jīng)過(guò)成核生長(zhǎng)完成晶化。在此過(guò)程中，光誘導(dǎo)缺陷中心可以成為新的成核中心，因此，由于激光作用使成核速率、生長(zhǎng)速度大大增加，從而導(dǎo)致 激光熱晶化比單熱晶化速率高。圖510 寫(xiě)、讀、擦激光脈沖與其效應(yīng)的相變過(guò)程2.2.激光光致相變激光光致相變 隨著激光波長(zhǎng)移向短波長(zhǎng)，激光的光致相結(jié)構(gòu)變化效應(yīng)逐漸明顯，相變機(jī)制也與熱相變的機(jī)制不同。 圖511示出高功率密度的激光脈沖下，介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的帶間吸收和自由載流子吸收。由于入射激光束不與非晶網(wǎng)格直接作用，光子能量幾乎直接用來(lái)激發(fā)電子，在高功率激光密度的激光作用下，自由載流

21、子的產(chǎn)生率Re、電子與空穴的復(fù)合率Rr以及電子與網(wǎng)格點(diǎn)作用時(shí)將能量傳遞給聲子的概率 Rc滿足ReRr，RCRe。可見(jiàn)，這時(shí)介質(zhì)內(nèi)部的光吸收由帶間吸收為主變?yōu)橐宰杂奢d流子濃度猛增，從而使得電子電子碰撞的概率（正比于N2）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電子網(wǎng)絡(luò)碰撞的概率（正比于N），自由載流子吸收的光能遠(yuǎn)比它與網(wǎng)格點(diǎn)作用損失的能量為高，形成溫度很高的電子空穴等離子體，但網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)的溫度變化不大。激光脈沖結(jié)束后，等離子體中的過(guò)熱電子在與聲子相互作用（eh碰撞）過(guò)程中將能量傳遞給網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)，或與空穴復(fù)合而釋放能量，最終使介質(zhì)回到自由能最低的晶態(tài)。對(duì)于組分符合化學(xué)計(jì)量比的介質(zhì)，在光晶化的過(guò)程中沒(méi)有長(zhǎng)程原子擴(kuò)散，只有原胞范圍內(nèi)原子位置

22、的重新調(diào)整。 所以，光晶化機(jī)制是一種無(wú)擴(kuò)散的躍遷復(fù)合機(jī)制。它利用弛豫過(guò)程和復(fù)合過(guò)程釋放的能量促成網(wǎng)格元胞內(nèi)原子位置的調(diào)整以及鍵角畸變的消失，從而完成晶化過(guò)程。圖511 光致相變介質(zhì)內(nèi)部光吸收過(guò)程光致晶化過(guò)程包括光致突發(fā)晶化和聲子參與的弛豫過(guò)程，前者需時(shí)在1091012秒量級(jí)，后者約幾十鈉秒。它與激光熱致晶化過(guò)程的對(duì)比間表51。熱致晶化光致晶化本質(zhì)擴(kuò)散型成核長(zhǎng)大式晶化過(guò)程非擴(kuò)散型躍遷復(fù)合式晶化過(guò)程條件符合或不符合化學(xué)計(jì)量比的組分；所用的亞穩(wěn)相符合化學(xué)計(jì)量比組分；直接固態(tài)相變，無(wú)需成核起因熱致起伏激光束激發(fā)或電子束激發(fā)耦合性質(zhì) 相分離，原子擴(kuò)散；原子振動(dòng)；分子振動(dòng)無(wú)相分離，無(wú)擴(kuò)散；原子位置調(diào)整；鍵

23、角畸變消失自持效應(yīng)不重要自持晶化，重要穿透深度整體效應(yīng)激光束：1005000；電子束：12m晶化時(shí)間 較長(zhǎng)的退火過(guò)程（0.5m1.0ms） 突發(fā)作用（1ns1ps）+弛豫過(guò)程（10200ns）3.3.可擦重寫(xiě)光盤(pán)存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)可擦重寫(xiě)光盤(pán)存儲(chǔ)機(jī)構(gòu) 可擦重寫(xiě)光盤(pán)在記錄信息時(shí)一般需要先將信道上原有信息擦除，然后再寫(xiě)入新信息。這可以是一束激光的兩次動(dòng)作，也可以是兩束激光的一次動(dòng)作，即用擦除光束和之后寫(xiě)入光束的協(xié)調(diào)動(dòng)作來(lái)完成擦、寫(xiě)功能。圖512 可擦重寫(xiě)光盤(pán)存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)與信息存儲(chǔ)過(guò)程示意圖。虛線框內(nèi)是雙光束光學(xué)頭。1、2、3分別為寫(xiě)入光斑、擦除光斑和寫(xiě)的信息道。圖（b）對(duì)應(yīng)放大表示。左側(cè)1是寫(xiě)入光路，右側(cè)2是擦

24、除光路。 4.2 4.2 可擦重寫(xiě)磁光光盤(pán)存儲(chǔ)可擦重寫(xiě)磁光光盤(pán)存儲(chǔ) 目前磁光薄膜的記錄方式有補(bǔ)償點(diǎn)記錄和居里點(diǎn)記錄兩類，前者以稀土目前磁光薄膜的記錄方式有補(bǔ)償點(diǎn)記錄和居里點(diǎn)記錄兩類，前者以稀土鈷合金為主，后者則多為稀土鐵合金。鈷合金為主，后者則多為稀土鐵合金。信息的寫(xiě)入信息的寫(xiě)入 GdCo有一垂直于薄膜表面的易磁化軸。在寫(xiě)人信息之前、用一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)H0對(duì)介質(zhì)進(jìn)行初始磁化，使各磁疇單元具有相同的磁化方向。在寫(xiě)入信息時(shí)，磁光讀寫(xiě)頭的脈沖激光聚焦在介質(zhì)表面，光照微斑因升溫而迅速退磁，此時(shí)通過(guò)讀寫(xiě)頭的線圈施加一反向磁場(chǎng)，就可以使光照微斑區(qū)反向磁化（圖514（a） 信息的讀出信息的讀出 信息讀出是利用

25、Kerr效應(yīng)檢測(cè)記錄單元的磁化方向。用線偏振光掃描錄有信息的信道，磁化方向向上的光斑，反射光的偏振方向會(huì)繞反射線右旋一個(gè)角度，磁化方向向下的光斑則左旋一個(gè)角度。實(shí)際測(cè)試時(shí)，使檢偏器的主截面調(diào)到與k對(duì)應(yīng)的偏振方向相垂直的方位。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，光盤(pán)的信噪比與Kerr角的大小密切相關(guān)，若反射光強(qiáng)度為I，且光盤(pán)的本底噪聲主要來(lái)自散射效應(yīng)，則信噪比可近似表示為信息的擦除信息的擦除 擦除信息時(shí)，如圖514（c）所示，用原來(lái)的寫(xiě)人光束掃描信息道，并施加與初始H0方向相同的偏置磁場(chǎng)，則記錄單元的磁化方向又會(huì)恢復(fù)原狀。 kS N RI 圖513 GdCo磁學(xué)特性與溫度的依賴關(guān)系 圖514 磁光介質(zhì)的寫(xiě)、讀、擦原理示

26、意圖 圖515 某磁光薄膜矯頑力及Kerr角隨溫度的變化 1 1光盤(pán)規(guī)格光盤(pán)規(guī)格 光盤(pán)襯盤(pán)厚1.2um，外形很像一張透明唱片。直徑尺寸有（mm）356，300，200，130，120等，分布著間距為1.6um的預(yù)刻溝槽，同心圓或螺旋線都可，槽寬約0.8um，槽深取/8n，n是稱盤(pán)的折射率，目前，半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)830nm，稱盤(pán)n1.49,槽深為70nm。 2 2村盤(pán)材料的選擇村盤(pán)材料的選擇 襯盤(pán)材料應(yīng)滿足以下尋求： （1）物化特性。物理化學(xué)特性要求比重小，吸水率、成型收縮率盡可能低，用它制備光盤(pán)時(shí)脫氣時(shí)間短，抗溶劑性強(qiáng)。（2）光學(xué)性能好。對(duì)紫外光透射性能好；對(duì)寫(xiě)、讀，擦波長(zhǎng)吸收系數(shù)??；雙折射低

27、；透光均勻；材料中應(yīng)當(dāng)沒(méi)有氣泡、缺陷、雜質(zhì)、凝膠膠粒等，否則會(huì)引起讀、寫(xiě)、擦光束的衍射或消光，從而導(dǎo)致信號(hào)失真或信息誤傳。（3）耐熱性能?？篃嶙冃涡缘哪芰σ獜?qiáng)，熱膨脹率應(yīng)低；軟化溫度、熱變形溫度應(yīng)盡可能的高；洛氏硬度應(yīng)強(qiáng)，斷裂生長(zhǎng)百分率應(yīng)高。 表52 幾種常用襯盤(pán)材料性能參數(shù)的對(duì)比襯盤(pán)材料性能指標(biāo)PMMAPCAPO鋼化玻璃物化性能密度【g/cm3】吸水率【24h，25C】（）成型收縮率（）達(dá)到1.33104Pa的時(shí)間（min）抗溶劑性能1.1920.61000弱1.190.50.5500良1.200.150.50.7522強(qiáng)1.050.010.50.6532.50/快強(qiáng)光學(xué)特性折射率透光率（紫

28、外）（）吸收系數(shù)（830mm）（mm1）雙折射（6328）（mm）光彈性系數(shù)（107cm2/kg）1.49922.731032061.49921.411042061.58882.4410250801.55922061.451.5790/00.2耐熱性能熱膨脹率（106/C）熱傳導(dǎo)率（4.19102W/mK）蒸氣透過(guò)率（24h，g/m2）軟化溫度（C）熱變形溫度（mPa）80462.81109510570462.813312013060704.73.6154120132/150/3121219/機(jī)械特性抗拉伸強(qiáng)度（mPa）抗撓彎強(qiáng)度（mPa）撓曲模量（mPa）斷裂伸長(zhǎng)（）拉伸儲(chǔ)能模量（20C）（

29、Gpa）洛氏硬度（M標(biāo)度）43.1564.7232372 282（3H）10 754.9298.072452472.945（HB）57.8688.263138375（2H）73550/（7H）信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)海量信息存儲(chǔ)的需求迅猛增長(zhǎng)。然而，正在全世界興起的信息高速公路網(wǎng)和起級(jí)計(jì)算機(jī)小型化發(fā)展中，信息存儲(chǔ)系統(tǒng)仍是一個(gè)相對(duì)薄弱的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。光存儲(chǔ)目前達(dá)到的存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)傳輸速率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了飛速發(fā)展的信息科學(xué)技術(shù)的要求 為了提高存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)傳輸速率，光存儲(chǔ)正在由長(zhǎng)波向短波、低維向高維（即由平面向立體）、遠(yuǎn)場(chǎng)向近場(chǎng)、光熱效應(yīng)向光子效應(yīng)、逐點(diǎn)存儲(chǔ)向并行存儲(chǔ)發(fā)展。提高光盤(pán)存儲(chǔ)密度的途徑很多，其

30、中見(jiàn)效最快的是縮短激光波長(zhǎng)以縮小記錄光斑尺寸的方法。 采用近場(chǎng)光學(xué)掃描顯微技術(shù)和其他納米技術(shù)使磁光、相變等目前己廣泛應(yīng)用于光盤(pán)存儲(chǔ)的介質(zhì)和一些新密光存儲(chǔ)介質(zhì)的存儲(chǔ)密度大幅度提高，也是一個(gè)廣為研究的課題。 三維立體存儲(chǔ)是超大容量信息存儲(chǔ)的最重要途經(jīng)。這方面的研究目前集中在三個(gè)方向：體全息存儲(chǔ)、雙光子吸收三維存儲(chǔ)和多層記錄存儲(chǔ)。 光存儲(chǔ)介質(zhì)一直是光存儲(chǔ)技術(shù)研究的關(guān)鍵，因此，尋找適合于快速超高密度和超大容量信息存儲(chǔ)材料的努力從來(lái)都被放在首要地位，無(wú)機(jī)光存儲(chǔ)材料的研究較為成熟。 從總體發(fā)展水平來(lái)看，在光存儲(chǔ)特別是超高密度光信息存儲(chǔ)方面的應(yīng)用研究目前國(guó)際上還基本處于剛剛起步的階段。 6.1 6.1持續(xù)光

31、譜燒孔和三維光信息存儲(chǔ)持續(xù)光譜燒孔和三維光信息存儲(chǔ)持續(xù)光譜燒孔PSHB（persistent spectral hole burning）應(yīng)用于光信息存儲(chǔ)，可以使光的頻率成為新的存儲(chǔ)維，將傳統(tǒng)的二維（x、y）光信息存儲(chǔ)發(fā)展成為三維（x、y、v）光信息存儲(chǔ)。與目前的光盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)（記錄密度限為108B/cm2）相比較，PSHB的三維光信息存儲(chǔ)（以下簡(jiǎn)稱PSHB存儲(chǔ)）在理論上可以使記錄密度提高三至四個(gè)量級(jí)。本節(jié)主要介紹PSHB和PSHB存儲(chǔ)的基本原理、PSHB材料及其研究現(xiàn)狀。在光存儲(chǔ)技術(shù)中，由于光的衍射現(xiàn)象，光不可能聚焦在一個(gè)體積小于1012 cm3左右的村料上，因此目前的光存儲(chǔ)系統(tǒng)存在一個(gè)大小約

32、為108B/cm2的存儲(chǔ)密度上限。 光子燒孔大致可分為兩類，即化學(xué)燒孔和物理燒孔，現(xiàn)重點(diǎn)介紹化學(xué)燒孔。 圖516 PSHB光存儲(chǔ)示意圖一方面，由于存在應(yīng)力等外界因素，同一類客體分子可以具有不同的局域環(huán)境，對(duì)應(yīng)于不同諧振頻率的基本譜線。 6.2 6.2電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)前言前言 未來(lái)大容量計(jì)算系統(tǒng)的存儲(chǔ)器必須具備存儲(chǔ)密度高、存儲(chǔ)速率快、壽命長(zhǎng)三大特點(diǎn)。 電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)的基本原理電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)的基本原理 （1）電于俘獲材料一種新開(kāi)發(fā)的電子俘獲材料由帶隙寬為eV的堿土硫化物和摻人其中的兩類不同稀土金屬元角（濃度約為十億分之一）所組成。圖518 電子俘獲存儲(chǔ)讀寫(xiě)擦光譜特性（2

33、）信息寫(xiě)人、讀出和擦除在電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)中，二進(jìn)制信息位“”的寫(xiě)人是以記錄點(diǎn)局域位置處的陷阱對(duì)電子的俘獲（即電子對(duì)陷餅的填充）來(lái)表征的。 圖517 一種電子俘獲材料的能級(jí)分布圖518 電子俘獲存儲(chǔ)讀寫(xiě)擦光譜特性電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)已由測(cè)量表明，存儲(chǔ)單元局域位置中的陷阱對(duì)電子的俘獲與寫(xiě)人光束能量間存在固有的線性。同樣，讀出過(guò)程中發(fā)光強(qiáng)度與讀出所用的近紅外光強(qiáng)度間也存在線性關(guān)系，這種固有的線性關(guān)系為模擬或多電平數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了可能。 從理論上說(shuō)，它的寫(xiě)擦循環(huán)次數(shù)應(yīng)是無(wú)限的。這一點(diǎn)已被實(shí)際測(cè)試所證實(shí)（即經(jīng)108次寫(xiě)、擦循環(huán)后，材料記錄特性無(wú)明顯改變）。最后，測(cè)試表明，電子

34、上、下躍遷改變的速率為納秒級(jí)，這就保證了高速度存取?？傊?，電子俘獲存儲(chǔ)是一種相當(dāng)有前途的光存儲(chǔ)技術(shù)。 6.3 6.3 全息信息存儲(chǔ)全息信息存儲(chǔ)光盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)雖然在巨大容量（或稱海量）存儲(chǔ)信息方面具有許多優(yōu)點(diǎn)，但卻與磁鼓、磁盤(pán)或磁帶一樣都要求光學(xué)頭相對(duì)記錄介質(zhì)作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，這就使記錄信息位的密度被限制在機(jī)械調(diào)節(jié)的精度內(nèi)，并使存取時(shí)間只能限于毫秒范圍內(nèi)。光全息存儲(chǔ)是一條可循的途徑具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）存儲(chǔ)容量大：全息方法有可能將信息存儲(chǔ)在介質(zhì)的整個(gè)體積中，這種三維全息存儲(chǔ)按位計(jì)算的體密度上限為；2）數(shù)據(jù)傳輸速率高、存儲(chǔ)與讀出時(shí)間短：全息圖采用整頁(yè)存儲(chǔ)和讀出的方式，一頁(yè)中的所有信息位都被并行地記錄和讀出，

35、因而可達(dá)到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。同時(shí)，全息數(shù)據(jù)庫(kù)可以用電光偏轉(zhuǎn)、聲光偏轉(zhuǎn)等無(wú)慣性的光束偏轉(zhuǎn)或波長(zhǎng)選擇等手段來(lái)尋址，無(wú)需磁盤(pán)和光盤(pán)存儲(chǔ)中的機(jī)電式讀寫(xiě)頭，因而數(shù)據(jù)傳輸速率和存取速率可以很高；3）高冗余度：與按位存儲(chǔ)的磁盤(pán)和光盤(pán)不同，全息記錄是分布式的，即把每一點(diǎn)的信息或者說(shuō)每一信息位記錄在整個(gè)全息圖上，所以記錄介質(zhì)局部的缺陷和損傷不會(huì)引起信息的丟失。典型的光學(xué)全息存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的信息可分為塊狀結(jié)構(gòu)和順序結(jié)構(gòu)兩類，塊狀結(jié)構(gòu)全息存儲(chǔ)器塊狀結(jié)構(gòu)全息存儲(chǔ)器 全息存儲(chǔ)技術(shù)的基本概念是把存儲(chǔ)的信息構(gòu)成一個(gè)像，將此像作為全息記錄系統(tǒng)中的物，并把物存儲(chǔ)于全息圖中。 圖519所示的配置：織頁(yè)器全息圖探測(cè)器列陣，是所有塊狀（頁(yè)狀）結(jié)構(gòu)全息存儲(chǔ)器中的基本存儲(chǔ)單元。更復(fù)雜的海量存儲(chǔ)器是以此單元以及一些附加器件為篆礎(chǔ)的，而這些附加器件則是用來(lái)對(duì)能并行地存儲(chǔ)許