| 单词 | 数字全息存储器 |
| 释义 | 【数字全息存储器】 拼译：digital hologram memory 光盘存储系统虽然在巨大容量(或称海量)存储信息方面具有许多优点，但它和磁鼓、磁盘或磁带一样都要求光学头相对记录介质作机械运动，从而使记录信息位的密度被限制在机械调节的精度内，并使存取时间只能限于毫秒范围。在计算机中，高速电子线路与毫秒机械系统的混合是很不相称的折衷，为此要寻求一种既能减少存取时间(例如减少一个数量级)又能在降低信息位价格的情况下，增加存储量的海量存储技术。光全息存储则是20世纪60年代中期随着激光全息术的发展而出现的一种大容量高存储密度的存储方式。 早在1970年就确立了全息存储器设计的主要特征。在大容量全息存储器中，采用傅里叶变换全息可制作直径1mm的小全息图，在记录介质上排成小全息图阵列。傅氏变换全息图还具有在参考光束有横向定位误差时，仍有位置不变的读出图样的优点。薄正弦形振幅、位相全息图的最大衍射效率分别为4．8%、33．8%，厚正弦形振幅、位相全息图的最大衍射效率分别为3．7%和100%。所以厚位相全息图具有最高的数据存储容量的潜力。数字全息存储器的输入面上设置以二进制编码的页面编排器，数据页面呈现出一系列亮点和暗点，分别代表数字数据的1和0。此外，在光学存储器系统的设计中，还应考虑不包含机械运动部件。鉴于以上基本设计的考虑，于1974年已设计出若干个厚全息存储器系统。激光器 全息存储系统的光源需用能输出高强度、准直、相干光的激光器，并且激光器应是脉冲的(最好是锁模的)或是外部选通脉冲的(用电光快门)，工作频率可达106脉冲／s，每个脉冲用于记录或读出一个小全息图(一页信息)。大多数记录材料和光电检测器在光谱的蓝绿波段最敏感，使用Ar+激光器作为光源最合适，因为它在蓝色光(波长为0．488μm)和绿色光(0．5145μm)波长处有很强的跃迁(谱线)，它也能满足所需的频率稳定性、振幅稳定性、相干长度和可靠性要求。Ar+激光器的不足之处是电光功率的转换效率很低(约0．1%)。倍频的Nd：YAG激光器(波长为0．53μm)是一种用作全息存储器光源的很有前途的固体激光器，它在光脉冲工作方式下具有很高的峰值功率。光束偏折器 光束偏折器在读出、写入和擦除操作中用来快速准确地定位激光束。偏折器的性能可用分辨率和随机存取时间来定量描述。分辨率可定义为最大偏转角除以衍射极限角。这个比值给出了可分辨角位置的总数或等价地给出了可分辨点的总数。每一种偏折器都在可分辨点数与随机存取时间之间有一个工程设计的权衡问题，随机存取时间是偏折器将激光束偏转到一个新的角度位置所需的时间。有3种基本类型的偏折器可供选用：机械偏折器、声光偏折器和电光偏折器。在机械偏折器中采用旋转多面镜或动圈式检流计等装置。在声光偏折器中，压电换能器将声波射入声光材料，这一行波产生折射率光栅，它使激光束发生衍射，改变声波的驱动频率，就改变了声波长，因而就改变了光栅的周期，使光束的衍射角发生变化。电光偏折器中的一种类型是电场加在电光棱镜上，使其折射率发生变化，这种变化改变了通过棱镜的激光束的偏离角。页面编排器 页面编排器将数字的电信号转换成二维的光位阵列。它应满足下列要求：(1)高的帧速。即能迅速地改变数据页面，变化的时间最好在微秒范围。(2)高分辨率。每位(信息单元)的尺寸必须很小(约100μm)，恰能使大量的位安排在合理大小的区域内。(3)大孔径。页面横截激光束的总面积要足够大，使它能适应每一页面所需的位数，位阵列的尺寸应在64×64到1024×1024单元的范围内。(4)全页寻址。页面编排器内全部位的存储单元必须独立地和同时地处在1或0状态。页面编排器的构造各不相同，各种物理效应以及多种材料都有可能用于页面编排器。RCA公司于1974年制作了1024位的液晶页面编排器，但它的帧速度相当低(100ms量级)。镧锆钛酸铅(PLZT)数据编排器是一种很有前途的器件。检测器阵列 将全息再现的数据图样(光信号)转换成电信号就需要有一个光电检测器阵列，它由光敏二极管或光敏三极管连同一些开关(寻址)器件组成。阵列中每一个光敏元件起阈值检测作用，由它指示光的存在与否(二进制的1或0)。所有存储的小全息图用同一个检测器阵列读出。贝尔实验室已制出一种硅二极管阵列的摄像管，它由在单一硅片上的52．5万个独立的光电二极管组成。利用多层瓦连技术已经制成带有5．12万个硅光电三极管的大规模集成电路的光电三极管阵列，以致可在1微秒左右读出任意一位。小透镜阵列 也称蝇眼透镜。它可以是分立制作的短焦距玻璃透镜阵列、整体浇注的塑料透镜阵列、折射率缓变的光纤维阵列及全息光学元件阵列。小透镜的作用不仅能使投射于其上的写入平行细光束扩束，还能确定通过页面编排器整个孔径的宽准直光束的方向。透过页面编排器的物光束(数据波)经第一个傅氏透镜变换后，同平行参考光束交于与小透镜的位置相对应的记录介质的(x，y)点形成小全息图。因此，小透镜阵列同记录介质(存储面)上的小全息图阵列一一对应。存储器系统中的其它光学元件，对光束起整形或改变方向的作用。控制单元使存储器系统中所有声、光、电器件同步工作过程中，电子线路将存储的电信号输入页面编排器的同时，电光快门输出一个光脉冲，电光偏振旋转器将光矢量的振动方向变成垂直(于入射面)振动的偏振光，该偏振光经x，y光束偏转器的定位及分束器的反射和透射分成两束准直细光束。反射的写入光束再经全反射，垂直地射在小透镜阵列中的某一个小透镜上，经小透镜扩束和其后的大透镜准直，变成宽平行光束照射整个页面编排器。透过编排器的数据波经第一个傅氏透镜变换后，在它的后焦面处的记录介质上会聚成物光波的傅氏变换光波(称为物光波的频谱)。另一束透过分束器的参考光束，经全反射镜、透镜、θ角光束偏转器、高效光栅对光束整形和改变方向后，同物光波的频谱光斑相交于设定的记录介质上的(x，y)点形成小全息图(存储一页信息)。在读出时，偏振旋转器将光脉冲变成平行(于入射面)振动的偏振光，因设计的分束器不反射平行振动的偏振光，物光路停止工作，透过分束器的读出光束沿存储时参考光束的光路照射在需读出的小全息图上。透过小全息图的1级衍射光就是记录时物光波的频谱，再经第二个傅氏透镜的逆变换，在该透镜的后焦面上再现出物光波的倒像，该再现光信号被设置在该处的光电检测器阵列转变成电信号输出。由此实现了(x，y，θ)三维存储和读出。厚全息图具有灵敏的角度选择性，就是说，要读出其中一个(x，y，θ)全息图的信息，一定要用与记录该全息图时参考光束光路相同的光束照射，才能获得明亮的再现像，随着读出光束方向的偏转，再现像的亮度将很快下降。而且，全息图(记录介质)越厚，获得再现像的读出光束的角度范围就变得越窄。因此，利用厚全息图的角度选择性进行多重记录时，同一位置上各个全息图对应的参考光束的角度改变量应该不小于能观察到再现像时读出光束的角度偏离范围的两倍。否则，在读出时就会出现再现像的相互重迭(串像)。厚全息图还具有波长(或频率v)选择性，就是说，读出光束的波长一定要与记录光束的波长相同，随着读出光束波长的偏离，再现像的亮度将迅速下降。由此可见，厚全息图在原则上可进行(x，y，θ，v)四维光存储。当然，光源应选用可调谐激光器。早期的全息工作者认为，全息图能存储海量的信息，并设想了海量数据档案存储器。但全息存储器的发展迟滞不前。美国奥斯汀微电子学计算机技术公司(MCC)的C．Willenbring认为，正在出现的并行高性能计算机需要更高的输入／输出速度，这种速度用全息存储器可以满足。现在硬磁盘的存取时间约为10ms量级，但Willrnbring认为，全息存储器的存取时间比磁盘快3～4个数量级。大块全息存储晶体的生长是个长期存在的问题，MCC凭借斯坦福大学对生产铌酸锶钡方法取得的进展(该大学已生长出棒形和纤维形铌酸锶钡小晶体)。他们把数据记录在直径为一毫米，长度为几毫米的细晶棒上，细晶体以阵列的形式排列，这种排列与单块大晶体有相同的体积，但比大块晶体的生长容易得多。通过改变参考光束入射角的方法可使对应于每一入射角的30～50个全息图的序列记录在一根细晶棒上，称之为“页的堆叠”。存取是通过细晶棒的圆柱端面进行的，细晶棒的长度允许进行厚全息图记录。用施加静电场的方法进行非破坏性读出，该过程把体全息图的折射率空间图样变成具有低迁移率的离子电荷图样(它在施加短暂的读出脉冲期间保持不变)，该过程可重复109次。MCC研究人员于1992年设计的全息存储器的存储容量的数量级为1Gb，读出时间为1～10μn，写入时间为100μn，平均数据转移速率为0．1～0．8Gb／s。他们还说，将来的速率和容量可能会更快和更大。【参考文献】：1 Farhat Nabil H．Advances in holography，New York：Dekker，1976．32 Caulfield H J．Handbook of Optical Holography，19793 Lasers，Optronics．1990，9(9)：23～244 光信息存储原理、工艺及系统设计，北京：国防工业出版社，1993．8(北京航空航天大学丁汉泉教授撰；张忠麟审) |
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