[科普中国]-全息通用光盘

全息通用光盘又可作为全息可记录光盘，改变参考光的入射角度，就能在介质的同一位置记录多幅干涉图案，用来记录光盘的全息信息。

全息通用光盘的特点全息光盘记录了光的全部信息；

2. 全息光盘将光信息的二维面存储跨越到三维体存储；

3. 全息光盘信息位的存储不是比特→比特的逐位存储，而是页面→页面的逐页存储，每个页面约含比特

的信息，如图1所示。因此，全息光盘不仅有很高的存储密度，而且有很高的数据传输率。

全息存储器通过各种复用技术使全息光盘的容量以及数据传输率与年俱增的速率很快。

全息通用光盘的盘片结构其盘片结构如图所示，其中各层自下而上依次为：

1．带有地址信息坑的聚碳酸酯衬底，地址信息坑与全息光盘的伺服系统一起提供全息光盘的寻址功能并确保全息光盘的互换性；

2．铝反射层，用于反射读出地址信息的红光；

3．隔离层；

4．分色镜层，用来反射蓝色或绿色写/读激光，但可以让红光透过；

5．隔离层；

6．全息数据记录层，材料是光致聚合物；

7．覆盖层，材料是聚碳酸酯。

由图可知，用来写入/读出全息数据的绿光或蓝光被盘片中的分色镜反射，而用来读出地址信息的红光则能透过分色镜并由铝反射层反射，这表明全息光盘的数据信息和地址伺服信息被记录在盘片的不同膜层上1。

全息通用光盘的写读原理1.光的波动特性光波实质上是电磁波，由电场和磁场在空间的交替变化来传播，通常用电矢量随空间和时间的变化来描述光的波动特性，对平面波有E=E(x, t)，而对球面波E=E(r, t)。

对于平面波，假设有一列平面波在空间沿X方向传播，如图所示，则平面波的波动方程表示为：

对于球面波，则波动方程表示为：

式中K=2π/λ表示波矢，λ是波长；ω=2πυ，υ为光波频率，频率决定光的颜色； 或 /r是波的振幅，振幅与光强直接有关。图2中的v表示光波的波速。以上公式中的余弦函数项表示光波的相位。频率、振幅和相位是光波波动特性的三要素。光波波动特性的三要素在具体应用中的体现举例如下：一般黑白照片，底片上记录的是光波的振幅信息（也就是光强信息）；一般彩色照片，底片上记录的是光波的频率及振幅信息；唯有全息照相，干板上记录的是光波的频率、振幅以及相位等全部信息，所以称为“全息”。光波的振幅和相位是两列（或多列）波叠加时的重要参量。

2.光的干涉特性若有两列光波在空间相遇，不论是平面波与平面波、球面波与球面波、还是球面波与平面波（如图5所示），只要这两列波满足光的相干条件，也就是说，这两列波的频率相同、振动方向相同而且在相遇地点有一定的相位差，则两列波在叠加区会发生干涉现象并出现明暗相间的干涉条纹，如图5（a）所示。

在此情况下，若将一片镀有光敏介质的载体置于相干区就会产生感光效应。因为干涉条纹光强分布不同，导致介质中的吸收不同，因而介质各处的折射率（或其他光学常数）也发生不同的改变，如图光学常数）也发生不同的改变，如图5（b）其他光学常数）也发生不同的改变，如图所示。如图5（c）表示，若将上述载体取出，则载体上保留了光的干涉信息。这就是通常所说的信息被记录或写入到介质上.

若图5（a）中的点光源含有信号信息，则介质上记录的是含有信号信息的干涉条纹。如果要从上述介质记录的干涉条纹中提取所需的光信号，还要经过下述信号再现的过程。

如图6所示，将一束频率与写入信息时所用参考光频率相同的光作为读出参考光，照射记录介质的干涉信息，就可以再现信号光。该再现信号光可以成像于探测器中，以便检测单个比特。一个比特的信息可作为一个全息图来存储，同理，读出时探测器中的一个全息图对应一个比特。

3.全息图的记录与读出图7给出全息图的生成过程：一束绿光或蓝光经分束镜分成两束激光：信号光束和参考光束。信号光束通过空间光调制器后汇聚到记录介质的某一位置，而参考光由反射镜反射后，以一定角度射入到记录介质的同一位置.因这两束光来自同一束激光，频率相同、波幅振向相同、且在相遇点有一定的相位差，满足光的相干条件，因此在记录介质的该位置上叠加后形成干涉图案，称为全息图，如图7所示。这就是说在记录介质中存入了由信号光和参考光共同写入的标记——全息图。全息图实质上就是信号光和参考光在汇聚点的干涉图案。改变参考光的入射角度，就能在介质的同一位置记录多幅干涉图案。用来记录全息信息的光盘称为全息光盘。

全息光盘不像CD/DVD光盘，信息刻录在盘片表面，因而可用光反射的方法读出。全息图存储在全息光盘记录介质的整体内，没法用光反射法读出，只能用光学成像方法将它“取出”。这种方法从原理上讲，只要将全息图成像装置中的空间光调制器除去，如图8所示，使参考光以写入时相对应的各个角度照射记录介质上的记录位置，就能将在各点记录的全息图一一读出。图7及图8均引自In Phase公司的有关资料。

4.全息图的记录与读出系统图9（a）给出了全息图的记录与读出系统，其中空间光调制器是一种对光波的空间分布进行调制的器件，可对输入信号作实时二维并行输入与处理。空间光调制器含有很多独立的单元，它们在空间排成二维阵列，每个单元都可以独立地接受光信号的控制，并按此信号改变本身的光学常量，如折射率、反射率、透射率等，这样就对通过它的光波进行调制。记录时，空间光调制器将待存储的二进制数据“1”或“0”转变为由黑白像素形成的页面，该页面作为相干光信号，通过傅里叶变换透镜（FT）入射到全息存储介质上；与此同时，将已进行角度编码的参考光入射到存储介质的同一位置上，以便实现多幅图像的记录。一个角度编码对应一幅全息图，多个角度编码对应多幅全息图，这就是通常所说的“角度复用”，也就是利用角度编码，在记录介质的一个位置上实现全息图的多重记录。全息存储除了角度复用技术外，还有其他的复用技术，例如波长复用等。

读取信息时，使用与写入时相对应编码的参考光扫描记录介质，读出的光信号经过逆傅里叶变换透镜(FT-1)照射到CCD探测阵列上，被CCD图像光束探测系统接收，然后送至后续处理器。图9（b）中用不同颜色的光来区别全息图写入和读出时的光路。

本词条内容贡献者为:

王慧维 - 副研究员 - 西南大学