数据存储介质与技术讲座-光信息存储技术与光盘..优秀PPT.ppt

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1、 光盘及存储类型光盘及存储类型2 只读存储光盘只读存储光盘3 一次写入光盘一次写入光盘4 可擦重写光盘可擦重写光盘5 光盘衬盘材料光盘衬盘材料 6 光信息存储新技术光信息存储新技术信息存储是将字符、文献、声音、图像等有用数据通过写入装置短暂或永久地记录在某种存储介质中，并可利用读出装置将信息从存储介质中重新再现的技术总合。存储技术随着科学技术的进步经验了由纸张书写、微缩照片、机械唱盘、磁带、磁盘的演化过程，发展到今日的接受光学存储技术的新阶段。近年来，光学存储技术不论是在纯光学的全息扫描记录还是在接受光热形变的光盘或接受光热磁效应的光磁盘技术等方面都取得了很大进展，它们的发展前景是特别光明的。

2、光学存储技术凝合了现代光电子技术的精华和技术诀窍，有关检测、调制、跟踪、限制等各种光电方法得到了充分的利用。以互联网为代表的海量信息传输技术的发展带来了海量信息存储问题，这是目前国际上的探讨热点之一。大容量、高速度、高密度、高稳定性和牢靠性的存储系统竞相探讨与推出，各类信息库及工作站相继建成，目前信息存储中的记录方式向全光光盘发展，光头渐渐向短波长方向推动，因而记录密度不断增大。1.1 1.1 光盘存储类型光盘存储类型光存储包括信息的光存储包括信息的“写入写入”和和“读出读出”过程。信息写入就是利过程。信息写入就是利用激光的单色性和相干性，将要存储的模拟或数字信息通用激光的单色性和相干性，将要

3、存储的模拟或数字信息通过调制激光聚焦到记录介质上，使介质的光照微区（直径过调制激光聚焦到记录介质上，使介质的光照微区（直径一般在微米以下）发生物理、化学等变更，从而实现信息一般在微米以下）发生物理、化学等变更，从而实现信息的记录效果。而信息的记录效果。而信息“读出读出”就是利用低功率密度的激光扫就是利用低功率密度的激光扫描信息轨道，利用光电探测器检测信号记录区反射率的差描信息轨道，利用光电探测器检测信号记录区反射率的差别，通过解调取出所须要的信息过程。光盘存储类型通常别，通过解调取出所须要的信息过程。光盘存储类型通常有以下两种。有以下两种。1.1.记录用光盘记录用光盘 也称也称“写后只读型（写

4、后只读型（drawdraw）”光盘，它兼有写光盘，它兼有写入和读出两种功能，并且写入后不须要处理即可干脆读出入和读出两种功能，并且写入后不须要处理即可干脆读出所记录的信息，因此可作为信息的追加记录。所记录的信息，因此可作为信息的追加记录。专用再现光盘专用再现光盘 也称也称“只读（只读（read onlyread only）”型光盘。它只能型光盘。它只能用来再现由专业工厂事先复制的信息，不能由用户自行追用来再现由专业工厂事先复制的信息，不能由用户自行追加记录。加记录。1.2 1.2 光盘存储的特点光盘存储的特点存储密度高存储密度高 存储密度是指记录介质单位长度或单位面积内所存储的二进存储密度是指

5、记录介质单位长度或单位面积内所存储的二进制位数制位数B B。前者称线密度，一般是。前者称线密度，一般是103B/mm,103B/mm,后者是面密度后者是面密度,一般是一般是105105106B/mm2106B/mm2。在直径为在直径为300mm300mm的数字光盘的数字光盘中，光盘纹迹间距为中，光盘纹迹间距为1.6um1.6um，每面有，每面有5400054000道纹迹，假如道纹迹，假如每圈纹迹对应一幅图像，则可供容纳每圈纹迹对应一幅图像，则可供容纳5000050000多幅静止图像。多幅静止图像。写入读出率高写入读出率高 数字光盘单通道可达数字光盘单通道可达2510625106位位/s/s。数

6、据传输速率可达每。数据传输速率可达每秒几至几十秒几至几十MBMB量级，并向每秒量级，并向每秒GBGB、TBTB量级发展。量级发展。存储寿命长存储寿命长 光记录中，记录介质薄膜封入两层爱护膜之中，激光的写光记录中，记录介质薄膜封入两层爱护膜之中，激光的写入和读出都是无接触过程，防尘耐污染，因此寿命很长，库入和读出都是无接触过程，防尘耐污染，因此寿命很长，库存时间大于存时间大于1010年以上，而商用磁盘仅为年以上，而商用磁盘仅为3 35 5年。年。每信息位的价格低、易复制每信息位的价格低、易复制 一张一张CDCD光盘光盘650MB650MB，仅需，仅需5 51010元，每元，每MBMB仅几分钱；一

7、仅几分钱；一张张DVDDVD容量容量4.7GB4.7GB，1010元左右，每元左右，每MBMB不足一分钱。操作便不足一分钱。操作便利，易于计算机联机运用。利，易于计算机联机运用。有随机寻址实力有随机寻址实力 随机存取时间小于随机存取时间小于60ms60ms。2.1 ROM 2.1 ROM光盘存储原理光盘存储原理图51是只读存储光盘的存储原理示意图。图51 ROM刻录示意图激光束被聚焦成1um光点，光盘的凹坑一般宽度为0.4um，深度为读出光波长/4，约为0.11um，螺旋线型的纹迹间距为1.67um。2.2 ROM 2.2 ROM光盘主盘与副盘制备光盘主盘与副盘制备图图5 52 2时间盘制备过

8、程示意图。经过调制的激光束以不时间盘制备过程示意图。经过调制的激光束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻胶的玻璃衬盘上，使光刻同的功率密度聚焦在甩有光刻胶的玻璃衬盘上，使光刻胶曝光，之后经过显影、刻蚀、制成主盘（又称母盘，胶曝光，之后经过显影、刻蚀、制成主盘（又称母盘，mastermaster），再经喷镀、电镀等工序制成副盘（又称印膜，），再经喷镀、电镀等工序制成副盘（又称印膜，stamperstamper），然后再经过），然后再经过“2P”“2P”注塑形成注塑形成ROMROM光盘。光盘。图图5 52 ROM2 ROM光盘制备过程示意图光盘制备过程示意图图53 ROM主盘、副盘制备工序衬盘甩胶。对玻

9、璃等衬盘进行精密研磨、抛光后进行超声清洗，得到规格统一、表面清洁的衬盘；在此光盘上滴以光刻胶，放入高速离心机中甩胶，以在衬盘表面形成一层匀整的光刻胶膜；取出放入烘箱中进行前烘，以得到与衬底附着良好且致密的光刻胶膜。调制曝光。将膜片置入高精度激光刻录机中，按预定调制信号进行信息写入。显影刻蚀。将刻有信息的盘片放入显影液中进行监控显影，若所用光刻胶为正性光刻胶，则曝光部分脱落（若为负性光刻胶，不曝光部分脱落），于是个信息道出现符合调制信号的信息凹坑，凹坑的形态、深度、及坑间距与携带信息有关。这种携带有调制信息的凹凸信息结构的盘片就是主盘。由于此过程中所用的光刻胶一般为正性，因而所得主盘为正像主盘。

10、喷镀银层。在主盘表面喷镀一层银膜。这层银膜一方面用来提高信息结构的反射率，以便检验主盘的质量，另一方面，还作为下一步电镀镍的电极之一。电镀镍层。在喷镀银的盘片表面用电解的方法镀镍，使得主盘上长出一层厚度符合要求的金属镍膜。将上述盘片经过化学处理，使得镍膜从主盘剥脱，形成一个副盘。上述主盘每一个都可用通过（5）、（6）步骤的重复，制得若干个副像子盘副盘；而每一副盘又都可以通过（5）、（6）步骤的重复，制得若干个正像子盘。2.3 ROM 2.3 ROM光盘光盘“2P”2P”复制复制将上述所得正像或副像子盘作为“印膜（stamper）”加工中心孔和外圆后装入“2P”喷塑器中，经进一步的“2P”复制过

11、程来制作批量ROM光盘。“2P”是photopolymerization(光致聚合作用)一词的缩写，其物理过程如图54所示。总的来讲，只读存储光盘的记录介质是光刻胶，记录方式是用声光调制的氩离子激光器将信息刻录在介质上，然后制成主盘及副盘，再用副盘作为原模，大量复制视频录像盘或数字音像唱片。一个原模一般可复制至少5000片盘片。图54“2P”过程示意图 3.1 3.1 一次写入方式一次写入方式一次写入光盘是利用激光光斑在存储介质的微区产生不行逆的物一次写入光盘是利用激光光斑在存储介质的微区产生不行逆的物理化学变更进行信息记录的盘片，其记录方式主要有以下几种：理化学变更进行信息记录的盘片，其记录

12、方式主要有以下几种：烧蚀型烧蚀型 存储介质可以是金属、半导体合金、金属氧化物或有机染存储介质可以是金属、半导体合金、金属氧化物或有机染料。利用介质的热效应，是介质的微区熔化、蒸发，以形成信息料。利用介质的热效应，是介质的微区熔化、蒸发，以形成信息坑孔坑孔 图图5 55 5（a a）。起泡型起泡型 存储介质由聚合物高熔点金属两层薄膜组成。激光照射存储介质由聚合物高熔点金属两层薄膜组成。激光照射使聚合物分解排出气体，两层间形成的气泡使上层薄膜隆起，与使聚合物分解排出气体，两层间形成的气泡使上层薄膜隆起，与四周形成反射率的差异而实现信息的记录四周形成反射率的差异而实现信息的记录 图图5 55 5（b

13、 b）。熔绒型熔绒型 存储介质用离子刻蚀的硅，表面呈现绒状结构，激光光斑存储介质用离子刻蚀的硅，表面呈现绒状结构，激光光斑使照射部分的绒面熔成镜面，实现反差记录使照射部分的绒面熔成镜面，实现反差记录 图图5 55 5（c c）。合金化型合金化型 用用PtPtSiSi、RhRhSiSi或或AuAuSiSi制成双层结构，激光加热的制成双层结构，激光加热的微区熔成合金，形成反差记录微区熔成合金，形成反差记录 图图5 55 5（d d）。相变型相变型 存储介质多用硫属化合物或金属合金制成薄膜，利用金属存储介质多用硫属化合物或金属合金制成薄膜，利用金属的热效应和光效应使被照微区发生非晶到晶相的相变的热效

14、应和光效应使被照微区发生非晶到晶相的相变 图图5 55 5（e e）。图55 一次写入方式 3.2 3.2 烧蚀型写烧蚀型写/读光盘对存储介质的基本要求读光盘对存储介质的基本要求光盘读写对存储介质有多方面的要求，综括起来主要包括以下几方光盘读写对存储介质有多方面的要求，综括起来主要包括以下几方面。面。辨别率及信息凹坑的规整几何形态。这是为例保证光盘能在高存储辨别率及信息凹坑的规整几何形态。这是为例保证光盘能在高存储密度的状况下获得较小的原始误码率。图密度的状况下获得较小的原始误码率。图5 56 6示出已记录的信息坑示出已记录的信息坑孔，坑孔边缘形态不规整的偏差程度用孔，坑孔边缘形态不规整的偏差

15、程度用 表示。当读取激光束从信表示。当读取激光束从信息道的无记录区扫入或扫出信息凹坑时，定为读取信号的息道的无记录区扫入或扫出信息凹坑时，定为读取信号的“1”“1”，否则，否则为为“0”“0”。这样得到的读取信号波形如图。这样得到的读取信号波形如图5 56 6的下方所示。的下方所示。没有中间处理过程。存储介质要能实时记录数据并刚好读出信息，没有中间处理过程。存储介质要能实时记录数据并刚好读出信息，不须要任何中间处理过程，只有这样才可能使光盘能实现写后直读不须要任何中间处理过程，只有这样才可能使光盘能实现写后直读（即（即direct read after write,DRAWdirect rea

16、d after write,DRAW功能）以保证记录数据的实时功能）以保证记录数据的实时校验。校验。较好的记录阈值。记录阈值是指在存储介质中形成规整信息标记所较好的记录阈值。记录阈值是指在存储介质中形成规整信息标记所须要的最小激光功率密度。只有适当的记录阈值可以使信息被读出须要的最小激光功率密度。只有适当的记录阈值可以使信息被读出次数大于次数大于108108次仍不会使信息凹坑发生退化，记录阈值过高或过低次仍不会使信息凹坑发生退化，记录阈值过高或过低都会影响凹坑质量和读出效果。都会影响凹坑质量和读出效果。图56 读取辨别率示意图若存储密度为108B/cm2,每信息位仅占有1m2的面积。存储介质应

17、能保持这些显微坑孔的规整几何形态并已更高精度辨别它们的位置，这就要求边缘偏差落在100以内，以保证原始误码率小于108。记录灵敏。要求存储介质对所用的激光波长吸取系数大、光响应特性好，能在较高的数据传输速率、保证波形不失真的状况下，用很小的激光功率形成牢靠的记录标记。如用波长830nm、达到盘面功率10mW左右、脉宽可调的激光对高速转动的多元半导体记录时，可获得每秒几兆字节的数据速率。较高的反衬度。反衬度是指信道上记录微区与未记录区的反射率对比度。存储介质以及经过优化设计的光盘应有尽可能高的反衬度，以便读出信噪比达到最佳值。稳定的抗显微腐蚀实力。存储介质应做到大面积成膜匀整、致密性好、显微缺陷

18、密度小、抗缺陷性能强，从而得到低于10-4数量级的原始误码率及至少10年的存储寿命。与预格式化衬盘相容。一次写入光盘可用来存储和检索文档资料，因此光盘上应有地址码，包括信道号、扇区号及同步信号等。这些码都以标准格式预先刻录并复制在光盘的衬盘上。存储介质应与预格式化衬盘实现力、热及光学的匹配，以保证轨道跟踪的顺当进行并能实现在任一轨道的随意扇区进行信息的读和写。高生产率、低成本。3.3 WORM 3.3 WORM光盘的存储原理光盘的存储原理利用激光热效应对存储介质单层薄膜进行烧蚀时，存储介质吸取到利用激光热效应对存储介质单层薄膜进行烧蚀时，存储介质吸取到达的激光的能量超过存储介质的熔点时形成信息

19、坑孔。达的激光的能量超过存储介质的熔点时形成信息坑孔。常用的常用的WORMWORM光盘以聚甲基丙烯酸脂为衬底，厚光盘以聚甲基丙烯酸脂为衬底，厚1.2mm1.2mm，上面溅，上面溅射一介质薄层。用射一介质薄层。用830nm830nm激光聚焦在激光聚焦在1um21um2范围内，温度呈高斯型范围内，温度呈高斯型空间分布，当中心温度超过熔点空间分布，当中心温度超过熔点TmTm时，在介质表面形成一熔融区，时，在介质表面形成一熔融区，四周的表面张力将此熔融区拉开成孔；激光脉冲撤去，孔的边缘凝四周的表面张力将此熔融区拉开成孔；激光脉冲撤去，孔的边缘凝固，在记录介质上形成与输入信息相应的坑孔。固，在记录介质上

20、形成与输入信息相应的坑孔。这样记录的信息，很难满足上述写这样记录的信息，很难满足上述写/读光盘对存储介质的要求，缘读光盘对存储介质的要求，缘由是入射到膜面的激光能量由是入射到膜面的激光能量E0E0（图（图5 57 7），一部分在膜面反射），一部分在膜面反射（ERER），大部分被薄膜吸取（），大部分被薄膜吸取（EAEA），还有一部分在薄膜中因径向），还有一部分在薄膜中因径向若扩散而损失（若扩散而损失（EE），剩余的部分透射到衬盘之中（），剩余的部分透射到衬盘之中（ETET），即），即若要存储介质的灵敏度高，上式中的若要存储介质的灵敏度高，上式中的EAEA应尽量地大，以更快更好地应尽量地大，以更快

21、更好地吸取能量，使光斑中心的温度尽快超过介质的熔点，为此吸取能量，使光斑中心的温度尽快超过介质的熔点，为此ERER、ETET及及EE都应尽可能地小。都应尽可能地小。ERER要最小，必需使记录层上下两个界面反射回来的光实现相消干涉。要最小，必需使记录层上下两个界面反射回来的光实现相消干涉。由于上界面有半波损失而下界面没有，由此要求记录层最小厚度由于上界面有半波损失而下界面没有，由此要求记录层最小厚度 /2n1./2n1.由于上下界面能量差很大，很难实现明显的消反，为此在纪由于上下界面能量差很大，很难实现明显的消反，为此在纪录层和衬底之间加一层金属铝反射层，这样纪录层下限为录层和衬底之间加一层金属

22、铝反射层，这样纪录层下限为/4n1/4n1。图57 记录光的安排加铝条之后ER得到明显减小，但由于铝是热得良导体，反而会使ET加大，为此，还应在记录层和反射层之间加一层热障层（一般选透亮介质SiO2），其折射率为n2，厚度为d2。它可以充分阻挡介质层吸取的能量向衬盘传导。此时，消反条件得相应得最小厚度为这样就形成了记录层、热障层和反射层这种三层结构得存储介质，如图58（a）所示 目前，好用化WORM光盘均为三层式，主要接受空气夹层式图58（b）和干脆封接式图58（c）两种基本结构，且均以商品化。图58 一次写入光盘结构可擦重写光盘从记录介质写、读、擦的机理来讲，主要分为两大类：相变光盘：这类光

23、盘接受多元半导体元素配制成的结构相变材料作为记录介质膜，利用激光与介质膜相互作用时，激光的热和光效应导致介质在晶态与玻璃态之间的可逆相变来实现反复写、擦要求，可分为热致相变光盘和光致相变光盘。磁光盘：这类光盘接受稀土过渡金属合金制成的磁性相变介质作为记录薄膜，这种薄膜介质具有垂直于薄膜表面的易磁化轴，利用光致退磁效应以及偏置磁场作用下磁化强度取向的正或负来区分二进制中的“0”或“1”。结构相变光盘和磁光盘虽说工作机制不同，但从本质上来讲，都属于二级相变过程。它与一级相变不同，不存在两相共存状况，故可用介质的两个稳定态来区分二进制中的“0”或“1”。可擦重写光盘中的反复写、擦过程与记录介质中的可

24、逆相变过程相对应。从广义的角度讲，任何具有光致双稳态变更的材料都可用做RW记录介质。4.1 4.1 可擦重写相变光盘的原理可擦重写相变光盘的原理RWRW相变光盘是利用记录介质在两个稳定态之间的可逆相结相变光盘是利用记录介质在两个稳定态之间的可逆相结构变更来实现反复的写和擦。常见的相结构变更有下列几构变更来实现反复的写和擦。常见的相结构变更有下列几种：种：晶态晶态晶态晶态之间的可逆相变，这种相变反衬度太小，没有之间的可逆相变，这种相变反衬度太小，没有运用价值。运用价值。非晶态非晶态非晶态非晶态之间的可逆相变，这种相变的反衬度亦太之间的可逆相变，这种相变的反衬度亦太小，没有好用价值。小，没有好用价

25、值。发生玻璃态晶态之间的可逆相变，这种相变有好用价值。发生玻璃态晶态之间的可逆相变，这种相变有好用价值。1 1、激光热致相变可擦重写光存储、激光热致相变可擦重写光存储存储材料。该类存储盘所用相变介质（多元半导体的晶态和存储材料。该类存储盘所用相变介质（多元半导体的晶态和非晶态）都是共价键结构，其晶态长程有序，非晶态因键非晶态）都是共价键结构，其晶态长程有序，非晶态因键长和键角发生畸变，原子组态出现各种缺陷，因而短程有长和键角发生畸变，原子组态出现各种缺陷，因而短程有序。材料的晶化温度和晶化激活能越高，热稳定性越好。序。材料的晶化温度和晶化激活能越高，热稳定性越好。无序体系的热稳定性越好，晶化就

26、愈困难。这样就形成了无序体系的热稳定性越好，晶化就愈困难。这样就形成了三元或多元合金光记录介质。图三元或多元合金光记录介质。图5 59 9（a a）给出相变过程中）给出相变过程中介质体积随温度的变更状况，图介质体积随温度的变更状况，图5 59 9（b b）给出透射率随温）给出透射率随温度的变更状况。只要材料设计满足确定条件，可以既增加度的变更状况。只要材料设计满足确定条件，可以既增加介质玻璃态的稳定性，又提高其晶化速率。介质玻璃态的稳定性，又提高其晶化速率。图59 可擦重写光盘材料特性存储原理与过程。近红外波段的激光作用在介质上，能加剧介质结构中原子、分子的振动，从而加速相变的进行。因此近红外

27、激光对介质的作用以热效应为主，其中写、读、擦激光与其相应的相变过程见图510。信息的记录信息的记录 对应介质从晶态C向玻璃态G的转变。选用功率密度高、脉宽为几十至几百钠秒的激光脉冲，使光斑微区因介质温度刹那间超过熔点Tm而进入液相，再经过液相快淬完成达到玻璃态的相转变。信息的读出信息的读出 用低功率密度、短脉冲的激光扫描信息道，从反射率的大小辨别写入的信息。一般介质处在玻璃态（即写入态）时反射率小，处在晶态（擦除态）时反射率大，在读出的过程中，介质的相结构保持不变。信息的擦除信息的擦除 对应介质从玻璃态G向晶态C的转变。选用中等功率密度、较宽脉冲的激光，使光斑微区因介质温度升至接近Tm处，再经

28、过成核生长完成晶化。在此过程中，光诱导缺陷中心可以成为新的成核中心，因此，由于激光作用使成核速率、生长速度大大增加，从而导致 激光热晶化比单热晶化速率高。图510 写、读、擦激光脉冲与其效应的相变过程2.2.激光光致相变激光光致相变 随着激光波长移向短波长，激光的光致相随着激光波长移向短波长，激光的光致相结构变更效应渐渐明显，相变机制也与热相变的机制不同。结构变更效应渐渐明显，相变机制也与热相变的机制不同。图图5 51111示出高功率密度的激光脉冲下，介质内部发生的带示出高功率密度的激光脉冲下，介质内部发生的带间吸取和自由载流子吸取。由于入射激光束不与非晶网格干间吸取和自由载流子吸取。由于入射

29、激光束不与非晶网格干脆作用，光子能量几乎干脆用来激发电子，在高功率激光密脆作用，光子能量几乎干脆用来激发电子，在高功率激光密度的激光作用下，自由载流子的产生率度的激光作用下，自由载流子的产生率ReRe、电子与空穴的、电子与空穴的复合率复合率RrRr以及电子与网格点作用时将能量传递给声子的概率以及电子与网格点作用时将能量传递给声子的概率 RcRc满足满足ReRrReRr，RCReRCRe。可见，这时介质内部的光吸。可见，这时介质内部的光吸取由带间吸取为主变为以自由载流子浓度猛增，从而使得电取由带间吸取为主变为以自由载流子浓度猛增，从而使得电子电子碰撞的概率（正比于子电子碰撞的概率（正比于N2N2

30、）远远超过电子网络碰）远远超过电子网络碰撞的概率（正比于撞的概率（正比于N N），自由载流子吸取的光能远比它与网），自由载流子吸取的光能远比它与网格点作用损失的能量为高，形成温度很高的电子空穴等离格点作用损失的能量为高，形成温度很高的电子空穴等离子体，但网络点的温度变更不大。子体，但网络点的温度变更不大。激光脉冲结束后，等离子体中的过热电子在与声子相互作用激光脉冲结束后，等离子体中的过热电子在与声子相互作用（e eh h碰撞）过程中将能量传递给网络点，或与空穴复合碰撞）过程中将能量传递给网络点，或与空穴复合而释放能量，最终使介质回到自由能最低的晶态。对于组分而释放能量，最终使介质回到自由能最低

31、的晶态。对于组分符合化学计量比的介质，在光晶化的过程中没有长程原子扩符合化学计量比的介质，在光晶化的过程中没有长程原子扩散，只有原胞范围内原子位置的重新调整。散，只有原胞范围内原子位置的重新调整。所以，光晶化所以，光晶化机制是一种无扩散的跃迁复合机制。它利用弛豫过程和复合机制是一种无扩散的跃迁复合机制。它利用弛豫过程和复合过程释放的能量促成网格元胞内原子位置的调整以及键角畸过程释放的能量促成网格元胞内原子位置的调整以及键角畸变的消逝，从而完成晶化过程。变的消逝，从而完成晶化过程。图511 光致相变介质内部光吸取过程光致晶化过程包括光致突发晶化和声子参与的弛豫过程，前者需时在1091012秒量级

32、，后者约几十钠秒。它与激光热致晶化过程的对比间表51。热致晶化光致晶化本质扩散型成核长大式晶化过程非扩散型跃迁复合式晶化过程条件符合或不符合化学计量比的组分；所用的亚稳相符合化学计量比组分；直接固态相变，无需成核起因热致起伏激光束激发或电子束激发耦合性质 相分离，原子扩散；原子振动；分子振动无相分离，无扩散；原子位置调整；键角畸变消失自持效应不重要自持晶化，重要穿透深度整体效应激光束：1005000；电子束：12m晶化时间较长的退火过程（0.5m1.0ms）突发作用（1ns1ps）+弛豫过程（10200ns）3.3.可擦重写光盘存储机构可擦重写光盘存储机构 可擦重写光盘在记录信可擦重写光盘在记

33、录信息时一般须要先将信道上原有信息擦除，然后再写息时一般须要先将信道上原有信息擦除，然后再写入新信息。这可以是一束激光的两次动作，也可以入新信息。这可以是一束激光的两次动作，也可以是两束激光的一次动作，即用擦除光束和之后写入是两束激光的一次动作，即用擦除光束和之后写入光束的协调动作来完成擦、写功能。图光束的协调动作来完成擦、写功能。图5 512 12 可可擦重写光盘存储机构与信息存储过程示意图。虚线擦重写光盘存储机构与信息存储过程示意图。虚线框内是双光束光学头。框内是双光束光学头。1 1、2 2、3 3分别为写入光斑、分别为写入光斑、擦除光斑和写的信息道。图（擦除光斑和写的信息道。图（b b）

34、对应放大表示。）对应放大表示。左侧左侧11是写入光路，右侧是写入光路，右侧22是擦除光路。是擦除光路。4.2 4.2 可擦重写磁光光盘存储可擦重写磁光光盘存储 目前磁光薄膜的记录方式有补偿点记录和居里点记录两类，前者以稀土目前磁光薄膜的记录方式有补偿点记录和居里点记录两类，前者以稀土钴合金为主，后者则多为稀土铁合金。钴合金为主，后者则多为稀土铁合金。信息的写入信息的写入 GdCo GdCo有一垂直于薄膜表面的易磁化轴。在写人信息之前、有一垂直于薄膜表面的易磁化轴。在写人信息之前、用确定强度的磁场用确定强度的磁场H0H0对介质进行初始磁化，使各磁畴单元具有相同的磁化对介质进行初始磁化，使各磁畴单

35、元具有相同的磁化方向。在写入信息时，磁光读写头的脉冲激光聚焦在介质表面，光照微斑因方向。在写入信息时，磁光读写头的脉冲激光聚焦在介质表面，光照微斑因升温而快速退磁，此时通过读写头的线圈施加一反向磁场，就可以使光照微升温而快速退磁，此时通过读写头的线圈施加一反向磁场，就可以使光照微斑区反向磁化（图斑区反向磁化（图5 51414（a a）信息的读出信息的读出 信息读出是利用信息读出是利用KerrKerr效应检测记录单元的磁化方向。用线效应检测记录单元的磁化方向。用线偏振光扫描录有信息的信道，磁化方向向上的光斑，反射光的偏振方向会绕偏振光扫描录有信息的信道，磁化方向向上的光斑，反射光的偏振方向会绕反

36、射线右旋一个角度，磁化方向向下的光斑则左旋一个角度。实际测试时，反射线右旋一个角度，磁化方向向下的光斑则左旋一个角度。实际测试时，使检偏器的主截面调到与使检偏器的主截面调到与kk对应的偏振方向相垂直的方位。对应的偏振方向相垂直的方位。实际应用时，光盘的信噪比与实际应用时，光盘的信噪比与KerrKerr角的大小亲密相关，若反射光强度为角的大小亲密相关，若反射光强度为I I，且光盘的本底噪声主要来自散射效应，则信噪比可近似表示为且光盘的本底噪声主要来自散射效应，则信噪比可近似表示为信息的擦除信息的擦除 擦除信息时，如图擦除信息时，如图5 51414（c c）所示，用原来的写人光束扫）所示，用原来的

37、写人光束扫描信息道，并施加与初始描信息道，并施加与初始H0H0方向相同的偏置磁场，则记录单元的磁化方向方向相同的偏置磁场，则记录单元的磁化方向又会复原原状。又会复原原状。图513 GdCo磁学特性与温度的依靠关系 图514 磁光介质的写、读、擦原理示意图 图515 某磁光薄膜矫顽力及Kerr角随温度的变更 1 1光盘规格光盘规格 光盘衬盘厚光盘衬盘厚1.2um1.2um，外形很像一张透亮唱片。直径尺寸有，外形很像一张透亮唱片。直径尺寸有（mmmm）356356，300300，200200，130130，120120等，分布着间距为等，分布着间距为1.6um1.6um的预刻沟槽，同心圆或螺旋线都

38、可，槽宽约的预刻沟槽，同心圆或螺旋线都可，槽宽约0.8um0.8um，槽深取槽深取/8n/8n，n n是称盘的折射率，目前，半导体激光器波长是称盘的折射率，目前，半导体激光器波长 830nm830nm，称盘，称盘n n1.49,1.49,槽深为槽深为70nm70nm。2 2村盘材料的选择村盘材料的选择 衬盘材料应满足以下寻求：衬盘材料应满足以下寻求：（1 1）物化特性。物理化学特性要求比重小，吸水率、成型）物化特性。物理化学特性要求比重小，吸水率、成型收缩率尽可能低，用它制备光盘时脱气时间短，抗溶剂性强。收缩率尽可能低，用它制备光盘时脱气时间短，抗溶剂性强。（2 2）光学性能好。对紫外光透射性

39、能好；对写、读，擦波长）光学性能好。对紫外光透射性能好；对写、读，擦波长吸取系数小；双折射低；透光匀整；材料中应当没有气泡、吸取系数小；双折射低；透光匀整；材料中应当没有气泡、缺陷、杂质、凝胶胶粒等，否则会引起读、写、擦光束的衍缺陷、杂质、凝胶胶粒等，否则会引起读、写、擦光束的衍射或消光，从而导致信号失真或信息误传。射或消光，从而导致信号失真或信息误传。（3 3）耐热性能。抗热变形性的实力要强，热膨胀率应低；软）耐热性能。抗热变形性的实力要强，热膨胀率应低；软化温度、热变形温度应尽可能的高；洛氏硬度应强，断裂生化温度、热变形温度应尽可能的高；洛氏硬度应强，断裂生长百分率应高。长百分率应高。表5

40、2 几种常用衬盘材料性能参数的对比衬盘材料性能指标PMMAPCAPO钢化玻璃物化性能密度【g/cm3】吸水率【24h，25C】（）成型收缩率（）达到1.33104Pa的时间（min）抗溶剂性能1.1920.61000弱1.190.50.5500良1.200.150.50.7522强1.050.010.50.6532.50/快强光学特性折射率透光率（紫外）（）吸收系数（830mm）（mm1）双折射（6328）（mm）光弹性系数（107cm2/kg）1.49922.731032061.49921.411042061.58882.4410250801.55922061.451.5790/00.2耐热

41、性能热膨胀率（106/C）热传导率（4.19102W/mK）蒸气透过率（24h，g/m2）软化温度（C）热变形温度（mPa）80462.81109510570462.813312013060704.73.6154120132/150/3121219/机械特性抗拉伸强度（mPa）抗挠弯强度（mPa）挠曲模量（mPa）断裂伸长（）拉伸储能模量（20C）（Gpa）洛氏硬度（M标度）43.1564.7232372 282（3H）10 754.9298.072452472.945（HB）57.8688.263138375（2H）73550/（7H）信息技术的飞速发展，对海量信息存储的需求迅猛增长。然而，

42、正在全世界兴起的信息高速马路网和起级计算机小型化发展中，信息存储系统仍是一个相对薄弱的关键性环节。光存储目前达到的存储密度和数据传输速率还远远满足不了飞速发展的信息科学技术的要求 为了提高存储密度和数据传输速率，光存储正在由长波向短波、低维向高维（即由平面对立体）、远场向近场、光热效应向光子效应、逐点存储向并行存储发展。提高光盘存储密度的途径很多，其中见效最快的是缩短激光波长以缩小记录光斑尺寸的方法。接受近场光学扫描显微技术和其他纳米技术使磁光、相变等目前己广泛应用于光盘存储的介质和一些新密光存储介质的存储密度大幅度提高，也是一个广为探讨的课题。三维立体存储是超大容量信息存储的最重要途经。这方

43、面的探讨目前集中在三个方向：体全息存储、双光子吸取三维存储和多层记录存储。光存储介质始终是光存储技术探讨的关键，因此，找寻适合于快速超高密度和超大容量信息存储材料的努力从来都被放在首要地位，无机光存储材料的探讨较为成熟。从总体发展水平来看，在光存储特殊是超高密度光信息存储方面的应用探讨目前国际上还基本处于刚刚起步的阶段。6.1 6.1持续光谱烧孔和三维光信息存储持续光谱烧孔和三维光信息存储持续光谱烧孔持续光谱烧孔PSHBPSHB（persistent spectral hole persistent spectral hole burningburning）应用于光信息存储，可以使光的频率成为

44、新）应用于光信息存储，可以使光的频率成为新的存储维，将传统的二维（的存储维，将传统的二维（x x、y y）光信息存储发展成）光信息存储发展成为三维（为三维（x x、y y、v v）光信息存储。与目前的光盘存储系）光信息存储。与目前的光盘存储系统（记录密度限为统（记录密度限为108B/cm2108B/cm2）相比较，）相比较，PSHBPSHB的三维的三维光信息存储（以下简称光信息存储（以下简称PSHBPSHB存储）在理论上可以使记存储）在理论上可以使记录密度提高三至四个量级。本节主要介绍录密度提高三至四个量级。本节主要介绍PSHBPSHB和和PSHBPSHB存储的基本原理、存储的基本原理、PSH

45、BPSHB材料及其探讨现状。材料及其探讨现状。在光存储技术中，由于光的衍射现象，光不行能聚焦在光存储技术中，由于光的衍射现象，光不行能聚焦在一个体积小于在一个体积小于101012 cm312 cm3左右的村料上，因此目前左右的村料上，因此目前的光存储系统存在一个大小约为的光存储系统存在一个大小约为108B/cm2108B/cm2的存储密的存储密度上限。度上限。光子烧孔大致可分为两类，即化学烧孔和物理烧孔，光子烧孔大致可分为两类，即化学烧孔和物理烧孔，现重点介绍化学烧孔。现重点介绍化学烧孔。图516 PSHB光存储示意图一方面，由于存在应力等外界因素，同一类客体分子可以具有不同的局域环境，对应于

46、不同谐振频率的基本谱线。6.2电子俘获光存储技术前言 将来大容量计算系统的存储器必需具备存储密度高、存储速率快、寿命长三大特点。电子俘获光存储技术的基本原理（1）电于俘获材料一种新开发的电子俘获材料由带隙宽为eV的碱土硫化物和掺人其中的两类不同稀土金属元角（浓度约为十亿分之一）所组成。图518 电子俘获存储读写擦光谱特性（2）信息写人、读出和擦除在电子俘获光存储技术中，二进制信息位“”的写人是以记录点局域位置处的陷阱对电子的俘获（即电子对陷饼的填充）来表征的。图517 一种电子俘获材料的能级分布图518 电子俘获存储读写擦光谱特性电子俘获光存储技术的优点已由测量表明，存储单元局域位置中的陷阱对

47、电子的俘获与写人光束能量间存在固有的线性。同样，读出过程中发光强度与读出所用的近红外光强度间也存在线性关系，这种固有的线性关系为模拟或多电平数据存储供应了可能。从理论上说，它的写擦循环次数应是无限的。这一点已被实际测试所证明（即经108次写、擦循环后，材料记录特性无明显变更）。最终，测试表明，电子上、下跃迁变更的速率为纳秒级，这就保证了高速度存取。总之，电子俘获存储是一种相当有前途的光存储技术。6.3 6.3 全息信息存储全息信息存储光盘存储系统虽然在巨大容量（或称海量）存储信息方光盘存储系统虽然在巨大容量（或称海量）存储信息方面具有很多优点，但却与磁鼓、磁盘或磁带一样都要求光学面具有很多优点

48、，但却与磁鼓、磁盘或磁带一样都要求光学头相对记录介质作机械运动，这就使记录信息位的密度被限头相对记录介质作机械运动，这就使记录信息位的密度被限制在机械调整的精度内，并使存取时间只能限于毫秒范围内。制在机械调整的精度内，并使存取时间只能限于毫秒范围内。光全息存储是一条可循的途径具有以下优点：光全息存储是一条可循的途径具有以下优点：1 1）存储容量大：全息方法有可能将信息存储在介质的整个）存储容量大：全息方法有可能将信息存储在介质的整个体积中，这种三维全息存储按位计算的体密度上限为；体积中，这种三维全息存储按位计算的体密度上限为；2 2）数据传输速率高、存储与读出时间短：全息图接受）数据传输速率高

49、、存储与读出时间短：全息图接受整页存储和读出的方式，一页中的全部信息位都被并行地记整页存储和读出的方式，一页中的全部信息位都被并行地记录和读出，因而可达到很高的数据传输速率。同时，全息数录和读出，因而可达到很高的数据传输速率。同时，全息数据库可以用电光偏转、声光偏转等无惯性的光束偏转或波长据库可以用电光偏转、声光偏转等无惯性的光束偏转或波长选择等手段来寻址，无需磁盘和光盘存储中的机电式读写头，选择等手段来寻址，无需磁盘和光盘存储中的机电式读写头，因而数据传输速率和存取速率可以很高；因而数据传输速率和存取速率可以很高；3 3）高冗余度：与按位存储的磁盘和光盘不同，全息记）高冗余度：与按位存储的磁

50、盘和光盘不同，全息记录是分布式的，即把每一点的信息或者说每一信息位记录在录是分布式的，即把每一点的信息或者说每一信息位记录在整个全息图上，所以记录介质局部的缺陷和损伤不会引起信整个全息图上，所以记录介质局部的缺陷和损伤不会引起信息的丢失。息的丢失。典型的光学全息存储器中存储的信息可分为块状结构和依次结构两类，块状结构全息存储器 全息存储技术的基本概念是把存储的信息构成一个像，将此像作为全息记录系统中的物，并把物存储于全息图中。图519所示的配置：织页器全息图探测器列阵，是全部块状（页状）结构全息存储器中的基本存储单元。更困难的海量存储器是以此单元以及一些附加器件为篆础的，而这些附加器件则是用来