第七個(gè)問題：光譜燒孔

光譜燒孔——新一代的光存儲(chǔ)技術(shù)

光科0701高松07272006耿欣07272007一、概述二、光譜燒孔的定義三、存儲(chǔ)原理四、技術(shù)成果五、主要困難光譜燒孔——新一代光存儲(chǔ)技術(shù)

光存儲(chǔ)技術(shù)是當(dāng)前快速發(fā)展的高密度信息存儲(chǔ)技術(shù)?，F(xiàn)行光存儲(chǔ)方案的最高存儲(chǔ)密度受到聚焦激光斑大小的限制．科學(xué)家們致力于探討能突破現(xiàn)行光存儲(chǔ)方案密度的下一代新技術(shù)．“光譜燒孔”方法是其中的佼佼者，可能供應(yīng)比現(xiàn)行光存儲(chǔ)方案高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的存儲(chǔ)密度。何為光譜燒孔當(dāng)用一束窄帶強(qiáng)激光激發(fā)鉻離子時(shí)，用另一束窄帶可調(diào)諧激光掃過“R線”吸取譜帶，發(fā)覺在吸取譜帶上激發(fā)光頻率處出現(xiàn)一凹陷，這就是所謂“光譜燒孔”現(xiàn)象。出現(xiàn)光譜燒孔的緣由是這樣的：在窄帶激光激發(fā)下．和激光共振的鉻離子的d電子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)．激光足夠強(qiáng)時(shí)，幾乎全部共振的鉻離子的電子都被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，測(cè)量這些鉻離子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的吸取時(shí)就出現(xiàn)吸取飽和現(xiàn)象。而不和窄帶激光共振的鉻離子仍舊有正常的吸取．用激光掃過整個(gè)吸取線，測(cè)透射光強(qiáng)時(shí)，就會(huì)在原來的吸取線型上出現(xiàn)凹陷，也就是“孔”。當(dāng)被激發(fā)的分子在激發(fā)態(tài)發(fā)生某種光致物理或化學(xué)變更而不能退激回原來基態(tài)，或退激需很長時(shí)間時(shí)，則形成的光譜孔被稱為永久性光譜燒孔(persistentspectralhole—burning，簡為PSHB)。當(dāng)今光譜燒孔技術(shù)主要的技術(shù)瓶頸！新一代存儲(chǔ)技術(shù)——“光譜燒孔”光譜燒孔可用于光存儲(chǔ)。調(diào)諧激光到吸取譜帶內(nèi)的不同頻率位置，孔就出現(xiàn)在不同頻率上，有孔和無孔就可以表示“l(fā)“和“0”兩個(gè)狀態(tài)．孔的存在時(shí)間就是電子在激發(fā)態(tài)的壽命．用測(cè)透射光強(qiáng)度的方法就可以檢測(cè)孔的有無．這種光存儲(chǔ)原理和現(xiàn)在運(yùn)用的光存儲(chǔ)方案是不同的?，F(xiàn)在生產(chǎn)的光盤是用激光束在光盤介質(zhì)不同位置上燒出洞，或產(chǎn)生磁疇變更、相變，使不同位置上的反射率產(chǎn)生變更，反射率有無變化表示“1”和“0”兩個(gè)狀態(tài)．這是“位置選擇光存儲(chǔ)”．光譜燒孔是"頻率選擇光存儲(chǔ)”．光譜燒孔技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：存儲(chǔ)密度更高位置選擇光存儲(chǔ)能供應(yīng)比磁盤高l一2個(gè)數(shù)量級(jí)的存儲(chǔ)密度．因?yàn)榇疟P用磁頭探測(cè)磁盤介質(zhì)上磁化強(qiáng)度的變更．而光盤用聚焦的激光束探測(cè)光盤介質(zhì)上反射率的變更．激光束的光斑可以比磁頭小很多，因而光盤可以供應(yīng)更高的存儲(chǔ)密度．然而現(xiàn)行光盤方案的存儲(chǔ)密度受到激光斑大小的限制．聚焦的激光斑受衍射效應(yīng)限制，不能無限縮小，只能做到大致和激光波長相近．因而估計(jì)最高存儲(chǔ)密度約為．而“光譜燒孔”方法供應(yīng)了突破上述存儲(chǔ)密度限制的可能性．因?yàn)槌獗P平面上的二維維度外，光譜燒孔可以利用頻率維度．在光斑平面位置不變的狀況下，調(diào)諧激光頻率在吸取譜帶內(nèi)燒出多個(gè)孔，可實(shí)現(xiàn)在一個(gè)光斑位置上存儲(chǔ)多個(gè)信息．存儲(chǔ)密度可提高1一3個(gè)數(shù)量級(jí)．在激發(fā)激光停止后，激發(fā)態(tài)電子回到基態(tài)，孔也就消逝了，信息不能長期保存。有科學(xué)家提出，，假如激光使共振的離子產(chǎn)生光化學(xué)或光物理變更，這種變更假如能保存幾小時(shí)，幾天甚至幾年，那么孔”也就能保存幾小時(shí)，幾天甚至幾年．科學(xué)家進(jìn)一步分析光譜燒孔用于光存儲(chǔ)對(duì)材料的要求．發(fā)覺假如用同一頻率的一束激光寫入“孔”和讀出“孔”，反復(fù)讀“孔”的過程會(huì)使原來寫入的孔變得模糊，信噪比降低．他們提出應(yīng)當(dāng)用光子選通光譜燒孔材料．即寫入“孔”時(shí)，要用燒孔激光束和選通激光束同時(shí)作用，才能產(chǎn)生光化學(xué)或光物理變更，如光離化作用(圖3)，從而燒出孔．而讀孔時(shí)，只要用減弱了的激光束．這樣多次讀孔過程就不會(huì)影響原來寫入的信息的清晰度．在用于光存儲(chǔ)技術(shù)方面，孔可以用通常的透射光譜法檢測(cè)，也可以監(jiān)測(cè)發(fā)光，用激發(fā)光譜法檢測(cè)孔．用全息法測(cè)孔可以得到更高的信噪比．獲得光譜燒孔的方法最近，在愈來愈高的溫度甚至室溫下獲得光譜燒孔已取得特殊進(jìn)展，所用的方法有兩種：(1)用小介質(zhì)球形態(tài)共振的自然非勻整加寬。(2)甩臺(tái)金晶體對(duì)雜質(zhì)稀土離子產(chǎn)生極大的非勻整加寬。光譜燒孔技術(shù)取得的成果材料方面：報(bào)道了稀土離子光離化機(jī)理的光子選通光譜燒孔.還有過渡金屬離子的光譜燒孔.發(fā)覺了色心的光子選通光譜燒孔.在有機(jī)材料方面,電子轉(zhuǎn)移型光子選通光譜燒孔最引人注目.還發(fā)覺了有機(jī)分子光離解,光異構(gòu)化產(chǎn)生的光譜燒孔.光存儲(chǔ)技術(shù)方面：孔可以用通常透射光譜法檢測(cè)，也可以監(jiān)測(cè)發(fā)光，用激發(fā)光譜法檢測(cè)孔．用全息法測(cè)孔可以得到更高的信噪比．瑞士蘇黎世聯(lián)邦技術(shù)探討所的維爾德教長期探討用電場(chǎng)和全息方法寫入和讀出光譜孔存儲(chǔ)的信息．在夢(mèng)特利會(huì)議上放映了用光譜燒孔方法制作的動(dòng)畫片，與會(huì)者稱贊不已，報(bào)熱情掌聲．值得留意的是，最近的發(fā)展還表明，光譜燒孔材料不僅可以用作高密度頻域光存儲(chǔ)介質(zhì)，還可用于記錄多幅全息圖象。事實(shí)上，當(dāng)在一非勻整展寬譜線內(nèi)燒出一個(gè)孔時(shí)，在該孔旁邊的頻域內(nèi)不僅吸取變更，還相應(yīng)地發(fā)生折射率的變更，因而可同時(shí)記錄吸取型與相位型全息圖。Renn等人曾用聚乙烯醇縮丁醛：四嗪，為光譜燒孔材料進(jìn)行了全息圖象的存取試驗(yàn)。固定激光頻率，變更加在樣品上的電壓，使能級(jí)移動(dòng)，在一個(gè)樣品中存儲(chǔ)了多幅全息圖象。讀出時(shí)，連續(xù)變更電壓，存儲(chǔ)的圖象就可以一個(gè)接一個(gè)地顯示出來。最近，他們?cè)赑VB：二氫卟吩中8nm光譜范圍內(nèi)存儲(chǔ)了2000多幅全息圖象。這一重要的進(jìn)展，開拓了將光譜燒孔材料用于光學(xué)信息處理與光計(jì)算機(jī)，特殊是光互聯(lián)與光學(xué)神經(jīng)計(jì)算機(jī)的可能性。全息技術(shù)光計(jì)算機(jī)光譜燒孔技術(shù)面臨的困難盡管光譜燒孔技術(shù)取得了很多進(jìn)展，但真正使光譜燒孔用于光存儲(chǔ)好用化，仍舊有很多困難要克服．還有漫長的山路要攀登，還有懸崖峭壁要飛越?，F(xiàn)有的燒孔材料電子躍遷幾率小，燒孔須要的能量高。能否達(dá)到好用化要求的寫入速度尚是問號(hào)。既然是要用于光存儲(chǔ)，當(dāng)然希望提高工作溫度，實(shí)現(xiàn)液氮，甚至室溫下燒孔。高溫超導(dǎo)體超導(dǎo)溫度曰新月異提高的記錄還記憶猶新。能不能把燒孔溫度從液氫提高到液氮呢?好用化整體方案也有待探究。假