基于光致聚合物的盘式全息存储

论文摘要

近年来光存储技术一直是产业界和学术界的共同研究热点,传统的按位光盘存储技术发展迅速,从CD到DVD,再到Blu-ray光盘技术,其存储密度越来越高,存储速度越来越快;但单纯通过减小波长和分层技术来进一步提高存储密度和速度的空间已经越来越小。体全息光盘技术因其更高的存储密度以及成本相对低廉的盘片成为一种重要的备选技术。国外研究人员基于各种性能优良的光致聚合物作为存储介质开展了盘式全息存储系统的研究,其中以美国Inphase公司、HDSS系统（Holographic Data Storage System）和日本Optware公司的研究成果和系统方案最为接近实用化,但与其相应的关键技术一直未予披露。我国在这一领域的研究仍然处于基础研究阶段。本文的任务就是要研究并解决基于光致聚合物的盘式全息存储系统中的关键技术问题。我们和中科院理化技术研究所进行技术合作,由我们对材料提出要求,由合作方提供新型光致聚合物材料,进行全息测试后将实验结果反馈给合作方作为改进材料的依据。在材料测试中我们发现光致聚合物存在着较为强烈的暗反应和均匀后曝光效应,这给复用存储带来相当的挑战,因此我们的研究重点之一是实现等衍射效率的复用曝光时序。我们简化了前人提出的扩散模型,分别针对写入全息图、暗反应、以及均匀后曝光过程提出相应的简化扩散模型,得到了这三个光致聚合物典型过程的数学模型解析式,并利用这些解析式对实验曲线进行拟合,拟合效果良好,拟合曲线与实验曲线的符合程度很好。通过曲线拟合我们得到了特定光致聚合物的重要参数。我们还针对同一位置的角度复用提出了基于均匀后曝光效应的曝光时序计算模型,并通过实验比较验证了该模型相对于传统的基于六阶多项式模型计算得到曝光时序方法的优越性。为了提高全息光盘的存储密度,我们选择了散斑位移复用的研究方案。散斑位移复用的缺点是将散斑引入参考光会给再现图像带来更多的噪声。这需要我们对散斑参考光的性质做进一步的研究。我们采用了和一般报道中所不同的方式。我们自制了三个具有不同散斑颗粒尺寸的散斑随机相移器,并对它们通过1:1成像透镜产生的散斑颗粒尺寸进行了实验测量与验证。实验结果显示,尽管测量到的散斑颗粒尺寸与理论计算结果存在一定程度的偏差,但我们仍然实现了通过自制散斑随机相移器来控制散斑颗粒尺寸的目的。另外我们还对具有不同散斑颗粒尺寸的参考光再现的图像质量进行了探讨,我们发现散斑颗粒尺寸越大,图像质量越高。但同时这也会减小存储密度,因而可以通过调控散斑随机相移器的制作方案实现存储密度与图像质量之间的平衡。我们针对光致聚合物本身具有的暗反应和均匀后曝光效应以及散斑颗粒尺寸对位移复用的影响,设计了适合散斑位移复用的实现方案。为了平衡存储的面密度和再现图像的质量,我们设计了在保证存储面密度前提下而尽量提高再现图像质量的散斑位移复用间隔,并根据此间隔给出了散斑随机相移器的制作参数。然后,我们详细分析了散斑位移复用中全息图的曝光过程,将复用中的单幅全息图分成若干个曝光区域进行考虑,将等衍射效率曝光时序计算模型推广到了位移复用的情形,并通过计算机进行数值计算得到了一个实例情况下的等衍射效率曝光时序。最后,我们通过实验初步验证了使用该模型计算出的时序进行散斑位移复用存储的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 全息技术引入之前的光盘存储
• 1.1.2 体全息存储技术
• 1.2 基于光致聚合物的盘式全息存储的发展
• 1.2.1 国内外盘式全息存储的研究进展
• 1.2.2 用于盘式全息存储的光致聚合物
• 1.2.3 本文主要内容
• 第2章 光致聚合物的记录机理与全息性能测试
• 2.1 光致聚合物的全息记录机理与特性
• 2.1.1 光致聚合物中全息光栅的形成过程
• 2.1.2 Zhao 和Piazzola 的全息光栅形成的扩散模型
• 2.1.3 全息光栅的简化扩散模型
• 2.2 全息性能和暗反应测试
• 2.2.1 全息性能测试和角度复用实验的光路配置
• 2.2.2 暗反应测试与参数拟合
• 2.2.3 全息写入实验测试与参数拟合
• 2.3 新型双单体光致聚合物的模型改进
• 2.3.1 双单体光致聚合物的改进模型
• 2.3.2 实验结果讨论（主要讨论两种单体的表现差异）
• 2.4 本章小结
• 第3章 全息图复用曝光时序的计算和验证
• 3.1 问题的提出
• 3.2 多幅全息图角度复用的均匀后曝光（UPE）模型描述
• 3.3 全息图角度复用的曝光时序计算与实验验证
• 3.3.1 更为细致的均匀后曝光效应的实验验证
• 3.3.2 全息图复用曝光时序的计算和实验验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 调控散斑位移复用选择性的方法研究
• 4.1 散斑颗粒大小对散斑位移复用间隔的影响
• 4.1.1 衍射积分方程
• 4.1.2 再现衍射光场的光强分布
• 4.2 散斑颗粒尺寸的决定因素
• 4.2.1 自由空间传播光路
• 4.2.2 散射体表面结构对散斑颗粒尺寸的影响
• 4.3 散斑随机相移器的制作方案与实验验证
• 4.3.1 自制散斑随机相移器的目的
• 4.3.2 散斑随机相移器的制作
• 4.3.3 散斑随机相移器散斑颗粒的实验验证
• 4.3.4 散斑颗粒大小对图像噪声的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 光致聚合物全息存储方案的设计
• 5.1 设计合适的自制散斑随机相移器
• 5.2 根据材料性能设计合适的曝光时序
• 5.2.1 散斑位移复用的模型描述
• 5.2.2 散斑位移复用的等衍射效率时序计算模型
• 5.2.3 散斑位移复用等衍射效率曝光时序的计算
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 散斑位移复用等衍射效率曝光时序的计算模型
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文和参加的科研课题
• 致谢