一种非易失性体全息数据存储的方法技术领域
本发明属于光学信息存储及体全息数据存储技术领域，特别涉及在光致色变材
料中实现体全息数据存储的方法。可应用于高密度、快速记录、可多次重复擦写、
非易失性读出的体全息数据存储。
背景技术
信息化是当今世界经济发展的必然趋势。随着信息时代的到来，人们对于信息
存储、传输与处理的要求与日俱增。光信息存储技术以其密度高、寿命长等特点成
为继磁存储技术之后的新兴存储技术，成为世界各国竞相研究的对象。光学体全息
存储技术以其冗余度高、数据并行传输、存储密度高、寻址速度快和相关寻址功能
等优点成为当前最具潜力的光存储技术。而可重复擦写、非易失性读出的体全息存
储技术仍是这一领域的研究热点。
光致色变材料在不同波长作用下，其开环闭环状态发生相互转化并伴随着折射
率和吸收率的变化，这被用来实现可擦写的体全息存储，清华大学刘国栋等人在中
国物理快报第20卷1051-1053页报导了用二芳烯(光致色变材料)作记录介质进行
体全息数据存储。图1为该存储系统的主要光路结构图，其系统主要包括激光光源
11、依次设置在该光源出射光路上的针孔滤波器12、准直透镜131、拦光光阑14
和第一反射镜151，依次设置在第一反射镜的反射光路上的第一半波片161、偏振分
光棱镜17，在该偏振分光棱镜17透射光路上的第二半波片162、第一组快门181
和第二反射镜152，设置在第二反射镜152的反射光路上的空间光调制器19、傅立
叶变换透镜132、记录介质100、傅立叶逆变换透镜134、第二组快门182和探测器
CCD200，设置在该偏振分光棱镜17反射光路上的第三反射镜153，记录介质100
同时位于第三反射镜反射光路上。
该存储系统的存储方法为：记录时，激光光源11产生的波长为514.5nm的激光
经针孔滤波器和准直透镜扩束、准直后，经第一反射镜151、第一半波片161调整
偏振态后，垂直入射到偏振分光棱镜17，入射光被分为透射光和反射光：其透射光，
经第二半波片162调整为S偏振态后，由空间光调制器19调制，构成记录所需的物
光，其光功率为0.5mW；其反射光，经过第三反射镜153，构成记录所需的参考光，
其光强为12mW/cm2。空间光调制器19、傅立叶变换透镜132、记录介质100、傅立
叶逆变换透镜134、探测器CCD200构成典型的4F结构，实现傅立叶谱全息记录和
物光的读出。参考光和物光以夹角90度入射到置于谱面位置的记录介质100中干涉
形成光栅，记录一个数据页；读取过程则将物光光路阻断，用参考光作读出光在相
应的记录位置读取相应的数据页信息，读出时，调节读出光的光强至110μW/cm2。
采用上述方法连续读出2小时后，再现图像的质量没有明显下降。但该方法由
于材料对记录(读出)波长存在线性吸收，这将产生两个不利因素：其一、由于记
录材料中的体光栅是一振幅位相型混合光栅，它的动态范围要比纯位相型光栅动态
范围小，存储密度将不如后者的存储密度大；其二、记录材料对读出光波的线性吸
收反应，会擦除材料中已存的数据信息。所以在连续读取更长的时间后，再现图像
会逐渐变得模糊直至最后消失。由此可见，采用强光记录、弱光读出的单光子全息
记录是不能真正实现高密度、快速记录、可多次重复擦写、非易失性读出的体全息
数据存储的。
赵健于2003年在清华大学硕士学位论文“双掺杂铌酸锂晶体体全息存储性能研
究”中，使用掺铜、铈的铌酸锂晶体作记录介质进行非易失性体全息数据存储。图
2为该存储系统的主要光路结构图，其系统主要包括第一激光光源211，在该第一光
源211的出射光路上依次设置的第一针孔滤波器221、第一准直透镜231、第一拦光
光阑241、第一反射镜251，在该第一反射镜251的反射光路上设置的第一半波片
261和第一偏振分光棱镜271，在该偏振分光棱镜271的透射光路上设置的第二半波
片262、第一组快门281和第二反射镜252，在该第二反射镜252的反射光路上设置
的空间光调制器29、傅立叶变换透镜232和体记录介质300，以及傅立叶逆变换透
镜234、第二组快门282、探测器CCD200；还包括第二激光光源212，设置在该第
二激光光源212的出射光路上的第二针孔滤波器222、准直透镜232、第二拦光光阑
241和第三反射镜253，在该第三反射镜253的反射光路上设置第二偏振分光棱镜
272，以及在该第二偏振分光棱镜272的反射光路上设置第三反射镜253，该记录介
质300的另一介质面垂直于第三反射镜253的反射光路上。
该系统的存储方法为：记录时，第一激光光源211产生的波长为632.8nm的激
光经针孔滤波器和准直透镜扩束、准直后，经第一半波片261调整偏振态后，垂直
入射到第一偏振分光棱镜271，入射光被分为两路：其透射光，经第二半波片262
调整为S偏振态，经第一组快门281、第二反射镜252后由空间光调制器29调制，
构成记录所需的物光，其光强为50mW/cm2；其反射光，经过第二偏振分光棱镜272、
第三反射镜253，构成记录所需的参考光，其光强为10mW/cm2。同时，第二激光光
源212产生的波长为488nm的激光经针孔滤波器和准直透镜扩束、准直后，入射到
第二偏振分光棱镜272、其反射光经过第三反射镜253，构成记录所需的敏化光，其
光强为5mW/cm2，其光路与参考光光路相同。空间光调制器29、傅立叶变换透镜
232、记录介质300、傅立叶逆变换透镜234、探测器CCD200构成典型的4F结构。
参考光、敏化光分别和物光成90度角入射到置于谱面位置的记录介质300中干涉形
成光栅，记录一个数据页。读取过程则将第二激光光源212关闭，同时将物光光路
阻断，用与记录时一致的参考光在相应的记录位置读取相应的数据页信息，在连续
读取5小时后，图像质量没有明显改变，从而实现了所存储信息的光固定。采用基
于双掺杂铌酸锂晶体的双色体全息存储虽可以在一定程度上实现数据的非易失性读
出，但其存在动态范围小、灵敏度低、不能实现快速记录等缺点。
发明内容：
本发明的主要目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种非易失性体全息数
据存储的方法及其系统，利用光致色变材料在固态时具有较强的双光子吸收效应及
在红外波段无线性吸收的特性，采用双光子记录，单光子读出实现数据的快速记录、
非易失性读出。本发明提高了光致色变材料体全息存储的密度，可应用在基于光致
色变材料的高密度、快速记录、可多次重复擦写、非易失性读出的体全息数据存储
领域。
本发明提出的一种非易失性体全息数据存储的方法，采用光致色变材料作为体
全息记录介质，通过双光子记录，单光子读出及紫外光擦除来实现数据信息快速记
录，非易失性读出和多次重复擦写；包括以下步骤：
1、双光子体全息数据记录过程：首先，根据光致色变材料的吸收谱特性，选择
与其相匹配的脉冲激光器作为记录光；该脉冲激光器发出的光被分成物光和参考光
两束光，使全息记录介质置于物光和参考光相干场中，其次，调节记录光的光强，
使物光和参考光的相干场的光强大于使记录介质发生双光子吸收反应的强度，且小
于该记录介质的光强损伤域值(避免造成记录材料的损伤)；最后，调节参考光和物
光的光程差，使两束光的光程差在脉冲激光器的相干长度以内；
2、单光子体全息数据读出过程：选择与记录光波长相同的低功率连续激光器作
为读出光，调节读出光的光路使之与所述参考光光路相同，即实现数据的非易失性
读出(因为读出光波长与记录光波长相同，因而不会产生由于布拉格失配而导致地
再现图像的失真；又因为材料对该波长无线性吸收，因而不过出现读出光对已存数
据信息的擦除。这样就真正实现了数据的非易失性读出)。
本发明方法还可包括记录信息的擦除过程：采用紫外光源出射光，使其对准该
记录介质所要擦除的区域，便可擦除该位置所存储的数据信息，从而实现了数据信
息的可重复擦写。
本发明的原理是利用光致色变材料在固态时具有较强的双光子吸收效应及在红
外波段无线性吸收的特性，采用双光子记录，单光子读出实现数据的快速记录、非
易失性读出。
本发明提供的方法采用红外波长的双光子吸收全息记录，双光子吸收反应只在
参考光和物光的相干区域发生，且记录介质材料的折射率变化与记录光场的分布呈
线性关系，从而实现信息的记录。读出时采用同波长的低功率连续激光器实现信息
的非易失性读出。
图3为光致色变材料的单光子和双光子吸收谱图，31，32分别为材料在开环和
闭环状态的单光子(线性)吸收曲线，33为材料由闭环状态转化成开环状态的双光
子(三阶非线性)吸收曲线。从图中可以看出，在双光子吸收波长区域内，材料的
开环和闭环状态的分子均无线性吸收，且双光子的吸收峰值波长约为闭环状态吸收
峰值波长的2倍，即材料既可以通过吸收波长为λ2的一个光子也可同时吸收波长为
λ3的两个光子来实现闭环状态向开环状态的转变。光致色变材料的双光子体全息记
录过程实际上是通过材料在闭环状态的一个分子通过一个中间虚拟态吸收两个光子
转化为开环状态，从而导致折射率变化形成位相型布拉格光栅的过程。信息的擦除
过程是通过波长为λ1的光使材料全部转化成闭环状态实现的。
进行双光子体全息记录需满足以下条件：首先，脉冲激光的光强要低于记录介
质的光强损伤域值，但要能使材料发生双光子吸收效应；其次，记录光波长要在材
料的线性吸收区域以外，这样才能使记录介质只发生三阶的双光子吸收反应，在单
光子读出时不会发生读出光对已存信息的擦除，一般光致色变材料在闭环状态的线
性吸收区域在500-650nm，因此，双光子吸收区域一般为其线性吸收波长的2倍，
即在红外区域的1000-1300nm；最后，脉冲激光器发出的光被分成两束光，即参考
光和物光，它们到达材料时的光程差要在脉冲激光的相干长度以内，这样才能发生
干涉，形成调制场，若设脉冲激光器的单个脉冲持续时间为100ps，则它的相干长
度为30mm，参考光和物光的光程差必须在30mm以内，才能形成干涉场。
相比于以前的光全息存储系统，本发明的优点是：
双光子体全息记录过程是依赖于光强的，只有光强达到一定的域值，才能发生
双光子吸收，从而实现信息的记录，这就克服了采用相同波长的低功率再现光进行
信息读取时产生的擦除效应。
双光子体全息记录可以选择对光致色变材料不产生线性吸收的波长进行记录，
该波长远离光致色变材料的吸收峰。因此，选择红外波段的波长实现对信息记录和
读出，因为该波长对材料的开环闭环状态均无线性吸收，可以实现数据的非易失性
读出。
双光子体全息记录时间非常短，可以实现快速记录，采用皮秒甚至更短脉冲的
激光器，其双光子反应的时间也在皮秒甚至更短的时间范围内，信息的记录时间也
即双光子反应的时间。因此可实现快速记录。
附图说明
图1为已有的基于二芳烯材料的单光子体全息存储系统结构图。
图2为已有的基于双掺杂铌酸锂材料的双色体全息存储系统结构图。
图3为光致色变材料的单光子和双光子吸收谱图。
图4为本发明的基于光致色变材料的双光子记录和单光子读出的体全息系统结
构图。
具体实施方式
本发明提出的一种非易失性体全息数据存储的方法实施例结合附图详细说明如
下：
本发明方法实施例采用一种双光子记录和单光子读出的全息存储系统来实现，
该系统主要光路结构如图4所示，包括第一激光光源411，依次设置在该激光光源
出射光路上的第一针孔滤波器421、第一准直透镜431、第一拦光光阑441和第一反
射镜451、第一半波片461、偏振分光棱镜47，由设置在该偏振分光棱镜47透射光
路上的第二半波片462、第一组快门481和第二反射镜452、空间光调制器49、傅
立叶变换透镜433构成物光光路，由设置在该偏振分光棱镜47反射光路上的位相补
偿器410、第四反射镜454构成参考光路；参考光和物光成90度角入射到置于谱面
位置的体记录介质400中；第二激光光源412，由依次设置在该第二激光光源出射
光路上的第二针孔滤波器422、第二准直透镜432、第二拦光光阑442、第三组快门
483、半反半透棱镜40(反射)、第三反射镜453、偏振分光棱镜47(透射)、位相
补偿器410、第四反射镜454构成读出光路；由同轴设置的空间光调制器49、傅立
叶变换透镜433、记录材料400、傅立叶逆变换透镜434及探测器CCD200构成典型
的4F结构；还包括第三光源413，依次设置在该第三光源出射光路上的第三针孔滤
波器423、第三准直透镜433、第三拦光光阑443、半反半透棱镜40(透射)、第三
反射镜453、偏振分光棱镜47(透射)、位相补偿器410、第四反射镜454构成擦除
光路。
上述系统的第一激光器采用波长为1064nm的脉冲激光器，其脉冲宽度为50ps，
光功率调范围为0.5GW-4GW；第二激光器采用波长为1064nm的连续低功率激光器，
其输出的光强为100μW/cm2，记录介质采用具有双光子效应的光致色变材料，第三
光源采用波长为384nm的紫外光源。
其它元器件均采用常规产品。
利用上述系统实现的非易失性体全息数据存储的方法实施例，其主要通过双光
子记录，单光子读出及紫外光擦除来实现数据信息快速记录，非易失性读出和多次
重复擦写的。包括以下步骤(参见图4)：
1、双光子体全息数据记录过程；脉冲宽度为50ps的激光光源411产生的波长为
1064nm的激光经针孔滤波器和准直透镜扩束、准直后，经半波片461调整偏振态后，
垂直入射到偏振分光棱镜47，入射光被分为两路：其透射光，经半波片462调整为
S偏振态后，由空间光调制器49调制，构成记录所需的物光，将其光功率调整为
1.1GW；其反射光，经位相补偿器410、反射镜454，构成记录所需的参考光，其光
功率调整为0.8GW。空间光调制器49、傅立叶变换透镜433、记录介质400、傅立
叶逆变换透镜434、探测器CCD200构成典型的4F结构，实现傅立叶谱全息记录和
物光的读出。参考光和物光成90度角入射到置于谱面位置的记录介质400中干涉，
产生双光子吸收效应形成光栅，从而快速记录了一个数据页。
2、单光子体全息数据读出过程。关闭脉冲激光器411，连续低功率激光器412
产生的1064nm的激光经针孔滤波器和准直透镜扩束、准直后，经反射镜453、偏振
分光棱镜47透射后，经位相补偿器410、反射镜454，构成读出光，其读出光强为
100μW/cm2，读出光在偏振分光棱镜47与记录材料400之间光路与全息记录时相应
位置处的参考光光路相同。这样便实现了信息的非易失性读出。
3、记录信息的擦除过程。关闭脉冲激光器411和连续低功率激光器412，打开
紫外光源413，从该光源413出的光经针孔滤波、扩束、准直后，使其对准记录材
料所要擦除的区域，便可擦除该位置所存储的数据信息，从而实现了数据信息的可
重复擦写。