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隨著計算機技術(shù)，特別是多媒體技術(shù)的發(fā)展，需要處理和存儲的數(shù)據(jù)量大幅度增加。例如，一部通常長度的電影沒有壓縮的數(shù)據(jù)量將超過10TB。大型探測器，如哈勃望遠鏡所傳回的數(shù)據(jù)量達到10TB/天；醫(yī)學及大地遙感圖數(shù)據(jù)量巨大。顯然現(xiàn)在基于二維方式的光存儲器已難于滿足這種日益增長的要求了。現(xiàn)行的CD、磁光和相變光盤的容量在650MB左右，即使新興的DVD光盤，單面單層的DVD-5的容量也只達到4.7GB。雖然，現(xiàn)可使用波長為0.41μm（藍光）的GaN半導(dǎo)體激光器，即HD-DVD光盤，其存儲容量可達27GB，是高密度數(shù)字多功能光盤，但還不能滿足信息時代發(fā)展的需要。因此，必須研發(fā)新的超高密度光電存儲系統(tǒng)。除全息存儲以外，短期有實用前景的超高密度光電存儲技術(shù)，主要有雙光子雙穩(wěn)態(tài)三維數(shù)字存儲、近場光學存儲、電子俘獲存儲、光譜燒孔存儲等新技術(shù)。

一、雙光子雙穩(wěn)態(tài)三維存儲技術(shù)

（1）三維存儲的概念。由于光相互之間不會被屏蔽，所以光存儲較之磁存儲更為容易實現(xiàn)三維存儲。傳統(tǒng)的光存儲是存儲在光盤或全息膜等二維存儲介質(zhì)上，而三維存儲則是像一摞二維光存儲介質(zhì)，故存儲容量很大。從理論上說，在三維存儲中，一個記錄點可存儲于λ3的體積內(nèi)，也就是說，對于一個體積為丫的存儲體來說，如使用的存儲波長為λ，則其存儲量可達到V/λ3。如選用波長為CD中使用的780nm時，一個1cm3的存儲體可存儲2x1012bit，即2.5x1011B。相當于300張CD-ROM盤的存儲量。因此，三維存儲可在不改變激光波長的情況下，極大地提高存儲密度。由于其密度與波長的三次方成反比，因此縮短波長在三維存儲中會獲得比二維更大的容量。

三維存儲是指利用雙波長、多波長、多偏振態(tài)光波和光波干涉等方法在存儲體上實現(xiàn)體存儲的方法。三維存儲主要包括頁面存儲、多層存儲、多色存儲和全息存儲等幾個方面。如全息存儲，其最小記錄斑點是λxλ，在立體全息存儲中，存儲量擴大了（d/λ）倍，存儲密度仍為V/λ3。因此，在三維存儲中，不管是逐點記錄還是全息記錄方式，其記錄密度均為1/λ3。

（2）雙光子吸收的光致色變?nèi)S存儲。具有雙光子吸收的光致變材料的發(fā)現(xiàn)，為逐點三維存儲提供了實現(xiàn)的可能。利用光子作用下發(fā)生的化學變化實現(xiàn)信息存儲，是一種光子吸收的存儲技術(shù)，它的反應(yīng)時間極短（皮秒或飛秒），能夠?qū)崿F(xiàn)高速存儲；此外，由于這種反應(yīng)建立在分子尺度上，因此理論上可將單個信息符尺度縮小到分子量級，從而有利于大幅提高介質(zhì)的存儲密度，實現(xiàn)高密度存儲。由于其反應(yīng)時間短和分子量級上的尺度，突破了傳統(tǒng)熱效應(yīng)存儲在時間和空間上的極限。

①雙光子吸收的光致色變材料的光學雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)。許多光致變色材料，如螺毗喃、螺惡嗪、俘精酸酎及二芳基環(huán)烯分子等，具有相對穩(wěn)定的光學雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)，每一種狀態(tài)對一特定波長的光線有明顯的吸收。在一定條件下，以該狀態(tài)吸收波長的激光照射，可使之激發(fā)至另—穩(wěn)定狀態(tài)，而且該過程是可逆的。光學雙穩(wěn)態(tài)記錄根據(jù)這一光化學現(xiàn)象，以這兩種穩(wěn)定狀態(tài)來表示數(shù)字“0”和“1”，從而實現(xiàn)數(shù)字式數(shù)據(jù)存儲。讀出時，用兩種波長之一的激光以較小功率照射，通過檢測反射率變化或熒光效應(yīng)即可辨別讀出點處的記錄介質(zhì)處于何種穩(wěn)定狀態(tài)，從而讀出記錄信息。

任何一個光子都可以穿透介質(zhì)而不被吸收，只有當兩個光子聚焦于一點，能量疊加才會導(dǎo)致光致變色反應(yīng)發(fā)生，從而實現(xiàn)光信息記錄。同時為了能有效讀出相應(yīng)的信息，材料還需具有熒光特性，它需要三種不同波長的激光。寫入與上述類似，也是使用短波長激光（如355nm）使介質(zhì)發(fā)生光化學反應(yīng)的，分子從狀態(tài)“0”變成狀態(tài)“1”。讀出時使用較長波長（如590nm）的激光，處于狀態(tài)“1”的分子在該波長激光照射下會發(fā)出熒光，而處于狀態(tài)“0”的分子則不會，因此通過檢測讀出光照射下介質(zhì)的熒光效應(yīng)，就可以區(qū)分所寫入的信號。對于發(fā)熒光材料而言，只要提高分子的熒光量子產(chǎn)率，就可以避免分子在讀出光照射下發(fā)生狀態(tài)變化，因此這是一種無損讀出過程。擦除時由于需要更高的能量，因此需要用兩束光同時照射（如1064nm+590nm）。

由于一定光致色變材料對一定波長的光線有吸引并反應(yīng)，而對其他波長的光線不敏感。因此，若記錄層含有吸收帶不同的多種或多層光致色變材料，則可用相應(yīng)的多種波長分別寫入和讀出，從而實現(xiàn)多波長的多重記錄。通過多重多維記錄，在不改變光斑尺寸的情況下，能進一步提高單盤存儲容量。

②光致色變存儲的優(yōu)缺點。光致色變存儲化合物作為光存儲介質(zhì)有許多優(yōu)點。

•靈敏度高、速度快，可達納米量級：

•可用旋轉(zhuǎn)涂布法制作光盤，制作成本低；

•信噪比高、抗磁性好；

•光學性能可通過改變分子結(jié)構(gòu)來調(diào)整，有利于有機合成等。

但是，光致色變的實用化，還需解決與半導(dǎo)體激光器波長相適應(yīng)、熱穩(wěn)定性、寫擦疲勞等問題。

（3）雙光子吸收光學存儲的形式。實際上，任何光性質(zhì)的不同，都可用于信息的光記錄和讀出，所以雙光子吸收光學存儲有很多種形式。

•光致色變存儲；

•光敏聚合物存儲；

•光致熒光漂白存儲；

•光折變效應(yīng)存儲等。