隨著互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云存儲(chǔ)、云計(jì)算的快速發(fā)展，人們步入高度信息化時(shí)代，數(shù)據(jù)產(chǎn)生量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司（IDC）測(cè)算，到2025年，全球?qū)a(chǎn)生175ZB（1ZB=10¹²GB）的數(shù)據(jù)總量，其中約10%-15%的數(shù)據(jù)最終會(huì)演變成不需要頻繁訪問但需要長(zhǎng)期保存的冷數(shù)據(jù)。在一眾的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式中，全息光存儲(chǔ)具有傳統(tǒng)光盤無法比擬的大容量、高速度，數(shù)據(jù)保存壽命長(zhǎng)達(dá)50年，通過以上特性足以看出全息光存儲(chǔ)在人工智能時(shí)代的廣闊前景。接下來，小編將為大家介紹全息光存儲(chǔ)技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用材料。

全息光存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)（圖源：科技生活苑）

全息光存儲(chǔ)技術(shù)

全息光存儲(chǔ)技術(shù)（又稱全息光存儲(chǔ)）是一種將二維信息保存在三維立體空間中的存儲(chǔ)技術(shù)，具有存儲(chǔ)密度高、存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)、存儲(chǔ)成本低等特點(diǎn)，非常適合海量數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存。與傳統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)相比，全息光存儲(chǔ)以三維體存儲(chǔ)方式可以達(dá)到更高的存儲(chǔ)密度，以二維數(shù)據(jù)頁(yè)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)存取可以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速度。

各種存儲(chǔ)方式比較（圖源：文獻(xiàn)6）

原理

全息光存儲(chǔ)是利用光學(xué)全息技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，它突破傳統(tǒng)的二維面存儲(chǔ)模式，采用三維體存儲(chǔ)模式，可將多維度的編碼信息以全息圖的形式記錄在全息材料中。全息光存儲(chǔ)分為干涉記錄和衍射讀取兩個(gè)過程。在記錄時(shí)，激光會(huì)被分成信號(hào)光束和參考光束，信號(hào)光束經(jīng)過空間光調(diào)制器（SLM）上載二維圖案信息，這些信息可以是數(shù)據(jù)信號(hào)。參考光束則會(huì)直接照射到記錄介質(zhì)上。當(dāng)參考光束與信號(hào)光束在記錄介質(zhì)上相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生干涉，形成干涉條紋，全息圖因此而被記錄下來。在讀取時(shí)，只需要使用與記錄時(shí)相同的參考光束照射材料中的全息圖，就可以重建出原始的信號(hào)光束，經(jīng)檢測(cè)器接收，就可以恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。全息圖記錄了光波的幅度和相位信息，使得重建的光場(chǎng)信息與原始信息基本是一致的。

全息光存儲(chǔ)原理（圖源：文獻(xiàn)1）

全息光存儲(chǔ)材料

（1）光折變材料：光折變材料是一種特殊的光敏材料，具有衍射效率高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。它在全息光存儲(chǔ)中是利用自身的光折變效應(yīng)來進(jìn)行的，當(dāng)光照射在光折變材料上時(shí)，材料中的電子被激發(fā)，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在電場(chǎng)的作用下，這些電荷載流子會(huì)以擴(kuò)散、漂移和光生伏特效應(yīng)三種機(jī)制進(jìn)行遷移。在遷移過程中會(huì)在材料內(nèi)部形成空間電荷分布，使材料的折射率發(fā)生變化。光折變材料在全息光存儲(chǔ)中具有較高的存儲(chǔ)密度、存儲(chǔ)穩(wěn)定性以及相對(duì)簡(jiǎn)單的記錄和讀取過程。但它可以通過加熱或使用不同的光照條件來擦除全息圖，從而實(shí)現(xiàn)信息的重寫，因此它不太適合永久的信息存儲(chǔ)，加上生產(chǎn)條件較為苛刻、成本過高，限制了光折變材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。常見的光折變材料有鈮酸鋰、鉭酸鋰。

（2）光致聚合物材料：光致聚合物材料是一種具有高衍射效率、高感光靈敏度、高分辨率、高信噪比等優(yōu)點(diǎn)的材料。其衍射效率可達(dá)90%以上，可根據(jù)不同的光敏劑在可見光范圍內(nèi)反應(yīng)，靈敏度高、誤碼率低，形成的折射率調(diào)制與電荷分布調(diào)整不易丟失，具有較高的全息圖像幾何保真度，能夠通過摻雜改善自身的性能，在全息光存儲(chǔ)領(lǐng)域具有較大的優(yōu)勢(shì)。光致聚合物材料是利用光致聚合反應(yīng)進(jìn)行工作的。光致聚合反應(yīng)是用光化學(xué)方法產(chǎn)生自由基或離子引發(fā)單體發(fā)生聚合的反應(yīng)。作為全息記錄材料的光致聚合物體系一般包含光引發(fā)劑、一種或多種單體、成膜劑等，光聚合單體在光照時(shí)不敏感，不能直接產(chǎn)生聚合，通常需要在其中摻入對(duì)某一波段敏感的光聚合引發(fā)劑。當(dāng)激光束照射到光致聚合物材料上時(shí)，光引發(fā)劑吸收光能，分解產(chǎn)生自由基，這些自由基會(huì)引發(fā)單體進(jìn)行聚合反應(yīng)，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。聚合反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致材料的局部折射率發(fā)生一定的變化，而這種折射率的變化形成了與入射激光束的干涉圖案相對(duì)應(yīng)的折射率調(diào)制圖案，即全息圖。目前，光致聚合物的挑戰(zhàn)主要集中在熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性，這兩點(diǎn)極大的限制了它在實(shí)際應(yīng)用中的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)保存能力，相信隨著材料的發(fā)展，能夠逐步得到解決。常見的光致聚合物包括菲醌染料摻雜聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）材料、丙烯酰胺基與聚乙醇（AA/PVA）類光致聚合物、丙烯酸酯類光致聚合物。

光引發(fā)聚合動(dòng)力學(xué)示意圖（圖源：文獻(xiàn)2）

（3）玻璃：玻璃是一種理想的光存儲(chǔ)介質(zhì)，具有優(yōu)異的熱、光和化學(xué)穩(wěn)定性，不易于外界環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，是溫冷數(shù)據(jù)永久存儲(chǔ)以及在戰(zhàn)爭(zhēng)、災(zāi)變等惡劣環(huán)境下保存數(shù)據(jù)的絕佳方式。它具有很高的透明度，對(duì)于激光束的傳輸損耗較小，有利于全息圖的清晰記錄和讀取。玻璃可以根據(jù)需要摻雜不同的元素或涂層，以優(yōu)化光學(xué)和存儲(chǔ)性能。但高質(zhì)量的玻璃全息光存儲(chǔ)介質(zhì)制造流程比較復(fù)雜，成本較高；一旦記錄數(shù)據(jù)難以擦除和重寫，限制了其靈活性；相較其他材料，玻璃的重量和體積較大，不適合移動(dòng)。常見的玻璃全息光存儲(chǔ)介質(zhì)有摻雜金屬離子的硅酸鹽玻璃、特種玻璃、稀土離子摻雜鎢磷酸鹽玻璃。

（圖源：微軟）

小結(jié)

總的來說，全息光存儲(chǔ)技術(shù)正逐步成為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，其高存儲(chǔ)密度、長(zhǎng)壽命和快速讀寫速度等特點(diǎn)，使其在未來的大數(shù)據(jù)和商業(yè)應(yīng)用中具有廣闊的前景。了解其常用的存儲(chǔ)材料及工作原理，有助于我們更好地把握人工智能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為推動(dòng)人工智能的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

1、譚小地，林梟，臧金亮，等.多維調(diào)制全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)研究進(jìn)展[J].光學(xué)學(xué)報(bào).

2、菅佳玲，曹琳，魏夕橋，等.面向體全息存儲(chǔ)技術(shù)的光致聚合物材料研究進(jìn)展[J].光電工程.

3、胡德驕，王震，羅鐵威，等.面向大數(shù)據(jù)應(yīng)用的大容量全息光存儲(chǔ)技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)激光.

4、鈮酸鈉鉀基光致變色材料的發(fā)光調(diào)制和光信息存儲(chǔ)研究

5、吳佳佳，高凱，陳晨端，等.玻璃多維光存儲(chǔ)技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)激光.

6、譚小地.大數(shù)據(jù)時(shí)代的光存儲(chǔ)技術(shù)[J].紅外與激光工程.

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