隨著互聯網、人工智能、云存儲、云計算的快速發展，人們步入高度信息化時代，數據產生量呈指數級增長，據國際數據公司（IDC）測算，到2025年，全球將產生175ZB（1ZB=10¹²GB）的數據總量，其中約10%-15%的數據最終會演變成不需要頻繁訪問但需要長期保存的冷數據。在一眾的數據存儲方式中，全息光存儲具有傳統光盤無法比擬的大容量、高速度，數據保存壽命長達50年，通過以上特性足以看出全息光存儲在人工智能時代的廣闊前景。接下來，小編將為大家介紹全息光存儲技術及相關應用材料。

全息光存儲實驗臺（圖源：科技生活苑）

全息光存儲技術

全息光存儲技術（又稱全息光存儲）是一種將二維信息保存在三維立體空間中的存儲技術，具有存儲密度高、存儲壽命長、存儲成本低等特點，非常適合海量數據的長期保存。與傳統存儲介質相比，全息光存儲以三維體存儲方式可以達到更高的存儲密度，以二維數據頁形式進行數據存取可以實現更快的數據傳輸速度。

各種存儲方式比較（圖源：文獻6）

原理

全息光存儲是利用光學全息技術的數據存儲技術，它突破傳統的二維面存儲模式，采用三維體存儲模式，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。全息光存儲分為干涉記錄和衍射讀取兩個過程。在記錄時，激光會被分成信號光束和參考光束，信號光束經過空間光調制器（SLM）上載二維圖案信息，這些信息可以是數據信號。參考光束則會直接照射到記錄介質上。當參考光束與信號光束在記錄介質上相遇時，會發生干涉，形成干涉條紋，全息圖因此而被記錄下來。在讀取時，只需要使用與記錄時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光束，經檢測器接收，就可以恢復出原始數據。全息圖記錄了光波的幅度和相位信息，使得重建的光場信息與原始信息基本是一致的。

全息光存儲原理（圖源：文獻1）

全息光存儲材料

（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、響應時間短等優點。它在全息光存儲中是利用自身的光折變效應來進行的，當光照射在光折變材料上時，材料中的電子被激發，從價帶躍遷到導帶，產生電子-空穴對。在電場的作用下，這些電荷載流子會以擴散、漂移和光生伏特效應三種機制進行遷移。在遷移過程中會在材料內部形成空間電荷分布，使材料的折射率發生變化。光折變材料在全息光存儲中具有較高的存儲密度、存儲穩定性以及相對簡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，從而實現信息的重寫，因此它不太適合永久的信息存儲，加上生產條件較為苛刻、成本過高，限制了光折變材料的產業化進程。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、高信噪比等優點的材料。其衍射效率可達90%以上，可根據不同的光敏劑在可見光范圍內反應，靈敏度高、誤碼率低，形成的折射率調制與電荷分布調整不易丟失，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，在全息光存儲領域具有較大的優勢。光致聚合物材料是利用光致聚合反應進行工作的。光致聚合反應是用光化學方法產生自由基或離子引發單體發生聚合的反應。作為全息記錄材料的光致聚合物體系一般包含光引發劑、一種或多種單體、成膜劑等，光聚合單體在光照時不敏感，不能直接產生聚合，通常需要在其中摻入對某一波段敏感的光聚合引發劑。當激光束照射到光致聚合物材料上時，光引發劑吸收光能，分解產生自由基，這些自由基會引發單體進行聚合反應，形成三維網絡結構。聚合反應會導致材料的局部折射率發生一定的變化，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應的折射率調制圖案，即全息圖。目前，光致聚合物的挑戰主要集中在熱穩定性和光穩定性，這兩點極大的限制了它在實際應用中的長期數據保存能力，相信隨著材料的發展，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。

光引發聚合動力學示意圖（圖源：文獻2）

（3）玻璃：玻璃是一種理想的光存儲介質，具有優異的熱、光和化學穩定性，不易于外界環境發生反應，是溫冷數據永久存儲以及在戰爭、災變等惡劣環境下保存數據的絕佳方式。它具有很高的透明度，對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。玻璃可以根據需要摻雜不同的元素或涂層，以優化光學和存儲性能。但高質量的玻璃全息光存儲介質制造流程比較復雜，成本較高；一旦記錄數據難以擦除和重寫，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。常見的玻璃全息光存儲介質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

總的來說，全息光存儲技術正逐步成為數據存儲領域的一個重要發展方向，其高存儲密度、長壽命和快速讀寫速度等特點，使其在未來的大數據和商業應用中具有廣闊的前景。了解其常用的存儲材料及工作原理，有助于我們更好地把握人工智能技術的發展趨勢，為推動人工智能的發展做出貢獻。

參考文獻：

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5、吳佳佳，高凱，陳晨端，等.玻璃多維光存儲技術研究進展[J].中國激光.

6、譚小地.大數據時代的光存儲技術[J].紅外與激光工程.

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