随着互联网、人工智能、云存储、云计算的快速发展，人们步入高度信息化时代，数据产生量呈指数级增长，据国际数据公司（IDC）测算，到2025年，全球将产生175ZB（1ZB=10¹²GB）的数据总量，其中约10%-15%的数据最终会演变成不需要频繁访问但需要长期保存的冷数据。在一众的数据存储方式中，全息光存储具有传统光盘无法比拟的大容量、高速度，数据保存寿命长达50年，通过以上特性足以看出全息光存储在人工智能时代的广阔前景。接下来，小编将为大家介绍全息光存储技术及相关应用材料。

全息光存储实验台（图源：科技生活苑）

全息光存储技术

全息光存储技术（又称全息光存储）是一种将二维信息保存在三维立体空间中的存储技术，具有存储密度高、存储寿命长、存储成本低等特点，非常适合海量数据的长期保存。与传统存储介质相比，全息光存储以三维体存储方式可以达到更高的存储密度，以二维数据页形式进行数据存取可以实现更快的数据传输速度。

各种存储方式比较（图源：文献6）

原理

全息光存储是利用光学全息技术的数据存储技术，它突破传统的二维面存储模式，采用三维体存储模式，可将多维度的编码信息以全息图的形式记录在全息材料中。全息光存储分为干涉记录和衍射读取两个过程。在记录时，激光会被分成信号光束和参考光束，信号光束经过空间光调制器（SLM）上载二维图案信息，这些信息可以是数据信号。参考光束则会直接照射到记录介质上。当参考光束与信号光束在记录介质上相遇时，会发生干涉，形成干涉条纹，全息图因此而被记录下来。在读取时，只需要使用与记录时相同的参考光束照射材料中的全息图，就可以重建出原始的信号光束，经检测器接收，就可以恢复出原始数据。全息图记录了光波的幅度和相位信息，使得重建的光场信息与原始信息基本是一致的。

全息光存储原理（图源：文献1）

全息光存储材料

（1）光折变材料：光折变材料是一种特殊的光敏材料，具有衍射效率高、响应时间短等优点。它在全息光存储中是利用自身的光折变效应来进行的，当光照射在光折变材料上时，材料中的电子被激发，从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。在电场的作用下，这些电荷载流子会以扩散、漂移和光生伏特效应三种机制进行迁移。在迁移过程中会在材料内部形成空间电荷分布，使材料的折射率发生变化。光折变材料在全息光存储中具有较高的存储密度、存储稳定性以及相对简单的记录和读取过程。但它可以通过加热或使用不同的光照条件来擦除全息图，从而实现信息的重写，因此它不太适合永久的信息存储，加上生产条件较为苛刻、成本过高，限制了光折变材料的产业化进程。常见的光折变材料有铌酸锂、钽酸锂。

（2）光致聚合物材料：光致聚合物材料是一种具有高衍射效率、高感光灵敏度、高分辨率、高信噪比等优点的材料。其衍射效率可达90%以上，可根据不同的光敏剂在可见光范围内反应，灵敏度高、误码率低，形成的折射率调制与电荷分布调整不易丢失，具有较高的全息图像几何保真度，能够通过掺杂改善自身的性能，在全息光存储领域具有较大的优势。光致聚合物材料是利用光致聚合反应进行工作的。光致聚合反应是用光化学方法产生自由基或离子引发单体发生聚合的反应。作为全息记录材料的光致聚合物体系一般包含光引发剂、一种或多种单体、成膜剂等，光聚合单体在光照时不敏感，不能直接产生聚合，通常需要在其中掺入对某一波段敏感的光聚合引发剂。当激光束照射到光致聚合物材料上时，光引发剂吸收光能，分解产生自由基，这些自由基会引发单体进行聚合反应，形成三维网络结构。聚合反应会导致材料的局部折射率发生一定的变化，而这种折射率的变化形成了与入射激光束的干涉图案相对应的折射率调制图案，即全息图。目前，光致聚合物的挑战主要集中在热稳定性和光稳定性，这两点极大的限制了它在实际应用中的长期数据保存能力，相信随着材料的发展，能够逐步得到解决。常见的光致聚合物包括菲醌染料掺杂聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）材料、丙烯酰胺基与聚乙醇（AA/PVA）类光致聚合物、丙烯酸酯类光致聚合物。

光引发聚合动力学示意图（图源：文献2）

（3）玻璃：玻璃是一种理想的光存储介质，具有优异的热、光和化学稳定性，不易于外界环境发生反应，是温冷数据永久存储以及在战争、灾变等恶劣环境下保存数据的绝佳方式。它具有很高的透明度，对于激光束的传输损耗较小，有利于全息图的清晰记录和读取。玻璃可以根据需要掺杂不同的元素或涂层，以优化光学和存储性能。但高质量的玻璃全息光存储介质制造流程比较复杂，成本较高；一旦记录数据难以擦除和重写，限制了其灵活性；相较其他材料，玻璃的重量和体积较大，不适合移动。常见的玻璃全息光存储介质有掺杂金属离子的硅酸盐玻璃、特种玻璃、稀土离子掺杂钨磷酸盐玻璃。

（图源：微软）

小结

总的来说，全息光存储技术正逐步成为数据存储领域的一个重要发展方向，其高存储密度、长寿命和快速读写速度等特点，使其在未来的大数据和商业应用中具有广阔的前景。了解其常用的存储材料及工作原理，有助于我们更好地把握人工智能技术的发展趋势，为推动人工智能的发展做出贡献。

参考文献：

1、谭小地，林枭，臧金亮，等.多维调制全息数据存储研究进展[J].光学学报.

2、菅佳玲，曹琳，魏夕桥，等.面向体全息存储技术的光致聚合物材料研究进展[J].光电工程.

3、胡德骄，王震，罗铁威，等.面向大数据应用的大容量全息光存储技术研究进展[J].中国激光.

4、铌酸钠钾基光致变色材料的发光调制和光信息存储研究

5、吴佳佳，高凯，陈晨端，等.玻璃多维光存储技术研究进展[J].中国激光.

6、谭小地.大数据时代的光存储技术[J].红外与激光工程.

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