无电解镀镍 光储存技术及原理你懂吗？
信息的快速增长是当今社会的一大特点，据统计，科技文献数量大约每7年翻一番，而一般情报数据每2至3年翻一番。大量信息的存储、分析、检索和传播迫切需要高密度、大容量的存储介质和管理系统。
1898年，荷兰人发明了世界上第一台磁记录设备：磁线记录器，从此开始了传统的磁记录应用实践。在随后的一个世纪中，出现了许多不同类型的磁记录设备：磁带驱动器、磁芯存储器、磁盘等。虽然有大量不同的磁存储设备，但是磁记录的基本原理仍然是上述铁磁材料对外界磁场保持磁化方向的能力。传统磁记录的写入原理是将随时间变化的电信号转换成直线或旋转的铁磁材料中磁化强度和方向的空间变化。传统磁记录的读取原理是通过直线或旋转运动，利用磁电转换元件，将分布在磁性材料中的磁化方向和强度的空间变化转换成随时间变化的电信号。
但随着记录密度的提高（目前硬盘记录密度可达30Gb/cm2），感应电流的强度和所能得到的信噪比太小，导致读取设备的误码率达不到要求。计算机和信息产业的发展，使得越来越多的信息内容以数字形式记录、传输和存储，大容量信息存储技术的研究也不断升温。激光技术的不断成熟，特别是半导体激光器的成熟应用，使光存储从最初的显微照相术发展成为一种快捷、方便、大容量的存储技术，各类光学ROM相继出现。与磁介质存储技术相比，光存储具有寿命长、非接触式读写、信息比特价格低廉等优点。
光存储基本原理
光存储技术是利用激光照射介质，通过激光与介质的相互作用，使介质发生物理和化学变化来存储信息。其基本物理原理是存储介质受到激光照射后，介质的某些性质（如反射率、反射光的偏振方向等）发生变化，介质性质的不同状态映射到不同的存储数据上。通过识别存储单元性质的变化来读出存储数据。
作为光存储的一种方式，已经有近百年的历史。常见的照相术是最早的光存储技术，无论是胶片感光度、分辨率、色彩，还是照相仪器，都得到了长足的进步，不仅可以拍摄静态的景物，还可以通过电影、电视等记录、再现运动的图像。但是，包括全息照相术在内的照相术属于模拟光存储的范畴，在存储容量、存储密度、传输速率等方面受到一定的限制。随着信息社会的发展，特别是激光器的出现和计算机的日益普及，数字光存储技术开始兴起，数字光盘的诞生成为存储技术的重大突破。
到目前为止，大多数商用光存储系统所采用的记录介质的记录机理都是热效应，利用从激光束中吸收的能量作为高度集中的强大热源，使介质局部熔化或蒸发，通常称为烧蚀记录。实际操作中，一般用计算机来处理信息，由于计算机只能识别二进制数据，所以要想在存储介质上存储数据、音频、视频等信息，必须先将信息转换成二进制数据。常见的光存储介质如CD、DVD，与软盘、硬盘一样，都是以二进制数据的形式来存储信息的。在写入信息时，主机发送的数据经过编码后，送至光调制器，使激光源输出不同强度的光束。调制后的激光束经过光路系统，经物镜聚焦后照射到介质上，存储介质经激光照射后被烧蚀，形成一个个小坑。 因此，存储介质上存在烧蚀和未烧蚀两种不同的状态，这两种状态对应着两种不同的二进制数据。
聚焦后的光束投射到光盘上，如果光盘上已经记录了信息，反射光的特性，如光强度、光相位或者光的偏振状态等都会发生某种改变，经过电子系统处理，就能将原来记录的数据信息再现出来，这就是光盘的基本读取过程。具体来说，读取信息时，激光扫描介质，在凹坑处，由于反射光和入射光互相抵消，所以入射光不会返回，但在未烧蚀的无凹坑区域，大部分入射光会返回。这样，根据光束反射能力的不同，就可以读出存储介质上的二进制信息，再将这些二进制代码转换成原始信息。
另外，可重写光盘的存储介质是改变光点的晶体状态，即相变介质，采用磁光存储材料的光盘存储介质是通过改变磁化方向来记录或删除信息的。
光存储的主要特点
1、记录密度高，存储容量大。光盘存储系统采用激光作为光源，由于激光的相干性好，可以聚焦成直径小于0.001mm的小光斑。用如此小的光斑进行读写，光盘的面密度可高达100μm~100μm。一张光盘可存储3亿个汉字。我国用了14年的时间才出版《中国大百科全书》，共收录108万余字。也就是说，整部百科全书不可能装满一张光盘。
2、光盘采用非接触式读写，光学读写头与记录盘片之间通常有2mm左右的距离。这种结构带来一系列优点：第一，由于无接触、无磨损，可靠性高、寿命长，记录的信息不会因重复读取而丢失；第二，记录介质上附有透明的保护层，因此盘片表面的灰尘、划痕对记录的信息影响不大，不仅提高了盘片的可靠性，而且对盘片的保存条件的要求也大大降低；第二，焦距的改变可以改变记录层的相对位置，这使光存储实现多层记录成为可能；第四，光盘可以方便、自由地更换，而仍能保持很高的存储密度。这不仅给用户带来了方便，而且意味着系统存储容量的无限扩大。
3、激光是高强度的光源，聚焦后的激光点具有很高的功率，因此光学记录可以达到很高的速度；
4.方便与计算机配合使用，大大扩展了光存储设备的应用领域；
5、光盘上的信息可以方便地进行复制，这使得光盘上所记录的信息的寿命几乎是无限的。同时简单的压制工艺又使得光学存储比特信息的价格低廉，为光盘产品的大规模推广应用创造了必要条件。
当然，光存储技术也有它的缺点和不足。光学头在体积和质量上无法与磁头相比，这影响了光盘的寻址速度，从而影响了光盘的记录速度。一般来说，光盘的读写速度低于磁盘。而且由于光盘的记录密度很高，即使是盘片上最小的缺陷也会引起错误。光盘的原生错误率较高，因此光盘系统必须采用强纠错措施，这增加了设备的成本。
光盘和存储类型
光盘的类型通常有：只读存储光盘（ROM）、一次写入光盘（WORM）、可擦除可重写光盘（）、以及直接可重写光盘（）。
光盘
激光束聚焦成~1um的光斑。CD上的凹坑通常宽度为0.4um，深度为0.11um，是读取光波长的1/4。螺旋轨道间距为1.67um。
将调制后的激光束以不同的功率密度聚焦到涂有光刻胶的玻璃背衬盘片上，使光刻胶曝光，经显影、蚀刻形成母盘（也称母盘），再经过喷涂、电镀等工艺制成次盘（也称印制膜），再通过“2P”注塑成型制成ROM盘片。
衬盘旋盘：玻璃等衬盘经精密研磨、抛光后，经超声波清洗，得到规格均匀、表面洁净的衬盘；在光盘上滴上光刻胶，放入高速离心机中旋转，使衬盘表面形成均匀的光刻胶膜；取出后放入烤箱中进行预烤，得到与基片附着良好、致密的光刻胶膜。
调制曝光：将胶片放入高精度激光记录机中，按照预定的调制信号写入信息。
显影、蚀刻：如果是负性光刻胶，未曝光部分会脱落，因此信息轨道上会有符合调制信号的信息坑，坑的形状、深度、坑距等都与承载的信息有关。这种带有承载调制信息的凹凸信息结构的盘片就是母盘。由于这一过程所用的光刻胶一般都是正性的，所以最终得到的母盘就是正像母盘。
镀银：在母盘表面喷镀一层银膜，这层银膜一方面用来提高信息结构的反射率，以便检测母盘的质量，另一方面也作为下一步电镀镍的电极之一。
电镀镍层：用电解的方法在镀银盘片表面镀上镍，使主盘片上生长一层符合要求厚度的金属镍膜。
对上述盘片进行化学处理，使镍膜从主盘片上剥离，形成子盘片，每个上述主盘片重复步骤(5)和(6)可制成若干个子盘片-子盘片；每个子盘片重复步骤(5)和(6)可制成若干个正子盘片。
将上述得到的正片或二次影像盘作为“印刷片（）”加工出中心孔和外圆后，装入“2P”喷塑机中，进一步经过“2P”复制工艺，生产出批量ROM光盘。
一般来说，只读存储光盘的记录介质是光刻胶，记录方式是利用声光调制的氩离子激光将信息刻录到介质上，然后制作母盘和复制盘，再以复制盘为原模批量生产视频光盘或数字音像唱片。
一次写入光盘
一次写入光盘是利用激光点在存储介质微区域产生不可逆的物理化学变化来记录信息的光盘。主要有以下几种记录方式：
烧蚀型：存储介质可以是金属、半导体合金、金属氧化物或有机染料，利用介质的热效应，使介质的微区域熔化、蒸发，形成信息坑。
气泡式：存储介质由两层聚合物和高熔点金属构成，激光照射使聚合物分解放出气体，两层之间形成的气泡使上层薄膜凸起，与周围形成反射率的差异，实现信息的记录。
熔绒式：存储介质采用离子刻蚀硅制成，表面呈现绒状结构，激光光斑使照射部位的绒面熔化为镜面，实现对比记录。
合金型：采用Pt-Si、Rh-Si或Au-Si制成双层结构，经激光加热后的微区熔化为合金，形成对比记录。
相变型：存储介质多采用硫族化物或金属合金薄膜制成，利用金属的热效应和光效应，使受照微区域发生由非晶态到晶态的相变。
可重写 CD
根据记录介质的写入、读取和擦除机制，可重写光盘可分为两类：
相变光盘：该类光盘采用由多个半导体元素组成的结构相变材料作为记录介质膜。当激光与介质膜相互作用时，激光的热效应和光效应使介质在晶态和玻璃态之间发生可逆相变，以达到重复写入和擦除的要求。可分为热致相变光盘和光致相变光盘。
磁光盘：该类光盘采用稀土—过渡金属合金制成的磁相变介质作为记录薄膜，这种薄膜介质具有垂直于膜面的易磁化轴，利用光退磁效应以及在偏置磁场作用下磁化强度的正向或负向取向来区分二进制中的“0”和“1”。
可擦写相变光盘的原理
RW相变光盘是利用记录介质在两种稳定状态之间可逆的相结构变化，实现反复的写入和擦除。常见的相结构变化有：1、结晶态I与结晶态II之间的可逆相变。这种相变的对比度太小，没有实用价值。2、非晶态I与非晶态II之间的可逆相变。这种相变的对比度也太小，没有实用价值。3、玻璃态与结晶态之间的可逆相变。这种相变有实用价值。
存储原理及过程：近红外激光作用于介质时，可以加剧介质结构中原子、分子的振动，从而加速相变，因此近红外激光对介质的作用主要是热效应。
信息记录：对应介质由晶态C向玻璃态G的转变。选用高功率密度、脉宽几十至几百纳秒的激光脉冲，使光斑微区域因介质温度瞬间超过熔点Tm而进入液相，再通过液相快速急冷，完成向玻璃态的相变。
信息读取：利用低功率密度、短脉冲激光扫描信息轨道，从反射率上识别出写入的信息。一般介质在玻璃态（即写入状态）时反射率较小，在结晶态（擦除状态）时反射率较大。在读取过程中，介质的相结构保持不变。
信息擦除：对应介质由玻璃态G向结晶态C转变。选用中等功率密度、宽脉冲的激光，使光斑微区因介质作用温度升至Tm附近，再通过成核-生长完成结晶。在此过程中，光诱导缺陷中心可成为新的成核中心。因此，由于激光作用，成核速率和生长速率大大提高，导致激光热结晶比单一热结晶有更高的速率。
光信息存储新技术
随着信息技术的飞速发展，海量信息存储的需求迅速增加，然而在世界各地正在兴起的信息高速公路网络和先进计算机小型化的发展中，信息存储系统仍然是一个比较薄弱的关键环节，光存储目前所达到的存储密度和数据传输速率还远远不能满足飞速发展的信息科学技术的要求。
为了提高存储密度和数据传输速率，光存储正在从长波向短波、低维向高维（即从平面向三维）、远场向近场、光热效应向光子效应、逐点存储向并行存储发展。
3D 体积存储技术
三维体存储是实现超高密度信息存储的重要途径，研究领域主要集中在体全息存储和光子三维存储两个方面。
体全息存储
体全息存储是20世纪60年代随着光学全息技术的发展而兴起的一种大容量、高密度的存储方法。随着计算机产业的飞速发展以及光电子器件和全息存储材料研究的突破，人们在全息存储领域取得了长足的进步，使得全息存储成为超高密度光存储领域的研究热点。
光学体全息数据的一般存储机理是：通过空间光调制器（SLM）将需要存储的数据（数字或模拟）调制到信号光上，形成二维信息页，再与记录介质中的参考光发生干涉，形成体全息图，从而完成信息的记录。读出时，用与原文相同的参考光进行寻址，即可读出存储在晶体中的相应全息图。利用体全息图的布拉格选择性，改变参考光的入射角度或波长，可以在单位体积内复用多个图像，实现多次存储，达到超高密度存储的目的。
全息存储具有以下特点：
（1）存储密度高、容量大：可见光谱范围内的存储密度可达/cm3[8]；
（2）数据冗余度高：全息记录是分布式的，存储介质的缺陷和损坏只会降低所有信号的强度，而不会造成数据丢失；
(3)数据传输速率高:信息以页为单位并行读写,从而实现极高的数据传输速率,目前采用多通道并行探测阵列的全息存储系统,数据传输速率预计达到/s;
（4）寻址速度快：参考光可采用声光、电光等非机械寻址方式，数据存取时间可缩短到亚毫秒范围甚至更低；
（5）保存寿命长：存储介质上记录的信息可保存30年以上。
体全息存储的发展目标是实现存储容量达到TB级、数据传输速率达到1Gbps，美国、日本等公司在这方面取得了令人瞩目的成就，在商业化进程中取得了长足进步。同时，体全息存储的发展也存在诸多困难，主要是寻找一种在性能、容量、价格等方面都具有综合优势的存储材料。
光子3D存储
存储材料中的激活中心在光激发下使电子发生跳跃，达到光存储的目的，称为光子存储。它是材料吸收光子后不经过热效应阶段的一种光存储，不同于目前常用的光热存储方式。主要研究包括光谱烧孔存储、双光子吸收三维存储等。
1.光谱烧孔存储
固态机理中的掺杂分子由于局部环境的差异，能级出现非均匀展宽，当用窄带激光照射时，在掺杂分子的吸收带内的激光频率处，吸收减少，这种现象称为光谱烧孔。烧孔可以用相同频率的激光读出。由于可以通过改变激光频率在吸收带内烧出多个孔，即利用频率维度变量来记录信息，因此一个光斑内可以存储多个信息。
光谱烧孔包括单光子光谱烧孔和双光子光谱烧孔。两类材料的光子门控烧孔都是在低温下进行。由于目前材料的电子俘获陷阱深度较浅，因此烧出的孔洞深度也较浅。另外在顺序烧孔过程中，先烧出的孔洞容易被逐渐填满。因此寻找能够在室温下烧孔的材料是关键。目前国内外主要研究两类材料体系：Sm离子掺杂的无机材料体系和施主、受主电子转移反应的有机材料体系。
2. 双光子吸收三维存储
双光子吸收三维记录的基本原理是当两个光子同时作用于某种介质时，可以激发该介质原子中某一能级的电子到另一稳定态并改变其光学性质。若将两束光束从两个方向聚焦到材料空间的同一点，便可以实现三维空间寻址和读写。通过改变材料的折射率、吸收、荧光或电学性质来实现存储[10]，可实现体积密度T比特/cm3，传输速率4MB/s。国际上最具代表性的方法是加州大学圣地亚哥分校和Call&的100层记录法。我国清华大学从1995年开始从事该方面的研究，初步建立了记录有机介质的物理模型并完成了测试双光子记录介质特性的专用设备的研制。
双光子吸收三维存储原理是基于能级跃迁，材料响应时间可达皮秒级，可实现高密度体存储，理论分辨率可达分子尺度。但大部分材料的双光子吸收截面较小，限制了其应用。因此，为了使双光子三维存储实用化，必须开展存储材料的研究。
多级光存储技术
多阶光存储是当前国内外光存储研究的热点之一，因为它可以大大提高存储容量和数据传输速率。传统的光存储系统中，记录介质中存储的是二进制数据序列，记录符号只有两种不同的物理状态，如只读光盘中坑岸形态的交替变化。若将数据流调制成M进制数据（M>2），调制后的数据与记录介质的M种不同物理状态相对应，即可实现M阶存储。图中所示的坑深调制多阶存储，是通过改变信息符号的深度来实现多值存储的。数据流通过调制转化为盘基上多种不同的坑深变化，可实现多阶坑深存储。
多级光存储分为信号多级光存储和介质多级光存储。
其早期的解决方案是坑深度调制（PDM），在这种多级只读光盘中，信息坑的宽度固定为tmin，信息坑的深度有M种不同的可能性，代表不同的层次。不同深度的信息坑的读出光呈现不同的光强，从而实现多级坑深度调制。索尼公司开发了一种利用信息坑边沿相对于固定时钟的变化进行多级信息存储的方法，即利用信息坑长度的变化实现多级光学存储。信息坑的起始和终止边沿可以相对于时钟边沿以一定的步长变化，如果信息坑起始和终止边沿的可能位置数为8，那么一个信息坑的边沿变化可能有64种状态，信息坑可以存储6比特（字节）的信息，大大高于传统光盘的记录密度。
可用来实现多级光存储的介质有很多种。在电子俘获多级技术中，光盘的记录层掺杂了两种稀土元素，当第一种掺杂离子吸收短波长激光的光子后，其电子被激发到高能态，这些电子可能被第二种掺杂离子“俘获”，实现数据的写入。再用另一种长波长激光（如红光）将俘获的电子释放到原来的低能态，存储的能量以荧光的形式释放出来。由于发射的荧光强度与俘获的电子数量成正比，也与写入激光的强度成正比，因此写入/读取过程具有线性响应，使电子俘获材料适用于数字光存储。电子俘获光存储的响应速度快，可实现纳秒级的读写。
近场光存储技术
传统光驱采用带物镜的光学头进行写入、读取和擦除操作，由于物镜距离盘片记录层有数毫米远，属于远场光存储方式，光线无法聚焦成直径小于半个波长的点，存储密度受到限制。近场光存储采用的是近场光，即记录介质与光源距离小于半个波长时所获得的衰减光。衰减光为非透射光，当距离超过波长后迅速衰减到接近零。近场光存储的基本原理是通过亚波长光学头和亚波长距离控制实现亚波长光点记录。 只要将光存储介质放置在近场光学显微镜中，并保持光学探头与存储介质的距离在近场范围内，在存储介质中形成的记录点的尺寸就可能在亚波长量级内，从而克服衍射极限，实现高密度存储。
与其他超高密度存储方式相比，近场光存储主要有以下优点：
（1）高密度、大容量：读写光斑较小，大大提高了存储密度和存储容量。随着近场光存储技术的进一步完善，还可以获得较高的数据传输速率；
（2）现有的存储技术可以充分利用，例如硬盘驱动器中的空气悬架技术和光盘存储中的飞行头技术，而无需设计和开发新系统。
发展趋势和光学存储技术的前景
高度记录密度是光学存储技术的最突出的特征，但是，随着计算机的发展，随着科学和技术的开发，磁性记录技术的发展也使磁盘的存储能力不大，因此录制率没有显着改善，因此，磁性磁盘的差异也没有变化。写入速度是光学存储技术研究的主要方向。
超高密度的光学存储技术代表了信息存储的发展方向，与国外的发展趋势相比，国内外的竞争非常激烈。