信息技术在经历了以解决计算机运算速度为主要任务的CPU时代和解决信息传播、传输、交换为主要矛盾的网络时代之后，现在又进入以解决信息存储和安全备份为主要矛盾的信息存储时代。进入21世纪以来，通过开发新材料、改善材料存储性能、采用高性能软磁材料做磁头、缩小记录光斑尺寸、使用多层膜耦合及超分辨率读出等新技术手段，磁性和磁光记录存储的记录密度得到大幅度提高。磁盘的容量可达10 Gb/in2，磁光盘的容量也可以达到20 Gb/in2。但磁和磁光记录位不可能无限地小，100 Gb/in2量级的记录密度可能是磁和磁光记录的极限。在光盘的存储方面，人们通过研发新型有机光化学材料、采用短波长激光读写、提高道密度和线密度、开发多数掘层光盘、提高盘面转速等技术，显著提高了光盘的存储密度和传输速率。在此基础上，人们提出了全息存储的概念。

全息存储是利用光的干涉，在记录材料上以全息的形式记录信息，并在特定条件下以衍射形式恢复所存储的信息的一种超高密度存储技术。全息即物体的全部信息，包括物光波的强度分布和位相分布。

全息存储的特点：

1、存储密度高、容量大。全息存储容量的上限为l λ3，理论上全息存储密度可达1 Tb/cm3(1 Tb=1000 Gb)，目前的技术已达10 Gb/cm3。高存储密度是通过在感光材料的同一区域记录多张全息图得到的。目前，最常用的多重记录方法有多波长、多角度、多相位记录。为了得到更高的存储密度，可以将几种多重记录方法综合使用。例如，可以采用波长—角度相结合进行记录。

2、数据传输速率高而存取时间短。全息图采用整页存储和读出的方式，一页中的所有信息位都被并行地记录和读出。此外，全息数据库可以用无惯性的光束偏转(例如声光偏转器)或波长选择等手段来寻址，不一定要用磁盘和光盘存储中必需的机电式读写头，因而数据传输速率和存取速率可以很高。

3、高冗余度。与按位存储的磁盘和光盘不同，全息图以分布式的方式存储信息，每一信息位都存储在全息图的整个表面上或整个体积中，故记录介质局部的缺陷和损伤不会引起信息的丢失。

4、存储可靠性高。全息存储材料都选用光学性能好、化学性能稳定的银盐晶体、有机高分子聚合物或金属化合物晶体。和全息照相的底片一样，即使存储载体有部分损坏，仍能读出全部数据，只不过清晰度有所降低。全息存储材料记录的信息可保持30年以上。

5、可进行并行内容寻址。全息存储器能够直接输出数据页或图像的光学重构信息，因此可以并行地进行面向页面的检索和识别，具有快速的内容相关寻址功能。这种独特的性能可以用来构建内容寻址存储器。图1表示传统存储(a)与光全息存储(b)的比较。

图1  传统存储(a)与光全息存储(b)的比较。

   早在1948年，Gabor就提出了全息术的概念，当时只是涉及到了波前重建的方法，并没有将全息与数据存储联系起来，而是将全息技术用于X光成像的放大。最初的主要问题是没有良好的相干光源，因此同轴的波前重建系统都会出现共轭像，尽管Gabor和其他一些科学家如Kirkpatrick和ElSum、Baez和Rogers等都在参与解决这一问题，但始终没有得到很好的结果。随着20世纪60年代初激光器的问世，一个良好的相干光源被找到，全息术开始进入高速发展阶段，这时已经可以实现清晰的图像记录和重建，而且由于光源相干性很好，Leith等人提出参考光离轴的全息记录系统，这样就避免了Gabor全息图中重建出的共轭像混叠在一处的情况。在1963年，Van Heerden正式提出了全息数据存储这一概念。他将全息数据存储归于三维固态光信息存储，并估算出其存储密度极限为V/λ3(V是记录材料的体积，λ是记录光波长)。随后，Van Heerden还讨论了在全息数据存储中利用参考光角度进行复用和利用波长进行复用的可能性。Leith等人也在全息数据存储的发展早期，提出并验证了记录盘体旋转复用的技术。此时的全息技术已经颇具雏形，但是缺少有效的记录材料，关于全息数据存储大多停留在方法的讨论上。1966年，贝尔实验室的Ashkin等人在用铌酸锂晶体进行倍频实验时，意外地发现了光折变效应。从而，铌酸锂晶体作为一种光折变晶体被广泛研究并运用到全息数据存储中，使得三维体全息数据存储再度成为了研究热点。由于材料的发展，一系列关于全息数据存储的验证实验被发表，更多的复用技术得到了研究。图2表示全息存储技术原理图。

图2  全息存储技术原理图

直到90年代初，随着记录材料、空间光调制器、CCD探测器等关键材料和器件的发展，使全息数据存储系统的存储密度可以大幅提高，由此光全息数据存储进入了飞速发展的时期，在整机系统、材料研究和复用理论方面有了全面的提高。 

1994年，由IBM公司、斯坦福大学等七家公司和大学研究小组在美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)的部分赞助下，组成联合机构，主要研究光折变信息存储材料(optical refraction information storage material, PRISM)，将材料用于全息存储当中，以期待在5年之内开发出具有1013 bit存储容量和1 Gb/s数据转换速率的全息数据存储系统。材料的测试系统由IBM公司提供，该系统不仅能存储和重建大数据页的全息图，而且能对重建结果进行误码率分析。世界上第一个完整的全息数据存储系统由斯坦福大学、Siros、IBM和Rockwell、Thousand Oaks等公司联合建立。同时加州理工大学和Lucent公司的研究人员也完成了类似的系统演示。

    1994年，美国的DuPont公司开发出一种自由基聚合型光致聚合物(Photopolymer)。Curtis等人对这种光致聚合物材料产品的全息存储特性进行了深入研究，应用环周复用和角度复用技术进行了全息存储实验。随后，Pu等人将这种材料制成全息光盘，在每个平面单元区域内复用存储了32幅全息图，获得了109 bit/cm2的存储面密度。光敏聚合物的敏感度比光折变晶体要高一到两个数量级，但材料的收缩问题也比较严重，因此要在材料动态响应范围和材料收缩之间寻找一个平衡点。Bieringer对此做了较为详细的解释。Polaroid公司和贝尔实验室的研究人员在材料研究问题上采取了不同的方案，Polaroid公司采用基于阳离子开环材料做了实验验证，贝尔实验室和Lucent公司则基于自由辐射介质做了实验验证。

    国内对于光全息存储的研究也有一些基础，尤其在90年代光全息飞速发展的十年间，国内学者也紧跟步伐，成果斐然。陶世荃等人从记录材料铌酸锂晶体

的研究入手，对光折变晶体的盘式全息存储做了很多工作，并提出了能较好地记录和重建信息的可行性方案。郭亚军等人对不同掺杂比例的铌酸锂晶体的记录特性进行了比较研究，优化了光折变晶体记录材料。刘友文和周常河等人对双掺杂和三掺杂的铌酸锂晶体进行研究。干福熹团队则对光致聚合物材料进行了大量研究，该材料相对于光折变晶体更易制备、成本更低且光敏感度更高。金国藩等人对全息存储的系统问题进行了很多研究，如空间光调制器(spatial light modulator，SLM)与CCD之间的像素配准问题、系统小型化问题、SLM和CCD器件性能对页内噪声的影响问题、在离轴全息存储系统的参考光处加入位移散斑器实现动态散斑复用，可以抑制多纵模激光带来的串扰噪声等，主要侧重离轴全息系统的研究。

    2012年后，大数据时代来临，数据存储的市场急剧增大。有机光致聚合物材料的制备经过近些年的发展也有了长足进步。谭小地团队提出相位型全息数据

存储方式，并进行了大量相关研究。相位型全息数据存储因其具有更高的存储容量、更高的信噪比，正在成为研究热点。

    光全息数据存储技术发展了50多年，理论已较为完备，随着关键器件和材料的不断发展，实践也日渐成熟。现在正处于数据爆炸式增长的大数据时代，海量的数据存储需求以及5G高速数据通讯的需求都给光全息数据存储技术带来了新的发展契机，可以说该技术早已汲取足够养分，马上就要破土而出了。不久的将来，同轴光全息数据存储技术将会迎来更大的舞台，而相位型全息存储理论与同轴系统的结合也必将产生更为广阔的发展空间。