與該光柵相共振 波長的光束總會被部分地反射。沒有遇到相共振光柵的檢測光束將從光盤中射出，并被光 閩74阻攔而不能再回到存儲介質(zhì)中。
[0041] 當(dāng)一個(gè)檢測光束從某一個(gè)相共振的光柵反射返回，它將與從反射鏡78返回的具 有相同的波長和偏振的參考光束相遇，從而在分離器32的出口處形成干設(shè)條紋。于是，被 檢測的光柵（構(gòu)成樣品臂），反射鏡78 (構(gòu)成參考臂）和分離器32組成一個(gè)邁克爾遜干 設(shè)儀。因?yàn)槌l(fā)光二極管的頻譜帶寬很寬，它的光束的相干長度很短。于是只有當(dāng)光束沿 著兩個(gè)臂行走了幾乎"相等"的光學(xué)距離時(shí)，也就是當(dāng)兩個(gè)臂的光學(xué)行程差小于光束的相 干長度時(shí)，干設(shè)條紋才可能出現(xiàn)。在行程差大于相干長度時(shí)光束不會干設(shè)，而且能反射 回更多光線的區(qū)域能產(chǎn)生更強(qiáng)的干設(shè)。因此，當(dāng)檢測光束被透鏡34會聚到某一個(gè)含有多 個(gè)光柵的存儲單元時(shí)，通過使用音圈馬達(dá)80而沿Z軸方向移動反射鏡78到一個(gè)適當(dāng)?shù)?位置，從一個(gè)所期望的光柵或存儲單元所反射回來的閱讀光束的光程差便可小于光束的 相干長度，從而該反射光束便可通過相干選通而被選擇性地接收。于是，光學(xué)相干斷層掃 描術(shù)（A. F. Fercher, W. Drexler, C. K. Hitzenberger and T. Lasser，"Optical coherence tomography-principles and applications，" Rep. Prog. Phys. Vol. 66, pp. 239-303, 2003 ; Z. Yaqoob, J. Wu and C. Yang. "Spectral domain optical coherence tomography :a better OCT imaging strategy, "Bio. Techniques Vol. 39，pp.S6-S13,200f5)在運(yùn)里被義 用而對數(shù)據(jù)進(jìn)行閱讀。此外，每個(gè)被檢測的光柵和與其對應(yīng)的光探測器（運(yùn)些光探測器檢 測從該光柵所反射的光束的強(qiáng)度、偏振方向和波長）位于共焦成像的位置并使用了共焦針 孔（見下面進(jìn)一步描述），共焦顯微成像術(shù)也在運(yùn)里被同時(shí)采用對數(shù)據(jù)進(jìn)行閱讀。
[0042] 會合后的檢測光束和參考光束的一半光能量進(jìn)入信號探測系統(tǒng)82,圖3是該信號 探測系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。90是一個(gè)反射率為30%的非偏振和非色彩選擇的光束分離 器，因此30%的進(jìn)入信號探測系統(tǒng)的光束到達(dá)分光棱鏡92被分光并由透鏡94會聚。隨后， 每一對具有相同的波長和正交偏振方向的進(jìn)入信號探測系統(tǒng)的光束的30%的光能量在通 過放置在透鏡94的焦平面的共焦針孔陣列（因?yàn)獒樋钻嚵泻鼙《丛趫D中繪出）后，被位 于光探測器陣列96中的的光強(qiáng)度探測器所接收。使用空間針孔陣列是為了更好地消除檢 測光束焦點(diǎn)外的光噪聲。在陣列96中的光探測器數(shù)目是N，它與每個(gè)超發(fā)光二極管陣列中 的二極管數(shù)目相等。運(yùn)些光探測器按線形依次排列而位于不同的位置，因此被探測光束的 波長可W通過相對應(yīng)的光強(qiáng)度探測器的位置來確定。為了在圖3中清楚地顯示光束的路 徑，只繪出了=條光束的光線。
[0043] 70%的進(jìn)入信號探測系統(tǒng)的光束被偏振分束器98進(jìn)一步分成兩個(gè)偏振相互正交 的光束組，在經(jīng)兩個(gè)色散棱鏡100和102分束和兩個(gè)透鏡104和106會聚后，每一對具有相 同波長和正交偏振方向的進(jìn)入信號探測系統(tǒng)的光束的70%的光能量被分別位于光探測器 陣列108和110中的兩個(gè)光強(qiáng)度探測器所接收。兩個(gè)共焦針孔陣列也被分別放置在兩個(gè)光 探測器陣列108和110之前并分別位于透鏡104和106的焦平面上。每一對接收具有相同 波長的兩個(gè)光束強(qiáng)度的探測器構(gòu)成一個(gè)差分檢測元件。因?yàn)橛商綔y器陣列108探測到的光 束的偏振方向是與Y軸平行，因此其強(qiáng)度被稱為由于同樣的原因，由探測器陣列110探 測到的光束的強(qiáng)度被稱為It。I//和IT的值被送到一個(gè)信號分析器112(112中還包含一個(gè) 電子處理器）W產(chǎn)生一個(gè)光信號差值A(chǔ)I = 于是，一個(gè)特定的取決于每一個(gè)光柵 中占主導(dǎo)地位的分子取向并被命名為每一對進(jìn)入信號探測系統(tǒng)的檢測光束的"合成偏振方 向（SPD)"便可被計(jì)算出來。例如，如果I//= 0或I T= 0,則SPD將垂直于或平行于Y軸。 如果I//= It，SPD將與Y軸夾45。角。如果1//> It聲0或It> I//聲0, SPD將靠近Y軸 或Z軸，并且具體的角度可W由AI = 的值來計(jì)算。每一個(gè)SPD所對應(yīng)的波長也可 由每一個(gè)差分檢測元件的所處位置來確定。最后，探測到的光強(qiáng)度、光波長和SPD的值由位 于112中的電子處理器通過一個(gè)解碼過程而被解碼回原來的數(shù)據(jù)組。所說的解碼過程是上 述所說的顏色亮度和偏振編碼過程的逆過程。
[0044] 在信號探測時(shí)雖然使用了色散棱鏡和線性排列的探測器陣列，所采用的仍然是 時(shí)間域的光學(xué)相干斷層掃描術(shù)（TDOCT)，它與頻譜域的光學(xué)相干斷層掃描術(shù)（FDOCT)是不 同的（A. F. Fercher, W. Drexler, C. K. Hitzenberger and T. Lasser，"Optical coherence tomography-principles and applications，" Rep.Prog. Phys. Vol. 66，pp.239-303， 2003 ；Z.Yaqoob, J. Wu and C. Yang，"Spectral domain optical coherence tomography ： a better OCT imaging strategy, "Bio. Techniques Vol. 39，pp.S6-S13,200f5)。在義用 FDOCT時(shí)，沿X軸的縱向掃描是通過計(jì)算收集到的頻譜（通過傅里葉變換）而完成，并且沒 有參考臂的運(yùn)動?？墒窃谶\(yùn)里必須移動反射鏡78去選中所期望的存儲單元（在每一個(gè)短 小時(shí)間內(nèi)檢測光束的所有焦深區(qū)都落在該存儲單元內(nèi)不動）。如果每一個(gè)閱讀光束都由若 干個(gè)線形排列的光探測器來探測，那么信號探測就變成由N個(gè)獨(dú)立的采用FDOCT的測量系 統(tǒng)來完成，運(yùn)會帶來某些好處，但由于需要頻譜計(jì)算而增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。
[0045] 目前大多數(shù)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都是W二進(jìn)制的形式被儲存。在二進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)據(jù) 的單位是比特，它是儲存在兩個(gè)能被識別的狀態(tài)中的數(shù)據(jù)量。因此一個(gè)比特位可W容納最 多兩個(gè)數(shù)據(jù)值，而m個(gè)比特位可W容納最多2"個(gè)數(shù)據(jù)值。對于使用彩色亮度和偏振方向編 碼的存儲系統(tǒng)，能在其中某個(gè)存儲單元中儲存的最大數(shù)據(jù)量取決于有多少個(gè)波長、光強(qiáng)度 等級和偏振方向可被利用，也就是說，取決于可能得到的書寫光束的波長，偏振方向和光強(qiáng) 度的組合狀態(tài)數(shù)目。由含有2個(gè)波長、2個(gè)強(qiáng)度等級和2個(gè)偏振方向的光束組的可能得到的 組合狀態(tài)在表A中示出。 表A 2個(gè)具有不同波長的光束的可能的組合狀態(tài)（每個(gè)光束具有2個(gè)可能的偏振方向 和2個(gè)可能的強(qiáng)度等級）
在表A中，每個(gè)組合狀態(tài)由WPI表示，其中W分別用1或2表示，它們分別代表著2個(gè) 波長；P分別用A或者B表示，它們分別代表著2個(gè)偏振方向，I分別用a或者b表示，它們 分別代表著2個(gè)光強(qiáng)度等級。可見，由W = 2、P = 2和I = 2的光束組生成的組合狀態(tài)的 最大數(shù)目是（2X2)2二16。很容易證明由W = 3、P = 2和I = 2的光束組生成的組合狀態(tài) 的最大數(shù)目是（2X2)3二64 ;由W = 3、P = 2和I = 3的光束組生成的組合狀態(tài)的最大數(shù) 目是（3X2)3= 216,并W此類推。因此如果一個(gè)光束組有Nw光束具有不同的波長，而每個(gè) 光束有Np個(gè)可能的偏振方向和Ni個(gè)可能的光強(qiáng)度等級，那么運(yùn)個(gè)光束組的組合狀態(tài)的最大 數(shù)目將是?？梢?，即使N,、Np和Ni的值是適中的，運(yùn)樣的一個(gè)存儲單元的數(shù)據(jù) 儲存量也會很大。
[0046] 為了增加存儲密度，所形成的光柵的直徑必須盡量小，而衍射光柵的直徑是由光 柵的長度決定的。因?yàn)樵诿恳粋€(gè)存儲單元中有多個(gè)重疊的光柵，只有當(dāng)每一個(gè)光柵的反射 帶寬足夠窄時(shí)運(yùn)些光柵才可能被分離獨(dú)立地識別（探測），而運(yùn)決定了光柵的長度。
[0047] 對于一個(gè)給定的光柵長度，可能得到的光柵最小直徑可計(jì)算如下。由于書寫/ 擦除和閱讀光束都是高斯光束，運(yùn)些光束的沿光軸X方向的橫截面半徑變化由下式給出 (M. Bass, E.W.V.Stryland'D.R. Williams and W.L. Wolfe, eds. ,Hanclbook of Optics, Vol. I，pp. 11. 23-11. 24, McGraw-Hill,化W York,1995)。
(4) 式中《。是光束最小束腰處，也即X = 0處的光束橫截面半徑，n是存儲介質(zhì)的折射率， 入是書寫光束在自由空間中的波長。在x = x。處，光束橫截面半徑變?yōu)閂^^?，x。由下式給 出
(5) X。被稱為瑞利范圍。因?yàn)楣馐鴱?qiáng)度在瑞利范圍外將迅速下降，在光束橫截面半徑為
均兩點(diǎn)間的距離被稱為光束的焦深區(qū)，也就是高斯光束的焦深區(qū)長度是 D = 2x〇〇 化）
[0048] 可W在許多出版物中找到光聚合物薄膜的折射率，它們一般是從1.4到1.99， 對于雙光子吸收光聚合物薄膜，其折射率至少可達(dá)I. 7 (T. Katchalskia，S. Sori油， E.Teitelbauma. A. A. Friesema and G. Marowskyc，"Two photon fluorescence sensors based on resonant grating waveguide structures，"Sensor. Actuat. B Vol. 107， pp. 121-125,2005)。從等式（5)和（6)可知，當(dāng)焦深區(qū)長度為D，介質(zhì)折射率為n和光束波 長為人時(shí)，高斯光束的直徑d為
(7)
[0049] 由于偶氮染料基聚酷亞胺膜的雙光子吸收的波長范圍是從550納米到240納米W 下（所對應(yīng)的單光子吸收波長范圍是從1100納米到480納米），波長A可取從250納米到 460納米（間隔為10納米），然后取D = 8微米，n = 1. 7或1. 9,則計(jì)算得到的最小的光束 直徑d值示于表B。
[0050] 表B也給出了光柵的反射率R和在折射率分別是1. 7和1. 9的兩種介質(zhì)中的長度 為8微米的光柵的反射帶寬5 A。光柵的反射率R(也即衍射效率n )和反射帶寬5入是 由式（1)計(jì)算。反射帶寬5 A的定義是：超出運(yùn)個(gè)反射帶寬（全寬度）時(shí)光束的反射率將 小于1%。在表B不同行內(nèi)的tR、5 A和d A是對應(yīng)不同的折射率n，而在不同列內(nèi)的t R、5 A和(U是對應(yīng)不同的波長A和ni，ni是折射率的空間調(diào)制幅度。d和D的單位 是微米，而5 A和dA的單位是納米。
[0051] 在表B中，d A是每一個(gè)閱讀光束光譜分布的半最大值全寬度（FWHM)(所期望 值）。dA 由相干長度 Ic的表達(dá)式計(jì)算（A-Fjerchei^W-DrexleriCLHitzenberger and T. Lasser，"Optical coherence tomography-principles and applications，"Rep.Prog. Phys. Vol. 66. pp. 239-303, 2003) 〇
(8) 式中A。是中屯、波長，而n是介質(zhì)的折射率。在計(jì)算中，取1。=8微米，于是1。與存儲 單元的長度相同?？梢姡m然每一個(gè)閱讀光束的帶寬都較寬，但由于5 A >cU，他們?nèi)匀?可被選擇性地分別只由一個(gè)相共振的光柵所反射。事實(shí)上，可W選Ie的長度略大于存儲單 元的長度（例如幾倍長）W使檢測光束具有更好的波長選擇性，雖然干擾噪聲也會少許增 加。 表B雙光子吸收形成的布拉格光柵的直徑、反射率和反射帶寬
[0052] 在表B中，我們也可W看到，當(dāng)III是從0.0048到0.0089, A是從250納米到460 納米，n是1. 7或1. 9時(shí)，8微米長的光柵的反射率會超過20%，其反射帶寬是從3. 44納米 至13.0納米。20%的反射率被用于分成5個(gè)W上的反射率等級是足夠的（參見下述進(jìn)一 步討論）。而從3. 44納米至13. 0納米的反射帶寬將允許一個(gè)存儲單元可容納多達(dá)58或 65個(gè)立體布拉格光柵（也參見下述進(jìn)一步討論）。
[0053] 在每一個(gè)書寫光束組內(nèi)，具有最長波長的光束將決定存儲單元的尺寸（直徑和長 度）。在該光盤中，數(shù)據(jù)是被記錄在各數(shù)據(jù)軌跡內(nèi)，因此存儲一個(gè)數(shù)據(jù)組的最小所需面積是 A S = (d+h)2,式中h是臺階的寬度，而d是數(shù)據(jù)軌跡凹槽的寬度，d是由書寫光束組中具有 最大焦深區(qū)直徑的光束所決定，而存儲單元的體積是ASX A&。前面已述，當(dāng)一