تكنولوجيا الذواكر الهلوغرافية Holographic Memories Technology او ما يسمى بالذواكر الهولو غرافية (holographic memory) وبعض تقنياتها والتي تعتبر من التقنيات الحديثة العهد والتي يتم تطويرها واختبارها حاليا ضمن المخابر.
وسنتناولها وفقاَ لدراسات معهد JPL للدراسات و دراسات شركة INPHASE للتقنيات و شركة IBM.
مقدمة:
كانت الأدوات التي تستخدم الضوء لكتابة وقراءة المعلومات الأساس في تخزين المعلومات على مدى عقدين من الزمن كانت الـ CDs (الأقراص المضغوطة) قد أحدثت ثورة في نظام حفظ المعلومات و ذلك في مطلع الثمانينيات وذلك لمقدرتها على حفظ عدة ميغابايتات (Megabytes) على قرص بقطر 12 سنتيمتراً تقريباً و بسماكة حدود 1.2 مليمتر قد تصل حتى 783 ميغابايت.
وفي عام 1997 ظهر النموذج المطور من الـCD دعي DVD (Digital-Versatile-Disc) (قرص التنوع الرقمي) ، و الذي يمكن من تخزين فيلم سينمائي كامل على قرص واحد .
و قد تمكنت شركة سوني (Sony) من التخطيط لإصدار أقراص مضغوطة (Compact Discs) وهي اقراص DVD ذات سطح مزدوج يمكن أن يتسع لـ 15.9 GB من المعلومات والتي تعادل حوالي ثماني ساعات من الأفلام، إن سعات التخزين الاصطلاحية المتوسطة السابقة تلبي الحاجات التخزينية المطلوبة بهذا العصر.
لكن الحاجة إلى سعات كبيرة بالإضافة إلى سرعة النقل العالية و التوجه إلى استخدام النقل التفرعي دفع العلماء لإيجاد وسائط تخزين بصرية جديدة تدعى بالذواكر الهولوغرافية والتي سوف تقوم بتخزين المعلومات تحت سطح وسط التخزين وسوف تستخدم كل حجم هذا الوسط للتخزين وذلك بدلاً من استخدام سطح وسط التخزين فقط، أي تخزين ثلاثي البعد للمعلومات وبالتالي سوف هناك إمكانية لتخزين كمية أكبر من المعلومات في مساحة أصغر وهذا يؤدي إلى حدوث تبادل سريع للمعلومات .بحدود واحد جيغابايت في الثانية.
و يقوم معهد JPL حالياُ بتصميم ذواكر ثلاثية الأبعاد تملك الخصائص التالية: 1- قابلية القراءة والكتابة. 2- سرعة نقل عالية. 3- كثافة سعة عالية وثابت و مضغوط. 5- عدم التأثر بالحقول الخارجية. وقد تم اختيار هذه الميزات لتحقيق متطلبات وكالة Nasa للابحاث الفضائية.
الذواكر الهولوغرافية تقدم إمكانية (محتملة) لتخزين بحدود 1 تيرابايت (Terabyte) من المعلومات على مكعب من السكر البللوري (1 تيرابايت تعادل 1مليون ميغابايت أو 1 ترليون بايت) ، أي معلومات تزيد عن قدرة 1000 CD على التخزين وهذا بالكاد يكافئ إمكانية التخزين بواسطة الذواكر الهولوغرافية .
ما هو الهولوغرام Holograph ؟
نعلم أننا لو رمينا حجرًا في بركة ماء ساكن فإنه ستتولد موجاتٌ منتظمة، تنتشر على شكل دوائر متحدة المركز. ولو رمينا حجرين متماثلين تمامًا في نقطتين مختلفتين فإن الموجات التي تنتج عنهما يتجه بعضُها نحو بعض. فإذا التقت ذروةُ موجة مع ذروة موجة أخرى فإنهما تتضافران وتعطيان موجة أكبر مرتين من كلٍّ منهما؛ وإذا التقت ذروةُ موجة مع حضيض موجة أخرى تنعدم الموجتان وتولِّدان منطقة سكون في الماء. وهكذا يمكن لنا أن نتصور كلَّ الإمكانات البينيَّة بين الموجات. والنتيجة النهائية هي نظام معقد للغاية يسمَّى شبكة التداخُل. وتسلك الموجاتُ الضوئية تمامًا سلوك الموجات السابقة. ويُعَدُّ الليزر أنقى ضوء في عرفه الإنسان؛ فلكلِّ موجات الليزر التواتر ذاته. وهكذا فعندما يلتقي شعاعا ليزر، يولِّدان شبكة تداخُل معقدة؛ ويمكن تسجيل هذه الشبكة على لوحة تصوير. وهذا التسجيل هو ما يسمى بالهولوغرام hologram . ولكي نرى الصورة التي سُجِّلَتْ على هذه اللوحة لا بدَّ من أن نسلِّط شعاع ليزر مماثل للذي استخدمناه على اللوحة ذاتها؛ وعندئذٍ يظهر الجسمُ المصوَّر على بُعد صغير من اللوحة ويبدو ثلاثي الأبعاد. ولعل أغرب ما في الهولوغرام هو أنه لو كسرنا اللوحة فإن كلَّ كِسْرة منها يمكن لها أن تعطي الصورة بكاملها (وتتشوَّش الصورة إذا صارت الكِسْرات دقيقة). هاهي الأجزاء الأساسية لتتم صناعة الـ ذاكرة ثلاثية الأبعاد؟ 1. ليزر أرغوني (أزرق – أخضر) . 2. مقسمات شعاعية لتقوم بتقسيم شعاع الليزر . 3. مرايا لتوجيه أشعة الليزر . 4. لوحة LCD (Liquid Crystal Display) (معدل ضوئي فراغي). 5. عدسات لتركيز أشعة الليزر. 6. بلَّورة ليثيوم-نيوبات أو بولمير ضوئي. عندما يتم إطلاق ليزر الأرغون (أزرق-أخضر) ، عندئذ يقوم مقسم الأشعة بفصل شعاع الليزر إلى شعاعين :
شعاع الهدف أو شعاع الإشارة ؟ :
تسقط حزمة من آشعة الليزر على مجزيء للآشعة (Splitter) فتنقسم إلى جزئين ينفذ الجزء الأول من الآشعة ليصل إلى مرآة متساوية مثبتة فتنعكس الآشعة لتسقط على اللوح الفوتوجرافى وتسمى بآشعة المرجع (Reference beam) ، ويسقط الجزء الثاني من الآشعة على الجسم المراد تصويره وتنعكس هذه الآشعة من جميع نقاط سطح الجسم حاملة للمعلومات عنه لتصل اللوح الفوتوجرافي وتسمى هذه الآشعة بأشعة الجسم (Objective Beam) .
تلتقي آشعة المرجع وآشعة الجسم على اللوح الفوتوجرافي وتكون النتيجة نمط مركب من تداخل تلك الآشعة يسجل على اللوح الفوتوجرافي وبعد تحميض اللوح الفوتوجرافي يظهر نمط تداخل الآشعة في صورة مناطق مظلمة و أخرى مضيئة ويسمى هذا اللوح بعد تحميضه وتسجيل نمط التداخل عليه بالهولوجرام يلزم بعد ذلك إعاد تكوين الصورة وذلك بإضاءة الهولوجرام بالأشعة المرجع وبالنظر خلاله تظهر صورة مجسمة تماثل الجسم تماما مسجلة لجميع دقائق الجسم بأبعاده الثلاثية. يمكن تسجيل أكثر من صورة واحدة على نفس اللوح الفوتوجرافي وذلك بإستخدام عدد من الأشعة المرجع في إتجاهات مختلفة وتكون كل صورة مستقلة عن الأخرى ، كما يمكن تسجيل عشرات الصور على هولوجرام واحد وذلك بإستخدام ثلاثة حزم من آشعة الليزر ذات ألوان مختلفة ويضاء الهولوجرام في هذه الحالة بلآشعة البيضاء .
يحتوي الهولو جرام أو (اللوح الحافظ لنموذج التداخل) على توزيع معقد من المناطق الشفافة والداكنة التي تناظر أهداب التداخل المضيئة والمظلمة ، وعندما يضاء بشعاع مشابه تماما للشعاع المرجعي الأصلي فإن الشعاع سوف ينفذ من المناطق الشفافة ويُمتص في المناطق الداكنة بدرجات متفاوتة مكونا بذلك موجة نافذة مركبة هي الموجة المركبة للجسم الأصل . وعلى هذا فإن الحصول على التصوير المجسم يتم على مرحلتين : الأولى : تسجل فيها أنماط التداخل ثم الحصول على الهولو جرام أو (اللوح الحافظ لنموذج التداخل) والثانية : يتم فيها إضائة الهولوجرام بطريقة معينة بحيث يكون جزء من الشعاع النافذ من الهولوجرام مطابقا لموجة الجسم الأصل ، فنرى صورة ماثلة امامنا في الهواء وكأنها الجسم الأصلي .
و هو الشعاع الذي يحمل المعلومات و هو الذي يسير بخط مستقيم و يعبر من خلال معدل ضوئي فراغي (Spatial Light Modulator ( (SLM)والذي هو عبارة عن لوحة LCD تظهر صفحات البيانات الثنائية (بالنظام الثنائي) على شكل مكعبات فاتحة و قاتمة . البيانات المأخوذة من صفحات الشيفرات الثنائية تأخذ بواسطة شعاع الإشارة إلى حساس ضوئي (بلَّورة الليثيوم-نيوبات)
ونشير إلى أن بعض الأنظمة تستخدم مواد فوتوبولميرية عوضاً عن البلَّورة السابقة.
شعاع الليزر الآخر المفصول يدعى بالشعاع المرجع
يخرج من مقسم الأشعة ويتخذ طريقاً منفصلاً (مختلفاً)بحيث يكون متعامد مع شعاع الهدف باتجاه البلَّورة . فيلتقي الشعاعان و تتم التداخل النموذجي .
يمكن أن يتم التقاط صورة التداخل بواسطة حساس الضوء الموجود في وسط مستودع البيانات في منطقة التراكب، وتكون النتيجة ما يسمى بالهولوغرام، والذي يمكن قراءته عن طريق استعمال ضوء مساو للمرجع الأصلي، وهنا تكون النتيجة صورة مطابقة للبيانات الأصلية.
كيف تتم عملية الكتابة؟
لتخزين البيانات الرقمية ترمز على شعاع الهدف عن طريق المقسم الفراغي الضوئي (SLM) حيث يتم ترتيب المعلومات أو سلسلة من البتات على شكل صفحات .
هذه الأصفار و الواحدات تحول إلى بكسلات (نقاط) إما( ممرة للضوء أو لا) و بذلك يتشكل لدينا شعاع مُشفر الذي يتداخل مع الشعاع المرجعي بداخل مادة التسجيل وهكذا تتم عملية التسجيل (الكتابة)
كيف تتم عملية القراءة؟
يقوم الشعاع المرجعي بإعادة مصفوفة البتات المخزنة و هذه المصفوفة تسلط على كاشف بكسلات الذي يقرأ البيانات بشكل تفرعي.
تزودنا القراءة التفرعية بسرعة نقل كبيرة وصلت في مختبرات Inphase مابين 10? 100 ميغابايت في الثانية.
قراءة المعلومات تعتمد بشكل واضح على خصائص الشعاع المرجعي على سبيل المثال إن تغير خصائص الشعاع المرجعي (زاوية الورود ،طول الموجة ،.....) عن الشعاع الوارد في حالة الكتابة سيؤدي إلى تغير البيانات المسترجعة أثناء عملية القراءة . إن فرقاً بحدود جزء بالألف من المليمتر سوف يؤدي إلى فشل في عملية استعادة صفحة المعلومات. إن التحدي الأساسي في تخزين البيانات الهيلوغروفية هو تطوير سائط التخزين الهيلوغرافية التي يجب أن تتوافق مع مقاييس صارمة منها : •التمتع بقدرة ميكانيكة كبيرة . •حساسية ضوئية عالية . •استقرار في البنية والابعاد. •تتمتع بقابلية تشويه ضئيلة عند القراءة. •ذات ابعاد ميللي مترية. •تتمتع باستقرار حراري كبير. •صديقة للبيئة.
ما هو شكل وسائط التخزين ؟
في مختبرات InPhase تم تصميم وسائط تخزين سميت باسم Tapestry TM media والتي هي نوع جديد من البوليمير الضوئي photopolymer)) حيث تعطي استجابة مرتفعة و حساسية ضوئية كبيرة و بسماكات ميلي مترية بالإضافة إلى أنها تبدي مجال ديناميكي أوسع من باقي الوسائط الهيلوغرافية ، وحالياَ تمثل واحدة من أكثر أنظمة التخزين المتاحة التي يمكن التحكم بها من أجل تطبيقات التخزين الهيلوغرافي ذات الكثافة العالية.
إن هذه الوسائط نشأت من مزج مادتين مستقلتين ذات طبيعتين بوليميرية متلائمتين كيميائياَ. وتتم عملية تشكل أقراص التخزين باستخدام أحد العناصر من خلال بلمرته بوسط مناسب لتشكل القالب لهذه الأوساط أما المادة الأخرى التي تكون حساسة للضوء تنحل في هذا القالب .
إن عملية تسجيل الهيلوغرام تحدث خلال القالب الفراغي البوليميري بالتأثير على المواد الحساسة للضوء وهذه الهيلوغرامات المتشكلة يكون لها نفس شكل النقش الضوئي المتداخل أثناء عملية الكتابة. أي أنه إن في تكنولوجيات إنفيز يهدف لاستغلال أساس تكنولوجيا البوليمير والتي تسمي نظام الكيمائيين، وذلك بإحاطة مشكلة التشويش باستعمال مادة تقوم بتفريق العمليات الكيمائية عن بعضها البعض بحيث لا تصبح جميعها حساسة للضوء، ووفقاً لمستر لشيرس بفاف أحد مديري الشركة أن نموذج ال CD الأولي لإنفيز والذي يسمي (تايبستري) أي نسيج مطرز، يمكن أن يحتوي على 100 جيجابايت كما يوجد نظرية أخرى تبنتها شركة IBM حيث أعلنت أنها قد قامت بتقديم المادة البلورية الشكل والتي تدعى (نيوبات الليثيوم) . ووفقاً لدكتور كوفال فان IBM قد قامت بصناعة منصات تجارب في مركز ألمادين للأبحاث في سان خوسي وكاليفورنيا، تستطيع منصات IBM أن تخزن نحو 390 بايت في المَيْكرون المربع (واحد من مليون من المتر) أما أقراص ال DVD بالمقارنة تمتلك مقدرة تخزين تبلغ خمسة بايت للميكرون مربع. مع العلم بأن بعض الشركات تفضل بوليميرات حساس الضوء، لأن البوليمرات أكثر حساسية من الليثيوم نيوبات إلا أن البوليمرات تميل لتغير الحجم عند نقل الكيماويات الملازمة لتسجيل البيانات أو المعلومات التي تأخذ مكاناً في داخلها وبين جزيئاتها، وهذا يشوه الهولوغرامات في حين أن هذه المشكلة لا تقابلنا في حالة استخدام الليثيوم نيوبات كما اتخذت شركة بولآيت للتكنولوجيات الواقعة في كامبيريدج في بريطانيا الدرب الثالث فجاءت أقراصها مغطاة بمادة زجاجية، بدلاً عن البلور أو البوليميرات ووفقا لمستر ميشيل ليدزيون، رئيس شركة بولآيت، إن أول إنتاج تستعمل فيه هذه التكنولوجيا سوف يكون قرص بسعة 500 جيجابايت، وسوف يكون في الأسواق خلال السنة القادمة الشكل المبين يمثل سواقة المستخدمة و وفقاَ لشركة إنفيز تعتقد أن التقدم الأمثل في وسائط التخزين وطرقه مقترنة بتطور الإمكانيات التجارية الحالية في أدوات هذا النظام التيأزالت العقبات التي كانت تمنع الإهتمام العملي و التطبيقي لهذه التقنية وفتحت المجال بشكل واسع لتجعل هذه التقنية الجيل التالي من تكنلوجيا التخزين.
المصاعب التي واجهت الذواكر ثلاثية الأبعاد:
جذور هذه التقنية يعود إلى العام 1947 عندما تم التوصل للتصوير المجسم من قبل العالم دينيس جابور "Denis Gabor" في محاولة منه لتحسين قوة التكبير في الميكروسكوب الإلكتروني ... ولأن موارد الضوء في ذلك الوقت لم تكن متماسكة أحادية اللون ، فقد ساهمت في تأخر ضهور التصوير المجسم إلى وقت ظهور الليزر عام 1960 .
في العام 1962 أدرك العالم جيوريس اوبتنيكس "Juris Upatnieks" والعالم ايميت ليث "Emmitt Leith" من جامعة ميتشجان أن الهولوجرام يمكن أن يستخدم كوسيط عرض ثلاثي الأبعاد ، لذا قررا قراءة وتطبيق أبحاث العالم جابور ولكن بإستخدام الليزر المتماسك ، أخادي اللون ، وقد نجحا في عرض صور مجسمة بوضوح وعمق واقعي.
بعدها توالت التجارب فعرض أول هولوجرام لشخص في العام 1967 ، وفي العام 1972 ، تمكن العالم لويد كروز "lioyd Cross" من صناعة أول هولوجرام يجمع بين الصور المجسمة ثلاثية الأبعاد والسينماجرافي ذات البعدين .
عندما تم طرح فكرة ال HDSS لأول مرة عام 1963 ، كانت الأدوات والعناصر اللازمة لتحضيرها ضخمة وغالية الثمن، على سبيل المثال : فإن جهاز الليزر يجب أن يكون بطول 6 أقدام (أي ما يعادل مترين) وذلك في أنظمة الـHDSS المستخدمة في الستينيات ، بينما في الـHDSS في الوقت الراهن –وبتطوير من شركة Consumer للإلكترونيات- فإن مصدر ليزري مشابه لذاك الموجود في سواقة الـCD الحالية يمكن أن يستخدم في الـHDSS
كما أن شاشات الـ LCD لم تظهر حتى عام 1968 ، والنماذج الأولى كانت غالية الثمن ، لكن اليوم فإن الـ LCD رخيصة الثمن و معقدة أكثر من مثيلاتها قبل 30 عاماً ، هذا بالإضافة إلى أن حساسات العناصر ثنائية القطبية لم تكن موجودة حتى العقد الماضي ، حالياً فإن معظم عناصر الـHDSS موجودة وهناك الإمكانية لتصنيعها ، وهذا يعني أنه يمكن أن تنتج على نطاق واسع،على الرغم من أن عناصر الـHDSS متوفرة في الوقت الحالي وذلك بخلاف الستينيات إلا أنه لاتزال هناك بعض المشاكل التقنية التي تحتاج للحل. •إذا تم تخزين العديد من الصفحات على بلَّورة واحدة فإن طول كل هولوغرام(صورة هولوغرافية) سوف ينقص ، إذا كانت هناك كمية كبيرة من الهولوغرامات مخزنة على بلَّورة ما . •وكان شعاع المرجع الوارد على البلًّورة لاستعادة هولوغرام ما ليس على زاوية دقيقة ، فإنه سوف تتم استعادة الهولوغرام المطلوب إلى جانب أجزاء من هولوغرامات مجاورة . •بالإضافة إلى تجميع كل الأجزاء السابقة في منظومة منخفضة الثمن .
يثق المصممون و الباحثون أن التقنيات سوف تتطور في السنين الاثنتين والثلاث القادمة بحيث سوف تتصدى للمشاكل السابقة وتحلها وبواسطة هذه التقنيات في الأسواق سوف يكون بإمكاننا أن نحصل على أول سواقة HDSS حيث سوف تكون هذه الأقراص المشابهة للـDVDs و بقدرة تخزين أكبر بـ27 مرة من قدرة تخزين قرص DVD بسعة 4.7GB المستعملة في الوقت الحالي ، وسواقات التشغيل لها قدرة تبادل للمعلومات تفوق مثيلاتها في الـDVDs بـ25 مرة.
إستخدامات التصوير المجسم
التصوير المجسم يمكن تطبيقه على مجموعة متنوعة من الأغراض مثل تسجيل الصور ، إستخدامها في الترويج للتجارة ( كاستخدامها في أكشاك تقوم بعرض المنتجات أو التحف أو غيرها ) ، منع التزوير بإستخدام شريط مجسم مطبوع على ظهر بطاقات الإتمان ، أو وضع العلامات التجارية على أغلفة السلع .
كما يمكن أن يستخدم لتخزين المعلومات بكثافة عالية داخل البلورات ، فتقنيات التخزين الحالية مثل البلو راي Bluray)) تصل حدا محدودا معينا حسب سطح وسائط التخزين بدلاً من سطح وسائط التخزين فقط . في عام 2005 قامت شركة مثل اوبتوير Optware وماكسيل Maxell بإنتاج 120 ملم طبقة تخزين بيانات (دسك) التي تستخدم أقراص التصوير المجسم لتخزين ما يقارب (3.9 TB – Terabyte) تك تسمية خطة التسويق الخاصة بهذا المنتج الجديد باسم اقراص التصوير المجسم . الهولوجرام لا يمكن نسخه عن طريق آلات التصوير (Photocopiers) أو ماسحات الكومبيوتر الضوئية ( Scanners) أو حتى تقنيات الطباعة مما يعني اننا أمام تقنية مذهلة قد تساهم في القضاء على العديد من حالات التزوير .
أفلام الخيال العلمي والتصوير المجسم
في سلسلة أفلام star wars تم استخدام فكرة التصوير المجسم في تصوير أحد وسائل الإتصالات والتخابر الخاصة بالمستقبل . وفي فيلم Ocean 13 تم إستخدامة في عملية سرقة أحد التحف الثمينة حيث أستخدم التصوير المجسم لإيهام الناظرين بأنها لا تزال في مكانها .
المراجع :
- مجلة أفاق العلم www.sci-prospects.com