研究人員開發(fā)出了一種快速且節(jié)能的激光寫入方法，用于在石英玻璃中制造高密度納米結(jié)構(gòu)。這些微小的結(jié)構(gòu)可以用于五維(5D)光學(xué)數(shù)據(jù)的長期存儲，其密度是藍光光盤存儲技術(shù)的1萬多倍。

南安迎新

英國南安普敦大學(xué)（University of Southampton）的博士生研究員Yuhao Lei說：“個人和組織正在生成越來越大的數(shù)據(jù)集，迫切需要更高效的高容量、低能耗和長壽命的數(shù)據(jù)存儲形式。”

“雖然云系統(tǒng)更多地是為臨時數(shù)據(jù)設(shè)計的，但我們相信玻璃盤的5D數(shù)據(jù)存儲對于國家檔案館、博物館、圖書館或私人組織的長期數(shù)據(jù)存儲都會帶來顛覆性的創(chuàng)新。”

Lei和他的同事在《Optica》中描述了他們新的5D數(shù)據(jù)寫入方法，包括兩個光學(xué)維度和三個空間維度。新方法可以以每秒100萬體素的速度寫入，這相當(dāng)于每秒記錄大約230千字節(jié)的數(shù)據(jù)(超過100頁文本)。

在這一過程中，使用的寫入機制是通用的。因此，這種節(jié)能的寫入方法也可以用于透明材料的快速納米結(jié)構(gòu)，以應(yīng)用于3D集成光學(xué)和微流體。

他們用該方法在一英寸的石英玻璃樣品中記錄了6 GB的數(shù)據(jù)。照片中的四個正方形每個都只有8.8×8.8毫米。他們還用激光書寫的方法在玻璃上寫下了大學(xué)的名稱和標(biāo)記。來源：YUHAO LEI 和PETER G. KAZANSKY, UNIVERSITY OF SOUTHAMPTON

更快、更好的激光書寫

盡管透明材料中的5D光學(xué)數(shù)據(jù)存儲并不新鮮，但是以足夠快的速度和足夠高的密度寫入數(shù)據(jù)對于現(xiàn)實應(yīng)用來說仍極具挑戰(zhàn)性。為了克服這一障礙，研究人員使用高重復(fù)率的飛秒激光產(chǎn)生小孔，每個小孔包含一個納米薄片狀的結(jié)構(gòu)，每個結(jié)構(gòu)只有500×50納米。

研究人員沒有使用飛秒激光直接在玻璃上書寫，而是利用這種光產(chǎn)生了一種被稱為近場增強（near-field enhancement）的光學(xué)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是由單脈沖微爆炸產(chǎn)生的各向同性納米空隙中的幾個弱光脈沖產(chǎn)生的納米薄片狀結(jié)構(gòu)。使用近場增強使納米結(jié)構(gòu)熱損傷最小化，而后者則是使用高重復(fù)率激光的其他方法的一個重要“瓶頸”。

(a) COMSOL模擬80至200納米不同直徑下垂直于光傳播方向的平面內(nèi)納米空隙周圍的光強分布；(b)光強增強與納米空隙直徑的函數(shù)關(guān)系。

因為納米結(jié)構(gòu)是各向異性的，所以它們產(chǎn)生雙折射，其特征在于光的慢軸取向(第四維，對應(yīng)于納米薄片狀結(jié)構(gòu)的取向)和延遲強度(第五維，由納米結(jié)構(gòu)的尺寸定義)。當(dāng)數(shù)據(jù)被記錄到玻璃中時，慢軸取向和延遲強度可以分別由光的偏振和強度控制。

“這種新方法將數(shù)據(jù)寫入速度提高到實用水平，因此我們可以在合理的時間內(nèi)寫入幾十千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，”Lei說。“高度局部化的精密納米結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)容量，因為單位體積內(nèi)可以寫入更多的體素。此外，使用脈沖光減少了寫入所需的能量。”

玻璃小光盤，書寫大數(shù)據(jù)

研究人員使用他們的新方法將5Gb（千兆字節(jié)）的文本數(shù)據(jù)寫入一個石英玻璃盤上，其大小約為傳統(tǒng)光盤的大小，讀取精度接近100%。每個體素包含四位信息，每兩個體素對應(yīng)一個文本字符。利用該方法提供的寫入密度，光盤將能夠容納500兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。

石英玻璃內(nèi)部雙折射結(jié)構(gòu)的激光寫入。激光寫入設(shè)置示意圖。EOM是電光調(diào)制器，QWP（(quarter-wave plate) 是四分之一波片。(b)由能量為30 nJ的100個激光脈沖以1至10兆赫的不同重復(fù)率寫入的體素慢軸圖；(b)中的脈沖持續(xù)時間和波長分別為250 fs和515 nm。偽彩色(插圖)表示慢軸的局部方向。

隨著允許并行寫入的系統(tǒng)升級，研究人員表示，在大約60天內(nèi)寫入這么多數(shù)據(jù)則是可行的。研究小組負(fù)責(zé)人Peter G. Kazansky說：“在目前的系統(tǒng)下，我們有能力保存萬億字節(jié)的數(shù)據(jù)，比如可以用來保存一個人的DNA中的信息。研究人員現(xiàn)在正致力于提高他們方法的書寫速度，并使該技術(shù)在實驗室外可用。

研究人員正在為實際的數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用開發(fā)更快的數(shù)據(jù)讀取方法，未來數(shù)據(jù)寫入可以在更小空間里以更快速度和更精確的準(zhǔn)確度進行操作！

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