研究人员开发出了一种快速且节能的激光写入方法，用于在石英玻璃中制造高密度纳米结构。这些微小的结构可以用于五维(5D)光学数据的长期存储，其密度是蓝光光盘存储技术的1万多倍。

南安迎新

英国南安普敦大学（University of Southampton）的博士生研究员Yuhao Lei说：“个人和组织正在生成越来越大的数据集，迫切需要更高效的高容量、低能耗和长寿命的数据存储形式。”

“虽然云系统更多地是为临时数据设计的，但我们相信玻璃盘的5D数据存储对于国家档案馆、博物馆、图书馆或私人组织的长期数据存储都会带来颠覆性的创新。”

Lei和他的同事在《Optica》中描述了他们新的5D数据写入方法，包括两个光学维度和三个空间维度。新方法可以以每秒100万体素的速度写入，这相当于每秒记录大约230千字节的数据(超过100页文本)。

在这一过程中，使用的写入机制是通用的。因此，这种节能的写入方法也可以用于透明材料的快速纳米结构，以应用于3D集成光学和微流体。

他们用该方法在一英寸的石英玻璃样品中记录了6 GB的数据。照片中的四个正方形每个都只有8.8×8.8毫米。他们还用激光书写的方法在玻璃上写下了大学的名称和标记。来源：YUHAO LEI 和PETER G. KAZANSKY, UNIVERSITY OF SOUTHAMPTON

更快、更好的激光书写

尽管透明材料中的5D光学数据存储并不新鲜，但是以足够快的速度和足够高的密度写入数据对于现实应用来说仍极具挑战性。为了克服这一障碍，研究人员使用高重复率的飞秒激光产生小孔，每个小孔包含一个纳米薄片状的结构，每个结构只有500×50纳米。

研究人员没有使用飞秒激光直接在玻璃上书写，而是利用这种光产生了一种被称为近场增强（near-field enhancement）的光学现象，这种现象是由单脉冲微爆炸产生的各向同性纳米空隙中的几个弱光脉冲产生的纳米薄片状结构。使用近场增强使纳米结构热损伤最小化，而后者则是使用高重复率激光的其他方法的一个重要“瓶颈”。

(a) COMSOL模拟80至200纳米不同直径下垂直于光传播方向的平面内纳米空隙周围的光强分布；(b)光强增强与纳米空隙直径的函数关系。

因为纳米结构是各向异性的，所以它们产生双折射，其特征在于光的慢轴取向(第四维，对应于纳米薄片状结构的取向)和延迟强度(第五维，由纳米结构的尺寸定义)。当数据被记录到玻璃中时，慢轴取向和延迟强度可以分别由光的偏振和强度控制。

“这种新方法将数据写入速度提高到实用水平，因此我们可以在合理的时间内写入几十千兆字节的数据，”Lei说。“高度局部化的精密纳米结构能够实现更高的数据容量，因为单位体积内可以写入更多的体素。此外，使用脉冲光减少了写入所需的能量。”

玻璃小光盘，书写大数据

研究人员使用他们的新方法将5Gb（千兆字节）的文本数据写入一个石英玻璃盘上，其大小约为传统光盘的大小，读取精度接近100%。每个体素包含四位信息，每两个体素对应一个文本字符。利用该方法提供的写入密度，光盘将能够容纳500兆字节的数据。

石英玻璃内部双折射结构的激光写入。激光写入设置示意图。EOM是电光调制器，QWP（(quarter-wave plate) 是四分之一波片。(b)由能量为30 nJ的100个激光脉冲以1至10兆赫的不同重复率写入的体素慢轴图；(b)中的脉冲持续时间和波长分别为250 fs和515 nm。伪彩色(插图)表示慢轴的局部方向。

随着允许并行写入的系统升级，研究人员表示，在大约60天内写入这么多数据则是可行的。研究小组负责人Peter G. Kazansky说：“在目前的系统下，我们有能力保存万亿字节的数据，比如可以用来保存一个人的DNA中的信息。研究人员现在正致力于提高他们方法的书写速度，并使该技术在实验室外可用。

研究人员正在为实际的数据存储应用开发更快的数据读取方法，未来数据写入可以在更小空间里以更快速度和更精确的准确度进行操作！

来源： Y. Lei, M. Sakakura, L. Wang, Y. Yu, H. Wang, G. Shayeganrad, P. G. Kazansky, “High speed ultrafast laser anisotropic nanostructuring by energy deposition control via near-field enhancement,” Optica, 8, 11, 1365-1371 (2021).
DOI: https://doi.org/10.1364/OPTICA.433765.