一种飞秒激光诱导稀土离子价态变化实现光信息存储的方法及其应用

本发明属于激光微纳加工与光信息存储，具体涉及一种利用飞秒激光在钐离子掺杂镁铝硅酸盐玻璃中诱导sm3+空间选择性还原为sm2+以实现高密度、长寿命三维光信息存储的方法。

背景技术：

1、在大数据时代，传统存储技术日益难以满足高密度、长期、低能耗的数据保存需求。光存储凭借其高密度、非接触读写、环境耐受性强以及可实现三维存储等独特优势，已成为下一代存储技术的重要发展方向。

2、稀土离子掺杂玻璃兼具优异的光学性能、化学稳定性和良好的加工性能，是理想的光存储介质。其中，钐离子（sm3+/sm2+）具有稳定可逆的价态变化，在光存储应用中显示出巨大潜力。

3、当激光聚焦于透明玻璃内部时，由于玻璃在近红外光谱区呈线性透明，无法通过单光子吸收实现改性。然而，飞秒激光的超短脉冲宽度和超高峰值功率，可在焦点处亚微米空间范围内产生极强的电场。在该强场作用下，材料中的电子发生隧穿或多光子电离，产生高浓度的自由电子和空穴，形成局域等离子体。该电离过程的时间尺度远快于电子-声子耦合，使得能量在晶格响应之前就已沉积到电子体系中。此外，飞秒激光的脉冲宽度远短于热扩散时间（~10-7 s），在脉冲与物质相互作用结束前，能量几乎无法从焦点区域扩散出去，从而实现微纳尺度的空间局域化。

4、然而，现有飞秒激光诱导稀土离子价态变化的光存储技术仍存在以下不足：（1）写入点尺寸较大，限制了存储密度的进一步提升；（2）存储信息的长期热稳定性缺乏系统评估；（3）三维多层写入时层间串扰问题尚未得到有效解决；（4）写入点的发光特性与激光参数的定量关联尚缺乏系统研究。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明以掺钐镁铝硅酸盐玻璃为研究对象，采用飞秒激光诱导sm3+空间选择性还原为sm2+，系统研究了激光参数对存储位光学特性的影响，通过调节激光功率和脉冲宽度，可将激光焦点直径控制在1.2 µm，并验证了存储寿命可达5.3×103年。此外，即使在373 k的高温下，光学信息读出仍然可行。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种飞秒激光诱导玻璃中稀土离子价态变化实现光信息存储的方法，包括以下步骤：

4、提供稀土钐离子掺杂的镁铝硅酸盐玻璃基材；

5、采用飞秒激光进行辐照，将飞秒激光聚焦于所述玻璃基材内部预设位置，通过控制激光的功率和脉冲宽度，使sm3+在焦点区域被还原为sm2+，形成空间选择性的价态变化区域，所述价态变化区域为写入点，从而实现信息的光学写入。

6、优选地，所述镁铝硅酸盐玻璃按摩尔百分比计由以下组分组成：sm2o3 0.01%～1%，mgo 10%～30%，al2o3 10%～30%，余量为sio2。

7、在本发明的一个实施方式中，所述镁铝硅酸盐玻璃按摩尔百分比计由以下组分组成：sm2o3 0.05%，mgo 20%，al2o3 20%，余量为sio2。

8、优选地，所述飞秒激光的波长为800~1100 nm，重复频率为10~80 khz，平均功率为30～80 mw，脉冲宽度为0.3～2.0 ps。

9、优选地，所述飞秒激光聚焦于所述玻璃基材表面以下100 μm深度处。

10、优选地，所述写入点的直径为1.5 μm以下。

11、在本发明方法中，通过飞秒激光辐照，在玻璃内部形成sm2+的写入区域，该区域在532 nm激光激发下产生683 nm、697 nm和725 nm处的特征发射峰，分别对应于sm2+的5d0→7f0、5d0→7f1和5d0→7f2跃迁，与未辐照区域的sm3+特征发射光谱形成明显区别，从而实现信息的荧光读出。

12、在本发明的一些实施方式中，通过控制激光参数可在玻璃内部写入不同发光强度和不同尺寸的光存储位点；通过控制三维平移台可在玻璃内部不同深度层写入所述光存储位点，实现三维光信息存储。

13、在本发明的一些实施方式中，所述存储信息在室温下的寿命为5.3×103年。

14、第二方面，本发明提供所述方法在制备三维光存储介质中的应用。

15、第三方面，本发明提供一种采用所述方法制备的三维光存储介质。

16、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

17、（1）本发明利用飞秒激光诱导sm3+空间选择性还原为sm2+，写入点最小直径可达1.2 μm，存储密度可达3 gbit/cm3，实现了高密度光信息存储。

18、（2）本发明通过优化激光功率和脉冲宽度，可有效控制写入点的发光强度，写入点与未写入区域之间呈现明显的亮度对比，实现了高信噪比的信息读出。

19、（3）本发明存储信息在室温下的寿命约为5.3×103年，即使在373 k高温下也能稳定保存超过16年，具有优异的长期热稳定性。

20、（4）本发明实现了三维多层信息写入，在15 μm层间距下点之间及相邻层之间无明显信号串扰，满足三维高密度光存储的需求。

1.一种飞秒激光诱导玻璃中稀土离子价态变化实现光信息存储的方法，其特征是，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述镁铝硅酸盐玻璃按摩尔百分比计由以下组分组成：sm2o3 0.01%～1%，mgo 10%～30%，al2o3 10%～30%，余量为sio2。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述飞秒激光的波长为800~1100 nm，重复频率为10~80 khz，平均功率为30～80 mw，脉冲宽度为0.3～2.0 ps。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述飞秒激光聚焦于所述玻璃基材表面以下100 μm深度处。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述写入点的直径为1.5 μm以下。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，在所述价态变化区域，于532 nm激光激发下产生683 nm、697 nm和725 nm处的特征发射峰，分别对应于sm2+的5d0→7f0、5d0→7f1和5d0→7f2跃迁。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，通过控制激光参数在玻璃内部写入不同发光强度和不同尺寸的光存储位点；通过控制三维平移台在玻璃内部不同深度层写入所述光存储位点，实现三维光信息存储。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述写入的信息在室温下的寿命为5.3×103年。

9.权利要求1至8中任一项所述的方法在制备三维光存储介质中的应用。

10.一种采用权利要求1至8中任一项所述方法制备的三维光存储介质。