一种单脉冲全无机多维光存储方法

1.本发明涉及超快激光微纳加工技术领域中的一种光存储方法，特别涉及一种单脉冲全无机多维光存储方法。


背景技术：

2.多维光存储技术在大规模冷数据的长期保存方面有着广阔的应用前景，该技术以超快激光诱导自组织微纳结构的形式将编码后的数据写入到无机透明介质内部，可以在一个空间位置上加载多重信息，具有存储密度高、存储寿命长的优势。目前多维光存储主要以石英玻璃内部纳米光栅为载体，其形成需要多个脉冲共同作用，极大限制了数据写入速度。同时，该结构生成的能力阈值较高，增大了数据写入所需的功耗。此外，纳米光栅的多维信息读取需要较为复杂的光学系统，增加了数据读取的成本。已经报道的单脉冲多维数据存储又严重依赖有机介质，难以兼顾存储的寿命和稳定性。随着多维光存储技术向高速、低能耗、低成本的方向发展，传统方法越来越难以适应未来大数据存储日益增加的复杂需求。
3.超快激光诱导自组织微相变是一种利用高峰值能量的光脉冲激发的非线性电离诱导焦点区域内材料发生纳米级周期性相变的材料修饰技术。该技术主要通过强场激光与物质的相互作用，在焦点区域诱导建立高强度空间干涉场，配合材料对超快激光的非线性多光子吸收效应，在透明介质内部实现突破光学衍射极限的高精度纳米结构快速生成，这种结构具有偏振依赖性，可以通过改变激光的偏振状态对结构的取向进行操控。


技术实现要素：

4.为了克服目前多维光存储存在的普遍问题，本发明提出一种基于单轴晶体色偏振和超快激光诱导自组织微相变的多维光存储方法，实现了全无机晶体中数据记录微纳结构的单脉冲制备和面读取，极大降低了多维存储的写入速度和数据读取难度，同时兼顾了存储寿命，有力推动多维光存储走向实用化。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一、一种单脉冲全无机多维光存储方法，方法具体包括以下步骤：
7.步骤s1：选取z向切割的无机材料铌酸锂单晶作为单轴晶体，然后将单轴晶体固定在飞秒激光加工系统中的位移平台上，且所述单轴晶体自身光轴的方向平行于位移平台的xy面，调节位移平台使单轴晶体移动至数据写入所需的空间位置；所述空间位置参数为：加工深度为20-1000μm，数据层的间隔为20-100μm。
8.步骤s2：启动飞秒激光加工系统中的超快激光器，且使用单脉冲输出模式，然后控制飞秒激光加工系统在单轴晶体照射点处形成微相变结构，以实现光学数据点阵的写入；
9.步骤s3：应用微相变数据点阵读取装置对含有光学数据点阵的待测对象进行处理，完成超快激光的色偏振信号信息的读取，实现对超快激光的多维存储。
10.所述步骤s2具体为：在飞秒激光加工系统中首先将超快激光的参数导入到计算机中；然后计算机控制空间光调制器对超快激光的相位和空间分布进行调整，从而生成携带
数据信息的光学数据点阵。所述超快激光的参数为：设置初始平均功率值为3000mw，脉冲宽度为0.2-8ps，以保证超快激光输出的稳定性；然后衰减器控制所述光学数据点阵中每个辐照点上的单脉冲能量为10-1000nj，从衰减器透射出的光学数据点阵再经反射镜反射后入射到物镜，再透射过物镜后在单轴晶体内部聚焦，进而在单轴晶体内聚焦处形成玻璃相-晶体相交替排列的微相变结构，最终实现光学数据点阵的写入。
11.所述步骤s3具体为：首先起偏器将白光光源发出的光转变为线偏振光；然后所述线偏振光沿着垂直于单轴晶体光轴的方向入射到单轴晶体，且在单轴晶体内发生双折射后形成o光和e光，所述o光和e光再透射过检偏器后发生干涉形成具有不同色彩的色偏振信号，之后所述具有不同色彩的色偏振信号再透射过透镜后，被探测器接收，完成对超快激光的色偏振信号信息的读取，实现对超快激光的多维存储。
12.二、一种飞秒激光加工的系统：
13.所述飞秒激光加工系统包括超快激光器、快门、衰减器、格兰泰勒棱镜、半波片、第一全反射镜、第二全反射镜、空间光调制器、透镜组、反射镜、物镜和位移平台；
14.所述快门、衰减器、格兰泰勒棱镜、半波片、第一全反射镜、空间光调制器、第二全反射镜、透镜组、反射镜、物镜和位移平台依次顺序布置；
15.所述超快激光器发射的超快激光依次经快门、衰减器、格兰泰勒棱镜透射过后入射到半波片，超快激光透射过半波片后再依次经第一全反射镜、空间光调制器、第二全反射镜反射后入射到透镜组，超快激光透射过透镜组后再经反射镜反射到物镜上，超快激光透射过物镜后再入射到位移平台上。
16.所述飞秒激光加工系统还包括计算机，所述计算机分别与超快激光器、快门、衰减器、半波片和空间光调制器进行电连接，且所述位移平台的控制端口也与计算机电连接。
17.三、一种微相变数据点阵读取装置：
18.所述步骤s3中的微相变数据点阵读取装置，包括白光光源、起偏器、检偏器、透镜和探测器；
19.所述探测器、透镜、检偏器、起偏器、白光光源自上而下平行间隔正对设置；所述待测对象设置在起偏器和检偏器之间，所述起偏器和检偏器均为偏振片，且消光比均大于1000，所述起偏器和检偏器的偏振化方向既不互相垂直，也不互相平行；所述白光光源发出的光经过起偏器、待测对象、检偏器和透镜后，被探测器接收。
20.所述待测对象为所述步骤s2中获得的已形成微相变结构的单轴晶体。
21.所述o光和e光折射率差异大于0.1，且所述微相变结构中玻璃相和晶体相的折射率差异大于0.3，当所述单轴晶体的性质不满足所述折射率差异的标准时，通过掺杂或者更换单轴晶体的方式，使单轴晶体满足要求。
22.所述步骤s2中的光学数据点阵是由空间光调制器根据所需要存储的信息类型一步生成，所述光学数据点阵是经过编码的点阵，所述点阵中的每个点的激光辐照参数是可控的，所述点阵是由不同参数的点构成的图案或者是由相同参数的点构成的图案；所述光学数据点阵照射的空间位置由位移平台的运动实现。
23.所述微相变结构由超快激光在单轴晶体内部诱导产生，用于增大o光和e光的相位差，进而对入射到单轴晶体的线偏振光进行增强。
24.本发明具有如下有益效果：
25.本发明利用超快激光在晶体介质内部诱导的焦区干涉场，实现单轴晶体内部微相变结构，使用单个脉冲即可生成玻璃-晶体型周期结构，这种微纳结构完全由自组织生成的，不依赖复杂的光学系统和精密掩模版，大规模信息的写入只需要通过空间光调制器生成数据点阵，而后单脉冲照射即可，极大提升了数据写入效率，解决了无机介质高维光存储写入效率不足的问题。
26.本发明利用超快激光与无机物相互作用引发的多光子吸收过程实现自组织周期性结构的制备。这一过程是典型的非线性效应，强烈依赖激光强度，对材料的要求不高，能够在除了铌酸锂之外的多种晶体中诱导微相变结构，这使得基于该技术的高维数据存储具有较高的普适性，可利用的晶体材料范围大大增加，而无需额外研发存储介质，这能够有效降低数据存储成本，同时提升高维光存储的标准化程度。
27.微相变结构的光学信号在xyz三坐标、双折射信号、慢轴取向角的基础上增加了色偏振信号，使得光学信息复用维度达到六维，实现六维数据存储，极大提升了高维信息存储的密度。同时，加载第六维信息的色偏振信号的读取非常简单，只需要led白光光源配合一对偏振片和光学相机即可实现，极大降低了信息读取的成本。此外，色偏振信号读取所需的器件均可以实现小型化，这能够有效提升高维数据存储的集成化程度。
28.本发明所涉及的高维光存储器件，其核心部分为玻璃相-晶体相微相变结构，嵌入在晶体材料内部，其物理化学性质稳定，可以承受高温、高压，对外界的腐蚀，污染均不敏感，相对于有机介质存储，具有极高的稳定性和存储寿命。
附图说明
29.图1是本发明的总体构成示意图。
30.图2是图1中微相变结构制备装置示意图。
31.图3是图1中数据提取装置示意图。
32.图4是微相变结构色偏振信号的读取实验结果图。
33.图5微相变光存储技术工作原理示意图。
34.图中所示：1-计算机，2-超快激光器，3-快门，4-衰减器，5-格兰泰勒棱镜，6-半波片，71-第一全反射镜，72-第二全反射镜，8-空间光调制器，9-透镜组，10-反射镜，11-物镜，12-微相变结构，13-单轴晶体，14-位移平台，15-白光光源，16-起偏器，17-光轴，18-检偏器，19-透镜，20-探测器，21-待测对象。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
36.如图1所示，本发明的具体实施过程包括以下步骤：
37.步骤s1：选取z向切割的无机材料铌酸锂单晶作为单轴晶体13，然后将单轴晶体13固定在飞秒激光加工系统中的位移平台14上，且单轴晶体13自身光轴17的方向平行于位移平台14的xy面，使得超快激光器2发射的超快激光的入射方向与单轴晶体13的光轴17方向相垂直，调节位移平台14使单轴晶体13移动至数据写入所需的空间位置。具体的，空间位置参数为：加工深度为20-1000μm，数据层的间隔为20-100μm。
38.步骤s2：启动飞秒激光加工系统中的超快激光器2，且使用单脉冲输出模式，然后
根据实际需求，控制飞秒激光加工系统在单轴晶体13照射点处形成微相变结构12，利用微相变结构12对光的相位调制能力，以实现光学数据点阵的写入；具体的，如图1所示，超快激光器2输出一个单脉冲超快激光，在单轴晶体13内部诱导形成微相变结构12后，启动位移平台14，使单轴晶体13相对于物镜11移动到设定的位置，再开启超快激光器2输出另一个单脉冲超快激光，诱导形成新的微相变结构12，如此往复，实现数据的写入。
39.步骤s3：应用微相变数据点阵读取装置对含有光学数据点阵的待测对象21进行处理，完成超快激光的色偏振信号信息的读取，实现对超快激光的多维存储。
40.如图2所示，飞秒激光加工系统包括超快激光器2、快门3、衰减器4、格兰泰勒棱镜5、半波片6、第一全反射镜71、第二全反射镜72、空间光调制器8、透镜组9、反射镜10、物镜11和位移平台14；
41.快门3、衰减器4、格兰泰勒棱镜5、半波片6、第一全反射镜71、空间光调制器8、第二全反射镜72、透镜组9、反射镜10、物镜11和位移平台14依次顺序布置；；
42.超快激光器2发射的超快激光依次经快门3、衰减器4、格兰泰勒棱镜5透射过后入射到半波片6，超快激光透射过半波片6后再依次经第一全反射镜71、空间光调制器8、第二全反射镜72反射后入射到透镜组9，超快激光透射过透镜组9后再经反射镜10反射到物镜11上，超快激光透射过物镜11后入射到位移平台14上；其中，超快激光器2用于控制激光器输出功率、重频和脉宽；快门3的开闭用于控制光束的通过与断开；衰减器4用于调控超快激光平均功率；格兰泰勒棱镜5和半波片6用于控制超快激光束的偏振方向；第一全反射镜71用于将光束导入空间光调制器8；空间光调制器8对超快激光的相位和空间分布进行调整，从而生成携带数据信息的光学数据点阵，并控制各个点的偏振状态；第二全反射镜72用于将光束导入透镜组9；透镜组9用于观察成像效果和调控光斑大小；反射镜10和物镜11用于将光束聚焦到单轴晶体13内部，以形成微相变结构12；位移平台14控制着空间光调制器8生成的光学数据点阵写入的xyz空间的坐标位置。
43.飞秒激光加工系统还包括计算机1，计算机1分别与超快激光器2、快门3、衰减器4、半波片6和空间光调制器8进行电连接，实现对激光参数的控制。且位移平台14的控制端口也与计算机1电连接，用于控制单轴晶体13的三维运动。
44.具体的，超快激光在单轴晶体13内部的辐照会在焦点区域形成纳米级电离中心，纳米级电离中心在超快激光局部场增强效应的作用下由于各向异性而扩展成片状进而形成各向异性电离中心，在各向异性电离中心的作用下，单轴晶体13将发生周期性玻璃化转变，形成玻璃相-晶体相交替排列的周期性微相变结构12，其中玻璃相和晶体相的折射率差异达到0.3以上，导致超快激光辐照区的折射率呈现周期性分布。由于电离中心只存在于聚点中心的非线性电离区，因此可以突破光学衍射极限，使这种周期性玻璃化具有亚波长精度，其取向与超快激光偏振方向相垂直，这种自组装修饰生成光栅的周期一般为200nm左右，光栅线宽为20nm左右，进而使得该结构具有相位调制能力，在白光照射下，表现出高信噪比干涉色。随后，通过集成色偏振成像装置实现数据的读取。
45.步骤s2具体为：在飞秒激光加工系统中首先将超快激光的参数导入到计算机1中，其中，超快激光的参数为：设置初始平均功率值为3000mw，脉冲宽度为4ps以保证超快激光输出的稳定性；然后计算机1根据需要存储的数据信息，控制空间光调制器8对超快激光的相位和空间分布进行调整，从而生成携带数据信息的光学数据点阵；然后衰减器4控制光学
数据点阵中每个辐照点上的单脉冲能量为1000nj，从衰减器4透射出的光学数据点阵再经反射镜10反射后入射到物镜11，再透射过物镜11后在单轴晶体13内部聚焦，进而在单轴晶体13内聚焦处形成玻璃相-晶体相交替排列的进而折射率呈现周期性分布的微相变结构12，利用微相变结构12对光的相位调制能力，最终实现光学数据点阵的写入。
46.如图3所示，步骤s3中的微相变数据点阵读取装置，包括白光光源15、起偏器16、检偏器18、透镜19和探测器20；
47.探测器20、透镜19、检偏器18、起偏器16、白光光源15自上而下平行间隔正对设置；待测对象21设置在起偏器16和检偏器18之间，起偏器16和检偏器18均为偏振片，且消光比均大于1000，起偏器16和检偏器18的偏振化方向既不互相垂直，也不互相平行，而是呈一定的角度，且角度的选取，以得到最强的色偏振信号为准；白光光源15发出的光经过起偏器16、待测对象21、检偏器18和透镜19后，被探测器20接收，即实现色偏振信号的读取如图4所示。
48.待测对象21为步骤s2中获得的已形成微相变结构12的单轴晶体13。
49.步骤s3具体为：首先起偏器16将白光光源15发出的光转变为线偏振光；然后线偏振光沿着垂直于单轴晶体13光轴17的方向入射到单轴晶体13，且在单轴晶体13内发生双折射后形成o光和e光，o光和e光再透射过检偏器18后发生干涉形成具有不同色彩的色偏振信号，之后具有不同色彩的色偏振信号再透射过透镜19后，被探测器20接收，完成对超快激光的色偏振信号信息的读取，实现对超快激光的多维存储。具体的，白光光源15发出的光线经过起偏器16变为较纯的线偏振光，偏振光经过晶体分为o光和e光，o光和e光在单轴晶体13中传播方向一样，经过微相变结构12后，特定波段的o光和e光将具备干涉相长的相位条件，当o光和e光经过检偏器18后，将最终具备干涉条件，表现出色偏振信号。该色偏振信号通过透镜19成像后被探测器20收集，通过数据解码算法得到存储的数据信息。又因为微相变结构12的取向具有偏振依赖性，因此不同偏振写入的微相变结构12会具有不同色彩，从而实现对超快激光的多维存储。
50.o光和e光折射率差异大于0.1，且微相变结构12中玻璃相和晶体相的折射率差异大于0.3，当单轴晶体13的性质不满足折射率差异的标准时，通过掺杂或者更换单轴晶体13的方式，使单轴晶体13满足要求。
51.步骤s2中的光学数据点阵是由空间光调制器8根据所需要存储的信息类型一步生成，光学数据点阵是经过编码的点阵，点阵中的每个点的激光辐照参数是可控的，点阵是由不同参数的点构成的图案或者是由相同参数的点构成的图案；光学数据点阵照射的空间位置由位移平台14的运动实现。具体的，光学数据点阵中每个点都由微相变结构构成，点阵的加工为单脉冲加工，每个点阵的生成只需要一个超快脉冲入射。
52.微相变结构12由超快激光在单轴晶体13内部诱导产生，用于增大o光和e光的相位差，进而对入射到单轴晶体13的线偏振光进行增强。优选的，用于读取点阵信息的照明光源为经过准直的白光光源，且点阵信息的读取是采用具有彩色成像功能的光电探测器。
53.综上，微相变光存储技术的基本工作原理如图5所示，即首先利用物镜11聚焦垂直于光轴17入射的超快激光，在单轴晶体13内部实现微相变结构12的写入，再通过由白光光源15、起偏器16、检偏器18、透镜19和探测器20组成数据提取装置读取微相变结构12所携带的色偏振信号。