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    用于在石英玻璃中制造高密度納米結構的激光寫入方法
    材料來源:江蘇激光產業技術創新戰略聯盟           錄入時間:2021/11/1 22:55:31

    研究人員開發出了一種快速且節能的激光寫入方法,用于在石英玻璃中制造高密度納米結構。這些微小的結構可以用于五維(5D)光學數據的長期存儲,其密度是藍光光盤存儲技術的1萬多倍。

    南安迎新

    英國南安普敦大學(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據集,迫切需要更高效的高容量、低能耗和長壽命的數據存儲形式。”

    “雖然云系統更多地是為臨時數據設計的,但我們相信玻璃盤的5D數據存儲對于國家檔案館、博物館、圖書館或私人組織的長期數據存儲都會帶來顛覆性的創新。”

    Lei和他的同事在《Optica》中描述了他們新的5D數據寫入方法,包括兩個光學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,這相當于每秒記錄大約230千字節的數據(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,這種節能的寫入方法也可以用于透明材料的快速納米結構,以應用于3D集成光學和微流體。

    他們用該方法在一英寸的石英玻璃樣品中記錄了6 GB的數據。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的名稱和標記。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光學數據存儲并不新鮮,但是以足夠快的速度和足夠高的密度寫入數據對于現實應用來說仍極具挑戰性。為了克服這一障礙,研究人員使用高重復率的飛秒激光產生小孔,每個小孔包含一個納米薄片狀的結構,每個結構只有500×50納米。

    研究人員沒有使用飛秒激光直接在玻璃上書寫,而是利用這種光產生了一種被稱為近場增強(near-field enhancement)的光學現象,這種現象是由單脈沖微爆炸產生的各向同性納米空隙中的幾個弱光脈沖產生的納米薄片狀結構。使用近場增強使納米結構熱損傷最小化,而后者則是使用高重復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關系。

    因為納米結構是各向異性的,所以它們產生雙折射,其特征在于光的慢軸取向(第四維,對應于納米薄片狀結構的取向)和延遲強度(第五維,由納米結構的尺寸定義)。當數據被記錄到玻璃中時,慢軸取向和延遲強度可以分別由光的偏振和強度控制。

    “這種新方法將數據寫入速度提高到實用水平,因此我們可以在合理的時間內寫入幾十千兆字節的數據,”Lei說。“高度局部化的精密納米結構能夠實現更高的數據容量,因為單位體積內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,書寫大數據

    研究人員使用他們的新方法將5Gb(千兆字節)的文本數據寫入一個石英玻璃盤上,其大小約為傳統光盤的大小,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500兆字節的數據。

    石英玻璃內部雙折射結構的激光寫入。激光寫入設置示意圖。EOM是電光調制器,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10兆赫的不同重復率寫入的體素慢軸圖;(b)中的脈沖持續時間和波長分別為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升級,研究人員表示,在大約60天內寫入這么多數據則是可行的。研究小組負責人Peter G. Kazansky說:“在目前的系統下,我們有能力保存萬億字節的數據,比如可以用來保存一個人的DNA中的信息。研究人員現在正致力于提高他們方法的書寫速度,并使該技術在實驗室外可用。

    研究人員正在為實際的數據存儲應用開發更快的數據讀取方法,未來數據寫入可以在更小空間里以更快速度和更精確的準確度進行操作!

    (文章轉載自網絡,如有侵權,請聯系刪除)


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