本刊編譯整理

　　當(dāng)今的世界，每天會生成大量信息和高價值的數(shù)據(jù)集，因此迫切需要有高容量、低能耗和長壽命以及更有效的數(shù)據(jù)存儲形式。為了滿足日益增長的數(shù)據(jù)存儲需求，商業(yè)云提供商依賴磁介質(zhì)存儲技術(shù)。在寫入介電材料方面，飛秒（10-15s）激光通過快速精確的能量沉積為高密度、長壽命的數(shù)據(jù)存儲鋪平了道路。

　　玻璃磁盤上的500TB 數(shù)據(jù)

　　盡管之前已經(jīng)通過激光寫入來利用金屬納米顆?；驂河〖{米光柵的等離子體性質(zhì)來證明透明材料中的5D 光學(xué)數(shù)據(jù)存儲，但在現(xiàn)實世界的應(yīng)用中實現(xiàn)高數(shù)據(jù)寫入速度和容量仍然具有挑戰(zhàn)性。

　　為了克服這一障礙，本文作者所在的研究團隊使用10MHz 飛秒激光創(chuàng)建了微小的體素，每個體素都包含一個尺寸僅為500nm x 50nm 的單個納米片層結(jié)構(gòu)。這些微小的結(jié)構(gòu)可以用于幾乎永恒的5D 光學(xué)數(shù)據(jù)存儲，密度是藍(lán)光光盤存儲技術(shù)的10000 倍以上。所證明的這種多層數(shù)據(jù)的讀出精度接近100%。該技術(shù)可用于每秒寫入1000000個數(shù)據(jù)體素，相當(dāng)于每秒約230 千字節(jié)（kB）的數(shù)據(jù)（超過100 頁的文本）。

　　由于納米結(jié)構(gòu)是各向異性的，它們產(chǎn)生的雙折射可以通過慢軸取向（第四維度，對應(yīng)于納米薄片狀結(jié)構(gòu)的取向）和延遲強度（第五維度，由納米結(jié)構(gòu)的尺寸決定）來表征。當(dāng)用超快激光將數(shù)據(jù)寫入玻璃時，慢軸方向和延遲強度可以分別由光的偏振和強度控制。

　　研究人員沒有使用飛秒激光直接寫入，而是利用光產(chǎn)生了一種被稱為近場增強的光學(xué)現(xiàn)象。在這種現(xiàn)象中，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)生了類似納米片層的結(jié)構(gòu)。這減少了在使用高重復(fù)率激光器時可能出現(xiàn)的熱積聚和任何由此產(chǎn)生的損壞問題。

　　這種新方法將數(shù)據(jù)寫入速度提高到了實際水平，使能夠在合理的時間內(nèi)寫入數(shù)十GB 的數(shù)據(jù)。高度局部化、精確的納米結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)容量，因為單位體積中可以寫入更多的體素。此外，使用脈沖激光減少了寫入所需的能量。在目前的系統(tǒng)中，有能力保存數(shù)兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，例如這些數(shù)據(jù)可以用來保存一個人的DNA 信息。

　　超高效幾何相位整形和偏振控制

　　通過超快激光寫入的各向異性改性的另一個重要應(yīng)用是光束成形元件制造。傳統(tǒng)基于納米光柵的元件具有低光透射的缺點，特別是在可見光和紫外線范圍內(nèi)。在光電子研究中心，研究人員展示了一種新型的雙折射改性，通過在二氧化硅玻璃中進行超快激光直寫，實現(xiàn)了超高透射率。

　　觀察到直徑約為20nm 的隨機分布的扁納米孔，這是高透射率和可控雙折射的原因。為了進行演示，已經(jīng)制造了超低損耗空間可變雙折射光學(xué)元件，包括幾何相位平面棱鏡和透鏡、矢量光束轉(zhuǎn)換器和零階延遲器。展示的光學(xué)元件的高光學(xué)損傷閾值與原始二氧化硅玻璃相當(dāng)，克服了使用傳統(tǒng)材料和制造方法進行幾何相位和偏振整形的限制。

　　前方的道路

　　為了使超快激光雙折射圖案化技術(shù)在從光學(xué)數(shù)據(jù)存儲到光束成形元件的實際應(yīng)用中變得可行，高通量仍然是一個關(guān)鍵因素。當(dāng)前，研究人員正致力于通過使用40MHz激光器將數(shù)據(jù)寫入速度提高到MB/s 的水平，并使該技術(shù)在實驗室外可用。另一方面，存儲數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確讀出對于實際數(shù)據(jù)存儲應(yīng)用同樣重要。因此，他們正在考慮使用計算機控制的電動成像系統(tǒng)來提高讀出速度。

　　此外，今天具有高光學(xué)損傷閾值的高透射率光束成形元件由于其相對長的制造時間而昂貴。使用橢圓偏振脈沖而不是線性偏振的更有效的超快激光寫入，可以降低制造成本。更復(fù)雜的光束成形元件和全息圖也可以用這種技術(shù)壓印。因此，在不久的將來，性能更好、成本更低的多功能光束成形元件，可以用于更廣泛的場景。

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