使用超快激光写入优化数据存储和光束整形

当今的世界，每天会生成大量信息和高价值的数据集，因此迫切需要有高容量、低能耗和长寿命以及更有效的数据存储形式。为了满足日益增长的数据存储需求，商业云提供商依赖磁介质存储技术。在写入介电材料方面，飞秒（10-15s）激光通过快速精确的能量沉积为高密度、长寿命的数据存储铺平了道路。

玻璃磁盘上的500TB数据

尽管之前已经通过激光写入来利用金属纳米颗粒或压印纳米光栅的等离子体性质来证明透明材料中的5D光学数据存储，但在现实世界的应用中实现高数据写入速度和容量仍然具有挑战性。

为了克服这一障碍，本文作者所在的研究团队使用10MHz飞秒激光创建了微小的体素，每个体素都包含一个尺寸仅为500nm x 50nm的单个纳米片层结构。这些微小的结构可以用于几乎永恒的5D光学数据存储，密度是蓝光光盘存储技术的10000倍以上。所证明的这种多层数据的读出精度接近100%。该技术可用于每秒写入1000000个数据体素，相当于每秒约230千字节（kB）的数据（超过100页的文本）。

由于纳米结构是各向异性的，它们产生的双折射可以通过慢轴取向（第四维度，对应于纳米薄片状结构的取向）和延迟强度（第五维度，由纳米结构的尺寸决定）来表征。当用超快激光将数据写入玻璃时，慢轴方向和延迟强度可以分别由光的偏振和强度控制。

研究人员没有使用飞秒激光直接写入，而是利用光产生了一种被称为近场增强的光学现象。在这种现象中，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了类似纳米片层的结构。这减少了在使用高重复率激光器时可能出现的热积聚和任何由此产生的损坏问题。

这种新方法将数据写入速度提高到了实际水平，使能够在合理的时间内写入数十GB的数据。高度局部化、精确的纳米结构能够实现更高的数据容量，因为单位体积中可以写入更多的体素。此外，使用脉冲激光减少了写入所需的能量。在目前的系统中，有能力保存数兆字节的数据，例如这些数据可以用来保存一个人的DNA信息。

超高效几何相位整形和偏振控制

通过超快激光写入的各向异性改性的另一个重要应用是光束成形元件制造。传统基于纳米光栅的元件具有低光透射的缺点，特别是在可见光和紫外线范围内。在光电子研究中心，研究人员展示了一种新型的双折射改性，通过在二氧化硅玻璃中进行超快激光直写，实现了超高透射率。

观察到直径约为20nm的随机分布的扁纳米孔，这是高透射率和可控双折射的原因。为了进行演示，已经制造了超低损耗空间可变双折射光学元件，包括几何相位平面棱镜和透镜、矢量光束转换器和零阶延迟器。展示的光学元件的高光学损伤阈值与原始二氧化硅玻璃相当，克服了使用传统材料和制造方法进行几何相位和偏振整形的限制。

前方的道路

为了使超快激光双折射图案化技术在从光学数据存储到光束成形元件的实际应用中变得可行，高通量仍然是一个关键因素。当前，研究人员正致力于通过使用40MHz激光器将数据写入速度提高到MB/s的水平，并使该技术在实验室外可用。另一方面，存储数据的快速准确读出对于实际数据存储应用同样重要。因此，他们正在考虑使用计算机控制的电动成像系统来提高读出速度。

此外，今天具有高光学损伤阈值的高透射率光束成形元件由于其相对长的制造时间而昂贵。使用椭圆偏振脉冲而不是线性偏振的更有效的超快激光写入，可以降低制造成本。更复杂的光束成形元件和全息图也可以用这种技术压印。因此，在不久的将来，性能更好、成本更低的多功能光束成形元件，可以用于更广泛的场景。

作者：Peter Kazansky、Yuhao Lei（南安普敦大学光电子研究中心）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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