论文标题：Five-Dimensional Optical Data Storage Based on Ellipse Orientation and Fluorescence Intensity in a Silver-Sensitized Commercial Glass（新一代光学永久记录方法：5D光数据存储）

期刊：Micromachines

作者：Chang-Hyun Park, Yannick Petit, Lionel Canioni and Seung-Han Park

发表时间：21 October 2020

DOI：10.3390/mi11121026

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期刊链接：https://www.mdpi.com/journal/micromachines

摘要：5D数据存储单元其中的3D为XYZ轴, 其余2D分别为椭圆形数据存储单元的方向和其荧光强度。5D数据存储将极大提高数据存储能力和延长数据的存储期限，有望成为下一代光学永久记录方法。

正文

说到数字光盘 (人们常称它为碟片)，八零九零的读者们一定不陌生。诞生于二十世纪末的数字视频光盘，即CDs和DVDs，推动了世界娱乐业新一轮的蓬勃，将多彩有趣的视频媒体带入了千家万户。但是，"新生替旧代"，这种传统的存储介质 (例如CDs和DVDs) 因其存储容量和使用寿命的局限性，终将会无法满足客观需求而被时代淘汰。因此，为了寻找能替代它们的 "新生儿"，广大科研工作者将目光投向了高密度光数据存储(ODS)技术。

来自韩国延世大学的Seung-Han Park教授及其团队和法国波尔多大学的Yannick Petit博士及其团队在Micromachines期刊上发表了一篇题为“Five-Dimensional Optical Data Storage Based on Ellipse Orientation and Fluorescence Intensity in a Silver-Sensitized Commercial Glass”的文章。文中提出在含银商业玻璃中可以采用相对较低的激光强度以激光直写技术进行5D多层光数据存储。另外，利用飞秒激光变形聚焦技术提高实验自由度，将空心圆柱结构转变为空心椭圆结构，为5D数据存储开辟了新的途径。

一般来说，在玻璃 (主要是熔融二氧化硅) 中产生的微/纳尺度的光数据存储单元是通过激光直写技术 (DLW) 修改I型或II型折射率产生的，分别对应于各向同性折射率的变化或自组织形式双折射纳米光栅的产生。这两种激光直写技术都需要高激光强度。相比之下，本文作者的研究团队在之前的研究中发现，如果利用特定的敏化材料，在含银玻璃中以相对较低的入射光辐照度 (10 TW/cm2)可以改变银型 (A型) 的折射率[1]。A型激光直写技术能激发荧光空心圆柱结构已被证明，研究学者们也从各个方面 (与线性相关的空间三维分布、非线性微型光谱以及在多脉冲激光-玻璃相互作用下的详细数值模拟) 对该结构进行了广泛且深入的研究。

实验材料

含银商业玻璃

在5D ODS实验中的样品为法国ArgoLight Company 提供的含银商业玻璃 (AG01®)。在这项研究中，在固定的点对点位置进行激光雕刻，形成控制方向和荧光强度的局域模式。

实验方法

定向椭圆荧光图案及荧光校准矩阵

图1a显示了记录4位图图像的实验装置。A型DLW使用的激光光源是Yb:KGW飞秒激光 (9.8 MHz重复率，持续时间390 fs脉冲半宽和在1030nm的操作水平)；利用声光调制器 (AOM) 产生16步入射激光强度；利用液晶硅空间光调制器 (SLM) 调节激光束的相位；激光束通过物镜聚焦。图1b显示了带有圆形轮廓 (左) 和圆柱体轮廓 (右) 的SLM全息相位掩模。实际上，作者引入了一个具有圆柱形轮廓的SLM相位掩模，在切向焦点处产生椭圆荧光图案，以控制方向编码取向[2]。在切向焦点处的16步椭圆图案的方向是由逐渐旋转SLM掩模形成的，同时保持圆柱形轮廓。图1c显示了由A型DLW在0-168.75°的范围内以11.25°的步长变化产生的具有16步取向方向的荧光图案。在切向焦点处的荧光强度最强，呈清晰的椭圆形图案。同时，椭圆的偏心率也被调整为最佳DLW后检索取向方向。

图1. 定向椭圆荧光图案的形成和观察

图2记录了制备荧光校准的矩阵，其中 (a) 图中所有基本存储单元的共焦图像由16个强度层次和16个取向层次组成，(b) 图中测量了在5D解码过程中的荧光强度和入射DLW强度。

图2. 16个强度等级和16个椭圆方向的荧光校准矩阵

实验结果

本实验选择两位法国籍诺贝尔物理学奖获得者的头像，同时在入射激光强度维度和椭圆取向维度上进行激光直写。每个图像都由100×100像素组成，将其分别通过24=16的椭圆取向级别和24=16的强度级别转换为4位图格式 (分别如图3a，b所示)。如图3c所示，使用激光辐射记录的图像在纠缠的5D ODS图像中肉眼可辨。相较之下，由于不同定向级别的不规则荧光强度，通过椭圆取向记录的图像根本不明显。所以需要一个荧光校准矩阵来检索每个图案的椭圆方向。图3d显示了16×16强度和方向级别的荧光校准矩阵。为减少解码误差，会同时在嵌入的DLW图像附近的一个单独区域制作校准矩阵。

图3.(a,b)分别是两位诺贝尔奖获得者在16个方向级和16个强度级的编码图像。(c) 16×16强度和取向水平之间的100×100像素纠缠图案。(d)制作用于解码的荧光校准矩阵(在405nm的荧光激发)

与传统的DLW相比，作者采用相对较低的激光强度 (具有很高的脉冲数，脉冲能量小于100 nJ)，在含银玻璃中采用A型DLW技术实现了5D光数据存储。传统的DLW通常依赖于μJ级的脉冲能量水平，其产生的脉冲数较低。作者们通过引入飞秒激光刻录的定向椭圆型荧光图案的三维分布，获得了五个维度。椭圆图案是由变形聚焦创建的，采用SLM将定位调整到16个级别。此外，作者们还利用AOM器件对16能级的飞秒激光强度进行了调节。

作者们采用A型激光直写技术在含银商业玻璃中将两个不同的图像同时嵌入在相同的平面上，并且通过应用16个椭圆方向级别和16个强度级别，生成了用于5D记录的100×100像素4位图格式图像。另外，研究人员在DLW图像附近还制作了一个16×16强度和定向水平的校准矩阵，用于读出过程，并成功还原了两幅4位图格式的原始图像，其取向方向和荧光强度分别为60.5%和25.1%。

虽然可靠的十六进制信息管理需要较高的可信度，但是本文的研究工作证明了采用相对较低的激光强度以激光直写技术进行5D多层光数据存储是可行的，作者认为该技术有望用于下一代光学永久记录。

参考文献：

1. Khalil, A.A.; Bérubé, J.-P.; Danto, S.; Cardinal, T.; Petit, Y.; Canioni, L.; Vallée, R. Comparative study between the standard type I and the type A femtosecond laser induced refractive index change in silver containing glasses. Opt. Mater. Express 2019, 9, 2640–2651.

2. Davis, J.A.; Schley-Seebold, H.M.; Cottrell, D.M. Anamorphic optical systems using programmable spatial light modulators. Appl. Opt. 1992, 31, 6185–6186.

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