CN108986846A - 一种基于空间方向复用的多维度光存储写入方法 - Google Patents

一种基于空间方向复用的多维度光存储写入方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空间方向复用的多维度光存储写入方法，包括：根据第一方向角的变化范围和分辨率以及第二方向角的变化范围和分辨率，通过二进制编码得到第一方向角和第二方向角的取值组合到比特数据的映射关系；根据映射关系，得到待写入数据所对应的第一方向角和第二方向角的取值组合并根据取值组合使得第一方向角为θ且第二方向角为从而实现数据的写入；其中，第一方向角和第二方向角分别为焦点处光场空间形状的主轴与z方向和x方向的夹角，z方向为激光入射方向的反方向，x方向和y方向互相垂直且均垂直于z方向，由此构成标准右手坐标系。本发明能够在原有的多维度光存储的基础上进一步提高光存储的存储容量。

Description

一种基于空间方向复用的多维度光存储写入方法
技术领域
本发明属于光存储领域，更具体地，涉及一种基于空间方向复用的多维度光存储写入方法。
背景技术
传统的CD、DVD、Blu-ray是典型的二维光存储技术，在传统的2D光盘中，只在一个信息记录层上存储了信息，光盘中绝大部分空间没有被使用，其存储容量很小，远远不能满足飞速增长的数据存储需求。提高存储维度是提高光存储容量的有效途径，利用飞秒激光实现的双光子/多光子激发技术可以在透明材料内部写入信息，同时不破坏相邻记录层。利用此技术可在存储介质中写入多层信息，因此被广泛使用并在多种材料上实现了3D存储。现有的3D光存储设备中，单碟容量可达1000GB。3D光存储的容量依然受限于记录点尺寸，其极限容量十分有限，不断增长的需求促进了多维度存储的发展。多维存储的基本思想是在一个记录点上实现信息状态的复用，也就是用写入激光的物理特性来编码信息。在材料的尺寸小到纳米量级时，其光学特性将变得更加复杂。例如，根据大小和形状的不同，纳米微粒会表现出对不同波长和偏振态的激光的选择性吸收，利用这种现象可以实现波长和偏振态的复用。通过对波长和偏振态的复用，单碟可具有近10TB的存储容量。飞秒激光在熔融石英中可以引入一种纳米光栅结构，该结构会表现出双折射特性。双折射的两个参数，慢轴方向和延迟值可分别通过激光的偏振态和光强来控制，可以实现偏振态和光强的复用。基于纳米光栅结构，单碟容量可达到360TB。
随着技术的发展，通过三维空间、光强、偏振、波长等复用，可实现多个维度的光存储。但是，根据大数据预测，到2025年，全球产生的数据总量将超过160ZB(1ZB＝109TB)，现有的多维光存储技术仍无法满足数据存储需求。因此，在存储单元尺寸受限于光学衍射极限的情况下，为了继续提高光存储的存储容量，迫切需要开发新的数据复用维度。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于空间方向复用的多维度光存储写入方法，其目的在于，通过对焦点处光场强度分布的空间方向的复用，在存储单元尺寸受限于光学衍射极限的情况下，进一步提高光存储的存储容量。
根据激光的物理特性，写入激光在焦点处的光场强度分布具有“椭球型”或“水滴形”的形状，焦点处光场分布的空间形状中存在一条主轴，现有的光存储写入方法中，该主轴与写入激光入射方向重合。通过对焦点处的光场分布进行控制，可以使得该主轴偏离写入激光入射方向，从而可以实现对空间方向的复用。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于空间方向复用的多维度光存储写入方法，包括：
(1)根据第一方向角的变化范围和分辨率以及第二方向角的变化范围和分辨率，通过二进制编码得到第一方向角和第二方向角的取值组合到比特数据的映射关系g；其中，第一方向角为焦点处光场空间形状的主轴与z方向的夹角，第二方向角为焦点处光场空间形状的主轴与x方向的夹角；z方向、x方向分别为根据激光入射方向建立的空间直角坐标系中z轴和x轴的方向，空间直角坐标系为标准的右手坐标系，在空间直角坐标系中，z方向为激光入射方向的反方向，x方向和y方向互相垂直且均垂直于z方向；
(2)根据映射关系g，得到待写入数据所对应的第一方向角和第二方向角的取值组合(θ,)，并根据取值组合(θ,)使得第一方向角为θ且第二方向角为，从而实现数据的写入。
进一步地，步骤(2)中，根据取值组合(θ,)使得第一方向角为θ且第二方向角为，包括：
(211)获得基于三维傅里叶变换的激光直写光路中矢量场分布到第一方向角和第二方向角的取值组合的映射关系g1；
(212)获得基于三维傅里叶变换的激光直写光路中SLM上的相位图到矢量场分布的映射关系g2；
(213)根据映射关系g1，得到取值组合(θ,)所对应的矢量场分布T；
(214)根据映射关系g2，得到矢量场分布T所对应的相位图I1；
(215)使得基于三维傅里叶变换的激光直写光路中SLM上的相位图为I1，由此使得第一方向角的取值为θ且第二方向角的取值为。
进一步地，步骤(2)中，根据取值组合(θ,)使得第一方向角为θ且第二方向角为，包括：
(221)获得基于时空聚焦的激光直写光路中的光栅参数到第一方向角和第二方向角的取值组合的映射关系F；光栅参数包括：光路中光栅的角度和周期；
(222)根据映射关系F，得到取值组合(θ,)所对应的光栅参数G；
(223)使得基于时空聚焦的激光直写光路中的光栅参数为G，由此使得第一方向角的取值为θ且第二方向角的取值为。
进一步地，步骤(2)中，根据取值组合(θ,)使得第一方向角为θ且第二方向角为，包括：
(231)获得基于多焦点干涉的激光直写光路中多焦点空间分布图到第一方向角和第二方向角的取值组合的映射关系l1；
(232)获得基于多焦点干涉的激光直写光路中SLM上的相位图到多焦点空间分布图的映射关系l2；
(233)根据映射关系l1，得到取值组合(θ,)所对应的多焦点空间分布图P；
(234)根据映射关系l2，得到多焦点空间分布图P所对应的相位图I2；
(235)使得基于多焦点干涉的激光直写光路中空间光调制器上的相位图为I2，由此使得第一方向角的取值θ为且第二方向角的取值为。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的基于空间方向复用的多维度光存储写入方法，通过对焦点处的光场分布进行控制，使得该主轴偏离写入激光入射方向，实现了对空间方向的复用，因此能够在存储单元尺寸受限于光学衍射极限的情况下，在原有的多维度光存储的基础上进一步提高光存储的存储容量。
(2)本发明所提供的基于空间方向复用的多维度光存储写入方法，通过在现有的激光直写光路中实施不同的调节方法即可实现对焦点处光场分布的空间方向的控制，而无需设计特定的写入装置，因此实现成本较低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的二进制编码方式示意图；(a)为传统写入方法中焦点处光场分布的示意图；(b)为第一方向角为θ2且第二方向角为时焦点处光场分布的示意图；(c)为第一方向角为θ3且第二方向角为时焦点处光场分布的示意图；
图2为本发明实施例提供的基于空间方向复用的多维度光存储写入方法流程图；
图3为现有的基于三维傅里叶变换的激光直写光路示意图；(a)为包含4f系统的光路示意图；(b)为不包含4f系统的光路示意图；
图4为现有的基于时空聚焦的激光直写光路示意图；(a)为包含两个光栅的光路示意图；(b)为包含一个光栅以及一个后向反射镜的光路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
常规的多维光存储写入方法只对激光的光强、偏振态以及波长进行控制，以实现这些维度的复用。根据激光的物理特性，写入激光在焦点的光场分布具有“椭球型”或“水滴形”的形状，焦点处光场分布的空间形状中存在一条主轴，现有的光存储写入方法中，该主轴与写入激光入射方向重合，如图1(a)所示。通过对焦点处的光场分布进行控制，可以使得该主轴偏离写入激光入射方向，从而可以实现对空间方向的复用。
如图2所示，本发明提供的基于空间方向复用的多维度光存储写入方法包括：
(1)根据第一方向角的变化范围和分辨率以及第二方向角的变化范围和分辨率，通过二进制编码得到第一方向角和第二方向角的取值组合到比特数据的映射关系g；其中，第一方向角为焦点处光场空间形状的主轴与z方向的夹角，第二方向角为焦点处光场空间形状的主轴与x方向的夹角；z方向、x方向分别为根据激光入射方向建立的空间直角坐标系中z轴和x轴的方向，空间直角坐标系为标准的右手坐标系，在空间直角坐标系中，z方向为激光入射方向的反方向，x方向和y方向互相垂直且均垂直于z方向；
在本发明的一个实施例中，编码方式如图1所示，其中第一方向角用于存储两个比特信息，第二方向角用于存储4个比特信息，k为激光入射方向；第一方向角为θ2且第二方向角为时，存储的比特数据为10|0100，如图1(b)所示；第一方向角为θ3且第二方向角为时，存储的特特数据为01|0010，如图1(c)所示；其余的编码在此不作赘述；
(2)根据映射关系g，得到待写入数据所对应的第一方向角和第二方向角的取值组合(θ,)，并根据取值组合(θ,)设定光路参数使得第一方向角为θ且第二方向角为，从而实现数据的写入。
基于三维傅里叶原理的光束三维整形技术近年来得到了广泛的发展，可实现离散的三维点阵、连续的三维光强分布等，但仍未实现焦点处光强分布的三维操纵。根据论文《Polarization-multiplexed multifocal arrays by aπ-phase-stepmodulatedazimuthally polarized beam》(2014)中对基于三维傅里叶变换的激光直写光路的详细介绍，可知，基于三维傅里叶变换的激光直写光路包括一个空间光调制器(SLM)，两个透镜(L1,L2)和一个物镜(OL)，如图3(a)所示，相位调制信息经过两个透镜组成的4f系统传递给物镜，其中，f1、f2和f0分别为透镜L1、透镜L2和物镜OL的焦距。当光路较短时，两个透镜可省去，如图3(b)所示。
在本发明的第一实施例中，步骤(2)中利用基于三维傅里叶变换的激光直写光路使得第一方向角为θ且第二方向角为，在三维傅里叶基础上引入德拜衍射理论，通过控制矢量场分布来达到光束的三维整形，具体包括：
(211)获得基于三维傅里叶变换的激光直写光路中矢量场分布到第一方向角和第二方向角的取值组合的映射关系g1；
(212)获得基于三维傅里叶变换的激光直写光路中SLM上的相位图到矢量场分布的映射关系g2；
(213)根据映射关系g1，得到取值组合(θ,)所对应的矢量场分布T；
(214)根据映射关系g2，得到矢量场分布T所对应的相位图I1；
(215)使得基于三维傅里叶变换的激光直写光路中SLM上的相位图为I1，由此使得第一方向角的取值为θ且第二方向角的取值为。
时空聚焦技术是一种最大化飞秒激光短脉冲特性的技术，被广泛应用于激光加工和显微成像等方面。根据论文《Characterization and control of peak intensitydistribution at the focus of a spatiotemporally focused femtosecond laserbeam》(2014)、论文《Direct Writing with Tilted-Front Femtosecond Pulses》(2017)以及论文《Analysis of pulse front tilt in simultaneous spatial and temporalfocusing》(2014)中对基于时空聚焦的激光直写光路的详细介绍，可知，基于时空聚焦的激光直写光路包括一个飞秒激光器(FL),两个光栅(G1,G2)和一个物镜(OL)，如图4(a)所示；或者，光路包括一个飞秒激光器(FL)，一个光栅(GR)、一个后向反射镜(RR)，以及两个平面反射镜(M1,M2)，如图4(b)所示。
在本发明的第二实施例中，步骤(2)中，利用基于时空聚焦的激光直写光路使得第一方向角为θ且第二方向角为，通过改变光栅的角度和周期来控制光束三维分布的两个方向角，具体包括：
(221)获得基于时空聚焦的激光直写光路中的光栅参数到第一方向角和第二方向角的取值组合的映射关系F；光栅参数包括：光路中光栅的角度和周期；在包含两个光栅的光路中，两个光栅的角度和周期均按照光栅参数进行相同的设定；
(222)根据映射关系F，得到取值组合(θ,)所对应的光栅参数G；
(223)使得基于时空聚焦的激光直写光路中的光栅参数为G，由此使得第一方向角的取值为θ且第二方向角的取值为。
基于多焦点干涉的激光直写光路同图3，利用空间光调制器可在目标区域附近产生多个焦点。多焦点技术是广泛应用在材料加工、光镊、光存储等领域的激光平行加工技术。
在本发明的第三实施例中，步骤(2)中，利用基于多焦点干涉的激光直写光路使得第一方向角为θ且第二方向角为，通过改变空间光调制器上的相位图来控制焦点区域的三维光场分布，具体包括：
(231)获得基于多焦点干涉的激光直写光路中多焦点空间分布图到第一方向角和第二方向角的取值组合的映射关系l1；
(232)获得基于多焦点干涉的激光直写光路中SLM上的相位图到多焦点空间分布图的映射关系l2；
(233)根据映射关系l1，得到取值组合(θ,)所对应的多焦点空间分布图P；
(234)根据映射关系l2，得到多焦点空间分布图P所对应的相位图I2；
(235)使得基于多焦点干涉的激光直写光路中空间光调制器上的相位图为I2，由此使得第一方向角的取值θ为且第二方向角的取值为。
在上述三个实施例中，可通过仿真或实验获得映射关系g1、映射关系g2、映射关系F、映射关系l1以及映射关系l2。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于空间方向复用的多维度光存储写入方法，其特征在于，包括：
(1)根据第一方向角的变化范围和分辨率以及第二方向角的变化范围和分辨率，通过二进制编码得到第一方向角和第二方向角的取值组合到比特数据的映射关系g；其中，所述第一方向角为焦点处光场空间形状的主轴与z方向的夹角，所述第二方向角为焦点处光场空间形状的主轴与x方向的夹角；z方向、x方向分别为根据激光入射方向建立的空间直角坐标系中z轴和x轴的方向，所述空间直角坐标系为标准的右手坐标系，在所述空间直角坐标系中，z方向为激光入射方向的反方向，x方向和y方向互相垂直且均垂直于所述z方向；
(2)根据所述映射关系g，得到待写入数据所对应的所述第一方向角和所述第二方向角的取值组合并根据所述取值组合使得所述第一方向角为θ且所述第二方向角为从而实现数据的写入。
2.如权利要求1所述的基于空间方向复用的多维度光存储写入方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据所述取值组合使得所述第一方向角为θ且所述第二方向角为包括：
(211)获得基于三维傅里叶变换的激光直写光路中矢量场分布到所述第一方向角和所述第二方向角的取值组合的映射关系g1；
(212)获得基于三维傅里叶变换的激光直写光路中SLM上的相位图到矢量场分布的映射关系g2；
(213)根据所述映射关系g1，得到所述取值组合所对应的矢量场分布T；
(214)根据所述映射关系g2，得到所述矢量场分布T所对应的相位图I1；
(215)使得基于三维傅里叶变换的激光直写光路中SLM上的相位图为I1，由此使得所述第一方向角的取值为θ且所述第二方向角的取值为
3.如权利要求1所述的基于空间方向复用的多维度光存储写入方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据所述取值组合使得所述第一方向角为θ且所述第二方向角为包括：
(221)获得基于时空聚焦的激光直写光路中的光栅参数到所述第一方向角和所述第二方向角的取值组合的映射关系F；所述光栅参数包括：光路中光栅的角度和周期；
(222)根据所述映射关系F，得到所述取值组合所对应的光栅参数G；
(223)使得基于时空聚焦的激光直写光路中的光栅参数为G，由此使得所述第一方向角的取值为θ且所述第二方向角的取值为
4.如权利要求1所述的基于空间方向复用的光存储写入方法，其特征在于，所述步骤(2)中，根据所述取值组合使得所述第一方向角为θ且所述第二方向角为包括：
(231)获得基于多焦点干涉的激光直写光路中多焦点空间分布图到所述第一方向角和所述第二方向角的取值组合的映射关系l1；
(232)获得基于多焦点干涉的激光直写光路中SLM上的相位图到多焦点空间分布图的映射关系l2；
(233)根据所述映射关系l1，得到所述取值组合所对应的多焦点空间分布图P；
(234)根据所述映射关系l2，得到所述多焦点空间分布图P所对应的相位图I2；
(235)使得基于多焦点干涉的激光直写光路中空间光调制器上的相位图为I2，由此使得所述第一方向角的取值θ为且所述第二方向角的取值为
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