CN109637557B

CN109637557B - 六维高密度信息存储方法

Info

Publication number: CN109637557B
Application number: CN201811385934.6A
Authority: CN
Inventors: 徐毅; 欧阳旭; 李向平; 曹耀宇
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2038-11-20
Also published as: CN109637557A

Abstract

本发明的六维高密度信息存储方法，利用拉盖尔‑高斯光束轨道角动量和径向波结数在无序金纳米棒体系中产生空间上不重叠的电磁能量热点，亦即激励起准正交的局域模式，从而增加信息存储复用的物理维度，同时，利用轨道角动量的通道数目理论上是无穷的，该物理维度可以极大地增加存储通道数目的技术原理，以及基于光束轨道角动量的复用可以同时与波长复用存储、偏振复用存储和空间复用存储在相同读写焦斑内实现的技术原理，以此来突破常规五维光信息存储技术存储容量的极限。

Description

六维高密度信息存储方法

技术领域

本发明涉及光信息存储技术领域，特别是涉及一种六维高密度信息存储方法。

背景技术

21世纪人类进入信息社会，知识经济成为推动社会进步、促进科技发展的强大动力，信息存储、传输与处理是提高社会整体发展水平最重要的保障条件之一。由于信息的多媒体化，现在人们需要处理活动图像和高清晰的图像等。IDC预计，全球数据总量到2020年将增长50倍，而数据存储量的需求增长将大于50倍。面对21世纪，人们急需考虑如何有效地存储和管理越来越多的数据和如何应用这些数据。信息存储空间日益拥挤，信息数据的采集和数据管理体系的复杂性越来越高，以及网络的普及，将导致存储领域面临更多的机遇和挑战。

光信息存储，亦即光信息存储技术，已经成为了现代信息社会中不可或缺的信息存储载体。此项技术具有历史数据不允许修订、寿命长、海量存储、绿色存储等诸多方面的优点。光信息存储技术的存储容量相比于传统的蓝光光盘存储技术要大的多，光信息存储技术顺应时代的发展应运而生，解决了现在社会迫切需要超大容量对文档进行备份和存储的要求。但现有的光信息存储技术，为了实现更大容量的信息存储，采用的是多维光存储技术，现有的多维信息存储技术主要通过聚焦激光与无序金纳米颗粒系统之间的相互作用来实现，目前已实现的最高维度信息存储依赖于激光的频率、偏振以及无序金纳米棒存储介质所提供的三维空间来实现五维光存储。如果使用该技术进行信息存储，与一张DVD碟等同体积的存储介质可以存储超过TB量级的数据。

光信息存储的原理是以二进制数据的形式来存储信息。通常借助激光将转换后的二进制数刻录在具有反射能力的碟片上，产生凹点或小坑。为了识别数据，可规定刻出的小坑代表二进制数“1”，而空白则代表二进制数“0”。在读取数据时，激光在小坑处不被反射，代表“1”，而在空白处被反射，代表“0”，通过电脑可以将读取的二进制代码还原成原来的信息。在写读过程中光盘在光驱中高速转动，激光头则在电机的控制下沿径向移动，于是光盘中的数据就源源不断地被读取出来。与CD光盘比较，DVD光盘的凹坑更小，且部分采用螺旋储存凹坑使得坑与坑的间距更小，因此获得更高的存储密度。一般DVD光盘存取数据信息的坑点非常紧密，最小凹坑长度仅为0.4μm，相邻坑点的间距离仅为CD光盘的50％，且相邻轨距只有0.74μm。目前，市面上出现了不同容量的DVD光盘，直径为120mm的DVD光盘单面容量为4.7GB，双面容量为9.4GB。如果改成双面双层，则容量可达18GB。因此，标称容量为5GB、9GB、10GB、18GB的DVD-5、DVD-9、DVD-10、DVD-18的光盘系列分别对应于单、双、多层光盘。由于光盘需与光盘机配套使用，DVD光盘的价格随容量上升而升高。

现有的多维光信息存储技术，尤其是五维光信息存储技术，主要是通过聚焦激光与无序金纳米颗粒系统之间的相互作用来实现，目前已实现的最高维度信息存储依赖于激光的频率、偏振以及无序金纳米棒存储介质所提供的三维空间来实现五维光存储。如果使用该技术进行信息存储，其一张DVD碟等同体积的存储介质可以存储超过TB量级的数据。但现有五维光存储技术在同一个存储位置，仅能通过读写激光的波长和偏振与存储介质进行相互作用，其存储维度和存储路数处于一个瓶颈阶段。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种新增一个激光轨道角动量自由度的，使得每个维度包含多个无串扰的存储通道的，进而大幅度提高存储容量的六维高密度信息存储方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种六维高密度信息存储方法，包括：

步骤S01、制备金纳米棒光存储介质；

步骤S02、根据预设存储元参数，对所述金纳米棒光存储介质对应的空间位置进行栅格化处理，以在所述金纳米棒光存储介质上形成多个三维存储单元；

步骤S03、控制飞秒脉冲激光器产生的水平线偏振飞秒脉冲顺序经过格兰棱镜、四分之一波片和螺旋相位板，以形成偏振可控的拉盖尔-高斯光束；

步骤S04、采用二向色镜对所述拉盖尔-高斯光束进行反射后，再使所述拉盖尔-高斯光束通过物镜，得到写入光束；

步骤S05、将待写入信息进行二元数字化编码处理，得到预设写入路径；

步骤S06、所述写入光束根据所述预设写入路径，并通过三维微纳米位移台在预设写入时间内在各所述三维存储单元上进行信息写入操作；

当所述写入光束在当前所述三维存储单元的当前写入功率大于预设写入功率阈值时，则当前所述三维存储单元中的耦合金纳米棒产生的电磁场能量热点会加强所述耦合金纳米棒附近的金纳米棒的对所述写入光束的激光能量的吸收效率，使得所述耦合金纳米棒附近的金纳米棒达到熔点并被熔化，从而使所述金纳米棒的局域表面等离子体谐振偏离原共振波长，进而使当前所述三维存储单元对所述写入光束的双光子吸收效率下降，以降低当前所述三维存储单元发射的双光子荧光强度。

在其中一个实施方式中，所述步骤S01制备金纳米棒光存储介质具体操作为：

步骤S011、制备金纳米棒；

步骤S012、采用匀胶机根据预设均匀度将所述金纳米棒均匀分散在聚合物中，得到所述金纳米棒光存储介质。

在其中一个实施方式中，所述预设均匀度由所述金纳米棒的原液与所述聚合物之间的质量比控制。

在其中一个实施方式中，所述预设均匀度由所述匀胶机的旋转速度控制。

在其中一个实施方式中，所述预设均匀度由所述匀胶机的匀胶温度控制。

在其中一个实施方式中，所述聚合物为聚乙烯醇。

在其中一个实施方式中，所述步骤S02所述根据预设存储元参数，对所述金纳米棒光存储介质对应的空间位置进行栅格化处理的操作中，所述预设存储元参数包括金纳米棒光存储介质的存储元大小和存储元数目。

在其中一个实施方式中，所述预设写入时间由计算机可编程的快门控制。

本发明相比于现有技术的优点及有益效果如下：

本发明利用拉盖尔-高斯光束轨道角动量和径向波结数在无序金纳米棒体系中产生空间上不重叠的电磁能量热点，亦即激励起准正交的局域模式，从而增加信息存储复用的物理维度，同时，利用轨道角动量理论上无穷的通道数目，该物理维度可以增加存储通道数目的技术原理，以及基于光束轨道角动量的复用可以同时与波长复用存储、偏振复用存储和空间复用存储在同一个焦斑内实现的技术原理，以此来突破常规五维光信息存储技术存储容量的极限。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的一实施方式中的六维高密度信息存储方法的流程示意图；

图2为本发明的一实施方式中的六维高密度信息读取方法的流程示意图；

图3为本发明的一实施方式中的10*10根相同尺寸金纳米棒阵列的结构示意图；

图4为本发明的一实施方式中的拓扑荷+1的拉盖尔-高斯光束焦点附近的电场矢量空间分布示意图；

图5为本发明的一实施方式中的拓扑荷-1的拉盖尔-高斯光束焦点附近的电场矢量空间分布示意图；

图6为本发明的一实施方式中的拓扑荷分别为-1和1的拉盖尔-高斯光束与10*10无序金纳米棒阵列相互作用时在不同波长处的电场分布示意图；

图7为本发明的一实施方式中的金纳米棒分散在水中的扫描电镜示意图；

图8为本发明的一实施方式中的PVA中金纳米棒分布的透射电镜示意图；

图9为本发明的一实施方式中的六维高密度光信息存储实验装置的结构示意图；

图10为本发明的一实施方式中的拓扑荷(l₁＝2,l₂＝-2)的不同波长(λ₁＝800nm,λ₂＝850nm)拉盖尔-高斯光束在无序耦合金纳米棒体系读取信息示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，一种六维高密度信息存储方法，包括：

步骤S01、制备金纳米棒光存储介质。

如此，需要说明的是，利用溶胶-凝胶法制备特定长径比的金纳米棒，将制备好的特定长径比的金纳米棒均匀分散在聚合物中，在上述过程中，可利用超声波水浴的方法将金纳米棒均匀分散在聚合物中，再通过匀胶机，对均匀分散有金纳米棒的聚合物进行相关处理，制备出具有不同耦合强度的无序金纳米棒-聚合物薄膜。金纳米棒是否能均匀分散在聚合物中，是得到优质的金纳米棒光存储介质的重要保证。因此，为了得到优质的金纳米棒光存储介质，作为优选实施方式，我们可以通过采用匀胶机根据预设均匀度将金纳米棒均匀分散在聚合物中，预设均匀度可以由金纳米棒的原液与聚合物之间的质量比、匀胶机的旋转速度及匀胶机的匀胶温度中的一个或者两个甚至三个来控制预设均匀度，当然，也可以结合上述金纳米棒在与聚合物混合的过程中的一些其他物理化学参数控制均匀度，以此来得到更加优质的金纳米棒光存储介质。具体地，在一个实施方式中，聚合物为聚乙烯醇。如此，当然也可以结合实际的实验和应用需要，选择合适的聚合物材料来与金纳米棒相互反应制备金纳米棒光存储介质。

步骤S02、根据预设存储元参数，对金纳米棒光存储介质对应的空间位置进行栅格化处理，以在金纳米棒光存储介质上形成多个三维存储单元。

如此，需要说明的是，若要金纳米棒光存储介质具有信息存储功能，相应地，要对金纳米棒光存储介质进行栅格化处理。具体为，在金纳米棒光存储介质对应的空间位置进行栅格化处理，上述金纳米棒光存储介质对应的空间位置，亦即待写入信息对应存储的金纳米棒的空间位置，在对对应的空间位置进行栅格化处理后，在金纳米棒存储介质上就形成了三维存储单元，三维存储单元就用于存储待写入信息。具体地，根据预设存储元参数，对金纳米棒光存储介质对应的空间位置进行栅格化处理的操作中，预设存储元参数包括金纳米棒光存储介质的存储元大小和存储元数目。

步骤S03、控制飞秒脉冲激光器产生的水平线偏振飞秒脉冲顺序经过格兰棱镜、四分之一波片和螺旋相位板，以形成偏振可控的拉盖尔-高斯光束。

步骤S04、采用二向色镜对拉盖尔-高斯光束进行反射后，再使拉盖尔-高斯光束通过物镜，得到写入光束。

如此，需要说明的是，为了让金纳米棒存储介质可以以更大容量的存储方式存储待存储信息。在步骤S03和步骤S04中，首先让飞秒脉冲激光器产生一个水平线偏振飞秒脉冲，其经过格兰棱镜、四分之一波片和螺旋相位板后，产生一个偏振可控的拉盖尔-高斯光束。需要说明的是，螺旋相位板用于产生一个具有特定参数的拉盖尔-高斯光束，飞秒脉冲激光器产生的水平线偏振飞秒脉冲顺序经过格兰棱镜、四分之一波片和螺旋相位板后，会产生一个具有特定模式的拉盖尔-高斯光束。拉盖尔-高斯光束在通过二向色镜的反射，物镜的聚焦后，得到一个写入光束，所述写入光束是用于将待写入信息写入金纳米棒光存储介质的具有特定功能的光束。

步骤S05、将待写入信息进行二元数字化编码处理，得到预设写入路径。

如此，由于金纳米棒光存储介质仅能存储二进制的信息，因此，为了让待写入信息顺利存储至金纳米棒光存储介质中，需要对待写入信息进行二元数字化编码处理，以此将待写入信息转变成为二进制的待写入信息，亦即预设写入路径，金纳米棒光存储介质通过写入光束，将二元数字化的待写入信息写入金纳米棒光存储介质中。需要说明的是，所述的二元数字化编码处理为本领域技术人员所熟知的技术手段，其相关原理不再详细阐述，为本领域技术人员所熟知。

步骤S06、写入光束根据预设写入路径，并通过三维微纳米位移台在预设写入时间内在各三维存储单元上进行信息写入操作；

当写入光束在当前三维存储单元的当前写入功率大于预设写入功率阈值时，则当前三维存储单元中的耦合金纳米棒产生的电磁场能量热点会加强耦合金纳米棒附近的金纳米棒的对写入光束的激光能量的吸收效率，使得耦合金纳米棒附近的金纳米棒达到熔点并被熔化，从而使金纳米棒的局域表面等离子体谐振偏离原共振波长，进而使当前三维存储单元对写入光束的双光子吸收效率下降，以降低当前三维存储单元发射的双光子荧光强度。

如此，需要说明的是，当需要在金纳米棒光存储介质写入信息时，通过物镜将写入光束聚焦在金纳米棒光存储介质中，写入光束根据预设写入路径将已经二元数字化编码处理的信息写入至金纳米棒光存储介质中。需要强调的是，当写入光束在当前三维存储单元的当前写入功率大于预设写入功率阈值时，当前三维存储单元中的耦合金纳米棒会产生一个电磁场能量热点，产生的电磁场能量热点会加强耦合金纳米棒附近的金纳米棒对写入光束的能量吸收效率，吸收了写入光束能量的金纳米棒升温达到其自身的熔点后熔化，亦即烧蚀状态。这样部分金纳米棒的局域表面等离子体谐振就会偏离原来的共振波长，使得该存储元中耦合金纳米棒体系对写入光束的双光子吸收效率下降，以降低当前三维存储单元发射的双光子荧光强度，上述过程就实现了信息写入的过程，烧蚀状态的金纳米棒实现了二进制“0”的写入；而未烧蚀状态的金纳米棒实现了二进制“1”的写入。具体地，预设写入时间由计算机可编程的快门控制。

上述方法利用新增一个激光轨道角动量物理维度的方法，使得原有每个维度可以与该新维度复用并产生更多存储通道且无串扰。再利用拉盖尔-高斯光束轨道角动量和径向波结数在无序金纳米棒体系中产生空间上不重叠的电磁能量热点，亦即激励起准正交的局域模式，从而增加信息存储复用的物理维度，同时，利用轨道角动量理论上无穷的通道数目，该物理维度可以增加存储通道数目的技术原理，以及基于光束轨道角动量的复用可以同时与波长复用存储、偏振复用存储和空间复用存储在同一个焦斑实现的技术原理，以此来突破常规五维光信息存储技术存储容量的极限。

进一步地，请参阅图2，本申请还提出了一种六维高密度信息读取方法，包括：

步骤A、控制飞秒脉冲激光器产生激光顺序经过格林棱镜、四分之一波片和螺旋相位板，以形成低功率激光。

如此，需要说明的是，对金纳米棒光存储介质的信息读取过程，为在金纳米棒光存储介质写入过程的逆推过程。首先，控制飞秒脉冲激光器产生激光，激光顺序经过格林棱镜、四分之一波片和螺旋相位板，形成一个低功率激光。需要强调的是，所述的低功率激光，是不会让金纳米棒光存储介质中的金纳米棒吸收后达到烧蚀状态的低功率激光的光束，倘若低功率激光让金纳米棒达到烧蚀状态，就无法读取存储在金纳米棒光存储介质的二元数字化编码的待读取信息。

步骤B、采用二向色镜对低功率激光进行反射后，再使低功率激光通过物镜，得到读取光束，将读取光束射入金纳米棒光存储介质中。

如此，需要说明的是，二向色镜将低功率激光反射，再通过物镜对低功率激光进行聚焦，得到一个读取光束，又称预设读取路径。所述的读取光束就是读取金纳米棒光存储介质的二元数字化编码处理的读取光束，读取光束会把金纳米棒光存储介质中三维存储单元存储的待读取信息读取出来。

步骤C、金纳米棒光存储介质在读取光束的激发下，产生双光子荧光。

如此，需要说明的是，在物镜将读取光束聚焦射入金纳米棒光存储介质后，读取光束会读取对应空间位置处栅格化的三维存储单元中的二进制待读取信息。金纳米棒光存储介质具体的表征形态为，读取光束射入金纳米棒光存储介质后，读取光束会激发金纳米棒光存储介质产生双光子荧光，所述的双光子荧光就是待读取信息。

步骤D、双光子荧光顺序经过物镜及二向色镜后，射入磷砷化镓探测器进行信息读取操作。

如此，需要说明的是，读取光束会激发金纳米棒光存储介质产生双光子荧光，所述的双光子荧光就是待读取信息，双光子荧光经过物镜收集及二向色镜后，射入磷砷化镓探测器中，磷砷化镓探测器识别到双光子荧光，进而读取双光子荧光，完成信息读取操作。需要强调的是，由于在焦平面才能高效的激发双光子荧光，因此该磷砷化镓探测器不需要进行小孔滤波，使得磷砷化镓探测器可以安装在最靠近物镜出光口的位置，从而可以接收到更多的从存储介质中散射出来的双光子荧光，大幅提高信噪比和灵敏度，无需使用附加的锁相放大器来进行弱信号探测。同时，我们可以在磷砷化镓探测器前分别加上带通滤波器(Band Pass 500-550nm,565-610nm等)来控制所需收集的荧光波长范围。不同三维存储单元之间的双光子荧光具有一定对比度，也就实现了“0”和“1”二进制信号的读出过程。

在写入信息的过程中，根据光信息存储技术的原理，金纳米棒光存储介质中的金纳米棒在吸收了写入光束的能量后，烧蚀的金纳米棒实现二进制“0”的写入过程，而未烧蚀的金纳米棒实现了二进制“1”的写入过程。读取过程为写入过程的相反过程，控制飞秒脉冲激光器产生激光顺序经过格林棱镜、四分之一波片和螺旋相位板，形成一个低功率激光，所述低功率激光是无法使金纳米棒烧蚀的，倘若低功率激光使得金纳米棒烧蚀，则无法实现信息读取过程。低功率激光通过二向色镜的反射以及物镜的聚焦，低功率激光转变成读取光束，读取光束射入金纳米棒光存储介质中，激发金纳米棒光存储介质产生双光子荧光，双光子荧光又称双光子荧光信号。双光子荧光信号亦即我们需要读取的信息，双光子荧光信号顺序经过所述物镜及所述二向色镜后被磷砷化镓探测器探测到，完成对金纳米棒光存储介质的读取信息过程。

下面是具体实施例部分：

实施例1

金纳米棒之间的耦合强度在很大程度上改变光存储介质的光吸收性质。金纳米棒的长轴偶极子模式在一定条件下会在近场产生相长干涉从而形成电磁场能量热点。利用具有不同轨道角动量(拓扑荷)、不同波长和不同偏振的拉盖尔-高斯光束焦斑处的矢量光场可以选择性地激发特定空间位置的电磁能量热点，拓展光与物质相互作用的维度和调控自由度。

请参阅图3，图3为10*10根相同尺寸金纳米棒阵列的结构示意图，图3所示的模型结构是研究一个存储单元中相邻金纳米棒之间的耦合强度对聚焦拉盖尔-高斯光束与金纳米棒系统相互作用特性影响的简化计算模型。从图1可以看出，金纳米棒被放置在一个正方格子中，所述正方格子的空间朝向为均匀随机分布。在仿真中，我们通过调整所述正方格子的晶格常数来控制相邻金纳米棒之间的耦合强度。用实验测得的金纳米棒的介电常数来进行仿真。

在进行仿真前，首先对金纳米棒的双光子荧光强度(ITPL)进行分析，具体公式如下：

I_TPL∝∫_V|E(λ_excitation,r)/E_in|⁴dV∫_V|E(λ_emission,r)/E_in|²dV (1)

从式子(1)中我们可以看出,金纳米棒的双光子荧光强度(ITPL)正比于激发波段金属体积内电场幅度的4次方及双光子荧光发射波段金属体积内电场幅度的2次方的体积分。E为在不同波长处的电场幅度，E_IN为入射电场强度，λ_excitation为激发波长，λ_emission为荧光发射的中心波长。虽然金纳米棒的双光子吸收效率具有一定频率色散性，但实验结果表明，在研究的波长范围内，其金纳米棒的色散性对测试波段范围内双光子吸收效率的影响较小，可以忽略。因此，我们可以通过时域有限差分方法直接数值解麦克斯韦方程组来计算拉盖尔-高斯光束与无序耦合金纳米棒体系相互作用的过程。

请一并参阅图4和图5，图4为拓扑荷+1的拉盖尔-高斯光束焦点附近的电场矢量空间分布，图5为拓扑荷-1的拉盖尔-高斯光束焦点附近的电场矢量空间分布。从图4和图5我们可以看出，拓扑荷+1的拉盖尔-高斯光束焦点附近的电场矢量空间分布与拓扑荷-1的拉盖尔-高斯光束焦点附近的电场矢量空间分布是明显不一样的。

有序结构间的耦合是调控金纳米棒体系光学性质的常规方法，而耦合效应中无序性的引入将为系统增加新的调控自由度，因此，可通过控制随机金纳米棒耦合体系的参数(如金纳米棒的浓度和尺寸分布等)来调控金纳米棒的光学性质。

通过计算拓扑荷为±1的拉盖尔-高斯光束(p＝0)与无序耦合金纳米棒阵列相互作用的特性。请参阅图6，图6所示为拓扑荷分别为-1和1的紧聚焦拉盖尔高斯光束与10x 10无序金纳米棒阵列相互作用时在不同波长处的电场分布(仅画出金纳米棒阵列在z＝0面对应的电场分布)示意图。当金纳米棒之间的区域表面等离子共振模式在空间上发生了交叠，大部分金纳米棒内的电场强度会由于耦合作用变大，金纳米棒的模式由孤立的偶极子模式演变成由耦合金纳米棒间所支持的新模式，又称局域电磁能量热点，这些新的模式会增强金纳米棒的光学吸收能力，并使得该无序结构对具有不同拓扑荷的拉盖尔-高斯光束产生不同的响应。通过上述操作，在图4中可以明显看出，相邻金纳米棒之间的耦合产生了一些局域性的电磁能量热点，不同的拓扑荷的拉盖尔-高斯光束在相同的区域激发了不同空间分布的电磁能量热点。从式子(1)中，我们知道了金纳米棒的双光子荧光强度(ITPL)的吸收截面正比于激发波段金属体积内电场幅度的4次方，因此在此种条件下，由于双光子吸收截面正比于电场|E|⁴的体积分，不同拓扑荷下的拉盖尔-高斯光束的响应差异会被电磁能量热点放大，这就验证了，拉盖尔-高斯光束的拓扑荷特性可以用于熔融不同空间位置的金纳米棒，实现信息的写入。又因为读写激光的拓扑荷维度可选通道理论上是无穷的，因此用其进行信息复用具有良好的应用前景。图4中所示这些局域电磁能量热点的激发不仅仅依赖于激光的轨道角动量，其还依赖于激光的波长和偏振特性，因此，拉盖尔-高斯光束焦点处丰富且可控的矢量场特性可用于激励无序耦合金纳米棒体系特定空间位置处的电磁能量热点，进而增加多维高密度光信息存储技术的复用通道数目，突破常规的五维光存储技术，能够大幅度提高存储空间。

首先，制备特定长径比的金纳米棒，详情可见中国公开专利(申请号：CN201310075378.3)，利用超声波水浴的方式将所制备的金纳米棒均匀分散在聚乙烯醇(PVA)中，再利用匀胶机制备具有不同金纳米棒耦合强度的无序金纳米棒-聚合物薄膜，亦即金纳米棒光存储介质。通过控制上述制备过程中的一些特定物理化学参数，例如金纳米棒原液与聚合物之间的质量比；又如，匀胶机旋转速度；又如，匀胶机的匀胶温度等以此来改变金纳米棒光存储介质的物理特性，并利用投射电镜等方法来表征金纳米棒在膜中的分布，结合消光光谱来判断所制备金纳米棒膜系的均匀性。

如图7所示为制备好的金纳米棒分散在水中的扫描电镜示意图，从图7中可以看出，利用上述方法制备的金纳米棒均匀性较好，金纳米棒的产出率非常高；如图8所示为聚乙烯醇(PVA)中金纳米棒分布的投射电镜示意图，从图8可以看出，制备的金纳米棒-PVA膜体系中存在随机耦合效应。

下面展开六维高密度光信息存储实验装置，请参阅图9所示的六维高密度光信息存储实验装置，所述的六维高密度光信息存储实验装置包括激光发射器L、格兰棱镜G、四分之一波片W、螺旋相位板V、二向色镜DM、物镜OB、编程可控三维微纳米位移平台PCS和磷砷化镓(GaAsP)探测器(S)。

写入信息时，从波长可调谐飞秒脉冲的激光发射器L产生的水平线偏振飞秒脉冲激光，水平线偏振飞秒脉冲激光依次经过格兰棱镜G、四分之一波片W和产生特定参数的拉盖尔-高斯光束的螺旋相位板V后，转变成了特定模式的拉盖尔-高斯光束，拉盖尔-高斯光束再通过二向色镜DM反射后被物镜OB聚焦在光存储介质上。然后我们利用计算机程序将需要写入的信息进行二元数字化，再根据存储元的大小和存储元的数目将光存储介质对应的空间位置栅格化为三维的存储单元，然后再通过电脑控制三维微纳米位移台在平面内快速移动，快速移动到令飞秒脉冲在每个存储元进行读写操作，飞秒脉冲的读写时间可以由可编程的快门进行控制。此时，我们发现，激光在一个存储元的写入功率超过一定阈值的情况下，由耦合的金纳米棒产生的电磁场能量热点会加强附近金纳米棒的对激光能量的吸收效率，令金纳米棒达到熔点并被熔化。这样部分金纳米棒的局域表面等离子体谐振就会偏离原来的共振波长，使得该存储元中耦合的金纳米棒体系对读写激光的双光子吸收效率下降，从而降低这个存储单元发射的双光子荧光强度(ITPL)，实现了二进制信息中“0”的写入过程，相反的，未经烧蚀的存储元即存储了信息“1”。

读取信息时，光存储介质在低功率读取激光(无法产生熔融烧蚀效果)的激发下所产生的双光子荧光信号经物镜OB收集并通过二向色镜DM后进入到磷砷化镓探测器S中进行信息读取。由于在焦平面才能高效的激发双光子荧光，因此，该六维高密度光信息存储实验装置不需要进行小孔滤波，使得探测器S可以安装在最靠近物镜OB出光口的位置，从而可以接收到更多的从存储介质中散射出来的双光子荧光，大幅提高信噪比和灵敏度，无需使用附加的锁相放大器来进行弱信号探测。同时，我们可以在磷砷化镓(GaAsP)探测器S前分别加上带通滤波器(Band Pass 500-550nm,565-610nm等)来控制所需收集的荧光波长范围。不同存储元之间的双光子荧光信号具有一定对比度，也就实现了“0”和“1”二进制信号的读取过程。

具有不同轨道角动量、频率和偏振的高能量写入激光可以在相同的存储位置烧蚀不同的金纳米棒(一个存储位置中具有成千根金纳米棒)，同时低能量的具有不同拓扑荷、偏振和波长参数的读取激光与相同的存储结构作用后会产生不同的响应，也即实现了多维多路的存储复用。与常规DVD技术一个存储位置仅存储一路信息不同，我们的存储技术可以存储多维多路的信息，这也是两者差别最大的地方。

我们利用较高能量的具有不同拓扑荷(l₁＝2、l₂＝-2)和不同波长(λ₁＝800nm、λ₂＝850nm)组合的拉盖尔-高斯光束在无序耦合金纳米棒体系中通过熔融的方式写入特定图案，这些信息是用对应拓扑荷和波长的较高能量的激光写入的。深色代表信息“0”，浅色代表信息“1”，用具有相应拓扑荷及波长的低能量激光来读出信息，结果如图10所示。我们的实验结果表明，具有不同拓扑荷和不同波长的拉盖尔-高斯光束能读取到不同的写入信息，信息之间的串扰较小(不同偏振复用的实验结果类似)。我们的实验结果证明了轨道角动量是光与无序耦合金纳米棒体系相互作用中的第六个维度。同时利用新增一个激光轨道角动量自由度的方式，使得每个维度包含多个无串扰的存储通道，进而大幅度提高存储容量。

因此，再次验证了拉盖尔-高斯光束焦点处丰富且可控的矢量场特性可用于激励无序耦合金纳米棒体系特定空间位置处的电磁能量热点，进而增加多维高密度光信息存储技术的复用通道数目，突破常规的五维光存储技术，能够大幅度提高存储空间。

本发明的六维高密度信息存储方法，利用拉盖尔-高斯光束轨道角动量和径向波结数在无序金纳米棒体系中产生空间上不重叠的电磁能量热点，亦即激励起准正交的局域模式，从而增加信息存储复用的物理维度，同时，利用轨道角动量的通道数目理论上是无穷的，该物理维度可以极大地增加存储通道数目的技术原理，以及基于光束轨道角动量的复用可以同时与波长复用存储、偏振复用存储和空间复用存储在相同读写焦斑内实现的技术原理，以此来突破常规五维光信息存储技术存储容量的极限。

以上所述实施方式仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种六维高密度信息存储方法，其特征在于，包括：

步骤S01、制备金纳米棒光存储介质；

步骤S03、控制飞秒脉冲激光器产生的水平线偏振飞秒脉冲顺序经过格兰棱镜、四分之一波片和螺旋相位板，以形成偏振可控的拉盖尔-高斯光束，其中，所述螺旋相位板用于让入射的飞秒脉冲具有不同拓扑荷的轨道角动量，进而得到偏振可控的所述拉盖尔-高斯光束；

2.根据权利要求1所述的六维高密度信息存储方法，其特征在于，所述步骤S01制备金纳米棒光存储介质具体操作为：

步骤S011、制备金纳米棒；

3.根据权利要求2所述的六维高密度信息存储方法，其特征在于，所述预设均匀度由所述金纳米棒的原液与所述聚合物之间的质量比控制。

4.根据权利要求2所述的六维高密度信息存储方法，其特征在于，所述预设均匀度由所述匀胶机的旋转速度控制。

5.根据权利要求2所述的六维高密度信息存储方法，其特征在于，所述预设均匀度由所述匀胶机的匀胶温度控制。

6.根据权利要求3-5中任意一项所述的六维高密度信息存储方法，其特征在于，所述聚合物为聚乙烯醇。

7.根据权利要求1所述的六维高密度信息存储方法，其特征在于，所述步骤S02根据预设存储元参数，对所述金纳米棒光存储介质对应的空间位置进行栅格化处理的操作中，所述预设存储元参数包括金纳米棒光存储介质的存储元大小和存储元数目。

8.根据权利要求1所述的六维高密度信息存储方法，其特征在于，所述预设写入时间由计算机可编程的快门控制。