CN111462780A - 基于纳米光刻的荧光暗态光盘信息读写方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于纳米光刻的光盘信息读写方法及装置，其中，写入方法包括：采用纳米光刻方法进行超高密度光盘存储信息刻写；采用荧光暗态方法进行信息存储；利用双光子吸收特性实现多层光盘信息刻写存储。读取方法则包括：超分辨数字信息读取方法进行光盘信息读取；采用“共焦层析式”读取方法，可实现光盘的多层存储信息读取。本发明有利于缩小信息记录点的尺寸与间距，实现光盘的超高密度信息稳定、长久存储，以及对超高密度光盘存储信息的有效、高速提取。

Description

基于纳米光刻的荧光暗态光盘信息读写方法及装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及基于纳米光刻的光盘信息读写方法及装置。

背景技术

随着基因测序以及脑活动读取等技术的发展，不仅仅产生了大量的数据，同时对于数据如何有效、稳定、准确地保存提出了更高的要求。基于上述背景，光盘存储技术因其节能、存储寿命长、安全性好以及易加工等优点，很好地顺应了时代的要求。而对于光盘技术而言，存储容量的限制严重阻碍了光盘技术的发展。

为了提升光盘的容量，传统的技术路线是减小记录光斑的尺寸。随着短波长激光二极管(GaN蓝绿色激光器)的研制成功，使得蓝光光盘逐渐成为光盘市场上的主流存储方式。早期的CD光盘，记录激光波长为780nm，数值孔径为0.45，轨道间距为1.6μm，单层存储容量仅为650MB；后来的DVD光盘，记录激光波长为650nm，数值孔径为0.6，轨道间距为0.74μm，单层存储容量为4.7GB；而目前的蓝光光盘记录激光波长为405nm，数值孔径为0.85，轨道间距为0.32μm，轨道间距仅仅是红光DVD盘片(0.74μm)的一半，单层存储容量高达25GB，同时，蓝光光盘利用不同反射率达到多层写入效果，实现了12层300GB的蓝光光盘存储。

为了进一步突破光盘存储量的限制，科研工作者也提出了一些提升存储容量的方法。

2009年澳大利亚的顾敏研究团队利用不同长宽比的金纳米线对不同波长和偏振方向激光的响应差异，实现了10μm厚度内，三层五维(x、y、z、λ以及偏振)光信息存储(Nature,2009,459(7245):410-413)。

2011年，S.W Hell研究团队提出了一种可用于超分辨光存储读写的新型显微技术RESOLFT(reversible saturable optical‘fluorescence’transition between twostates)，利用绿色荧光蛋白(rsEGFP)的光固化和光开关特性，通过超分辨写入读出的方法，实现了250nm点间距的高密度光存储实验(Nature,2011,478,204-208)。

2012年澳大利亚的顾敏研究团队结合光致聚合以及超分辨受激辐射损耗技术原理，利用1,5-双(对二甲氨基辛酰亚胺)环戊酮(BDCC)材料体系，实现了9nm的光刻沟道宽度，52nm的沟道间距(Nature Communications,2013,4.6:2061)。利用该光致聚合光刻的机制可高密度写入光盘信息，据此顾敏研究团队申请了国际专利(Appl.No:15/039,368；PCTNo:PCT/AU2013/001378)。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于纳米光刻的光盘信息读写方法及装置，用于缩小信息记录点的尺寸与间距，实现光盘的超高密度信息稳定、长久存储。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于纳米光刻的光盘信息写入方法，包括：纳米光刻方法进行超高密度光盘存储信息刻写；读取需存入光盘的数字存储信息；所述数字存储信息亦作为刻写控制信息；所述刻写控制信息包括与各信息记录点一一对应的各二进制数；每位二进制数的“0”和“1”数码分别用于指示是否在对应的信息记录点进行荧光暗态信息的写入；根据所述刻写控制信息，控制被压缩的焦斑在光盘物理存储介质的荧光记录层的各信息记录点处进行荧光暗态信息的写入。

于本发明一实施例中，所述纳米光刻方法的实现方式包括：方式一、吸收调制双光束刻写方法，分别形成波长不同的实心刻写光束及空心抑制光束；令所述实心刻写光束及所述空心抑制光束的焦平面在空间上重合；将重合后的光束照射于光盘物理存储介质的吸收调制层，所述空心抑制光束抑制所述实心刻写光束的外围光斑，以压缩所述实心刻写光束的焦斑尺寸；或者，方式二、减小所述实心刻写光束的波长和/或增大物镜的数值孔径。

于本发明一实施例中，所述空心抑制光束抑制所述实心刻写光束的外围光斑的实现方式包括：所述空心抑制光束照射于所述光盘物理存储介质的吸收调制层；所述吸收调制层具有吸收调制特性；所述吸收调制层的材料具有第一状态和第二状态；所述实心刻写光束以预设功率密度照射所述吸收调制层，以使所述吸收调制层的材料发生吸收调制过程，从所述第一状态向所述第二状态转换；所述空心抑制光束以预设功率密度照射所述吸收调制层，以使所述吸收调制层的材料从所述第二状态向所述第一状态转换；所述吸收调制层的材料在所述第一状态时对所述空心抑制光束的吸收率低于其在所述第二状态时对所述空心抑制光束的吸收率，从而抑制所述实心刻写光束的外围光斑透过所述吸收调制层；经所述吸收调制层压缩的实心刻写光束作用于所述荧光记录层。

于本发明一实施例中，所述压缩实心刻写光束的焦斑尺寸的实现方式还包括：所述方式一或所述方式二的实心刻写光束采用脉冲光束实现双光子刻写。

于本发明一实施例中，还包括：通过控制所述实心刻写光束的光束强度和作用时间来控制对所述荧光记录层上信息记录点处的刻蚀深度；通过控制所述空心刻写光束的光束强度和作用时间来控制对所述荧光记录层上信息记录点处的刻蚀宽度。

于本发明一实施例中，所述实心刻写光束的光束强度符合高斯强度分布；所述空心抑制光束的光束强度符合环形强度分布且中心强度趋于零。

于本发明一实施例中，所述实心刻写光束采用可见、紫外、深紫外连续激光或波段在可见光至紫外光之间的脉冲激光。

于本发明一实施例中，所述荧光暗态信息写入的实现方式包括：所述荧光记录层的即光盘记录层的材料采用荧光材料，在所述光盘物理存储介质的各信息记录点处进行荧光暗态信息的写入，即控制纳米光刻方法中的实心刻写光束在对应的信息记录点处进行纳米光刻过程，以对荧光材料进行刻写，记录荧光强度低于第一阈值的暗态荧光点，用数码“1”表示；反之，则用数码“0”表示。

于本发明一实施例中，提出可用于多层光盘信息存储的方法，所述吸收调制层具有吸收调制特性和双光子吸收特性；所述空心抑制光束抑制所述实心刻写光束的外围光斑的实现方式还包括：所述空心抑制光束照射于所述光盘物理存储介质的吸收调制层，以使所述吸收调制层的材料发生吸收调制过程，从所述第二状态向所述第一状态转换；所述实心刻写光束以预设功率密度照射所述吸收调制层，以使所述吸收调制层的材料发生双光子吸收过程，从所述第一状态向所述第二状态转换；所述实心刻写光束及所述空心抑制光束的焦平面在空间上重合同时聚焦作用于所述吸收调制层时，在双光子吸收特性和吸收调制特性的作用下，所述空心抑制光束促进了所述吸收调制层对所述实心刻写光束的吸收，抑制了所述实心刻写光束的外围光束透过所述吸收调制层，从而实现了透过所述吸收调制层的实心刻写光束的高斯线型被压缩的过程，获得了超越衍射极限的实心刻写光束，其被作用于所述荧光记录层来实现荧光暗态信息的写入。

于本发明一实施例中，由于双光子吸收的阈值特性，未聚焦区域未到达吸收调制材料的双光子吸收功率密度，对于所述实心刻写光束不产生吸收从而使之透过，仅在光束聚焦层实现了对所述实心刻写光束的压缩过程，进行荧光暗态信息的写入，避免了写入过程中不同荧光记录层间的刻写信息串扰问题，实现了双光束双光子多层荧光暗态信息的写入。

于本发明一实施例中，当所述光盘物理存储介质包括多个荧光记录层时，所述方法还包括：根据所述刻写控制信息，控制被压缩的焦斑在完成一荧光记录层的荧光暗态信息刻写后，调节所述光盘物理存储介质与被压缩的焦斑之间的相对位置，再进行下一荧光记录层的荧光暗态信息刻写。

于本发明一实施例中，各所述荧光记录层采用同一荧光材料或多种荧光材料；其中，每种荧光材料对应的荧光波长不同可有效避免信号读取时各层荧光信号间的串扰。

于本发明一实施例中，还包括：通过调节样品位置，将被压缩的焦斑作用于不同的荧光记录层，以进行荧光暗态信息的多层刻写。

于本发明一实施例中，进行多层光盘纳米光刻信息写入时，实心刻写光束采用脉冲光束以满足吸收调制材料的双光子吸收特性。

于本发明一实施例中，所述信息记录点的大小不大于130nm；所述信息记录点的轨道间距不大于320nm。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超分辨数字存储信息的读取方法，包括：令波长为λ₁的实心激发光束与波长为λ₂的空心损耗光束的焦平面在空间上重合；将重合后的光束聚焦作用于光盘物理存储介质的荧光记录层；所述实心光束激发所述荧光记录层产生中心波长为λ₃的荧光，所述空心光束抑制所述荧光记录层产生荧光；其中，λ₂位于所述荧光记录层的荧光峰的后沿，且λ₁＜λ₃＜λ₂；探测所述荧光记录层的各信息记录点处的荧光信号；根据各所述荧光信号的强弱判断对应的信息记录点是否完成了荧光暗态信息的写入，并根据判断结果还原出所述光盘物理存储介质中的数据存储信息。

于本发明一实施例中，根据各所述荧光信号的强弱判断对应的信息记录点先前是否完成了荧光暗态信息的写入，并根据判断结果还原出所述光盘物理存储介质中的数据存储信息，具体包括：若所述荧光信号的强度低于第一阈值，则认为对应的信息记录点先前完成了荧光暗态信息的写入，随之生成数字存储信息“1”；若所述荧光信号的强度高于第二阈值，则认为对应的信息记录点先前未进行荧光暗态信息的写入，随之生成数字存储信息“0”；按各所述信息记录点的顺序对各所述数字存储信息排序，作为最终的数据存储信息。

于本发明一实施例中，数字存储信息的读取方法采用“共焦层析式”读取方法，纵向分辨率高，可实现多层光盘的不同深度荧光信息读取，实现光盘的多层存储信息读取。

于本发明一实施例中，通过调节样品位置，将所述重合后的光束焦斑作用于不同的荧光记录层，以实现荧光暗态信息的多层存储信息读取。

于本发明一实施例中，所述实心激发光束与所述空心损耗光束的激光波长避开所述光盘物理存储介质的吸收调制材料的吸收峰。

于本发明一实施例中，所述实心激发光束的光束强度符合高斯强度分布；所述空心损耗光束的光束强度符合环形强度分布且中心强度趋于零。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于纳米光刻的光盘信息写入装置，包括：光路模块，用于压缩实心刻写光束的焦斑尺寸，并将其照射于光盘物理存储介质；控制模块，用于读取需存入光盘的数字存储信息；所述数字存储信息亦作为刻写控制信息；所述刻写控制信息包括与各信息记录点一一对应的各二进制数；每位二进制数的“0”和“1”数码分别用于指示是否在对应的信息记录点进行荧光暗态信息的写入；根据所述刻写控制信息，控制被压缩的焦斑在光盘物理存储介质的荧光记录层的各信息记录点处进行荧光暗态信息的写入。

于本发明一实施例中，所述光路模块包括：刻写激光激光器、第一声光调制器、第一耦合透镜、第一滤波件、第一准直透镜、第一二向色镜、及高倍物镜；其中，所述刻写激光激光器，用于发出第一预设波长的激光，以作为实心刻写光束；所述第一声光调制器、所述第一耦合透镜、所述第一滤波件、及所述第一准直透镜沿所述实心刻写光束的光路依次布置；所述实心刻写光束经所述第一声光调制器调制后，先由所述第一耦合透镜聚焦，再由所述第一滤波件进行滤波，滤波后的实心刻写光束再通过所述第一准直透镜进行准直扩束；所述第一二向色镜，与所述第一准直透镜呈一定角度布置，用于将准直扩束后的实心刻写光束反射至所述高倍物镜；所述高倍物镜，用于聚焦接收的实心刻写光束并将其作用于光盘物理存储介质的表面，以进行荧光暗态信息的写入。

于本发明一实施例中，所述第一滤波件包括：μm级小孔或单模光纤。

于本发明一实施例中，所述实心刻写光束作用于所述光盘物理存储介质，在其荧光记录层进行荧光暗态信息的写入；所述第一声光调制器还用于：通过控制所述实心刻写光束的光束强度和作用时间来控制对所述荧光记录层的刻写深度；通过控制所述空心刻写光束的光束强度和作用时间来控制对所述荧光记录层的刻写宽度。

于本发明一实施例中，所述高倍物镜在所述控制模块的控制下调节自身位置，以使所述实心刻写光束聚焦于不同的荧光记录层，从而实现对每一荧光记录层的荧光暗态信息的刻写。

于本发明一实施例中，所述光路模块还包括：抑制激光激光器、第二声光调制器、第二耦合透镜、第二滤波件、第二准直透镜、第一涡旋相位板、及第二二向色镜；其中，所述抑制激光激光器，用于发出第二预设波长的激光，以作为抑制光束；所述第二声光调制器、所述第二耦合透镜、所述第二滤波件、所述第二准直透镜、及所述第一涡旋相位板沿所述抑制光束的光路依次布置；所述抑制光束经所述第二声光调制器调制后，先由所述第二耦合透镜聚焦，再由所述第二滤波件进行滤波，滤波后的抑制光束先通过所述第二准直透镜进行准直扩束，在通过所述第一涡旋相位板以产生相位由0到π分布的激光束；所述第二二向色镜，与所述第二准直透镜呈一定角度布置，用于将所述相位由0到π分布的激光束反射至所述高倍物镜，由所述高倍物镜聚焦后形成中心强度趋于零的空心抑制光束；并且，所述实心刻写光束与所述空心抑制光束的焦平面在空间上重合。

于本发明一实施例中，所述第二滤波件包括：μm级小孔或单模光纤。

于本发明一实施例中，所述第二声光调制器还用于：通过分别控制所述实心刻写光束和所述空心抑制光束的光束强度和作用时间来控制对所述荧光记录层的刻写深度；通过控制所述空心刻写光束和所述空心抑制光束的光束强度和作用时间来控制对所述荧光记录层的刻写宽度。

于本发明一实施例中，所述高倍物镜在所述控制模块的控制下调节自身位置，以使重合后的实心刻写光束及空心抑制光束聚焦于不同的荧光记录层，从而实现对每一荧光记录层的荧光暗态信息的刻写。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于纳米光刻的光盘信息读取装置，包括：激发激光激光器、损耗激光激光器、第一耦合透镜、第二耦合透镜、第三耦合透镜、第一滤波件、第二滤波件、第一准直透镜、第二准直透镜、涡旋相位板、第一二向色镜、第二二向色镜、分束镜、滤波片、探测器、及高倍物镜；其中，所述损耗激光激光器、所述第一耦合透镜、所述第一滤波件、所述第一准直透镜、所述涡旋相位板、及所述第一二向色镜沿一光路依次布设；损耗光束从所述损耗激光激光器中出射，经所述第一耦合透镜聚焦，由所述第一滤波件进行滤波，滤波后的发散光束先通过所述第一准直透镜进行准直扩束，再经过所述涡旋相位板产生相位由0到π分布的激光束，该激光束被所述第一二向色镜反射进入所述高倍物镜，由其聚焦后形成中心强度趋近于零的空心光束；所述激发激光激光器、所述第二耦合透镜、所述第二滤波件、所述第二准直透镜、及所述第二二向色镜沿一光路依次布设；激发光束从所述激发激光激光器中出射，经所述第二耦合透镜聚焦，由所述第二滤波件进行滤波，滤波后的发散光束先通过所述第二准直透镜进行准直扩束，再被所述第二二向色镜反射进入所述高倍物镜，由其聚焦后形成衍射极限级别尺寸大小的实心光斑；所述实心光束与所述空心光束的焦平面在空间上重合，同时作用于所述光盘物理存储介质，以对其荧光记录层上的刻写信息进行读取，荧光信号由所述高倍物镜收集；所述分束镜、所述滤波片、及所述探测器沿一光路依次布设；所述荧光信号经所述分束镜分光后，依次经过所述滤波片和所述第三耦合透镜后，被所述探测器收集，由所述探测器根据荧光强度比对解码得出刻写信息。

于本发明一实施例中，调节所述高倍物镜的位置，以使重合后的实心光束与空心光束聚焦于不同的荧光记录层，从而实现对每一荧光记录层的刻写信息的读取。

于本发明一实施例中，所述第一滤波件包括：μm级小孔或单模光纤；所述第二滤波件包括：μm级小孔或单模光纤。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于纳米光刻的光盘信息读写装置，包括所述基于纳米光刻的光盘信息写入装置，以及所述基于纳米光刻的光盘信息读取装置。

于本发明一实施例中，所述写入装置与所述读取装置共用一件高倍物镜。

如上所述，本发明的基于纳米光刻的光盘信息读写方法及装置，可大大缩小信息记录点的尺寸与间距，并可进行多层的信息记录，有效地提升了光盘的存储密度和存储容量，可实现光盘对大数据量的稳定、长久存储，以及对超高密度光盘存储信息的有效、高速提取。

附图说明

图1显示为本发明一实施例中的基于纳米光刻的光盘信息写入方法的流程示意图。

图2显示为本发明一实施例中的双光束光刻信息写入的原理示意图。

图3显示为本发明一实施例中的吸收调制材料的吸收光谱曲线图。

图4显示为本发明一实施例中的单光束光刻信息写入的原理示意图。

图5显示为本发明一实施例中的单光束多层光刻信息写入的原理示意图。

图6显示为本发明一实施例中的双光束多层光刻信息写入的原理示意图。

图7显示为本发明一实施例中的基于纳米光刻的光盘信息读取方法的流程示意图。

图8显示为本发明一实施例中的多层光刻信息超分辨的读取原理示意图。

图9显示为本发明一实施例中的双光束刻写光盘读写装置的结构示意图。

图10显示为本发明一实施例中的单光束刻写光盘读写装置的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，显示为本发明的基于纳米光刻的光盘信息写入方法于一实施例中的流程示意图，包括如下步骤：

S11：压缩实心刻写光束的焦斑尺寸；

所述实心刻写光束采用可见、紫外、深紫外连续激光或波段在可见光至紫外光之间的脉冲激光。

步骤S11至少有两种实现方式：

方式一、分别形成波长不同的实心刻写光束及空心抑制光束；所述实心刻写光束的光束强度符合高斯强度分布；所述空心抑制光束的光束强度符合环形强度分布且中心强度趋于零；令所述实心刻写光束及所述空心抑制光束的焦平面在空间上重合；将重合后的光束照射于光盘物理存储介质，所述空心抑制光束抑制所述实心刻写光束的外围光斑，以压缩所述实心刻写光束的焦斑尺寸；

方式二、减小所述实心刻写光束的波长和/或增大物镜的数值孔径。

可选的，所述方式一或所述方式二的实心刻写光束采用脉冲光束，以实现双光子刻写。

S12：读取需存入光盘的数字存储信息；

所述数字存储信息亦作为刻写控制信息；所述刻写控制信息包括与各信息记录点一一对应的各二进制数；每位二进制数的“0”和“1”数码分别用于指示是否在对应的信息记录点进行荧光暗态信息的写入，例如，“0”数码用于指示不在其对应的信息记录点进行刻写，“1”数码用于指示在与其对应的信息记录点进行刻写。

S13：根据所述刻写控制信息，控制被压缩的焦斑在光盘物理存储介质的荧光记录层的各信息记录点处进行荧光暗态信息的写入。

详细而言，所述荧光记录层即光盘记录层的材料采用荧光材料，在所述光盘物理存储介质的各信息记录点处进行荧光暗态信息的写入，即控制压缩的实心刻写光束在对应的信息记录点处进行纳米光刻过程，即对荧光材料进行刻写。

下面通过示例详细阐述基于纳米光刻的光盘信息写入方法的具体实施方式。

图2显示为一种光盘物理存储介质的结构，包括：

1)保护层101，使光盘可以经受住频繁的使用、指纹、抓痕和污垢，保证光盘的存储质量和数据安全；

2)吸收调制层102，该层材料具有吸收调制特性，其吸收光谱具有如图3所示特征，该层厚度一般小于500nm，吸收调制层的材料包括但不限于：二芳基乙烯类，俘精酸酐类以及叠氮类材料；

3)荧光记录层103，用于记录荧光暗态信息，该层的特征是可以稳定保存，具有较高的荧光效率与稳定性，且可进行光学刻写，主要由常用的荧光材料，如8-羟基喹啉(AIQ-3)以及固化剂组成，但不限于这些；

4)基底层104，用以保护光盘物理介质存储结构。

结合上述光盘物理存储结构，以下阐述基于前述方式一的双光束光刻信息写入原理：

实心刻写光束105与空心抑制光束106同时作用于吸收调制层102上，经吸收调制特性作用，空心抑制光束106抑制了实心刻写光束105的外围光束透过吸收调制层102，使透过吸收调制层102的刻写光斑尺寸被进一步压缩，如107所示，经吸收调制层102压缩后的光束110作用于荧光记录层103上进行信息刻写。刻写时，读取信息记录点1处的刻写控制信息，据以判断是否进行荧光暗态信息的写入，也即是否进行光刻写入。若刻写控制信息为“1”数码，则在信息记录点1处进行刻写，若刻写控制信息为“0”，则不在信息记录点1处进行刻写。当完成信息记录点1处的信息写入后，再令光束110作用于下一信息记录点2处进行荧光暗态信息的写入，依次类推，直至完成荧光记录层上的信息记录过程，由此提高了光盘的信息存储维度与存储容量。

于此，对上述双光束光刻信息写入方法做些许说明：本方法采用一束波长λ₁的刻写连续激光和一束波长λ₂的抑制连续激光同时照射上述光盘物理存储介质的吸收调制层，通过吸收调制材料的吸收调制特性实现超分辨纳米光刻写入，使透过吸收调制层刻写光束的焦斑被大大压缩，从而实现超越衍射极限光斑的纳米光刻信息记录。该方法的作用特征为：波长为λ₁的刻写激光束，以一定的强度照射吸收调制材料，使该材料对于波长λ₁的刻写光透明；波长λ₂的抑制激光束以一定强度同时照射该材料，则使该材料对于波长λ₂的光束产生强烈的吸收；两束光束的焦平面在空间上重合，刻写光束为实心光束，光强符合高斯强度分布，起刻录信息的作用；抑制光束为空心光束，光强符合环形强度分布，中心强度近似为零(可用涡旋相位板或者空间光调制器等产生)，起到抑制刻写光束外围光斑透过吸收调制层的作用；经过吸收调制层压缩后的刻写光束作用于荧光记录层。分别控制刻写光束和抑制光束的照射时间和光束强度，可实现对荧光记录层的刻蚀深度和刻蚀宽度的精准控制。在双光束纳米光刻信息写入方法中，刻写光束可选用蓝光或紫外短波长连续激光。

图4显示为一种光盘物理存储介质的结构，包括：

1)保护层201，使光盘可以经受住频繁的使用、指纹、抓痕和污垢，保证光盘的存储质量和数据安全；

2)荧光记录层202，用于记录荧光暗态信息，该层的特征是可以稳定保存，具有较高的荧光效率与稳定性，且可进行光学刻写，主要由常用的荧光材料，如8-羟基喹啉(AIQ-3)以及固化剂组成，但不限于这些；

3)基底层104，用以保护光盘物理介质存储结构。

结合上述光盘物理存储结构，以下阐述基于前述方式二的单光束光刻信息写入原理：

通过采用更短波长刻写激光束(可采用半导体激光405纳米或更短波长输出，或355纳米和266纳米固体激光输出，或者248纳米、193纳米和157纳米输出准分子激光等等)以及高数值孔径物镜的聚焦方式，获得压缩的衍射受限聚焦光斑204，该光束作用于荧光记录层202上进行信息记录。刻写时，读取信息记录点207处的刻写控制信息，据以判断是否进行荧光暗态信息的写入，也即是否进行光刻写入。若刻写控制信息为“1”数码，则在信息记录点1处进行刻写，若刻写控制信息为“0”，则不在信息记录点207处进行刻写。当完成信息记录点207处的信息写入后，再令光束204作用于下一信息记录点2处进行荧光暗态信息的写入，依次类推，直至完成荧光记录层上的信息记录过程，由此提高了光盘的信息存储维度与存储容量。

图5显示为一种光盘物理存储介质的结构，包括：

1)保护层301，该层使光盘可以经受住频繁的使用、指纹、抓痕和污垢，以此保证光盘的存储质量和数据安全；

2)302为荧光记录层1，用于进行第一层信息的荧光暗态信息记录，该层厚度大于1/2波长，该层特征为可以稳定保存，具有较高的荧光效率与稳定性，且可进行光学刻写，主要由常用的荧光材料，如8-羟基喹啉(AIQ-3)以及固化剂组成，但不限于这些；

3)303为中间过渡层1，该层厚度小于1/2波长，于荧光记录层1与荧光记录层2之间，用以保护荧光记录层之间的信息串扰，常用材料包括PVA等有机材料；

4)304为荧光记录层2，用于进行第一层信息的荧光暗态信息记录，该层厚度大于1/2波长，该层材料可与荧光记录层材料1相同，亦可选择其他荧光波长的荧光材料，采用多波长荧光进行存储可以有效避免信号的串扰；

5)305为中间过渡层2，该层厚度小于1/2波长，于荧光记录层1与荧光记录层2之间，用以保护荧光记录层之间的信息串扰，常用材料包括PVA等有机材料；

6)306为荧光记录层3，用于进行第一层信息的荧光暗态信息记录，该层厚度大于1/2波长，该层材料可与荧光记录层材料1、2相同，亦可选择其他荧光波长的荧光材料，采用多波长荧光进行存储可以有效提高信号的串扰；

7)307为中间过渡层3，该层厚度小于1/2波长，于荧光记录层3与基底之间，用以保护荧光记录层与基底层之间的信息串扰，常用材料包括PVA等有机材料；

8)基底层308，用以保护光盘物理介质存储结构。

结合上述光盘物理存储结构，以下阐述基于前述方式二的单光束光刻信息写入方法的改进方法：

经物镜309聚焦光束聚焦作用于302荧光记录层1上，在荧光记录层1上的信息记录点(如312)处进行荧光暗态信息的写入。刻写时，读取信息记录点处的刻写控制信息，据以判断是否进行荧光暗态信息的写入，也即是否进行光刻写入。若刻写控制信息为“1”数码，则在信息记录点处进行刻写，若刻写控制信息为“0”，则不在信息记录点处进行刻写。当完成信息记录点处的信息写入后，再令光束作用于本层的下一信息记录点处进行荧光暗态信息的写入，依次类推，直至完成荧光记录层1上的信息记录过程。

通过移动物镜309的上下位置或者调节聚焦光束的激光发散度，调节光束的焦深(过程310)，使聚焦光束作用于304荧光记录层2上，在荧光记录层2上的信息记录点(如313)处进行荧光暗态信息的写入刻写时，读取信息记录点处的刻写控制信息，据以判断是否进行荧光暗态信息的写入，也即是否进行光刻写入。若刻写控制信息为“1”数码，则在信息记录点处进行刻写，若刻写控制信息为“0”，则不在信息记录点处进行刻写。当完成信息记录点处的信息写入后，再令光束作用于本层的下一信息记录点处进行荧光暗态信息的写入，依次类推，直至完成荧光记录层2上的信息记录过程。

通过移动物镜309的上下位置或者调节聚焦光束的激光发散度，调节光束的焦深(过程311)，使聚焦光束作用于306荧光记录层3上，在荧光记录层3上的信息记录点(如314)处进行荧光暗态信息的写入。若刻写控制信息为“1”数码，则在信息记录点处进行刻写，若刻写控制信息为“0”，则不在信息记录点处进行刻写。当完成信息记录点处的信息写入后，再令光束作用于本层的下一信息记录点处进行荧光暗态信息的写入，依次类推，直至完成荧光记录层3上的信息记录过程。

为避免多层荧光信号的串扰问题，实心刻写光束采用脉冲光束，利用材料的双光子特性，通过双光子过程的阈值特性避免刻写过程中的信号串扰问题。同时，采用更短波长刻写激光束(可采用半导体激光405纳米或更短波长输出，或355纳米和266纳米固体激光输出，或者248纳米、193纳米和157纳米输出准分子激光等等)以及高数值孔径物镜的聚焦方式，获得压缩的衍射受限聚焦光斑。

图6显示为一种光盘物理存储介质的结构，包括：

1)保护层401，该层使光盘可以经受住频繁的使用、指纹、抓痕和污垢，以此保证光盘的存储质量和数据安全；

2)402为吸收调制层1，该层材料具有吸收调制特性，其吸收光谱如图3所示，该层厚度一般小于500nm，该层使刻写脉冲光束高斯线性得到压缩，压缩后的光束作用于荧光记录层1用于荧光暗态信息写入过程，吸收调制层材料包括：二芳基乙烯类，俘精酸酐类以及叠氮类材料，但不限于这些；

3)403为荧光记录层1，用于进行第一层信息的荧光暗态信息记录，该层厚度大于1/2波长，该层特征为可以稳定保存，具有较高的荧光效率与稳定性，且可进行光学刻写，主要由常用的荧光材料，如8-羟基喹啉(AIQ-3)以及固化剂组成，但不限于这些；

4)404为吸收调制层2，该层材料具有吸收调制特性，其吸收光谱如图3所示，该层厚度小于500nm，该层使刻写脉冲光束高斯线性得到压缩，压缩后的光束作用于荧光记录层2用于荧光暗态写入过程，吸收调制层材料包括二芳基乙烯类，俘精酸酐类以及叠氮类材料，但不限于这些；

5)405为荧光记录层2，用于进行第二层信息的荧光暗态信息记录，该层厚度大于1/2波长，该层材料可与荧光记录层1材料相同，亦可选择其他荧光波长的荧光材料，采用多波长荧光进行存储可以有效提高信号的串扰；

6)406为吸收调制层3，该层材料具有吸收调制特性，其吸收光谱如图3所示，该层厚度小于500nm，该层使刻写脉冲光束高斯线性得到压缩，压缩后的光束作用于荧光记录层3用于荧光暗态信息写入过程，吸收调制层材料包括：二芳基乙烯类，俘精酸酐类以及叠氮类材料，但不限于这些；

7)407为荧光记录层3，用于进行第三层信息的荧光暗态信息记录，该层厚度大于1/2波长，该层材料可与荧光记录层1、2材料相同，亦可选择其他荧光波长的荧光材料，采用多波长荧光进行存储可以有效提高信号的串扰；

8)408为中间过渡层，该层厚度小于1/2波长，于荧光记录层3与基底之间，用以保护荧光记录层与基底层之间的信息串扰，常用材料包括PVA等有机材料；

8)基底层409，用以保护光盘物理介质存储结构。

结合上述光盘物理存储结构，以下阐述基于前述方式一的双光束光刻信息写入方法的改进方法：

实心刻写光束411与空心抑制光束412经物镜410聚焦作用于402吸收调制层1上，经吸收调制层1作用，透过吸收调制层的激光束413聚焦作用于403荧光记录层1上，在荧光记录层1上信息记录点(如414)处进行荧光暗态信息写入过程，即是否进行光刻写入。若刻写控制信息为“1”数码，则在信息记录点处进行刻写，若刻写控制信息为“0”，则不在信息记录点处进行刻写。当完成信息记录点处的信息写入后，再令光束作用于本层的下一信息记录点处进行荧光暗态信息的写入，依次类推，直至完成荧光记录层1上的信息记录过程。

调节实心刻写光束411与空心抑制光束412的强度和发散度以及物镜位置(过程415)，使透过吸收调制层的激光束聚焦作用于404吸收调制层2上，透过吸收调制层的激光束聚焦作用于405荧光记录层2上，在荧光记录层2上的信息记录点(如419)处进行荧光暗态信息写入过程，即是否进行光刻写入。若刻写控制信息为“1”数码，则在信息记录点处进行刻写，若刻写控制信息为“0”，则不在信息记录点处进行刻写。当完成信息记录点处的信息写入后，再令光束作用于本层的下一信息记录点处进行荧光暗态信息的写入，依次类推，直至完成荧光记录层2上的信息记录过程。

调节实心刻写光束411与空心抑制光束412的强度和发散度以及物镜位置(过程420)，使透过吸收调制层的激光束聚焦作用于406吸收调制层3上，透过吸收调制层的激光束聚焦作用于407荧光记录层3上，在荧光记录层3上的信息记录点(如424)处进行荧光暗态信息写入过程，即是否进行光刻写入。若刻写控制信息为“1”数码，则在信息记录点处进行刻写，若刻写控制信息为“0”，则不在信息记录点处进行刻写。当完成信息记录点处的信息写入后，再令光束作用于本层的下一信息记录点处进行荧光暗态信息的写入，依次类推，直至完成荧光记录层3上的信息记录过程。

为避免多层荧光信号的串扰问题，实心刻写光束411采用脉冲光束，利用材料的双光子特性，通过双光子过程的阈值特性避免刻写过程中的信号串扰问题。

采用波长为λ₁的脉冲激光光束作为刻写激光，该光束为实心光束，光强符合高斯强度分布，起刻录信息的作用；波长为λ₂的连续光束则作为抑制光束，该光束为空心光束，光强符合环形强度分布，中心强度近似为零(可用涡旋相位板或者空间光调制器等产生)，起到抑制刻写光束外围光斑透过吸收调制层的作用；吸收调制材料则具有吸收调制特性与双光子吸收特性，吸收调制材料具有两种状态，分别为状态1和状态2，如图3所示，分别对应“CF态”和“OF态”，其中“CF态”对波长λ₂的光吸收强，对波长λ₁的光吸收弱；“OF态”则对波长λ₂的光吸收弱，对波长λ₁的光吸收强。波长为λ₁的脉冲激光以一定功率密度照射吸收调制材料，该材料发生双光子吸收过程，从状态1向状态2转换；波长为λ₂的光束照射该材料，会使该材料由状态2向状态1转换，并且吸收调制材料处于状态1时对波长为λ₂的激光吸收率较低。因此，当两束光束的焦平面在空间上重合同时聚焦作用于吸收调制层时，由于双光子吸收特性，吸收调制材料对刻写光束产生双光子吸收过程，而抑制光束则促进了吸收调制层对刻写光束吸收，从而抑制了刻写光束的外围光束透过吸收调制层，从而实现了透过吸收调制层的刻写光束的高斯线型被压缩的过程，获得了超越衍射极限的刻写光束，作用于荧光记录层实现荧光暗态纳米光刻信息写入。

该方法中对于其他荧光记录层，由于双光子吸收的阈值特性，未聚焦区域未到达吸收调制材料的双光子吸收功率密度，对于刻写光束不产生吸收从而使刻写光束透过；抑制光束则由于状态1对波长为λ₂的激光吸收率较低，亦可顺利透过其他荧光记录层，因此仅在光束聚焦层实现了刻写光束的压缩过程，进行光刻信息写入，避免了信息刻写时的不同荧光记录层间的刻写信息串扰问题。

如图7所示，基于前述写入方法完成的光盘刻写数据，由如下超分辨荧光读取方法来实现超高密度光盘的有效存储信息读取，包括如下步骤：

S71：令波长为λ₁的实心激发光束与波长为λ₂的空心损耗光束的焦平面在空间上重合；

所述实心激发光束的光束强度符合高斯强度分布；所述空心损耗光束的光束强度符合环形强度分布且中心强度趋于零。

S72：将重合后的光束聚焦作用于光盘物理存储介质的荧光记录层。

S73：所述实心光束激发所述荧光记录层产生中心波长为λ₃的荧光，所述空心光束抑制所述荧光记录层产生荧光；

λ₂位于所述荧光记录层的荧光峰的后沿，且λ₁＜λ₃＜λ₂；所述实心激发光束与所述空心损耗光束的激光波长避开所述光盘物理存储介质的吸收调制材料的吸收峰，从而避免吸收调制层对于荧光暗态刻写信息读取的影响。

S74：探测所述荧光记录层的各信息记录点处的荧光信号。

S75：根据各所述荧光信号的强弱判断对应的信息记录点先前是否完成了荧光暗态信息的写入，并根据判断结果还原出所述光盘物理存储介质中的数据存储信息。

具体来说，若所述荧光信号的强度低于第一阈值，则认为对应的信息记录点先前完成了荧光暗态信息的写入，随之生成数字存储信息“1”；若所述荧光信号的强度高于第二阈值，则认为对应的信息记录点先前未进行荧光暗态信息的写入，随之生成数字存储信息“0”；按各所述信息记录点的顺序对各所述数字存储信息排序，作为最终的数据存储信息。

以图8所示的三层存储介质结构为例，以下将详细阐述步骤S71～S75的实现过程。

图8显示为一种光盘物理存储介质的结构，其中，501为保护层，502为荧光记录层1、504为荧光记录层2，506为荧光记录层3，503、505、507为中间过渡层，508为基底层。

1)对于刻写完成的多层光盘存储介质结构，激光光束510和511经物镜509聚焦作用于502荧光记录层1上，对该层荧光信号进行读取；

2)激光光束510为实心光束，光强符合高斯强度分布，使荧光材料产生荧光，激光光束511为空心光束，光强符合环形强度分布，中心强度近似为零(可用涡旋相位板或者空间光调制器等产生)，起到抑制荧光材料产生荧光的作用，实现荧光“擦除”的效果，从而实现荧光的超分辨读出；

3)在荧光记录层1上的信息记录点(如514)处进行荧光信号的超分辨读取过程，对应荧光强度较低时，表示该点处存入暗态信息，解码出该点的记录信息为“1”；而对应荧光强度较高时，表示该点处未存入暗态信息，解码出该点的记录信息为“0”；完成该信息记录点处的信息读取过程，移动光盘存储介质结构，令光束作用于荧光记录层1的下一信息记录点处进行荧光暗态信息读取，依次类推，直至完成荧光记录层1上的信息读取过程；

4)移动物镜位置(过程512)，使光束510和511聚焦作用于504荧光记录层2上，荧光记录层2上信息记录点(如515)处进行荧光信号的超分辨读取过程，对应荧光强度较低时，表示该点处存入暗态信息，解码出该点的记录信息为“1”；而对应荧光强度较高时，表示该点处未存入暗态信息，解码出该点的记录信息为“0”；完成该信息记录点处的信息读取过程，移动光盘存储介质结构，令光束作用于荧光记录层2的下一信息记录点处进行荧光暗态信息读取，依次类推，直至完成荧光记录层2上的信息读取过程；

5)移动物镜位置(过程513)，使光束510和511聚焦作用于506荧光记录层3上，荧光记录层3上信息记录点(如516)处进行荧光信号的超分辨读取过程，对应荧光强度较低时，表示该点处存入暗态信息，解码出该点的记录信息为“1”；而对应荧光强度较高时，表示该点处未存入暗态信息，解码出该点的记录信息为“0”；完成该信息记录点处的信息读取过程，移动光盘存储介质结构，令光束作用于荧光记录层3下一信息记录点处进行荧光暗态信息读取，依次类推，直至完成荧光记录层3上的信息读取过程。

值得说明的是，对于荧光材料，波长为λ₁的激光激发荧光材料产生中心波长为λ₃的荧光(λ₁＜λ₂)，波长为λ₂的激光则可以抑制该材料产生荧光(λ₂位于荧光材料荧光峰的后沿，λ₂＞λ₃)，因此，波长为λ₁的实心光束与波长为λ₂的空心光束以一定光强同时作用于荧光记录层，实心光束光强符合高斯强度分布，激发荧光材料产生荧光；空心光束光强则符合环形强度分布，中心强度近似为零(可用涡旋相位板或者空间光调制器等产生)，抑制该材料产生荧光，起到荧光擦除作用，从而实现超分辨荧光信息读取。荧光材料的荧光中心波长为λ₃，所选用激发光波长为λ₁，损耗光波长则为λ₂(λ₁＜λ₃＜λ₂)，激发光束与损耗光束经物镜聚焦后，两束光束的焦平面在空间上重合，共同聚焦作用于荧光记录层，对荧光记录层的固定位置上的存储信息进行超分辨荧光信息读取；对于某信息记录点处，探测到的荧光信号较弱则认为该此处完成了荧光暗态刻写过程，记录下数据存储信息为“1”，反之，荧光信号较强则认为该此处先前没有进行荧光暗态刻写过程，记录下数据存储信息为“0”。

较佳的，本实施例的数字存储信息的读取方法采用“共焦层析式”读取方法。所谓的“共焦层析式”即指读取时采用共焦的方式、一层一层地收集信号，这样可以实现点对点的读取，比如：在读取第二层的信号的时候，光也照到第一层了，但是不对第一层的信号进行收集。“共焦层析式”读取方法，纵向分辨率高，可实现多层光盘的不同深度荧光信息读取，从而实现光盘的多层存储信息读取。

对应上述的基于纳米光刻的光盘信息写入方法和读取方法，本发明提出以下基于该方法的光盘写入读出装置，包括：双光束刻写光盘读写装置和单光束刻写光盘读写装置。

双光束刻写光盘读写装置如图9所示，

1)刻写光束从激光器601中出射，经声光调制器605调制后，激光光束经透镜607聚焦，根据透镜607的焦距和NA选择对应的μm级小孔609对光束进行滤波，亦可选择单模光纤代替小孔609；

2)抑制光束从激光器602中出射，经声光调制器606调制后，激光光束经透镜608聚焦，根据透镜608的焦距和NA选择对应的μm级小孔610对光束进行滤波，亦可选择单模光纤代替小孔610；

3)刻写光束经空间滤波后的发散光束通过准直透镜611准直扩束，准直光束经二向色镜629反射后，入射进高倍物镜621中，物镜聚焦后形成“衍射极限”尺寸大小实心光斑；

4)抑制光束经空间滤波后的发散光束通过准直透镜612准直扩束，准直光束经过涡旋相位板613，产生相位由0到π的分布的激光束，该光束经二向色镜630反射后，入射进高倍物镜621中，经物镜聚焦后形成中心强度近似为零的空心光束；

5)以空心光束焦平面为基准，通过调节透镜611前后位置调节刻写光束的发散度，同时调节二向色镜629，调节刻写光束的入射角度，使刻写光束与抑制光束的焦平面在空间上重合，同时作用于光盘物理存储介质结构626上，在荧光记录层1进行光刻信息写入过程，通过声光调制器605、606分别控制刻写光束与抑制光束的照射时间和光束强度，对记录层1的荧光暗态写入进行精准控制；

6)调节物镜位置或者样品位置631，分别使刻写光束聚焦于不同荧光记录层，从而实现光盘的多层信息存储过程；

7)对于刻写光盘，损耗光束从激光器603中出射，经透镜614聚焦，根据透镜615的焦距和NA选择对应的μm级小孔618对光束进行滤波，亦可选择单模光纤代替小孔618；

8)激光光束从激光器604中出射，经透镜615聚焦，根据透镜615的焦距和NA选择对应的μm级小孔617对光束进行滤波，亦可选择单模光纤代替小孔617；

9)激发光束经空间滤波后的发散光束通过准直透镜619准直扩束，准直光束经二向色镜628反射后，入射进高倍物镜621中，物镜聚焦后形成“衍射极限”尺寸大小实心光斑；

10)损耗光束经空间滤波后的发散光束通过准直透镜618准直扩束，准直光束经过涡旋相位板620，产生相位由0到π的分布的激光束，该光束经二向色镜627反射后，入射进高倍物镜621中，经物镜聚焦后形成中心强度近似为零的空心光束；

11)以空心光束焦平面为基准，通过调节透镜619前后位置调节刻写光束的发散度，同时调节二向色镜628，调节刻写光束的入射角度，使刻写光束与抑制光束的焦平面在空间上重合，同时作用于光盘物理存储介质结构626上，对于荧光记录层1上的刻写信息进行超分辨荧光信息读取，荧光信号经物镜621收集，并通过分束镜622分光，经过滤波片623后经透镜624收集到探测器625中，根据荧光强度比对，最终解码出刻写信息。

12)调节物镜位置或者样品位置(过程631)，分别使激发光束与损耗光束聚焦于不同荧光记录层，从而实现光盘的多层信息读取过程。

单光束刻写光盘读写装置如图10所示，

1)刻写光束从激光器701中出射，经声光调制器704调制后，激光光束经透镜705聚焦，根据透镜705的焦距和NA选择对应的μm级小孔706对光束进行滤波，亦可选择单模光纤代替小孔706；

2)刻写光束经空间滤波后的发散光束通过准直透镜707准直扩束，准直光束经二向色镜723反射后，入射进高倍物镜715中，物镜聚焦后形成“衍射极限”尺寸大小实心光斑；

3)刻写光束作用于光盘物理存储介质结构716上，在荧光记录层1进行光刻信息写入过程，通过声光调制器704分别控制刻写光束与抑制光束的照射时间和光束强度，对记录层1的荧光暗态写入进行精准控制；

4)调节物镜位置或者样品位置724，分别使刻写光束聚焦于不同荧光记录层，从而实现光盘的多层信息存储过程；

5)对于刻写光盘，激发光束从激光器702中出射，经透镜708聚焦，根据透镜708的焦距和NA选择对应的μm级小孔710对光束进行滤波，亦可选择单模光纤代替小孔710；

6)损耗光束从激光器703中出射，经透镜709聚焦，根据透镜709的焦距和NA选择对应的μm级小孔711对光束进行滤波，亦可选择单模光纤代替小孔711；

7)激发光束经空间滤波后的发散光束通过准直透镜712准直扩束，准直光束经二向色镜722反射后，入射进高倍物镜715中，物镜聚焦后形成“衍射极限”尺寸大小实心光斑；

8)损耗光束经空间滤波后的发散光束通过准直透镜713准直扩束，准直光束经过涡旋相位板714，产生相位由0到π的分布的激光束，该光束经二向色镜721反射后，入射进高倍物镜715中，经物镜聚焦后形成中心强度近似为零的空心光束；

9)以空心光束焦平面为基准，通过调节透镜712前后位置调节刻写光束的发散度，同时调节二向色镜722，调节刻写光束的入射角度，使刻写光束与抑制光束的焦平面在空间上重合，同时作用于光盘物理存储介质结构716上，对于荧光记录层1上的刻写信息进行超分辨荧光信息读取，荧光信号经物镜715收集，并通过分束镜717分光，经过滤波片718后经透镜719收集到探测器720中，根据荧光强度比对，最终解码出刻写信息。

10)调节物镜位置或者样品位置(过程724)，分别使激发光束与损耗光束聚焦于不同荧光记录层，从而实现光盘的多层信息读取过程。

需要说明的是，上述双光束刻写光盘读写装置及单光束刻写光盘读写装置均可以拆分成只写装置、只读装置，从而单独实现信息写入功能、信息读取功能。

综上所述，本发明的基于纳米光刻的光盘信息读写方法及装置，主要具有以下优点：

1、缩小记录点尺寸和记录点间距，实现了光盘的超高密度信息存储过程；

2、相较现有蓝光光盘利用材料折射率变化进行数据存储，具有更高的稳定性，更适用于信息的长久保存；

3、利用吸收调制方法和双光子特性，调节刻写光和抑制光的强度和作用时间，可以进一步压缩透射光束的高斯强度分布，实现更小的记录点尺寸；

4、采用双光子过程进行多层荧光材料的光刻信息写入，利用双光子过程的阈值效应可以实现多层光盘信息存储，并且有效地避免各层存储信息的相互串扰；

5、采用受激辐射倒空技术与现有光盘读取技术相结合，可以实现光盘存储数据的超分辨荧光读出过程；

6、采用本发明的纳米光刻信息写入方法刻写的信息记录点的大小可以小于或远小于现有蓝光的记录点130nm，而轨道间距可以远小于现有蓝光达到的轨道间距320nm。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (31)

1.一种基于纳米光刻的光盘信息写入方法，其特征在于，包括：

压缩实心刻写光束的焦斑尺寸；

读取需存入光盘的数字存储信息；所述数字存储信息亦作为刻写控制信息；所述刻写控制信息包括与各信息记录点一一对应的各二进制数；每位二进制数的“0”和“1”数码分别用于指示是否在对应的信息记录点进行荧光暗态信息的写入；

根据所述刻写控制信息，控制被压缩的焦斑在光盘物理存储介质的荧光记录层的各信息记录点处进行荧光暗态信息的写入。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩实心刻写光束的焦斑尺寸的实现方式包括：

方式一、吸收调制双光束刻写方法，分别形成波长不同的实心刻写光束及空心抑制光束；令所述实心刻写光束及所述空心抑制光束的焦平面在空间上重合；将重合后的光束照射于光盘物理存储介质的吸收调制层，所述空心抑制光束抑制所述实心刻写光束的外围光斑，以压缩所述实心刻写光束的焦斑尺寸；或者，

方式二、减小所述实心刻写光束的波长和/或增大物镜的数值孔径。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述压缩实心刻写光束的焦斑尺寸的实现方式还包括：所述方式一或所述方式二的实心刻写光束采用脉冲光束实现双光子刻写，所述实心刻写光束采用可见、紫外、深紫外连续激光或波段在可见光至紫外光之间的脉冲激光。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述荧光暗态信息写入的实现方式包括：所述荧光记录层即光盘记录层的材料采用荧光材料，在所述光盘物理存储介质的各信息记录点处进行荧光暗态信息的写入，即控制压缩的实心刻写光束在对应的信息记录点处进行纳米光刻过程，即对荧光材料进行刻写。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述吸收调制层具有吸收调制特性和双光子吸收特性；所述空心抑制光束抑制所述实心刻写光束的外围光斑的实现方式还包括：

所述空心抑制光束照射于所述光盘物理存储介质的吸收调制层，以使所述吸收调制层的材料发生吸收调制过程，从所述第二状态向所述第一状态转换；

所述实心刻写光束以预设功率密度照射所述吸收调制层，以使所述吸收调制层的材料发生双光子吸收过程，从所述第一状态向所述第二状态转换；

所述吸收调制层的材料在所述第一状态时对所述空心抑制光束的吸收率低于其在所述第二状态时对所述空心抑制光束的吸收率，从而抑制所述实心刻写光束的外围光斑透过所述吸收调制层；

所述实心刻写光束及所述空心抑制光束的焦平面在空间上重合同时聚焦作用于所述吸收调制层时，在双光子吸收特性和吸收调制特性的作用下，所述空心抑制光束促进了所述吸收调制层对所述实心刻写光束的吸收，抑制了所述实心刻写光束的外围光束透过所述吸收调制层，从而实现了透过所述吸收调制层的实心刻写光束的高斯线型被压缩的过程，获得了超越衍射极限的实心刻写光束，其被作用于所述荧光记录层来实现荧光暗态信息的写入。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，由于双光子吸收的阈值特性，未聚焦区域未到达吸收调制材料的双光子吸收功率密度，对于所述实心刻写光束不产生吸收从而使之透过，仅在光束聚焦层实现了对所述实心刻写光束的压缩过程，进行荧光暗态信息的写入，以避免写入过程中不同荧光记录层间的刻写信息串扰问题，实现双光束双光子多层荧光暗态信息的写入。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述光盘物理存储介质包括多个荧光记录层时，所述方法还包括：根据所述刻写控制信息，控制被压缩的焦斑在完成一荧光记录层的荧光暗态信息刻写后，调节所述光盘物理存储介质与被压缩的焦斑之间的相对位置，再进行下一荧光记录层的荧光暗态信息刻写。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，各所述荧光记录层采用同一荧光材料或多种荧光材料；其中，每种荧光材料对应的荧光波长不同，以避免信号读取时各层荧光信号间的串扰。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：通过调节样品位置，将被压缩的焦斑作用于不同的荧光记录层，以进行荧光暗态信息的多层刻写。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述实心刻写光束采用脉冲光束以满足吸收调制材料的双光子吸收特性。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信息记录点的大小不大于130nm；所述信息记录点的轨道间距不大于320nm。

12.一种超分辨数字存储信息的读取方法，其特征在于，包括：

令波长为λ₁的实心激发光束与波长为λ₂的空心损耗光束的焦平面在空间上重合；

将重合后的光束聚焦作用于光盘物理存储介质的荧光记录层；

所述实心光束激发所述荧光记录层产生中心波长为λ₃的荧光，所述空心光束抑制所述荧光记录层产生荧光；其中，λ₂位于所述荧光记录层的荧光峰的后沿，且λ₁＜λ₃＜λ₂；

探测所述荧光记录层的各信息记录点处的荧光信号；

根据各所述荧光信号的强弱判断对应的信息记录点是否完成了荧光暗态信息的写入，并根据判断结果还原出所述光盘物理存储介质中的数据存储信息。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，根据各所述荧光信号的强弱判断对应的信息记录点先前是否完成了荧光暗态信息的写入，并根据判断结果还原出所述光盘物理存储介质中的数据存储信息，具体包括：

若所述荧光信号的强度低于第一阈值，则认为对应的信息记录点先前完成了荧光暗态信息的写入，随之生成数字存储信息“1”；

若所述荧光信号的强度高于第二阈值，则认为对应的信息记录点先前未进行荧光暗态信息的写入，随之生成数字存储信息“0”；

按各所述信息记录点的顺序对各所述数字存储信息排序，作为最终的数据存储信息。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：采用共焦层析式读取方式实现所述光盘物理存储介质的多层存储信息读取。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，通过调节样品位置，将所述重合后的光束聚焦作用于不同的荧光记录层，以实现荧光暗态信息的多层存储信息读取。

16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述实心激发光束与所述空心损耗光束的激光波长避开所述光盘物理存储介质的吸收调制材料的吸收峰。

17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述实心激发光束的光束强度符合高斯强度分布；所述空心损耗光束的光束强度符合环形强度分布且中心强度趋于零。

18.一种基于纳米光刻的光盘信息写入装置，其特征在于，包括：

光路模块，用于压缩实心刻写光束的焦斑尺寸，并将其照射于光盘物理存储介质；

控制模块，用于读取需存入光盘的数字存储信息；所述数字存储信息亦作为刻写控制信息；所述刻写控制信息包括与各信息记录点一一对应的各二进制数；每位二进制数的“0”和“1”数码分别用于指示是否在对应的信息记录点进行荧光暗态信息的写入；根据所述刻写控制信息，控制被压缩的焦斑在光盘物理存储介质的荧光记录层的各信息记录点处进行荧光暗态信息的写入。

19.根据权利要求18所述的写入装置，其特征在于，所述光路模块包括：刻写激光激光器、第一声光调制器、第一耦合透镜、第一滤波件、第一准直透镜、第一二向色镜、及高倍物镜；其中，

所述刻写激光激光器，用于发出第一预设波长的激光，以作为实心刻写光束；

所述第一声光调制器、所述第一耦合透镜、所述第一滤波件、及所述第一准直透镜沿所述实心刻写光束的光路依次布置；所述实心刻写光束经所述第一声光调制器调制后，先由所述第一耦合透镜聚焦，再由所述第一滤波件进行滤波，滤波后的实心刻写光束再通过所述第一准直透镜进行准直扩束；

所述第一二向色镜，与所述第一准直透镜呈一定角度布置，用于将准直扩束后的实心刻写光束反射至所述高倍物镜；

所述高倍物镜，用于聚焦接收的实心刻写光束并将其作用于光盘物理存储介质的表面，以进行荧光暗态信息的写入。

20.根据权利要求19所述的写入装置，其特征在于，所述第一滤波件包括：μm级小孔或单模光纤。

21.根据权利要求19所述的写入装置，其特征在于，所述实心刻写光束作用于所述光盘物理存储介质，在其荧光记录层进行荧光暗态信息的写入；所述第一声光调制器还用于：通过控制所述实心刻写光束的光束强度和作用时间来控制对所述荧光记录层的刻写深度；通过控制所述空心刻写光束的光束强度和作用时间来控制对所述荧光记录层的刻写宽度。

22.根据权利要求19所述的写入装置，其特征在于，所述高倍物镜在所述控制模块的控制下调节自身位置，以使所述实心刻写光束聚焦于不同的荧光记录层，从而实现对每一荧光记录层的荧光暗态信息的刻写。

23.根据权利要求18所述的写入装置，其特征在于，所述光路模块还包括：抑制激光激光器、第二声光调制器、第二耦合透镜、第二滤波件、第二准直透镜、第一涡旋相位板、及第二二向色镜；其中，

所述抑制激光激光器，用于发出第二预设波长的激光，以作为抑制光束；

所述第二声光调制器、所述第二耦合透镜、所述第二滤波件、所述第二准直透镜、及所述第一涡旋相位板沿所述抑制光束的光路依次布置；所述抑制光束经所述第二声光调制器调制后，先由所述第二耦合透镜聚焦，再由所述第二滤波件进行滤波，滤波后的抑制光束先通过所述第二准直透镜进行准直扩束，在通过所述第一涡旋相位板以产生相位由0到π分布的激光束；

所述第二二向色镜，与所述第二准直透镜呈一定角度布置，用于将所述相位由0到π分布的激光束反射至所述高倍物镜，由所述高倍物镜聚焦后形成中心强度趋于零的空心抑制光束；并且，所述实心刻写光束与所述空心抑制光束的焦平面在空间上重合。

24.根据权利要求23所述的写入装置，其特征在于，所述第二滤波件包括：μm级小孔或单模光纤。

25.根据权利要求23所述的写入装置，其特征在于，所述第二声光调制器还用于：通过分别控制所述实心刻写光束和所述空心抑制光束的光束强度和作用时间来控制对所述荧光记录层的刻写深度；通过控制所述空心刻写光束和所述空心抑制光束的光束强度和作用时间来控制对所述荧光记录层的刻写宽度。

26.根据权利要求23所述的写入装置，其特征在于，所述高倍物镜在所述控制模块的控制下调节自身位置，以使重合后的实心刻写光束及空心抑制光束聚焦于不同的荧光记录层，从而实现对每一荧光记录层的荧光暗态信息的刻写。

27.一种基于纳米光刻的光盘信息读取装置，其特征在于，包括：激发激光激光器、损耗激光激光器、第一耦合透镜、第二耦合透镜、第三耦合透镜、第一滤波件、第二滤波件、第一准直透镜、第二准直透镜、涡旋相位板、第一二向色镜、第二二向色镜、分束镜、滤波片、探测器、及高倍物镜；其中，

所述损耗激光激光器、所述第一耦合透镜、所述第一滤波件、所述第一准直透镜、所述涡旋相位板、及所述第一二向色镜沿一光路依次布设；损耗光束从所述损耗激光激光器中出射，经所述第一耦合透镜聚焦，由所述第一滤波件进行滤波，滤波后的发散光束先通过所述第一准直透镜进行准直扩束，再经过所述涡旋相位板产生相位由0到π分布的激光束，该激光束被所述第一二向色镜反射进入所述高倍物镜，由其聚焦后形成中心强度趋近于零的空心光束；

所述激发激光激光器、所述第二耦合透镜、所述第二滤波件、所述第二准直透镜、及所述第二二向色镜沿一光路依次布设；激发光束从所述激发激光激光器中出射，经所述第二耦合透镜聚焦，由所述第二滤波件进行滤波，滤波后的发散光束先通过所述第二准直透镜进行准直扩束，再被所述第二二向色镜反射进入所述高倍物镜，由其聚焦后形成衍射极限级别尺寸大小的实心光斑；

所述实心光束与所述空心光束的焦平面在空间上重合，同时作用于所述光盘物理存储介质，以对其荧光记录层上的刻写信息进行读取，荧光信号由所述高倍物镜收集；

所述分束镜、所述滤波片、及所述探测器沿一光路依次布设；所述荧光信号经所述分束镜分光后，依次经过所述滤波片和所述第三耦合透镜后，被所述探测器收集，由所述探测器根据荧光强度比对解码得出刻写信息。

28.根据权利要求27所述的读取装置，其特征在于，调节所述高倍物镜的位置，以使重合后的实心光束与空心光束聚焦于不同的荧光记录层，从而实现对每一荧光记录层的刻写信息的读取。

29.根据权利要求27所述的读取装置，其特征在于，所述第一滤波件包括：μm级小孔或单模光纤；所述第二滤波件包括：μm级小孔或单模光纤。

30.一种基于纳米光刻的光盘信息读写装置，其特征在于，包括：如权利要求18至26中任一项所述的基于纳米光刻的光盘信息写入装置，以及如权利要求27至29中任一项所述的基于纳米光刻的光盘信息读取装置。

31.根据权利要求30所述的读写装置，其特征在于，所述写入装置与所述读取装置共用一件高倍物镜。

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