CN111540384B - 一种在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法及系统，属于光存储领域，包括：将所需存储的数据作为目标数据，确定其对应的延迟值L、光轴方向D和荧光信号强度I，并根据目标数据的存储地址确定各向异性结构在加工材料中的位置P；根据延迟值L和光轴方向D分别设置第一激光的强度和偏振状态后，利用第一激光在加工材料中位置P处写入各向异性结构；确定写入各向异性结构的过程中，第一激光引入的材料缺陷受激发产生的荧光信号强度Iini，并根据荧光信号强度I和Iini之间的差值设置第二激光的强度和作用时间后，将第二激光作用于加工材料中的位置P处，以利用第二激光的热效应将荧光信号的强度调控为I。本发明能够提高光存储的容量。

Description

一种在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法及系统
技术领域
本发明属于光存储领域，更具体地，涉及一种在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法及系统。
背景技术
近年来，随着互联网与物联网等信息技术的飞速发展，人类在生产生活中产生的数据量也爆炸式增长。对于企业，数据中心等机构而言，如何有效保存这些海量数据是一项重要的挑战。目前主流的存储技术面临新的需求时往往存在一定的弊端。例如，常见HDD(Hard Disk Drive，硬盘驱动器)、SSD(Solid State Drive，固态驱动器)等硬盘在使用过程中需要耗费大量的电能，并且这些设备的使用寿命不长，每3到5年需要对数据进行转录，不适用于数据长期保存。光盘，磁带等存储介质受限于材料，使用寿命多在十到二十年，并且抵抗火灾等突发状况的能力很弱。相比于电存储与磁存储，光存储技术通常具备使用寿命长，存储密度高，环保节能的优点。因此，近年来对新型光存储技术的研发越来越多地受到科研人员与企业的关注。
随着飞秒激光技术的发展与普及，使得人们可以在透明材料内部存储信息，发展出了多维光存储技术。不同于传统的光盘技术，飞秒激光利用多光子吸收的原理，可将数据记录在材料内部数十到数百个数据层中，大大提高了存储容量。光存储材料中可以加工出各向异性结构，例如纳米光栅，这些各向异性结构除了传统的三维空间属性外，还具有双折射特性，即延迟值和光轴方向，利用光存储材料中各向异性结构的三维空间属性及双折射特性，即可将存储扩展至五维，使得存储容量大为提高。熔融石英是一种极具潜力的光存储材料，其物理化学性质稳定，能很好地满足光存储大容量，长寿命等需求。以熔融石英为例，根据激光脉冲能量的不同，熔融石英中可诱导三种不同类型的结构变化：当脉冲能量较低时，加工区域折射率会增加，可用于制造光波导；当能量很高时，加工区域会出现小孔或裂纹，可用于三维光存储技术；当脉冲能量处于一个中间范围时，可在加工区域诱导出各向异性结构，纳米光栅即为其中的一种各向异性结构。
基于各向异性结构的五维光存储技术是一项非常有潜力的光存储技术，该结构表现出双折射特性，延迟值可以用激光光强控制，光轴方向可以用激光偏振状态控制，可通过测量双折射信号读取存储的数据。五维光存储使得存储容量大为增加，但是相对于爆炸式增长的数据量来说，存储容量仍有待进一步提高。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法及系统，其目的在于，提高光存储的容量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法，包括如下步骤：
(1)以加工材料中各向异性结构、延迟值和光轴方向，以及写入各向异性结构时材料缺陷的荧光信号强度分别作为数据存储的三个维度，将所需存储的数据作为目标数据，确定目标数据所对应的三维空间位置P、延迟值L、光轴方向D和荧光信号强度I，并根据目标数据的存储地址确定各向异性结构在加工材料中的位置P；
(2)根据延迟值L和光轴方向D分别设置第一激光的强度和偏振状态后，利用第一激光在加工材料中位置P处写入各向异性结构，完成目标数据中部分内容的写入；
(3)确定写入各向异性结构的过程中，第一激光引入的材料缺陷受激发产生的荧光信号强度Iini，并根据荧光信号强度I和荧光信号强度Iini之间的差值设置第二激光的强度和作用时间后，将第二激光作用于加工材料中的位置P处，以利用第二激光的热效应将荧光信号的强度调控为I，实现对目标数据剩余部分内容的写入。
研究表明，由于激光的作用，在形成各向异性结构的过程中，材料内部的元素含量发生了局部变化，在加工区域留下了大量的材料内部缺陷，例如ODC(oxygen deficiencycenters，缺氧中心)，NBOHC(non-bridging oxygen hole centers，非桥氧中心)等，这些缺陷在合适波长的光激发下可产生各自的荧光信号，该荧光信号的强度可利用荧光显微镜等设备进行定量测量；对加工过后的材料进行合适的热处理，这些缺陷可以部分消除，从而对荧光信号进行调控。本发明基于各向异性加工过程中的上述特性，利用其中由于激光引入的材料缺陷受激发所产生的荧光信号的强度作为光存储的一个维度，从而将光存储从五维扩展到了六维，能够进一步提高光存储的容量。
进一步地，第一激光为飞秒激光；利用飞秒激光可以较为方便地在加工材料中写入各向异性结构，实现信息的写入。
进一步地，第二激光的热效应所产生的加热温度低于各向异性结构的损伤阈值，由此能够保证在对荧光信号强度进行调控的过程中，不会影响已写入的各向异性结构，从而保证数据存储的可靠性。
进一步地，第二激光为纳秒激光或连续激光；纳秒激光和连续激光这样的长脉宽激光的热效应效果较好，利用纳秒激光或连续激光可以很方便地写入各向异性结构后，对加工材料进行热处理，实现信息的写入。
进一步地，加工材料为熔融石英；熔融石英物理化学性质稳定，以熔融石英作为加工材料，能够很好地满足光存储大容量、长寿命的需求。
进一步地，各向异性结构为纳米光栅；纳米光栅是一种周期结构，其周期通常小于激光波长，排列方向与激光的偏振状态有关，其加工难度较低，利用纳米光栅可以较为方便地实现数据存储。
进一步地，本发明所提供的在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法，还包括：
在加工材料中写入不同的各向异性结构所对应的数据后，测量对应的荧光信号强度，从而确定所写入的各向异性结构与写入该各向异性结构的过程中所引入荧光信号强度的对应关系。
本发明通过预先确定所写入的各向异性结构与所引入的荧光信号强度的对应关系，能够在对目标数据进行存储时，直接获得所引入的荧光信号强度的初始值，从而确定将荧光信号强度调控至目标值时，可施加的第二激光的强度和作用时间，方便地实现对荧光信号强度的调控。
按照本发明的另一个方面，提供了一种在各向异性结构中引入荧光信号的光存储系统，包括：映射装置、第一激光器、第二激光器、第一激光调节装置、第二激光调节装置、激光对齐装置以及三维平移装置；
映射装置，用于以加工材料中各向异性结构的延迟值和光轴方向，以及写入各向异性结构时材料缺陷的荧光信号强度分别作为数据存储的三个维度，将所需存储的数据作为目标数据，确定目标数据所对应的延迟值L、光轴方向D和荧光信号强度I，并根据目标数据的存储地址确定各向异性结构在加工材料中的位置P；
第一激光器，用于产生第一激光；
第二激光器，用于产生第二激光；
第一激光调节装置，用于根据延迟值L和光轴方向D分别设置第一激光的强度和偏振状态；
第二激光调节装置，用于确定写入各向异性结构的过程中，第一激光引入的材料缺陷受激发产生的荧光信号强度Iini，并根据荧光信号强度I和荧光信号强度Iini之间的差值设置第二激光的强度和作用时间；
激光对齐装置，用于对齐第一激光和第二激光的入射方向，以使得经过第一激光调节装置调节后的第一激光和经过第二激光调节装置调节后的第二激光能够先后作用于加工材料的同一位置；
三维平移装置，用于承载加工材料，并移动加工材料，使得经过激光对齐装置的第一激光和第二激光能够作用于加工材料中位置P处，从而利用第一激光在加工材料中位置P处写入各向异性结构，完成目标数据中部分内容的写入，并利用第二激光的热效应将荧光信号的强度调控为I，实现对目标数据剩余部分内容的写入。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，利用在光存储材料中写入各向异性结构时引入的荧光信号的强度作为光存储的一个维度，并利用另一束激光的热效应实现对该荧光信号强度的调控，能够将光存储从五维扩展到六维，进一步提高光存储的容量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法流程图；
图2为本发明实施例提供的激光对齐装置示意图。
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。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
为了进一步提高光存储的容量，在本发明的一个实施例中，提供了一种在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法，如图1所示，包括如下步骤：
(1)以加工材料中各向异性结构的延迟值和光轴方向，以及写入各向异性结构时材料缺陷的荧光信号强度分别作为数据存储的三个维度，将所需存储的数据作为目标数据，确定目标数据所对应的延迟值L、光轴方向D和荧光信号强度I，并根据目标数据的存储地址确定各向异性结构在加工材料中的位置P；
本实施例利用三个维度的信息实现数据存储，三个维度的取值组合与所存储的数据之间的一一对应关系，具体地，在本实施例中，可以采用任意一种数据编码方式，即三个维度的取值组合与所存储的数据之间的映射关系；结合三维空间的存储位置，本实施例实现了六维存储；
在本实施例中，所使用的加工材料具体为熔融石英，用于存储数据的各向异性结构具体为纳米光栅；应当说明的是，此处描述仅为本发明的示例性描述，不应理解为对本发明的唯一限定，其他的光存储材料，以及其他具有双折射特性的各向异性结构，均可用于本发明；
(2)根据延迟值L和光轴方向D分别设置第一激光的强度和偏振状态后，利用第一激光在加工材料中位置P处写入各向异性结构，完成目标数据中部分内容的写入；
在本实施例中，第一激光具体为飞秒激光；
(3)确定写入各向异性结构的过程中，第一激光引入的材料缺陷受激发产生的荧光信号强度Iini，并根据荧光信号强度I和荧光信号强度Iini之间的差值设置第二激光的强度和作用时间后，将第二激光作用于加工材料中的位置P处，以利用第二激光的热效应将荧光信号的强度调控为I，实现对目标数据剩余部分内容的写入；
在本实施例中，第二激光的热效应所产生的加热温度低于各向异性结构的损伤阈值，由此能够保证在对荧光信号强度进行调控的过程中，不会影响已写入的各向异性结构，从而保证数据存储的可靠性；可选地，第二激光可选用纳米激光或连续激光，纳米激光和连续激光的热效应较为明显，利用这些激光作为第二激光对加工材料进行热处理，可以方便地实现信息的写入；应当说明的是，纳米激光和连续激光仅为第二激光的优选方案，不应理解为对本发明的唯一限定。
在一个可选的实施方式中，本实施例提供的在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法，还可包括：
在加工材料中写入不同的各向异性结构所对应的数据后，测量对应的荧光信号强度，从而确定所写入的各向异性结构与写入该各向异性结构的过程中所引入荧光信号强度的对应关系；
本实施例通过预先确定所写入的各向异性结构与所引入的荧光信号强度的对应关系，能够在对目标数据进行存储时，直接获得所引入的荧光信号强度的初始值，从而确定将荧光信号强度调控至目标值时，可施加的第二激光的强度和作用时间，方便地实现对荧光信号强度的调控。
研究表明，由于激光的作用，在形成各向异性结构的过程中，材料内部的元素含量发生了局部变化，在加工区域留下了大量的材料内部缺陷(例如ODC，NBOHC等)，这些缺陷在合适波长的光激发下可产生各自的荧光信号，该荧光信号的强度可利用荧光显微镜等设备进行定量测量；对加工过后的材料进行合适的热处理，这些缺陷可以部分消除，从而对荧光信号进行调控。本实施例基于各向异性加工过程中的上述特性，利用其中由于激光引入的材料缺陷受激发所产生的荧光信号的强度作为光存储的一个维度，从而将光存储从五维扩展到了六维，能够进一步提高光存储的容量。
在本发明的另外一个实施例中，提供了一种在各向异性结构中引入荧光信号的光存储系统，包括：映射装置、第一激光器、第二激光器、第一激光调节装置、第二激光调节装置、激光对齐装置以及三维平移装置；
映射装置，用于以加工材料中各向异性结构的延迟值和光轴方向，以及写入各向异性结构时材料缺陷的荧光信号强度分别作为数据存储的三个维度，将所需存储的数据作为目标数据，确定目标数据所对应的延迟值L、光轴方向D和荧光信号强度I，并根据目标数据的存储地址确定各向异性结构在加工材料中的位置P；
第一激光器，用于产生第一激光；
第二激光器，用于产生第二激光；
第一激光调节装置，用于根据延迟值L和光轴方向D分别设置第一激光的强度和偏振状态；
第二激光调节装置，用于确定写入各向异性结构的过程中，第一激光引入的材料缺陷受激发产生的荧光信号强度Iini，并根据荧光信号强度I和荧光信号强度Iini之间的差值设置第二激光的强度和作用时间；
激光对齐装置，用于对齐第一激光和第二激光的入射方向，以使得经过第一激光调节装置调节后的第一激光和经过第二激光调节装置调节后的第二激光能够先后作用于加工材料的同一位置；
三维平移装置，用于承载加工材料，并移动加工材料，使得经过激光对齐装置的第一激光和第二激光能够作用于加工材料中位置P处，从而利用第一激光在加工材料中位置P处写入各向异性结构，完成目标数据中部分内容的写入，并利用第二激光的热效应将荧光信号的强度调控为I，实现对目标数据剩余部分内容的写入；
与上述方法实施例相对应地，本实施例中，加工材料可为熔融石英，各向异性结构可为纳米光栅；第一激光可为飞秒激光，第二激光可为纳米激光或连续激光，相应地，第一激光器为飞秒激光器，第二激光器为纳米激光器或发射连续激光的激光器；应当说明的是，此处描述仅为本发明的示例性描述，不应理解为对本发明的唯一限定。
在一个可选的实施方式中，本实施例中，第一激光和第二激光的波长分别为λ1和λ2，第一激光调节装置沿第一激光器的出射光路设置，第二激光调节装置沿第二激光器的出射光路设置，第一激光经过第一激光调节后，其光路与第二激光经第二激光调节装置调节后的光路平行，经过激光对齐装置的调节后，两束激光的光路部分重合。如图2所示，第一激光光路设置于第二激光光路的上方，激光对齐装置由两个平行设置的反射镜(即第一反射镜和第二反射镜)以及设置于两个反射镜的反射光路上的物镜组成，其中，第一反射镜可反射波长为λ1的激光光束，第二反射镜可反射波长为λ2的激光光束，并透射波长为λ1的激光光束，物镜将激光光束聚焦至熔融石英中对材料进行加工。
应当说明的是，本发明中，激光对齐装置的实现方式并不限于图2所示的结构，此处仅为示例性的描述，不应理解为对本发明的唯一限定，其他的光路结构，例如，第一激光光路设置于第二激光光路的下方，相应地，使第一反射镜可反射波长为λ2的激光光束，第二反射镜可反射波长为λ1的激光光束，并透射波长为λ2的激光光束，同样可以实现对激光入射方向的调节。更多的光路结构，在此将不作一一列举。
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 (8)

1.一种在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以加工材料中各向异性结构的光程延迟和光轴方向，以及写入所述各向异性结构时材料缺陷的荧光信号强度分别作为数据存储的三个维度，将所需存储的数据作为目标数据，确定所述目标数据所对应的光程延迟L、光轴方向D和荧光信号强度I，并根据所述目标数据的存储地址确定所述各向异性结构在所述加工材料中的位置P；
(2)根据所述光程延迟L和所述光轴方向D分别设置第一激光的强度和偏振状态后，利用所述第一激光在加工材料中所述位置P处写入所述各向异性结构，完成所述目标数据中部分内容的写入；
(3)确定写入所述各向异性结构的过程中，所述第一激光引入的材料缺陷受激发产生的荧光信号强度Iini，并根据所述荧光信号强度I和所述荧光信号强度Iini之间的差值设置第二激光的强度和作用时间后，将所述第二激光作用于所述加工材料中的所述位置P处，以利用所述第二激光的热效应将所述荧光信号的强度调控为I，实现对所述目标数据剩余部分内容的写入。
2.如权利要求1所述的在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法，其特征在于，所述第一激光为飞秒激光。
3.如权利要求1所述的在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法，其特征在于，所述第二激光的热效应所产生的加热温度低于所述各向异性结构的损伤阈值。
4.如权利要求3所述的在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法，其特征在于，所述第二激光为纳秒激光或连续激光。
5.如权利要求1所述的在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法，其特征在于，所述加工材料为熔融石英。
6.如权利要求1所述的在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法，其特征在于，所述各向异性结构为纳米光栅。
7.如权利要求1-6任一项所述的在各向异性结构中引入荧光信号的光存储方法，其特征在于，还包括：
在所述加工材料中写入不同的各向异性结构所对应的数据后，测量对应的荧光信号强度，从而确定所写入的各向异性结构与写入该各向异性结构的过程中所引入荧光信号强度的对应关系。
8.一种在各向异性结构中引入荧光信号的光存储系统，其特征在于，包括：映射装置、第一激光器、第二激光器、第一激光调节装置、第二激光调节装置、激光对齐装置以及三维平移装置；
所述映射装置，用于以加工材料中各向异性结构的光程延迟和光轴方向，以及写入所述各向异性结构时材料缺陷的荧光信号强度分别作为数据存储的三个维度，将所需存储的数据作为目标数据，确定所述目标数据所对应的光程延迟L、光轴方向D和荧光信号强度I，并根据所述目标数据的存储地址确定所述各向异性结构在所述加工材料中的位置P；
所述第一激光器，用于产生第一激光；
所述第二激光器，用于产生第二激光；
所述第一激光调节装置，用于根据所述光程延迟L和所述光轴方向D分别设置第一激光的强度和偏振状态；
所述第二激光调节装置，用于确定写入所述各向异性结构的过程中，所述第一激光引入的材料缺陷受激发产生的荧光信号强度Iini，并根据所述荧光信号强度I和所述荧光信号强度Iini之间的差值设置第二激光的强度和作用时间；
所述激光对齐装置，用于对齐所述第一激光和所述第二激光的入射方向，以使得经过所述第一激光调节装置调节后的第一激光和经过所述第二激光调节装置调节后的第二激光能够先后作用于加工材料的同一位置；
所述三维平移装置，用于承载所述加工材料，并移动所述加工材料，使得经过所述激光对齐装置的第一激光和第二激光能够作用于所述加工材料中所述位置P处，从而利用所述第一激光在加工材料中所述位置P处写入所述各向异性结构，完成所述目标数据中部分内容的写入，并利用所述第二激光的热效应将所述荧光信号的强度调控为I，实现对所述目标数据剩余部分内容的写入。
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