孫軻１，孫盛芝２，邱建榮１
１浙江大學光電科學與工程學院
２寧波大學高等技術研究院
引言
隨著現代大數據數字社會的發展，網際網路、傳感網、物聯網等產生和收集的各類數據呈現爆炸性的非線性高速增長。研究者們提出了以光存儲為基礎的磁光電混合存儲等技術，以解決大數據存儲的燃眉之急，但尚處在探索階段。
光碟存儲技術誕生於20世紀70年代，具有密度高、壽命長、成本低廉等特點。為進一步提高單盤存儲容量，人們還探討了多波長多層等存儲方案來進一步提高存儲容量。另一方面，應用類似於超解析度成像的超分辨光存儲技術，有望突破光的衍射極限，大大提高光存儲密度。
現有的光存儲技術，一般採用鍍在平坦的高分子等基板表面的相變材料、磁光材料、光致變色材料等，利用雷射誘導的結構以及性能的變化進行信息存儲。本文要歸納分析的是另外一種存儲方式，即直接利用雷射誘導基板的結構與性能變化進行信息存儲，特別是利用玻璃作為基板。玻璃具有透光性好、化學穩定性好、機械性能好等特點，在人類生活的方方面面以及醫療和國家安全等尖端科技領域有著廣泛的應用。利用玻璃直接進行光學存儲，可以省去複雜的鍍膜等工藝，降低成本，而且存儲壽命可達幾千年甚至超億年。
研究現狀與趨勢
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飛秒雷射誘導玻璃中折射率變化的光存儲
1994年，在日本創造科學推進事業極微化學項目工作的三澤弘明研究員(現日本北海道大學教授)偶然在顯微鏡下發現了超短脈衝雷射誘導的玻璃內部的有空間選擇性的折射率改變，提出該現象可用於三維超高密度光存儲的技術方案，但這個工作沒有得到太多關注。
1996年，Glezer等採用同樣方法演示了利用飛秒雷射誘導玻璃內部結構的三維光存儲。1998年，Qiu等進一步探討了飛秒雷射誘導空間選擇性結構變化以及存儲閾值與存儲介質帶隙的關係。後來日本日立公司於2012年9月推出一種在石英玻璃片上存儲數字信息的方法，該方案原理上與1994年三澤等提出的方法沒有本質的差異。
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飛秒雷射誘導玻璃中色心形成的光存儲
飛秒雷射通過物鏡聚焦照射到透明材料內部時，在焦點附近會誘導產生點缺陷、點缺陷對或點缺陷群。通過多光子吸收玻璃的電子被激發出來，電子在玻璃網絡中遷移時被玻璃中的缺陷所捕獲形成色心。
2001年，姜雄偉等研究了光學玻璃在飛秒雷射照射後的光致暗化現象。發現聚焦後的飛秒雷射的光強很容易達到1014 W/cm２，足以誘導各種非線性效應，因此色心的形成起源於玻璃的多光子吸收。還發現波長為1064 nm皮秒雷射輻照後，玻璃一直到產生微裂紋也沒有出現光致暗化現象。而聚焦的800 nm飛秒雷射輻照後，K9和鑭火石玻璃均出現了暗化。因此，提出只有超短脈衝雷射才能誘導色心形成而不產生微裂紋。2004年Mark等報導了在氧化鋁單晶中通過色心形成的光存儲研究。
迄今為止，在玻璃中利用色心形成光存儲的探討還未見報導。但是，這種飛秒雷射誘導玻璃內部空間選擇性色心的形成技術，因色心具有局域發光和吸收特性，而成為一種具有潛在價值的應用於信息存儲的方法。
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飛秒雷射誘導玻璃內部離子價態變化的光存儲
聚焦的飛秒雷射通過多光子電離、隧穿電離和雪崩電離在焦點附近誘導大量自由電子產生，當部分自由電子(或空穴)被摻雜在玻璃中的離子捕獲後能產生離子的價態變化，可以認為是一種特殊的色心，利用飛秒雷射誘導的這種活性離子的空間選擇性價態變化可以實現三維光存儲。
與飛秒雷射誘導折射率變化進行光存儲相比，這種方法可以利用不同價態活性離子的發光，因此信噪比更高。國際上研究人員針對飛秒雷射誘導過渡金屬和重金屬的離子價態、稀土離子價態、貴金屬離子價態的變化，展開了多種研究。這裡因篇幅有限，就不一一闡述了。
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飛秒雷射誘導量子點形成的光存儲
近年來，量子點受到人們極大關注。將量子點與無機玻璃等固體基體有機結合，有望應用於光存儲等領域。飛秒雷射輻照的方法可以在摻雜玻璃內部實現量子點空間選擇性的析出控制，並應用於光存儲。
2020年，Huang等展示了使用飛秒雷射輻照和熱處理的方法在透明玻璃材料中寫入含有鈣鈦礦量子點(QDs)的三維圖案。這種量子點發光圖案的重複寫入技術在高密度光存儲具有巨大的應用潛力。
一些特殊的量子點半導體納米粒子，如Si和Ge等，也能通過飛秒雷射輻照的方法在玻璃中選擇性析出。2017年，Chen等利用不同頻率的飛秒雷射實現了玻璃中碲團簇和碲納米粒子的可控析出並探究了在光存儲方面的應用及重複頻率分別為1 kHz和250 kHz條件下發光強度和脈衝數的關係。該方法具有單脈衝存儲以及信噪比高的特點，有利於實現信息的快速寫入和讀取。
5
飛秒雷射誘導偏振依賴納米光柵的光存儲
當飛秒雷射聚焦到玻璃內部時，通過調控脈衝能量可在輻照區域引發非線性效應，從而誘導出三種不同類型的結構形態變化:
當脈衝能量較低時，形成折射率變化;
當能量較高時，形成小孔或裂紋結構;
當能量處於一個中間值時，輻照區域會形成一種折射率與亞波長呈周期分布的有序結構。
這種納米結構其典型的周期性和可擦除重寫在光存儲領域有巨大的應用前景。目前該方向的應用研究主要集中於兩類:
利用其可擦除重寫的特性實現光學數據的多次寫入;
利用其光軸和光程延遲的可控性實現大容量數據存儲。
2010年，Shimotsuma等利用飛秒雷射在石英玻璃內部製作了一幅3.4 mm×1.8 mm的世界地圖，實現了五維(5D)光存儲。這種技術實現的五維光學數據存儲密度計算值可高達300 Gbit/cm３，是高清藍光光碟容量存儲密度的10倍。
2014年，Zhang等用飛秒雷射在熔融石英玻璃中形成納米光柵演示了一種五維光存儲方案。在三個獨立層中利用定量雙折射測量系統讀出記錄在納米結構玻璃中的信息數據，然後將相位延遲和慢軸方向提取的兩個二進位數據集結合起來進行信息解碼。若將該方法應用到具有60層的常規CD大小的磁碟上，可以實現最大18G的存儲容量。進一步，他們通過加速老化實驗得出基於這種存儲方法可以實現超過億年的超長壽命光存儲，被評為當年的世界十大科技進展之一，並被微軟採用作為下一代的超高密度光存儲技術。2020年，南漢普頓大學Sakakura等在石英玻璃內部直寫了在可見光和近紅外波段透過率高達99％的可控性雙折射結構，該具有高透明度的空間選擇性雙折射結構寫入技術也使高密度的多層數據存儲成為可能。
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飛秒雷射誘導晶體析出以及非線性光學效應的光存儲
研究發現，聚焦飛秒雷射可以誘導玻璃中功能晶體的空間選擇性析出，導致局域的發光改變。與玻璃相比，處於晶體中的過渡金屬離子周圍的晶體場較強，局域對稱性較高，非輻射躍遷機率較低，發光效率增高。2007年，Dai等報導了使用飛秒雷射輻照在玻璃內部選擇性析出了鐵電晶體Ba2TiSi2O8，同年又實現了Sr2TiSi2O8。該方案通過在空間上選擇性析出晶體可實現信息存儲，利用晶體的倍頻效應進行信息的讀取，其在三維光存儲上具有實際的應用潛力。
總結與展望
飛秒雷射可以通過高度的非線性過程實現空間微納尺度上光與物質的相互作用，克服光的衍射極限，並利用光的波長、振幅、相位等特性，實現三維甚至大於三維的超高密度光存儲。玻璃作為一種存儲介質，由於其一系列的穩定的物理化學特性，為實現具有超高密度和超長壽命的光存儲提供了一種潛在的並且有效的解決方案。
目前，玻璃介質的光存儲技術正朝著多維化、超高密度和可擦除重寫方向快速發展，已經推出了一些實際價值的應用方案，如納米光柵五維光學數據存儲以及金屬離子價態操控的三維光存儲策略等，但基於玻璃介質的光存儲技術實用化還有一些問題亟需解決:
雷射多脈衝輻照形成的光柵結構難以實現超快寫入速度，如何實現單脈衝且低閾值的超快寫入和讀取，並解決讀取過程呈中易出現的性噪比低，信號丟失等問題;
使用飛秒雷射聚焦於玻璃內部進行信息寫入時，其三維寫入和讀取深度以及寫入區域形狀控制有限，需要實現高可控性的空間能量分布聚焦光束寫入，消除層與層之間的差異。這就需要利用時空整形技術等對光束進行整形和雷射寫入條件控制，以達到不同層一致的寫入和讀取效果;
飛秒雷射系統的小型化和低成本化將極大推進玻璃介質的光存儲應用。考慮光存儲的實際應用，必須解決快速寫入讀取、低閾值寫入、高穩定性、長壽命等問題。
通過對玻璃材料的設計和結構控制，通過引進離子共摻和局域拓撲結構控制以及對雷射寫入讀取系統的設計改進，有望解決這些問題。
另外，還需要考慮高密度寫入以及快速讀取時可能造成基板本身的損傷和破壞，需要對信息寫入後的玻璃進行動態的力學性能評價和預測。我們預測，在不久的將來，低成本、超長壽命、超高密度、超快讀寫速度的玻璃介質光儲存的實現必將為解決存儲呈指數化增長信息數據的難題帶來新的契機。
參考文獻（略）
本文摘編自《雷射與光電子學進展》——「玻璃基類介質光存儲研究發展綜述」一文