10月29日，华中科技大学武汉光电国家研究中心张静宇研究员带领团队在《光学快报》(Optics Letters)发表最新研究进展“Anisotropic nanostructure generated by a spatial-temporal manipulated picosecond pulse for multidimensional optical data storage”。

据估算，到2025年，全球当年会产生高达175ZB的数据总量，爆炸式增长的数据量凸显出现有数据存储技术的诸多问题，包括高能耗、低容量以及短寿命等。光学数据存储具有容量大、寿命长、绿色环保等优点，被认为是存储海量数字数据的理想选择。然而，进一步提高存储寿命和容量对于传统的、受衍射极限制约的聚合物光盘系统来说，是一个难以完成的任务。因此，全息、多维和超分辨数据存储等新技术被开发出来，以增加存储密度。

然而，从实际应用的角度来看，许多最先进的技术需要多个激光脉冲或长时间激光曝光来形成单个数据体素结构，从而极大地阻碍了数据写入速度。在纳米等离激元混合玻璃中，每个多维数据体素的写入需要几十毫秒的激光照射。基于荧光蛋白的超分辨光存储技术需要一个四步，共毫秒级的写入程序来记录。基于纳米光栅结构的五维光存储在石英玻璃上成功实现，具有几乎无限的寿命，然而，由于孵化效应，这种结构需要多个脉冲才能产生。后续研究者们为了降低产生各向异性结构的时间付出了大量的努力，通过时域调控产生的纳秒级脉冲串，虽然得到了各向异性的结构，但是结构质量较差。将熔融石英玻璃替换为纳米多孔玻璃可以将各向异性结构孵化的脉冲数减少至两个，但是纳米多孔玻璃材料的稳定性与熔融石英玻璃相差甚远。几乎同时，有研究团队通过脉冲能量调制的方法极大的减少了熔融石英玻璃中各向异性结构产生所需的脉冲数，但该多脉冲序列的总时长仍然在微秒、亚微秒量级，存储速度较慢的问题仍然没有得到有效地解决。

本文中，研究者们通过操纵飞秒激光的时空分布特性，利用一个脉宽为1.3皮秒的脉冲激光在熔融石英玻璃内部产生了各向异性的纳米结构，并将其用于多维光学数据存储的超快写入。利用延迟线装置和空间光调制器(SLM)实现了对双光束的时间间隔(0-660 ps)、脉冲总能量、脉冲能量比、偏振、光束相对位置(0-550nm)多个物理量的调控。利用该光路成功找到了引入结构的最适参数，该时空调制皮秒脉冲能够在熔融石英玻璃中产生各向异性结构，这种双折射结构的出现归因于飞秒激光照射后产生的带间激子的时域变化特性以及折射率的增加。这种方法可以简化脉冲处理过程，并实现高速的数据写入，原始存储准确率达到99%以上。由于这些纳米结构的取向与脉冲的偏振态无关，减少了激光偏振调控的环节。此外，通过控制脉冲的时空特性，可以生成具有任意三维方向的倾斜纳米结构，六维光数据存储技术在未来有可能实现。对比同样基于双折射结构的多维存储方案，本技术在引入结构所需时间上，优于已有技术3-4个数量级。

该工作得到国家自然科学基金（创新群体项目）(61821003)、武汉光电国家实验室创新基金和华中科技大学学术前沿青年团队项目的基金资助。张静宇老师博士生颜志、李沛瑶为共同第一作者，张静宇研究员担任通信作者。其它合作者还包括张静宇老师博士生高骥超、华中科技大学物理学院王苑研究员、吉林大学王磊教授以及英国南安普顿大学的Dr. Martynas Beresna。

FIG.1 数据写入装置示意图。（a）利用延迟线与空间光调制器实现的时空调制装置；（b）利用双折射晶体简化替代的时空调制装置；（c，d）飞秒脉冲空间分布示意图。

FIG.2 各向异性结构的双折射图像（a）与扫描电子显微图像（b）；（c）多维光学数据存储演示。