3D光存储实验：双光子吸收介质的创新应用

在这方面最早的实验研究由Parthenopoulos和Rentzepis发表于1989年，该实验首次采用光致变色的有机分子掺杂的聚合物块做记录介质，然后利用两束空间垂直正交的激光束在记录点位置重合照射样品，样品中激活分子同时从每一入射光束中各吸收一个光子后，其能级结构和吸收发射特性发生相应的变化［117，118］。当读取数据时，使用波长更长的另外两束正交入射光束，只有当这样两束光束同时通过记录点时，才会探测到特征性的荧光发射。此后不久，Strickler和Webb等于1991年又发表了改进后的实验研究结果［119］；他们采用了光敏聚合物膜作为双光子记录介质，使用单独一束强入射光做书写记录，在每一记录点由双光子吸收产生了该处的折射率永久变化，从而可通过另外一束波长不同的弱光束读取所记录的信息。这一工作的重要性，是开启了在多光子作用前提下，实现单光束存储和单光束读取的成功先例。

21世纪初，利用多光子吸收介质实现三维信息存储的材料和技术有了进一步的快速发展，许多研究团队在这一新的研究领域方面做出了贡献［120～126］。

如图14-31所示，在实验中，一个完整的三维数据存储的系统包含几个基本组成部分：①对多光子吸收敏感的存储介质；②数据书写激光束及聚焦光学系统；③控制聚焦光束或记录介质位置的三维扫描精密定位装置；④数据读取光束及相关的光学装置。存储介质可以为薄片状或厚膜状的固态介质（如聚合物、凝胶玻璃、晶体等），其中掺有具多光子吸收或反应能力的染料分子、纳米粒子或其他掺杂物等。在双光子作用情况下，书写光束通常出自于锁模钛宝石激光器，波长约为800 nm，脉宽为100～150 fs，被一个数值孔径（NA）为0.8～1.4的显微物镜所聚焦。光学数据的记录，是依靠写录光束焦点位置在记录介质中的三维扫描移动来实现的，在最简单的情况下，可以将记录介质固定在一个xy-z三维移动平台上由压电信号加以控制，读取光束的波长、功率以及读取方式，则取决于介质在数据存放点由多光子作用导致的局部物理/化学变化的具体机制。这些机制主要包括：①吸收、荧光、折射率特性的改变［127，128］；②由光致漂白效应引起的吸收或发射特性的改变［129，130］；③折射率的光折变效应［122，131］；④光聚合效应或其他光化学效应等［121，132］。此外，利用双光子在介质中引起的感应各向异性，也可实现光数据的存储与读取［130，133，134］。最近更有利用新型纳米膜状材料实现双光子数据存储的报道［133，135］。

作为一个早期成功实验的实例，图14-32为在一种双光子吸收染料掺杂激活的聚合物块状样品中（尺寸为3 mm×3 mm×3 mm），采用波长为800 nm的超短脉冲激光束，经由一个共焦显微镜系统，记录下的多层影像的再现；相邻记录层的间距为5μm，每一层都记录不同的平面图像信息［136］。在每一单独的记录点处，掺杂染料分子的发射荧光能力被漂白，因而在采用同样波长但功率较弱的光束进行读取时，该处表现为一暗点，从而可完成读取识别。

(www.xing528.com)

图14-31　用于三维数据存储的典型实验装置［123］

图14-32　采用双光子染料掺杂的聚合物块状样品所记录到的三维分层式卡通画面的再现（参见彩图15）［136］

提高三维数据存储密度的关键，是尽可能在同一记录层内减少可分开的相邻记录点间的横向间隔；其次则是减少纵向相邻两记录层面之间的间隔。最近在这一领域的研究进展表明，利用先进的材料与技术，数据存储的三维空间密度已达到了1011～1012 bit/cm3的水平［121，122，137］。