随着互联网、物联网、云计算以及人工智能的快速发展，我们仿佛置身于一片浩瀚的数据海洋中，生活中新产生的信息、图片亦或是视频，都在不断地对数据海洋进行扩充，永无止境……然而，数据的不断剧增也给人们的日常生活带来了一系列的问题，例如：数据存储容量的不足、硬件的存储密度亟需提升等等。为了更好地存储和管理海量的数据、提高数据存储密度，基于低功率激光束与介质相互作用，使得介质的某种性质(如反射率、反射光极化方向等)发生改变，进而实现信息存储的新型光存储技术吸引了人们的广泛关注。 图1存储技术的发展示意图：从传统光盘存储到固态硬盘存储，再到新型光存储 如图1所示为存储技术的发展示意图。光存储技术起源于20世纪60年代，经历了CD、DVD以及BD三代产品更新迭代。随后，全固态硬盘(SSD)、硬盘(HHD)等存储技术的快速发展，其存储密度、容量不断增大和成本不断降低，逐渐取代了传统光存储，从此传统光存储市场开始走向衰弱。随着人工智能黄金时代到来，AI大模型训练的需求，数据成为了一种刚需。根据国际数据的预测合作（IDC）2018年，全球数据将增至到2025年为175 ZB，到2035年为2142 ZB。而主流的数据保存方法，例如传统的硬盘和磁带等存储方法，面临着存储寿命和能耗方面的严峻挑战，难以胜任庞大的现实需求。此时，全息光存储技术、多维光存储、超分辨率光存储等新型技术凭借其卓越的离线存储能力、巨大的数据容量和持久的存储寿命，在数据存储领域的重要性日益凸显，同时相关的研究开发也成为了全球相关研究团体及科技公司的关注焦点。 数据存储的未来：新型光存储技术 1994年德国科学家Stefan W.Hell教授提出受激辐射损耗显微技术，首次证明了光学衍射极限能够被打破，并在2014年获得诺贝尔化学奖。突破了传统光盘存储的物理限制，实现更高存储密度、更快读写速度、更长保存寿命和更低能耗的数据存储方案，进而满足大数据时代对海量数据存储的需求，人们也针对全息光存储、多维光存储、超分辨率光存储等新型光存储技术领域开展了一系列的研发攻关，并取得了较为丰硕的成果。 (1)全息光存储技术 如图2所示，全息光存储技术通过两束激光的干涉现象实现数据存储，可以将二维数据页图案存储在三维体空间中，从而提升存储密度和数据存取速度，在这一过程中，一束激光（信号光束）携带待存储的信息，通过与另一束未携带信息的激光（参考光束）相遇，产生干涉条纹，这些条纹作为信息的光学编码，被记录在特殊的光敏材料上，形成全息图。当需要读取信息时，只需用参考光束照射全息图，即可重建出原始的信号光束，从而恢复出存储的数据。全息光存储技术的现世，立刻引发了科研人员以及产业界的广泛关注，在众多领域都得到广泛的应用。大数据存储领域，在大数据时代背景下，对于存储密度和存取速度的需求日益增长。例如，美国InPhase公司于2001年推出基于角度复用的全息光驱Tapestry。在2006年实现了光驱的容量为300 GB，读写速率为20 MB/s的全息光存储技术。该公司研发的双化学体系的Tapestry材料，经加速老化试验测试，预期在25℃环境中，保质期为10年，存档寿命为33年。2017年之后，东京理科大学和广东紫晶信息存储技术股份有限公司联合开发了基于球面波参考光，单臂离轴全息光存储系统。该系统使用50 mm×50 mm的记录介质，其容量约为300 GB。 图2(a)全息光存储示意图，(b)全息光学存储机 （2）多维光学数据存储 多维光存储的复用维度、存储光盘及读取原理如图3所示。相较DVD蓝光等二维（2D）光学存储方式，三维（3D）光学数据存储充分利用各向同性材料的体积，可以在材料内部的任何位置存储数据。同时，为了进一步超越存储容量的限制，研究人员在传统空间三维之外探索其他维度，这些维度包括了光的振幅、频率（波长）、相位、偏振以及光波前的其它物理参量等，它们都可以携带和记录信息，涉及了基于双折射、等离子体共振和荧光等光学特性的方法。如图3(a)所示，目前，已经开发出的复用维度包括介质的三维空间、偏振、波长以及光强。其中包括基于金纳米棒的波长、偏振、三维空间复用的五维度光存储，以及基于纳米光栅结构的偏振、光强、三维空间复用的五维度光存储。但受限于材料对光各个参数的响应不同，六维度光存储技术一直未得以实现，另外光的轨道角动量特性虽然已被用在量子存储上，但在数据长效存储上并未得以实现。 例如，韩国和法国的科研团队合作发明了一种在玻璃里用激光“写”数据的技术。这种技术可以在玻璃的不同层上存储数据，就像是在书架的每一层上都放书一样。浙江大学和之江实验室联合团队利用超快激光诱导非晶化相变的局部光学相位调制，在材料表面制造出微小的结构，通过控制这些结构的形状和颜色，就能存储数据。通过图像识别进行高速数据提取，达到了大约1.2 Gb/s，并且准确度高达约99.7%，无需依赖昂贵且复杂的光学分析系统和信号处理过程，有效缓解了多维光存储技术数据读取速度慢的问题。在实际应用中，多维光学存储技术可以应用于海量数据存储、结构色打印、多功能衍射光学元件、矢量全息、多维信息加密等场景，具有广泛的应用前景。 图3(a)多维光存储的复用维度示意图，(b)多维光学数据存储光盘及读取原理 （3）超分辨光学数据存储 光学衍射极限是光学存储技术中的一个关键障碍，它决定了数据存储的最小单元尺寸。为了克服这一限制，科学家们一直在探索新的技术路径。其中，超分辨光学数据存储技术的出现，为我们提供了一种全新的解决方案。这项技术通过创新的光学手段，突破了传统光学衍射的束缚，使得数据存储点的尺寸可以做得更小，从而大幅提升了存储密度。 2015年，李向平、曹耀宇等人运用双光束超分辨技术实现超大容量的光存储，将800 nm飞秒超快光源作为记录光束，375 nm连续激光作为抑制光束，在玻璃基板上实现了最小33 nm的记录点，实现大大提高了存储面密度。目前，最前沿的超分辨光学数据存储技术是上海光学精密机械研究所阮昊研究员团队和上海理工大学顾敏院士联合的一种双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，实验上首次在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54 nm、道间距为70 nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量达Pb量级，这相当于把一个小型数据中心机柜缩小到一张光盘上，这一成果不仅极大地提高了存储效率，而且对于应对大数据时代日益增长的数据存储需求具有重要的战略意义。 查看详细>>

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心熊伟教授团队提出了一种新颖的分子三维组装方法。通过规划飞秒激光焦点扫描路径控制各项异性分子的定向排布，研究团队实现了液晶分子高精度和高自由度的三维定向组装。该研究不仅可用于液晶型光电功能器件的三维高精度组装制造，同时也为其他各向异性分子的三维高自由度高定向组装提供了新的思路。相关研究成果以“3D Directional Assembly of Liquid Crystal Molecules”为题发表在《Advanced Materials》上。 分子自组装是指无序的分子在分子间相互作用下形成有序结构的一种技术，被认为是最有潜力的“自下而上”纳米技术之一。该技术能够充分发挥各向异性分子基团的光、电、磁、热、机械等特性，从而满足信息、生命、电子、材料等领域的应用需求。然而，分子间的弱相互作用往往难以实现应用中所需的强各向异性，限制了高性能各项异性分子器件的发展。目前，国际上已报道的分子定向组装多为单轴有序排布，各向异性分子也仅能按照晶格或堆叠的有序排列，如何攻克高精度、可编程、高自由度的三维分子组装一直是当前的一项国际难题。 针对这一挑战，熊伟教授团队以典型的各向异性液晶分子为例，利用飞秒激光直写技术，编程规划激光焦点的扫描路径，实现了液晶分子的高自由度三维定向组装，通过控制激光扫描方向即可定制分子组装方向。这一方法无需对液晶分子进行预先取向处理，首次在三维分子组装领域将光场用于分子取向与聚合过程，实现了单步高精度高定向的分子组装，如图1所示。 通过在加工系统上搭建实时偏振观察模块并结合理论推导计算，研究团队深入探讨了飞秒激光定向组装液晶分子的物理机制。研究表明，在飞秒激光扫描成形过程中会产生显著的激光诱导剪切力效应，液晶分子沿激光扫描方向形成取向种子层。在随后的显影过程中，由于各向异性的体积收缩，聚合物主链沿激光扫描路径定向排列，从而进一步强化规范了液晶分子的定向排布，如图2所示。 该研究充分发挥了飞秒激光加工的可编程优势，通过激光扫描路径规划可实现不同偏振干涉色的微纳结构，成功制造出具有偏振选择和彩色成像功能的菲涅尔波带片阵列，如图3所示。 熊伟研究团队基于飞秒激光定向组装分子的策略，利用飞秒激光直写的高精度和真三维制造优势，成功实现了液晶分子的亚微米精度（129.6 nm）和高自由度的三维组装，同时该方法在其他有机高分子材料的各向异性组装中也展现出了巨大的潜力。 图1.液晶分子的三维定向组装示意图与实物图 图2.实时偏振观察装置与液晶分子的飞秒激光组装原理 图3.偏振干涉色与具有偏振选择和彩色成像功能的菲涅尔波带片阵列 查看详细>>

近日，来自洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员开发了一种芯片集成的掺铒波导激光器，这一新型激光器的性能接近光纤激光器的性能，结合了可调谐性和芯片级光子集成的实用性。 众所周知，光纤激光器使用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质。因此与二氧化碳等气体激光器相比具备了高光束质量、高功率、高效率、尺寸小以及光纤输出与柔性加工平台的无缝融合等优势。 而为了满足对芯片级光纤激光器的需求，研究人员转向铒作为增益介质。铒基光纤激光器满足保持高相干性和稳定性的要求而特别有前景。但长期以来，由于难以保持其特有的高性能，铒基光纤激光器小型化一直难以实现。 为此，研究人员首先基于超低损耗氮化硅光子集成电路构建了一米长的片上光腔。洛桑联邦理工学院光子学和量子测量实验室的研究员Yang Liu认为：尽管芯片尺寸紧凑，但我们能够将激光腔设计为米级长度，这要归功于这些微环谐振器的集成，这些谐振器有效地扩展了光路，而无需物理放大器件。重大突破！芯片大小的激光器或将取代光纤激光器？ 然后，该团队在电路中植入了高浓度的铒离子，以选择性地产生激光所需的有源增益介质。最后，他们将电路与III－V族半导体泵浦激光器集成在一起，以激发铒离子，使它们能够发光并产生激光束。 为了改进激光器的性能并实现精确的波长控制，研究人员设计了一种创新的腔内设计，其特点是基于微环的游标滤光片，这是一种可以选择特定频率光的滤光片，以提高激光器的性能并实现精确的波长控制。 该滤光片允许在C波段和L波段内对40 nm的激光波长进行动态调谐，这在调谐和低光谱杂散指标方面都超过了传统的光纤激光器，同时保持与当前半导体制造工艺的兼容性。该设计支持稳定的单模激光，固有线宽为50Hz。 芯片级铒基光纤激光器的输出功率超过10 mW，侧模抑制比大于70 dB，性能优于许多传统激光器。其窄线宽使其能够发出纯净而稳定的光，非常适合传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用。 将铒光纤激光器缩小并整合到芯片级设备中可以使其变得更加经济实惠，为消费电子、医疗诊断和电信领域高度集成的移动系统开辟新的应用。它还可以缩小其他几个应用中的光学技术，包括激光雷达、微波光子学、光频率合成和自由空间通信。 查看详细>>

新南威尔士大学的Andrey E.Miroshnichenko教授团队采用具有天线状光场、强电磁场限制能力的可调谐、宽共振范围的金属纳米腔，以及具有高温度稳定性的过渡金属二硫化物(TMDC)二维薄层，成功构建了杂化等离子体超构材料腔，并深入探索了光与杂化等离子体超构材料腔之间的相互作用。该成果为新型光电器件、量子信息技术的发展奠定了基础。 光与物质之间的强耦合作为一种基本的量子光学现象，近年来也吸引了研究者们的广泛关注，其不仅具有重要的科学意义，并且对于新型纳米光子器件、高灵敏度传感器、单光子源等新型器件的研发具有重要意义。“等离子激元”是指局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的混合激发态，而“激子”则是半导体中电子和空穴由其间库仑相互作用而结合成的一个束缚态系统。具有高可调谐性、强电磁场限制能力的等离子体纳米腔，是实现等离子激元与激子强耦合的基础，要实现增强电磁场与物质之间的相互作用，就必须对金属腔体结构进行设计，在激子处于模式稳定的条件下，使等离子激元与激子之间的共振能量实现匹配，并且二者之间的能量交换速率大于衰减速率，才能实现增强等离子激元与激子之间的耦合强度。因此，发展具有高可调谐性、高集成性等优势的超构表面、超构光栅以及包含量子发射器的超构材料等金属腔体结构，对于量子信息技术等领域的发展非常重要。 近日，来自澳大利亚堪培拉新南威尔士大学的Andrey E.Miroshnichenko教授团队在Opto-Electronic Advances期刊发表了题为“Strong coupling and catenary field enhancement in the hybrid plasmonic metamaterial cavity and TMDC monolayers”的文章。该项研究采用具有天线状光场、强电磁场限制能力的可调谐、宽共振范围的金属纳米腔，以及具有高温度稳定性的过渡金属二硫化物(TMDC)二维薄层，成功构建了杂化等离子体超构材料腔，并深入探索了光与杂化等离子体超构材料腔之间的相互作用，包括等离子激元-激子强耦合、悬链线场增强效应等。通过改变空腔间隙的大小或厚度，可以对等离子激元的共振能量进行调节，进而与TMDC薄层中的激子实现强耦合。随着空腔间隙宽度、厚度的增大，悬链线场增强效应还将逐渐减弱，进而导致不同程度的Rabi分裂（室温下Au-MoSe2和Au-WSe2异质结构中的Rabi分裂能量介于77.86~320 meV之间）。因此还可以通过调谐悬链线场增强效应来控制等离子激元与激子之间的耦合强度。 图1左上：沿y轴偏振方向垂直入射的Au腔顶部MoSe2薄膜的示意图，右上：随Au厚度变化的吸收光谱测试结果；下：MoSe2薄膜中等离子体模式与激子之间的强耦合示意图 在未来，通过增强该腔体结构中的自发辐射几率及实现进一步的耦合强度控制，有望实现高纯度单光子源、高速纳米激光器、增强型传感器等新型器件的研发。该成果为新型光电器件、量子信息技术的发展奠定了基础。 查看详细>>