Die Forscher entwickelten ein neues schnelles und energieeffizientes Laserschreibverfahren zur Herstellung von Nanostrukturen in Quarzglas. Sie verwendeten die Methode, um 6 GB Daten in einer 8.8-Zoll-Quarzglasprobe aufzuzeichnen. Die vier abgebildeten Quadrate messen jeweils nur 8.8 x XNUMX mm. Sie haben auch das Laserschriftverfahren verwendet, um das Universitätslogo zu schreiben und auf das Glas zu markieren. Bildnachweis: Yuhao Lei und Peter G. Kazansky, University of Southampton
Fortschritte machen optische 5D-Speicher mit hoher Dichte für die langfristige Datenarchivierung praktisch.
Forscher haben ein schnelles und energieeffizientes Laserschreibverfahren zur Herstellung hochdichter Nanostrukturen in Quarzglas entwickelt. Diese winzigen Strukturen können für die langfristige fünfdimensionale (5D) optische Datenspeicherung verwendet werden, die mehr als 10,000-mal dichter ist als die optische Blue-Ray-Disc-Speichertechnologie.
„Individuen und Organisationen generieren immer größere Datensätze, wodurch der dringende Bedarf an effizienteren Formen der Datenspeicherung mit hoher Kapazität, niedrigem Energieverbrauch und langer Lebensdauer entsteht“, sagte Doktorand Yuhao Lei von der University of Southampton im Vereinigten Königreich. „Während Cloud-basierte Systeme eher für temporäre Daten ausgelegt sind, glauben wir, dass die 5D-Datenspeicherung in Glas für die längerfristige Datenspeicherung für nationale Archive, Museen, Bibliotheken oder private Organisationen nützlich sein könnte.“
In Optica, der Zeitschrift der Optica Publishing Group für High-Impact-Forschung, beschreiben Lei und Kollegen ihre neue Methode zum Schreiben von Daten, die zwei optische Dimensionen plus drei räumliche Dimensionen umfasst. Der neue Ansatz kann mit Geschwindigkeiten von 1,000,000 Voxeln pro Sekunde schreiben, was der Aufzeichnung von etwa 230 Kilobyte Daten (mehr als 100 Seiten Text) pro Sekunde entspricht.
„Der physikalische Mechanismus, den wir verwenden, ist generisch“, sagte Lei. „Daher gehen wir davon aus, dass dieses energieeffiziente Schreibverfahren auch zur schnellen Nanostrukturierung in transparenten Materialien für Anwendungen in der 3D-integrierten Optik und Mikrofluidik eingesetzt werden könnte.“
Schnelleres, besseres Laserschreiben
Obwohl die optische 5D-Datenspeicherung in transparenten Materialien bereits zuvor demonstriert wurde, hat sich das Schreiben von Daten schnell genug und mit einer ausreichend hohen Dichte für reale Anwendungen als Herausforderung erwiesen. Um diese Hürde zu überwinden, verwendeten die Forscher einen Femtosekundenlaser mit hoher Wiederholungsrate, um winzige Vertiefungen zu erzeugen, die eine einzelne nanolamellenartige Struktur enthielten, die jeweils nur 500 mal 50 Nanometer groß war.
Anstatt den Femtosekundenlaser zu verwenden, um direkt in das Glas zu schreiben, nutzten die Forscher das Licht, um ein optisches Phänomen zu erzeugen, das als Nahfeldverstärkung bekannt ist, bei dem eine Nanolamellen-ähnliche Struktur durch einige schwache Lichtimpulse aus einem isotropen Nanovoid erzeugt wird erzeugt durch eine Einzelimpuls-Mikroexplosion. Die Verwendung der Nahfeldverstärkung zur Herstellung der Nanostrukturen minimierte die thermische Beschädigung, die für andere Ansätze problematisch war, die Laser mit hoher Wiederholungsrate verwenden.
Da die Nanostrukturen anisotrop sind, erzeugen sie eine Doppelbrechung, die durch die Ausrichtung der langsamen Achse des Lichts (4. Dimension, entsprechend der Ausrichtung der nanolamellenartigen Struktur) und die Verzögerungsstärke (5. Dimension, definiert durch die Größe der Nanostruktur) charakterisiert werden kann. Wenn Daten in das Glas aufgezeichnet werden, können die Ausrichtung der langsamen Achse und die Stärke der Verzögerung durch die Polarisation bzw. Intensität des Lichts gesteuert werden.
„Dieser neue Ansatz verbessert die Datenschreibgeschwindigkeit auf ein praktisches Niveau, sodass wir in angemessener Zeit mehrere zehn Gigabyte an Daten schreiben können“, sagte Lei. „Die hochgradig lokalisierten, präzisen Nanostrukturen ermöglichen eine höhere Datenkapazität, da mehr Voxel in ein Einheitsvolumen geschrieben werden können. Darüber hinaus reduziert die Verwendung von gepulstem Licht die zum Schreiben benötigte Energie.“
Schreiben von Daten auf eine Glas-CD
Die Forscher nutzten ihre neue Methode, um 5 Gigabyte Textdaten auf eine Quarzglasscheibe zu schreiben, die etwa die Größe einer herkömmlichen CD hat, mit nahezu 100-prozentiger Auslesbarkeit Genauigkeit. Jedes Voxel enthielt vier Informationsbits, und alle zwei Voxel entsprachen einem Textzeichen. Mit der durch das Verfahren verfügbaren Schreibdichte wäre die Platte in der Lage, 500 Terabyte an Daten zu speichern. Mit Upgrades des Systems, die paralleles Schreiben ermöglichen, sollte es den Forschern zufolge möglich sein, diese Datenmenge in etwa 60 Tagen zu schreiben.
„Mit dem aktuellen System haben wir die Möglichkeit, Terabytes an Daten aufzubewahren, die zum Beispiel dazu verwendet werden könnten, Informationen von einer Person aufzubewahren DNA“, sagte Peter G. Kazansky, Leiter des Forscherteams.
Die Forscher arbeiten nun daran, die Schreibgeschwindigkeit ihrer Methode zu erhöhen und die Technologie auch außerhalb des Labors nutzbar zu machen. Für praktische Datenspeicherungsanwendungen müssen auch schnellere Verfahren zum Lesen der Daten entwickelt werden.
Referenz: „Hochgeschwindigkeits-Ultrafast-Laser-anisotrope Nanostrukturierung durch Energieabscheidungskontrolle über Nahfeldverstärkung“ von Yuhao Lei, Masaaki Sakakura, Lei Wang, Yanhao Yu, Huijun Wang, Gholamreza Shayeganrad und Peter G. Kazansky, 28. Oktober 2021, Optica.
DOI: 10.1364/OPTICA.433765
