以下文章来源于爱光学 ，作者有理想

01 导读

信息的有效存储是人类文明进步的基石。近期，浙江大学光电科学与工程学院邱建荣教授团队提出了基于超快激光诱导铌酸锂晶体非晶化微相变的多维光存储策略。该工作巧妙利用铌酸锂晶体的本征双折射效应，激发超快激光脉冲内耦合材料修饰，并在晶体内部构建像素级可编程三维结构色，实现了对大规模数据的高效低成本永久保存。该技术综合指标处于国际领先水平，为未来超大规模数据永久保存提供了全新技术路线。

近日，相关成果以“3D Imprinting of Voxel-Level Structural Colors in Lithium Niobate Crystal”为题发表在Advanced Materials上，被选为“Editor’s Choice”和封面论文。

02 研究背景

大数据已成为新时代核心生产要素，是国家重要战略资源。随着人工智能、物联网等技术的发展，人类社会产生的数据总量呈爆炸式增长。现有存储技术在面对大规模数据保存时，存在可靠性差、寿命短、存储密度低等问题，并且耗能巨大。根据国际数据中心的报告，现代数据中心能耗即将突破全球发电总量的8%，长此以往，可能引发新的能源和环境危机。因此，亟需开发高密度、低能耗和超长寿命的新一代大数据存储方案。

面对这些问题，在石英玻璃等无机透明介质中通过超快激光刻写实现光存储是一种极具吸引力的解决方案，即以简单的工艺、极高的稳定性和近乎无限的寿命保存海量信息。然而，由于无机透明介质固有高损伤阈值的限制，这类存储技术普遍存在写入能耗大、读写速度慢、数据提取依赖复杂光学系统等问题，存储介质均匀性不足和标准化程度低的问题也严重制约了该技术的推广和大规模应用。只有突破这些瓶颈，才能实现无机介质光存储的跨越式发展，使其满足未来大数据存储的需求。

03 研究创新点

全新的光存储原理

面向国家《数字中国建设整体布局规划》和《“十四五”大数据产业发展规划》，针对低能耗高效率长寿命光存储的发展需求，研究团队率先开发了基于超快激光选择性诱导铌酸锂单晶微相变的光存储技术，创新性地提出晶体双折射效应激发脉冲内耦合材料修饰机制，使得单个nJ级超快脉冲即可在晶体基质中诱导微区非晶化相变，从而在高折射率环境下实现显著的局部光学相位调制（图1A-C）。利用晶体色偏振效应，可以在激光修饰区域产生像素级可编程结构色（图1D, E）。

图1 超快激光诱导微相变光存储机理。（A）数据读写示意图。（B）脉冲内耦合效应。（C）单脉冲生成微相变结构。（D）相变结构调制入射光。（E）像素级结构色生成

得益于超快激光直写的高度灵活性，微相变区域的结构特征可以通过激光参数独立操控，允许自由地在三维空间中写入各种色彩像素，实现定制化图案，包括单色图像和彩色图像打印（图2A, B）。通过精细操控各个像素的颜色，还可以对彩色图像色调风格进行更复杂的调整（图2C）。除平面图案之外，还能实现晶体基质内的三维彩色图案化（图2D）。由于各个像素之间完全独立，可以在三维空间中的任何位置很好地控制其色彩特征，图像分辨率可达约50800 dpi。

图2 可编程彩色像素跨维度打印。（A）单色图案。（B）复杂彩色图案。（C）彩色图案像素级色调风格调整。（D）像素级三维彩色形状

国际领先的光存储性能

超快激光选择性诱导单晶微相变光存储具有优异的综合性能。玻璃化相变的局部相位调制和铌酸锂晶体介质的透明性支持信息的多通道提取，写入的信息可以通过透射和反射照明分别从正面和背面读出，且不同模式下提取的信息高度一致（图3A），兼容各种成熟的数据读取系统。超快激光诱导的微相变区域尺寸小，数据点直径可降至500 nm（图3B），单盘存容量高达24 TB，还可通过超分辨加工技术进一步提升。

在数据写入过程中，由于超快激光的脉冲内耦合效应，仅用能量为30 nJ的单个超快脉冲即可实现数据的有效写入，与有机介质激光改性能量相当（图3C）。结合高重频并行加工技术和智能图像识别技术，数据读写速度均可达到1 Gb/s。同时，微相变结构具有极高的稳定性，保存的信息可以承受强磁场（42 T）、高温（700 ℃）、强酸（60% HNO3）、X射线（50 kGy）等多种极端环境（图3D）。加速老化实验表明，室温下其数据存储寿命长达上万亿年，能够真正实现对海量数据的低能耗永久保存。

图3 超快激光选择性诱导单晶微相变光存储综合性能。（A）数据多通道多模式可读性测试。（B）微相变彩色像素分辨率标准。（C）低脉冲能量数据写入测试。（D）微相变颜色信号在不同恶劣条件的稳定性表征

值得注意的是，基于像素级结构色的数据信号可以通过图像识别进行高速面读取（图4A-D），解决了多维光存储技术信息提取效率低、依赖复杂昂贵光学系统的瓶颈问题。通过对激光写入参数编码，可以灵活操控结构色的波长和强度信号，并将其作为新的信息复用通道，实现多维数据存储（图4E）。

图4 高性能跨维度数据存储。（A）直写数据点阵的铌酸锂光盘。（B）二进制数据点阵读取。（C）三维数据点阵成像。（D）三维数据点阵整体面读取。（E）五维数据存储

04 总结与展望

这项工作发现了超快激光与物质相互作用的新机制，提出了无机晶体介质中超快激光的脉冲内耦合材料修饰策略，并建立了一种全新的光存储方法——超快激光选择性诱导铌酸锂晶体微相变光存储，构建的光存储器性能达到国际领先水平，有望真正应用于未来海量数据冷存储。该工作增进了人们对介电环境下光-物质相互作用的认知，推动了先进光学微纳制造技术的发展，促进多维光存储技术的实用化进程，继当前世界三大前沿数据存储技术：全息存储、DNA存储、玻璃存储之后，为未来超大规模数据永久保存提供了又一种全新技术路线，有助于提升我国在数据存储领域的国际竞争力。

浙江大学博士生王卓和助理研究员张博为论文第一作者，浙江大学张博博士、之江实验室谭德志研究员、浙江大学邱建荣教授为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202303256