新型存储介质：透明光致变色调控发光玻璃

撰稿 | 胡振（昆明理工大学）

透明玻璃中，蓝光为笔信息存；

光致变色后，发光调控精准读。

信息时代的到来伴随着数字信息的快速增长，迫切需要开发巨大的存储空间和安全存储介质。光存储技术以其巨大的存储容量和低成本成为信息存储的新选择。目前，商用光存储设备主要有蓝光光盘、数字多功能光盘和激光光盘。

然而，由于光学衍射的限制，光存储技术面临着存储容量的瓶颈。

为了提高存储密度，常用的方法是减小直写激光波长或增加物镜的数值孔径（NA）。与此同时，三维信息存储介质已经成为提高信息存储容量和延长存储寿命的良好选择。

目前，在近红外飞秒激光器的处理下，透明玻璃已被证明是一种可用的信息记录三维介质。然而，飞秒激光器与可见光连续半导体激光器相比是一种复杂而昂贵的设备，通常需要更高的光子能量和更复杂的操作过程。因此，这些特点促使我们开发一种可用蓝光直写的块体玻璃作为一种新型的信息记录介质。

稀土离子掺杂的发光材料在电场、磁场和温度等外场作用下的发光改性可以拓展其应用。与基于外部温度、电场和磁场的稀土离子光致发光的改性方法相比, 外部光场调控稀土离子光致发光的方法展现出许多优势，如操作简单、实时性、效率高、安全性高、可重复性好等。

目前，基于光致变色效应研究了稀土掺杂陶瓷或薄膜的可逆光致发光调控，在全息存储、光学数据处理等领域显示出潜在的应用前景。

然而，由于光调控陶瓷的不透明性，无法实现三维光学数据的存储。

与光致变色陶瓷相比，光致变色玻璃由于其透明性能更容易实现三维光学数据存储，提高了数据存储容量。因此，迫切需要开发光调控玻璃来实现三维光信息存储应用。

基于此，昆明理工大学杨正文教授、邱建备教授，华南理工大学董国平教授和北京航空航天大学张俊英教授等合作报道了一种透明光调控玻璃作为新型信息记录介质。

该成果以 Reversible 3D optical data storage and information encryption in photo-modulated transparent glass medium 为题发表在 Light: Science & Applications。

鉴于透明玻璃作为三维光学信息存储和多级加密介质的重要性，本研究使用半导体蓝色激光代替高成本飞秒激光直接在透明玻璃内部书写三维信息，并通过光调控读取信息（图1）。

图1 光学信息的写、读和擦除示意图。

透明玻璃是三维光学信息存储和多级加密的重要介质。然而，用半导体蓝色激光代替高成本飞秒激光直接在透明玻璃内部书写三维信息仍然是一个挑战。具有光致变色效应的发光调控玻璃成功解决了这一问题，使用蓝色激光在透明玻璃内部书写三维信息，并通过光调控读取信息。

本文研究了稀土离子掺杂钨磷酸盐透明玻璃在473nm激光照射下的光致变色性能，其光致变色性能可由激光功率密度和激光照射时间来调节，采用热刺激法对光致变色玻璃可进行脱色。稀土离子掺杂钨磷酸盐透明玻璃的光致变色表现出优良的可逆性、再现性和稳定性。通过对稀土离子掺杂玻璃的透过率调制，对其光致发光强度进行了可逆的调控（图2）。

图2 可逆光致变色效应和发光调控。

3D光学数据由计算机控制的3D-XYZ转换平台控制写入透明玻璃中，演示了光学存储应用。复杂的信息模式可以在光调制玻璃中写入、读取和擦除，例如全息logo图案、二维码、二进制数据等（图3）。

图3 光学信息读写。

无机光致变色玻璃由于其透明特性而表现出许多优点，如3D光数据存储能力等。通过473 nm激光直写技术将三维光学信息写入玻璃的各层中，并通过光学显微镜可以观察到不同层中的信息，展示了玻璃可逆的3D光学数据存储和加密能力（图4）。

值得注意的是，通过473 nm激光直写技术可以将复杂的三维结构写入玻璃内部，实现了三维全息存储。该光调控玻璃不仅展示了可逆三维光学数据存储的能力，而且在信息加密领域开辟了新的机遇，对于拓展其在光电领域的新应用具有重要意义（图5）。

图5 三维光学数据存储及信息加密演示。

透明光致变色调控发光玻璃具有良好的透光性、化学性质稳定、机械性能优异。不仅可以写入复杂的三维结构、多层信息记录来增加存储容量，同时还可用于信息加密，进而增加信息安全性。

此外，使用半导体蓝色激光代替高成本飞秒激光直接在透明玻璃内部书写三维信息。

一方面，有利于减小聚焦后的焦点直径，从而提高直写精度增大存储容量；

另一方面，可使光刻系统小型化、降低成本、降低能耗，极大的推进其商业化应用。

论文信息

Hu, Z., Huang, X., Yang, Z. et al. Reversible 3D optical data storage and information encryption in photo-modulated transparent glass medium. Light Sci Appl 10, 140 (2021).

本文第一作者为昆明理工大学硕士生胡振，昆明理工大学杨正文教授、华南理工大学董国平教授和北京航空航天大学张俊英教授为共同通讯作者。合作者包括昆明理工大学邱建备教授、宋志国教授，华南理工大学黄雄健博士。

论文地址

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00581-y

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编辑 | 赵阳

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