一种复合材料存储四维数据的写入和读取方法

技术领域

本发明涉及数据存储技术领域，更具体涉及一种复合材料存储四维数据的写入和读取方法。

背景技术

传统光学数据存储主要特点为激光直写、平面二维数据且单层录入，所以存储密度和能力较低，目前商用平均每张标准光盘如蓝光或档案存储光盘的存储数据能力为20-200GB。

为了进一步提升数据存储的密度减少数据信息点的尺寸，越来越多的技术人员开始对多层信息存储展开了广泛的研究，已有研究结果表明通过选用特殊的存储材料能够实现三维层面上的多层数据存储，尽管显著提升了存储密度，但是存储密度在某些需要达到TB级水平的应用中仍然受到限制，而针对四维数据存储的相关研究还较少，除此之外在目前多层数据存储的过程中存在数据层间的窜扰，从而对所存储的信息造成错乱的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种复合材料存储四维数据的写入和读取方法，突破传统单光束二维数据存储写入模式，达到录入数据在四个维度上充分利用光盘空间和材料的光学特性，使目标存储密度提高到TB级的水平。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了第一方面提供了一种复合材料存储四维数据的写入方法，至少包括以下步骤：采用激光直写系统，控制搭载样品位移台在平面和纵轴方向移动，实现对所述样品位移台上的复合材料样品中三维数据的写入，同时通过控制单个数据点写入激光的能量大小实现第四维数据的写入。

进一步地，具体步骤包括：控制搭载样品位移台在平面做二维数据录入，然后移动纵轴，使得物镜聚焦点移动到样品的不同深度录入一层数据以实现在材料中三维数据写入；同时通过控制单个数据点写入激光的能量大小，使得在不同能量写入的数据点在同一读取光强下发出的荧光强度能够可控编写，实现第四维数据的写入。

上述方案中，所述激光直写系统为单光束的三维纳米激光直写系统，所述单光束激光的波长为532～800nm。

进一步地，所述单光束激光为经过三维振镜调制的单光束激光。

进一步地，所述三维纳米激光直写系统中采用的激光器为基于倍频的1064nm红外飞秒激光器。

更进一步地，所述红外飞秒激光器采用千赫兹脉冲频率。

发明人发现在数据写入的过程中激光器的产生的激光形式也会对存储的信息造成影响，采用连续激光会导致存储信息的读出信噪比、信息点尺寸相对较差，本发明的红外飞秒激光器以脉冲激光的形式且采用千赫兹脉冲频率，能够精确调节能量以实现多层、单点灰度复用的数据录入。

由于二维存储平面的存储密度受到限制，很多研究人员附加上第三维，以实现将数据记录在三维空间中，大幅提升了存储的密度和容量，然而在某些需要达到TB级水平的应用中仍然受到限制，为此发明人通过大量的研究后发现采用特殊的复合材料同时通过三维纳米激光直写系统在复合材料的聚焦激光光场微区内形成有受激荧光反应的微小空缺作为录入的数据点，同时充分利用材料三维空间和不同激光写入能量下的数据点荧光发光呈线性反应关系特性，实现在物理层面上存储录入四维数据，从而使目标存储密度理论上可以提高到TB级的水平。

上述方案中，所述单个数据点的写入能量由入射激光功率和曝光时间控制，所述入射激光功率为1～2mW，曝光时间为50～200ms。

通过本发明的技术方案在所述复合材料上实现多层信息写入，提高了写入的数据的分辨率，也大大增加存储密度和容量，其中在本发明中特定的材料中结合四维数据写入模式，使写入的分辨率为700nm的点间隔和4μm的层间隔，在写入过程中所述数据点的荧光强度能够达到8位阶复用。

本发明的第二方面提供了一种复合材料存储四维数据的读取方法，至少包括以下步骤：使用共焦显微镜成像系统读取数据，通过激发所述写入方法得到的复合材料样品产生可见光波段持续的荧光信号，通过基于预先设定的荧光强度编码标准来解码并获取荧光信号代表的编码内容以实现写入的四维数据信息读取。

进一步地，具体步骤包括：采用激光器激发在样品产生可见光波段持续的荧光信号，将该荧光信号导入到光子探测器和收集器，经过处理探测每个数据点对应的信号信息，通过基于预先设定的荧光强度编码标准对第四维数据解码获取每个数据点发出的荧光信号代表的编码内容实现对写入的四维数据的信息读取。

上述方案中，所述共焦显微成像系统中采用的激光器为连续波激光器，波长为400～490nm。

优选地，所述波长为445nm。

进一步地，所述共焦显微成像系统为反射式，具体是将连续波激光器激发出特定波长的光通过物镜聚焦在三维位移台上固定的材料上并使写入的数据点受到激发产生波长为480～660nm可见光波段持续的较强荧光信号，将不同位置和能量写入的数据点受激产生的不同强度的荧光信号导入到光子探测器和收集器后经过光信号放大处理在电脑程序里可以清晰探测到每个数据点代表的信号信息，而且反射式的共焦显微成像系统能够消除存储材料和衬底的不均匀性产生的背景影响，同时能够减少多层信息层间的窜扰，保证数据读取的准确性。

上述方案中，所述共焦显微成像系统中配备的物镜的数值孔径为0.8～1.2。

上述方案中，所述共焦显微成像系统中配备的物镜的倍率为80x或100x。

数值孔径决定着物镜的各项技术参数包括分辨率、放大率、焦深、视场宽度与工作距离，本发明采用的共焦显微成像系统中配备的物镜具有高数值孔径0.8～1.2以及较高的倍率，同时采用的激光波长相对较短，不但能够最大限度地减小信息位的大小，提高存储密度，还能够减少视场宽度和工作距离，更加有利于提高所存储数据读取的精准度。

上述方案中，所述复合材料的组分包括丙烯酸单体和热敏化合物。

进一步地，所述热敏化合物为二乙基二硫代氨基甲酸锌。

具体地，按照重量百分比计，所述复合材料的组分包括热敏化合物0.5～1.5wt％，丙烯酸单体为余量。

优选地，所述复合材料的组分包括热敏化合物1wt％，丙烯酸单体99wt％。

进一步地，所述丙烯酸单体包括二季戊四醇五丙烯酸酯和季戊四醇三丙烯酸酯，重量比为70％：30％。

其中二季戊四醇五丙烯酸酯的型号为SR-399NS，季戊四醇三丙烯酸酯的型号为SR-444NS。

上述方案中，所述复合材料为厚度为200μm的薄膜样品并经过紫外光照射。

采用的上述复合材料具有良好的光敏性、光透过性以及热稳定性，在四维数据写入的过程中，写入激光可以穿过较深的样品厚度能够达到从200μm的深度开始做数据录入，具体的录入过程是在样品内由深至浅进行录入，以避免对即将刻录的数据过程产生影响。

本发明的有益效果：本发明突破传统单光束二维数据存储写入模式，通过三维纳米激光直写系统在特殊的复合材料的聚焦激光光场微区内形成有受激荧光反应的微小空缺作为录入的数据点，同时充分利用光盘三维空间和不同激光写入能量下的数据点荧光发光呈线性反应关系特性，从而实现在物理层面上四维度存储录入数据，目标存储密度理论上可以提高到TB级的水平，且多层数据的层间不会窜扰，保证所存储数据不会发生错乱；同时使用的复合材料具有高热稳定特点，突破传统光学存储媒介的有限存储寿命，使得目标数据存储寿命在常温环境下延长到约200年；采用本发明的方法进行多角度配合能够显著提升存储密度的前提下保证了存储寿命、存储数据的稳定性以及读取数据的准确度。

附图说明

图1为本发明中三位纳米激光直写系统的示意图；

图中：1、复合材料样品；2、盖玻片；3、三位纳米位移台；4、物镜；5、二相色镜；6、CCD观测摄像头；7、三维振镜；8、声光调制器；9、红外飞秒激光器。

图2为本发明中复合材料存储四维数据的原理示意图，其中(a)表示的是复合材料样品进行四维数据的写入示意图；图(b)表示的是多层数据写入存储容量扩充示意图；图(c)表示的是四维数据存储的读取结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

本实施例提供了一种复合材料存储四维数据的写入方法，包括以下步骤：

采用单光束激光直写系统，电脑终端准确控制搭载样品位移台在平面做二维数据录入，然后移动纵轴，使得物镜聚焦点移动到复合材料样品1的不同深度录入一层数据实现在复合材料中三维数据的写入，同时电脑程序驱动控制终端通过调节振镜改变写入激光的曝光时间和激光功率控制单个数据点写入激光的能量大小，使得在不同能量写入的数据点在同一读取光强下发出的荧光强度能够可控编写，实现第四维数据的写入。

其中复合材料的组分包括丙烯酸单体99wt％、热敏化合物1wt％，所述热敏化合物为二乙基二硫代氨基甲酸锌。

进一步地，所述丙烯酸单体包括二季戊四醇五丙烯酸酯和季戊四醇三丙烯酸酯，重量比为70％：30％。

其中二季戊四醇五丙烯酸酯的型号为SR-399NS，季戊四醇三丙烯酸酯的型号为SR-444NS。

复合材料为厚度为200μm的薄膜样品并经过紫外光照射。

在四维数据写入的过程中，写入的激光穿过该复合材料较深的样品厚度达到200μm的深度开始做数据录入，然后录入过程中每层数据在样品复合材料内由深到浅进行录入，以避免已写入的数据层会对即将刻录的数据录入过程产生影响。

具体地，所述复合材料的制备方法包括以下步骤：

(1)将二季戊四醇五丙烯酸酯SR-399NS和季戊四醇三丙烯酸酯SR-444NS、二乙基二硫代氨基甲酸锌按照比例共同溶解在氯仿中，超声搅拌15分钟以使各化学成分均匀分散在氯仿溶剂中，得到液态混合物，然后将该液态混合物在真空加热箱内以60℃真空蒸干氯仿溶剂完全挥发并被真空泵抽走，使各化学成分充分均匀混合，形成半液态的胶体样品；

(2)将步骤(1)制备的胶体样品通过滴旋涂法以转速为1000rpm、2.5min在玻片上形成厚度为200μm的均匀薄膜样品，然后利用功率为300W的紫外光照均匀照射2.5h胶体形态的样品，得到完全固化聚合后的样品。

单光束激光直写系统为三维纳米激光直写系统，其中结构示意图如图1所示，所述单光束激光的波长为532～535nm。

进一步地，所述单光束激光为经过三维振镜调制的单光束激光。

其中三维纳米激光直写系统包括红外飞秒激光器9、声光调制器8、三维振镜7、二相色镜5、物镜4、三维纳米位移台3、控制终端。

三维纳米激光直写系统中采用的激光器为基于倍频的1064nm红外飞秒激光器9。

进一步地，所述红外飞秒激光器9采用千赫兹脉冲频率。

本发明的红外飞秒激光器9以脉冲激光的形式且采用千赫兹脉冲频率，能够精确调节能量以实现多层、单点灰度复用的数据录入。

声光调制器8用于调节激光功率，以保证聚焦光束的功率密度大于光子吸收的阈值功率密度，进而实现了基于脉冲激光实现的三维方向上的数据刻写。

三维振镜7用于调节激光的曝光时间以及激光束的偏转，从而控制单个数据点写入激光的能量，而且使具有一定功率密度的激光焦点在复合材料上按照目前路径运动，从而有利于数据在材料上的刻录。

二相色镜5用于接收三维振镜调制后的单光束激光，使其射入物镜4，同时对盛放复合材料样品1的盖玻片2反射的激光进行透射，使CCD观测摄像头6接收从盖玻片反射的激光信息，则该信息反映着聚焦光束与盖玻片上的复合材料样品对应区域的光斑信息，通过CCD观测摄像头6接收的光斑信息将目标写入数据的区域移动到聚焦光束束腰中心位置，在该位置上对复合材料进行数据直写。

三维纳米位移台控制复合材料在三维方向上移动至聚焦光束的束腰中心的位置，从而使数据在三维方向实现数据的逐层写入。

控制终端用于根据盖玻片反射的激光信息对三维纳米移动台、声光调制器、三维振镜进行控制，以实现对复合材料的微小空缺结构刻写。

单个数据点的写入能量由入射激光功率和曝光时间控制，入射激光功率为1～2mW，曝光时间为50～200ms。

本发明中复合材料存储四维数据的原理示意图如图2所示，通过本发明的技术方案在所述复合材料上实现多层信息写入，提高了写入的数据的分辨率，也大大增加存储密度和容量，其中在本发明中特定的材料中结合四维数据写入模式，使写入的分辨率为700nm的点间隔和4μm的层间隔，在写入过程中数据点的荧光强度能够达到8位阶复用。

实施例2

本实施例提供了一种复合材料存储四维数据的读取方法，包括以下步骤：

使用共焦显微镜成像系统读取数据，采用445nm波长的连续波激光器激发在三维位移台上固定的实施例1中已写入四维数据的复合材料样品，其中写入的三维存储数据点受到激发后会产生在480-660nm可见光波段持续的较强荧光信号，将不同位置、不同能量写入的数据点受激产生的不同强度的荧光信号导入到光子探测器和收集器后，经过光信号放大处理在电脑程序里可以清晰探测到每个数据点对应的信号信息，通过基于预先设定的荧光强度编码标准解码获取每个数据点发出的荧光信号代表的编码内容实现对写入的四维数据的信息读取，共焦显微成像系统收集信号后读取灰度强度，再通过计算机图形分析软件对收集的信号做识别和解析。

共焦显微成像系统中采用的激光器为连续波激光器，波长为445nm。

进一步地，所述共焦显微成像系统为反射式，具体是将连续波激光器激发出特定波长的光通过物镜聚焦在三维位移台上固定的材料上并使写入的数据点受到激发产生波长为480～660nm可见光波段持续的较强荧光信号，将不同位置和能量写入的数据点受激产生的不同强度的荧光信号导入到光子探测器和收集器后经过光信号放大处理在电脑程序里可以清晰探测到每个数据点代表的信号信息，而且反射式的共焦显微成像系统能够消除存储材料和衬底的不均匀性产生的背景影响，同时能够减少多层信息层间的窜扰，保证数据读取的准确性。

共焦显微成像系统中配备的物镜的数值孔径为0.8～1.2。

共焦显微成像系统中配备的物镜的倍率为80x或100x。

本发明采用的共焦显微成像系统中配备的物镜具有高数值孔径0.8～1.2以及较高的倍率，高数值孔径不但能够获取的聚焦光束的直径更小，显著增加聚焦光束束腰中心区域的功率密度，而且能够减少视场宽度和工作距离，更加有利于提高所存储数据读取的精准度。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。