中國科學院上海高等研究院（以下簡稱“上海高研院”）王中陽研究團隊在超高密度光存儲讀出方法上取得突破性進展，提出了一種基于偏振調制的亞衍射極限超高密度光存儲讀出方法。相關研究成果以“Sub-diffraction readout method of high-capacity optical data storage based on polarization modulation”為題發(fā)表在Nanomaterials上。論文的第一作者為上海高研院的博士研究生張力。

圖1 基于偏振調制的超高密度光存儲亞衍射極限讀出方法

當今社會的數據總量呈“爆炸”式增長，如何高效、長久、穩(wěn)定地保存數據是現在亟待解決的問題。光存儲具有綠色節(jié)能、低成本和穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，特別適合“冷數據”存儲。但光存儲的存儲容量受到了光學衍射極限的原理性限制，導致目前商用藍光光盤的存儲容量在百GB量級。超分辨光存儲技術通過雙光束調控機制突破了衍射極限的原理性限制，可實現了單盤1.6PB超高存儲容量的光存儲。但是，目前實現的超分辨光存儲寫入讀出方法，都是基于存儲材料的熒光特性來實現光存儲信息的超分辨讀出，而受限于熒光材料的光漂白和不穩(wěn)定性，使得光存儲的壽命和讀出時間受到了限制，例如在綠色熒光蛋白上實現的超分辨光存儲寫入讀出實驗,讀出方法采用RESOLF超分辨讀取技術，單點的曝光時間需要百ms量級，這極大地降低了光存儲的讀取速率，同時由于綠色熒光蛋白本身的不穩(wěn)定性，也極大降低了光存儲的壽命。因此，如果能夠通過反射信號的變化即可實現超分辨光存儲的數據讀出，將有效提升超分辨光存儲技術的讀出速率和存儲壽命。

圖2 DR13薄膜的偏振調制特性測試實驗

基于此，本課題組提出了一種基于偏振調制的超高密度光存儲亞衍射極限讀出方法。與傳統(tǒng)的通過熒光信號實現超分辨讀出的方式不同，我們利用讀出光束的不同偏振來調控衍射極限內反射信號的強度變化，通過反射信號的變化解調出對應偏振編碼的存儲信息，如圖1所示。

為了驗證我們方法的可行性，我們制備了摻雜偶氮類染料DR13 (分散紅13)的PMMA偏振調制薄膜，薄膜厚度為110nm，表現出κ ≈ 2的偏振選擇特性，如圖2所示。由于目前缺乏超分辨光存儲偏振信息寫入方法，我們對基于偏振調制亞分辨光存儲讀出方法進行了實驗設計和測試；首先通過高NA (NA=1.4)物鏡在DR13偏振薄膜上寫入了500nm間距的偏振編碼存儲點，并通過低NA (NA = 0.5)物鏡讀出實驗，實現了500 nm點間距的亞分辨光存儲數據讀出，超過了衍射極限1.2倍。連續(xù)無誤碼的讀取5 × 5編碼數字陣列，則證明了亞分辨光存儲讀出方法的可靠性和魯棒性。同時，與現有的亞分辨光存儲熒光讀出方法相比，我們基于反射信號強度測量的方法具有更高的穩(wěn)定性和讀取速度，比RESOLFT快了約15倍。此外，與FQM或RESOLFT相比，我們的亞衍射極限光存儲讀出系統(tǒng)更簡單，只需要在共聚焦顯微鏡中增加一個偏振片和半波片即可。通過模擬仿真，預測了在偶氮薄膜上，基于偏振調制亞分辨光存儲讀出方法具有150nm的分辨潛力，而如圖3中所示，在具有更高偏振調制系數κ的偏振敏感材料，如金納米棒和液晶材料，該方法具有實現70nm分辨率的潛力。

圖3 亞衍射極限光存儲讀出方法的潛力

基于偏振調制的超高密度光存儲亞衍射極限讀出方法提供了一種方便、高效、廉價的方式來讀取納米級寫入信息，這啟發(fā)了我們在遠場超分辨率納米級讀出方法中引入新的光學維度（如偏振等），有利于實現超分辨光存儲信息的快速讀取，實現高效穩(wěn)定的納米級全光存儲。綜上所述，基于偏振調制的超高密度光存儲亞衍射極限讀出方法在納米尺度光讀出中具有應用潛力，為超分辨光存儲技術提供了新的思路和發(fā)展方向。