不同偏振阶双矢量涡旋光耦合实现磁扭曲结构装置及方法

本发明涉及低能耗全光磁操控，具体涉及一种可应用于低能耗全光磁记录/存储的不同偏振阶的双矢量涡旋光耦合实现磁扭曲结构装置及方法。

背景技术：

1、随着互联网、云计算、人工智能与5g通讯等新兴技术的快速发展，人类进入了信息爆炸的时代，每年全球产生的数据逐渐飙升。据美国国际数据公司统计，全球总数据量到2025年将达到175zb(1zb＝1012gb)。如此巨大的信息数据量对存储技术提出了新的要求与挑战，基于光存储与磁存储等主流技术在其中扮演了非常重要角色。尽管这两种先进的存储技术在一定程度上缓解了如此海量数据造成的经济压力与社会矛盾，然而它们在存储过程中仍面临容量低、密度小、速度慢及能耗高等难题。因此，亟需研发大容量、大密度、快速度与低能耗的新型信息存储技术。磁光存储技术是一种光存储与磁存储并存的存储技术，它既有光存储技术的大容量、高密度与高信噪比等优势，又有磁存储技术的可擦除重写、快速随机存取与高性能价格比等优点，是目前解决信息存储领域难题的有效技术之一，具有广阔的应用前景与巨大的商业化潜力。

2、在传统的磁存储技术中，无论是存储密度较低的横向磁记录(磁化方向平行于磁介质表面)，还是存储密度较高的垂直磁记录(磁化方向垂直于磁介质表面)，均是基于电磁转换原理，在大数据信息存储应用中都面临磁化场的偏振不可调、反转速度慢、尺寸较大、结构难调等因素的制约。所以研制可调偏振、超快反转、大容量与能耗低的新型磁存储技术刻不容缓。磁光存储技术是激光在磁介质上进行记录、存储与读出数据信息的过程。由于整个过程需采用全光手段诱导特定的磁化场分布，因此开发快速反转、超高密度、极大容量和超低能耗的磁光存储技术关键之一是如何有效地调控激发光场的特性。

3、光场的偏振与相位作为光场调控的两个重要自由度，一直成为研究者们关注的热点。特别是空间非均匀偏振的矢量涡旋光场的产生与调控，不仅提供了光束聚焦、成像与操控的新原理与新模型，而且为光与磁光介质的相互作用提供了新现象与新效应。自2007年首次发现圆偏振的飞秒激光激发gdfeco磁光介质产生超快的磁化反转与记录以来，科学家们很快意识到光致多功能磁化场在快速高效磁光存储方面具有极大的潜力。进一步采用飞秒激光激发金纳米天线与tefeco磁光介质组合的杂化材料不仅可以实现快速的全磁操控，而且光致磁化场的大小降低到100nm，为实现大容量、高密度与快速度的磁光记录与存储奠定了坚实的基础。基于紧聚焦的矢量涡旋光场激发各项同性的非热磁光介质，不仅可以控制光诱导磁化场的偏振(例如纵向、横向与三维)态分布，而且能够实现超分辨(突破衍射极限)结构可调(多点阵列、针形状与中空形状等)的磁化场，有利于实现超高密度与超大容量的磁光存储技术。虽然这些多功能全光磁操控在高密度、大容量与高速度的磁光存储技术中扮演了非常重要的角色，但是在整个磁光存储过程中降低整个过程的能耗也是密切关注的问题。在现有的存储技术中，硬盘驱动器，闪存与自旋转移矩随机存储器存储单元数据的最大能耗分别为100nj，10nj和450pj。当飞秒激光激发gdfeco磁光薄膜，对于光诱导10μm左右的磁畴反转需要的能量约为10nj。为了进一步减少全光磁反转的能耗(如百飞焦量级)以实现高性价比的磁光存储，需要产生全光诱导的磁拓扑结构。不同于规则的磁畴结构，由于局部的磁通量闭合，以某种特定方式扭曲与连接的磁化场将形成稳定的拓扑结构，从而支持低能耗的磁光存储。综上所述，如何高效地调控光场的相位与偏振激发磁光介质，产生可调谐的扭曲磁结构支持低能耗的磁光存储，是亟需解决的难题并对全光磁操控至关重要。

技术实现思路

1、本发明针对磁光存储系统中较高的能耗的难题，提出了一种不同偏振阶双矢量涡旋光束耦合实现磁扭曲结构的装置及方法，通过双矢量涡旋光束耦合诱导产生多功能磁扭曲构型，从而实现局部的磁通量闭合，旨在开发低能耗的磁光存储技术。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种不同偏振阶的双矢量涡旋光束耦合实现磁扭曲结构的装置，包括飞秒激光器、偏振片、1/2拨片、分束镜、合束镜和高数值孔径物镜，在飞秒激光器与偏振片之间设置扩束装置，飞秒激光器发射的脉冲光波经过扩束装置准直成平行光，沿平行光的传输方向依次放置用于调节平行光偏振方向偏振片、调节平行光输出能量的1/2拨片和分束镜，平行光经分束镜被分成两束光，即透射光和反射光，在分束镜与合束镜之间设置透射光路和反射光路，经过透射光路和反射光路的携带不同偏振态和拓扑荷数的两束矢量束光经过合束镜耦合，在合束镜的出射方向放置高数值孔径物镜和磁光介质，聚焦后的光场作用于磁光介质。

4、进一步，透射光路包括第一反射镜、第一空间光调制器和第一涡旋波片，沿透射光路依次放置第一反射镜、第一空间光调制器和第一涡旋波片；反射光路包括第二反射镜、第二空间光调制器和第二涡旋波片，沿反射光路依次放置第二反射镜、第二空间光调制器和第二涡旋波片。

5、进一步，第一空间光调制器和第二空间光调制器均为反射式空间光调制器。

6、进一步，偏振片与1/2波片沿脉冲光传输方向依次位于飞秒激光器的出射端。

7、进一步，扩束装置包括凹透镜和凸透镜，凹透镜置于靠近飞秒激光器一侧，凸透镜置于靠近偏振片一侧。

8、进一步，飞秒激光器采用的光源为脉冲330fs，波长为532nm，重复频率为1mhz，涡旋波片是液晶偏振片。

9、一种不同偏振阶的双矢量涡旋光束耦合诱导产生多功能磁扭曲结构的方法，利用上述的不同偏振阶的双矢量涡旋光束耦合实现磁扭曲结构的装置实现，飞秒激光器发射的脉冲光波经过扩束装置准直成平行光，再经过偏振片和1/2波片调节脉冲光的偏振方向与输出能量；出射的平行光经分束镜被分成两束光，即透射光和反射光，透射光与反射光分别经过透射光路和反射光路上的反射镜后入射到反射式的空间光调制器和不同偏振阶的涡旋波片，使两束光由标量光束变成分别携带不同偏振态和拓扑荷数的两束矢量光束；两束矢量光束经过合束镜耦合成矢量涡旋光束，矢量涡旋光束入射到高数值孔径物镜光瞳面，经高数值孔径物镜紧聚焦的光场作用于磁光介质上，产生可调控的扭曲磁场。

10、进一步，通过反射型空间光调制器调制光束的拓扑荷数，涡旋波片调制矢量光的偏振阶数。

11、进一步，透射光经过透射光路的第一反射镜后入射到第一空间光调制器和第一涡旋波片；反射光经过反射光路的第二反射镜后入射到第二空间光调制器和第二涡旋波片。

12、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

13、本发明提供了一种不同偏振阶的两矢量涡旋光束耦合诱导多功能磁扭曲构型的方法，通过带有不同偏振阶数和拓扑荷数的单/双矢量偏振光束的叠加实现对扭曲磁化场的构建、产生与调制。将传统的单矢量光束改成不同偏振与拓扑荷数的双矢量涡旋光束，利用两种不同偏振与拓扑荷数的矢量涡旋光束的自旋轨道耦合效应诱导出结构可调的扭曲磁化场，同时也为全光磁记录与存储增加了全新的自由度。本发明用于研究实现多功能光致磁化场扭曲的调控、探索单/双光束激发磁光介质诱导产生可调谐磁扭曲的来源。此外，基于逆法拉第效应和矢量衍射理论，本发明研究了不同偏振态与拓扑荷数的矢量光束自旋轨道耦合，经过紧聚焦系统后激发磁光介质产生磁化场，最终对产生的磁扭曲结构进行灵活调控，目标达到能耗为百飞焦级的全光磁存储。