光存储介质及基于该介质的超分辨信息读写方法和装置

本发明涉及光存储，特别是一种光存储介质及基于该介质的超分辨信息读写方法和装置。

背景技术：

1、随着智能制造为核心技术的第四次工业革命出现以及互联网、物联网、云计算以及人工智能的快速发展，数据量呈爆炸式的增长。目前，以磁存储技术为主的信息存储方式普遍存在寿命低、能耗高的缺点，特别是随着数据总量的激增，其带来的存储载体与用电损耗必定会极大增加数据存储的成本。而光存储具有可长期“离线”的特性，且寿命周期可达50年。在这周期内，其所消耗的电量不到硬盘系统的1％，使得数据能够安全长效节能的保存并拥有可抗电磁干扰和不可篡改特性。但是，传统的光存储系统受到光学衍射极限的限制，其记录点尺寸约为波长一半的大小。其中在信息写入过程，当相邻记录点的间距小于光学衍射的尺度时，第二个记录点的写入会影响第一个记录点的写入，相邻两点的写入重叠在一起，且写入区域和非写入区域的对比度很低，导致两记录点无法被区分出来(appliedphysics letters,2008,92(9):90-93和optics express,2013,21(9):10831-10840)。在信息读出过程中，受光学衍射极限的制约，无法区分超分辨率的记录点，进而不能完成超分辨率的读出。因此光学衍射极限的限制使得光存储无论是在超分辨尺寸维度下进行信息的写入还是读出都存在极大的难点，无法进一步提升存储的总容量，限制了其在大数据时代的应用。而基于绿色荧光蛋白和二芳基乙烯染料的超分辨光存储技术则是采用三束激光共同作用完成超分辨率信息写入，其中两束光写入光和一束猝灭光，通过猝灭原理进行超分辨的记录，无论是在写入过程还是读出过程中都需要对介质材料进行预处理来保持记录信息的猝灭态稳定。并且在存储系统里需要同时对三束光束保持较高的三维重合度，系统过于复杂且基于猝灭原理的超分辨效果并不出色，特别是以绿色荧光蛋白作为存储介质还存在存储寿命短的缺点(参见cn108877844b和nature,2011,478(7368):204-208)。

2、光存储系统中除了将记录点的尺寸突破衍射极限的限制，缩小到超分辨率尺寸之外，其构架可以从传统以及普通存在的单层光存储拓展到三维多层存储的构架，这样能够充分利用原本未被使用的99.99％的存储介质体积。现有基于反射读出传统光存储其记录层数最高为6层，存储容量提升有限(参见wikipedia contributors.blu-ray[eb/ol].(2019-02).https://en.wikipedia.org/wiki/blu-ray)。而荧光三维光存储基于荧光信号读出的高特异性和精确性能够充分有效的提升存储介质的体积利用率，但受限于介质材料的透过率和多层写入的层间串扰问题(参见light:science&applications,2014,3(e177):1-11)，无法实现更多存储层数的记录来提升存储的总容量。且通过聚合物与荧光染料结合的荧光三维光存储(the journal of chemical physics，1957,27(3):758-763，small,2008,4(1):134-142和journal of physical chemistry a,2009,113(49):13633-13644)，大都采用常规荧光染料，存在聚集诱导猝灭的问题，例如芘、罗丹明和香豆素，在溶液状态下能够发射出强烈的荧光，随着聚集程度的提升，其荧光发生猝灭，导致记录点的荧光读出信号的丢失，限制了以聚合物为主的荧光三维多层光存储发展。

3、由上述光存储技术可知，现有技术方法受到光学衍射极限的限制，无法进一步缩小记录点的尺寸，导致存储的总容量低。而基于荧光信号读出的荧光三维光存储受限于介质材料的透过率和多层写入的层间串扰及常规荧光染料容易聚集猝灭的特性，使得了记录层的层数提升有限，无法较大的提升存储的总容量。在现有技术中，特别是基于聚合物材料的光存储介质中，部分技术还需要先将材料加热升温，随后通过使用一个波长的激光照射使存储介质形成信息记录点，过程复杂且信息记录点尺寸受到衍射极限的限制(参见cn1662967a)。此外，在信息记录点写入过程中，都仅能使用一个波长的实心激光照射使存储介质中发生聚集诱导发光现象，并不能通过第二个波长的空心激光在第一束实心激光照射的周围区域使存储介质中发生抑制聚集诱导发光现象，无法形成尺寸小于衍射极限的信息记录(参见cn110527523a)；在信息读出过程中，仅能采用单个波长激发的共聚焦成像技术对信息进行读出，并未能够实现基于受激辐射损耗显微技术的原理，通过第二束环形空心的抑制激光光束对激发态电子进行受激辐射实现超分辨的读出，无法分辨小于衍射极限的信息记录的记录点。而采用高功率的单束波长激光猝灭信息记录点的中心区域，以暗点作为记录点的方法，仅能在单个记录点情况下实现超分辨尺寸的记录，并未解决两点及以上的多个记录点相邻之间的相互影响，不能缩小两点及以上的多个记录点的间距，无法较好的提升存储的总容量(参见cn114621395a)，且按照这种方法层间距大于2μm，无法再缩小。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷，本发明的目的在于，提供光存储介质及基于该介质的超分辨信息读写方法和装置，可以同时实现双束波长激光的超分辨写入和基于受激辐射损耗显微技术的原理的超分辨读出，解决传统读写方法不能突破衍射极限、三维记录层数受限、荧光三维存储介质材料透过率低的问题，增加了存储的记录层数，提升存储容量和密度，在荧光三维超分辨光存储领域中有很大的应用价值。

2、为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

3、本发明提供一种光存储介质，其组分包括光引发剂、单体、金属离子化合物和聚集诱导发光染料，其中各组分占材料的摩尔量计如下：光引发剂为0.1％～5％，聚集诱导发光染料为0.1％～5％，金属离子化合物0.1％～5％，单体为85％～99.7％。

4、进一步地，所述的光存储介质，通过金属离子化合物与聚集诱导发光染料相结合，提升信息记录点的荧光对比度。

5、本发明还提供一种基于上述光存储介质的超分辨信息写入方法，包括：

6、利用波长λ1实心光束照射在光存储介质上，使照射区域产生聚集诱导发光效应，增强荧光强度；

7、利用波长λ2空心光束照射在所述实心光束照射区域的周围区域，使周围区域产生抑制聚集诱导发光效应，抑制荧光强度；

8、利用所述照射区域与周围区域的荧光对比度记录信息，形成尺寸小于衍射极限的信息记录点。

9、优选地，所述实心光束与所述空心光束的中心位置在三维空间上重合。

10、优选地，所述信息记录点和未记录信息区域的荧光对比度大于10：1。

11、优选地，所述信息记录点尺寸小于衍射极限λ1/2na，na为物镜的数值孔径。

12、优选地，所述金属离子化合物包括含有li+离子、zn2+离子、yb3+离子、zr4+离子或mg2+离子的一种或多种易溶于有机溶剂的化合物。

13、优选地，所述的光存储介质，其单光子吸收范围为200nm到400nm，双光子吸收范围为400nm到800nm。

14、优选地，所述聚集诱导发光染料包括四苯基乙烯类、六苯基硅氧烷类、二苯乙烯蒽类中的一种或多种。

15、优选地，所述单体包括1，6-己二醇二丙烯酸、季戊四醇四丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、二-三羟甲基丙烷四丙烯酸酯、三(2-羟乙基)异氰脲酸三丙烯酸酯、二季戊四醇五丙烯酸酯中的一种或多种。

16、优选地，所述光引发剂包括irgacure-250、irgacure-907、irgacure-184、irgacure-369、irgacure-819、irgacure-1173、irgacure-784、irgacure-itx、irgacure-detc一种或多种混合物。

17、优选地，所述光存储介质附着在基片上并采用uv预固化。

18、本发明还提供一种基于光存储介质的信息超分辨读出方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

19、使用波长λ3实心光束和波长λ4空心光束照射所述光存储介质，其中所述光存储介质中掺杂有聚集诱导发光染料，利用波长λ3实心光束所引起的基态电子到激发态进行自发辐射，波长λ4空心光束对激发态电子进行受激辐射，采集因聚集诱导产生的荧光增强信号对信息记录点读出；其中波长λ4大于波长λ3。

20、另一方面，本发明提供一种基于光存储介质的信息写入装置，包括光路模块和控制模块；

21、其中，光路模块，用于形成波长λ1实心光束和波长λ2空心光束，并将波长λ1实心光束照射在光存储介质上，使照射区域产生聚集诱导发光效应，增强荧光强度，其中，所述光存储介质中掺杂有聚集诱导发光染料；将波长λ2空心光束照射在所述实心光束照射区域的周围区域，使周围区域产生抑制聚集诱导发光效应，抑制荧光强度；利用所述照射区域与周围区域的荧光对比度记录信息，形成尺寸小于衍射极限的信息记录点；

22、控制模块，用于控制物镜或者光存储介质在z向的位移调控所述实心光束与所述空心光束在光存储介质中的聚焦位置。

23、进一步地，所述光路模块包括第一写入激光模组、第一透镜、第一小孔、第二透镜、第一二相色镜、第二写入激光模组、第三透镜、第二小孔、第四透镜、涡旋相位板、第二二相色镜和物镜；

24、其中，所述第一写入激光模组发出一束波长范围为200nm到400nm的连续光或400nm到800nm的脉冲激光，通过第一透镜、第一小孔、第二透镜、第一二相色镜进入物镜聚焦成波长λ1实心光束到光存储介质中；

25、所述第二写入激光模组发出一束波长范围为500nm到800nm的连续光或脉冲激光，通过第三透镜、第二小孔、第四透镜和涡旋相位板形成波长λ2空心光束，随后通过第二二相色镜和第一二相色镜进入物镜，并与波长λ1实心光束一起聚焦到光存储介质的相同位置，所述实心光束与所述空心光束的焦平面在空间上重合，所述实心光束与所述空心光束的中心位置在三维空间上重合；

26、本发明还提供一种基于光存储介质的信息超分辨读出装置，包括读出光路模块，用于形成双光束，所述双光束为波长λ3实心光束和波长λ4空心光束，所述双光束用于照射所述光存储介质，利用波长λ3实心光束所引起的基态电子到激发态进行自发辐射，波长λ4空心光束对激发态电子进行受激辐射，采集因聚集诱导产生的荧光增强信号对信息记录点读出；其中波长λ4大于波长λ3。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

28、1，本发明，一种基于聚集诱导发光染料的光存储介质的超分辨信息写入方法和装置，能够同时实现双束激光的超分辨写入，记录和未记录的区域的发射荧光强度对比度能够大于10：1；在系统读出光的波长范围内存储介质的透过率大于80％，能够完成大于10层甚至100层的三维荧光存储记录，层间距小于等于1.5μm；有效地解决了现有光存储中单点大小和道间距受到了光学衍射极限的限制，以及存储介质体积利用效率低的问题；

29、2，本发明，一种光存储介质，通过金属离子化合物与聚集诱导发光染料相结合，提升信息写入记录点的荧光对比度；

30、3，本发明，一种光存储介质，该介质材料能够采用旋涂工艺在基片上快速成盘，实现大规模快速生产。

31、4，本发明，一种基于聚集诱导发光染料的光存储介质超分辨信息读写方法和装置，同时采用双束激光进行超分辨写入和基于受激辐射损耗显微技术的原理的超分辨读出，本发明所采用的超分辨写入和读出原理完全不同于基于绿色荧光蛋白和二芳基乙烯薄膜介质需要另外引入永久猝灭光，通过多束激光多次调制存储介质的亮态和暗态，以暗点进行超分辨存储记录(参见cn108877844b和nature,2011,478(7368):204-208)。本发明则通过两束写入光对照射区域产生聚集诱导发光效应所增强的荧光强度进行调制。