近年来，随着大数据、云计算、物联网、人工智能和传统产业转型等信息技术的迅猛发展，在促进经济和社会快速发展的同时，也产生了爆炸式增长的数据量。根据数据在其生命周期中的位置及其价值维度，可将其划分为“热数据”、“温数据”和“冷数据”。冷数据是指离线类不经常访问的、但需要长期保存的数据，如人类文学艺术作品、科技成果、政府档案、用于灾难恢复的备份数据或因相关法规要求必须保留一段时间的企业、政府等的数据等。目前主流的冷数据存储为硬盘、光盘、磁带等，但面对海量数据的长期存储，现有的存储技术正在面临严峻的挑战。

1）存不下：据国际数据公司（IDC）2018年发布的报告，如图1所示，到2025年全球数据总量将达到175 ZB(1 ZB=10⁹TB)。如果将175 ZB数据存储到蓝光光盘上，那这些蓝光光盘堆起来的高度相当于地球与月球之间距离的23倍。如果用市面上主流的8 T硬盘来存储这些数据，将需要230多亿块硬盘。

2）用不起：数据指数式增长，要保存下来，面临巨大的资源成本，同时数据中心需要每3~5年进行一次数据迁移来防止数据丢失，迁移导致的物耗能耗数据丢失导致成本巨大。

图1 全球数据圈的年规模

2003年，日本京都大学学者通过背散射电子图像，在熔融石英内首次观测到与激光偏振方向垂直排列的纳米光栅结构。纳米光栅可抽象成一种折射率不同、厚度不同的平板结构在空间内的交替排列，如图2所示，呈现出典型的形序双折射效应（form birefringence）。

图2 飞秒激光永久光存储加工示意及双折射原理图

由于纳米光栅的取向与诱导的飞秒激光偏振方向垂直，通过改变激光偏振方向直接调控纳米光栅平面的方向。纳米光栅的长度与激光的脉冲数与激光能量相关，可通过改变这两个激光参量来改变相位延迟量，结合空间三维分布提供了一种玻璃内部五维高密度光存储的技术（第4维，慢轴取向；第5维，相位延迟量），其理论存储容量可高达百TB甚至PB（1000 TB）。特别地，纳米光栅是由飞秒激光通过库仑微纳爆炸等效应在石英玻璃内部产生，天然具有耐高温高压、抗辐射、耐酸碱、对潮湿等严酷环境不敏感等优势，不会像传统存储设备容易受到火灾、洪水、地震、停电或电磁干扰等影响，甚至能在600 ^oC左右保存200多天，在常温常压下永久保存——超高存储、超长寿命等特点无疑使飞秒激光永久光存储技术在冷数据存储领域具有诱人前景。

图3 飞秒激光永久光存储编解码过程

虽然双折射透射信号相较于散射信号要更为强烈，但目前还没有较成熟的商用快速双折射显微镜系统。一般的系统装置如图3(a)所示，通过液晶相位延迟片的4~5次转动，计算得到相位延迟量和慢轴方位角，此装置通过面读提高了读出效率，但在配套伺服系统等方面还没有发展起来，多次液晶延迟也损失了读出速度，还需要对读出数据层内和层间的信号串扰进行除噪处理、识别。图3（b）~（c）展示了以“吉林大学”为例的编码方式及读出效果及一次拍照面读后的数据结果。

飞秒激光永久光存储理论上拥有极高的存储密度，但由于发展时间较短，在实际存储密度、写入速度、读取速度及准确度方面还存在瓶颈。

1）实际存储容量较低：一张存储盘能存储的信息，与存储单元的点间隔、层间隔、和单点多比特个数相关。如表1所示，压缩比特体积元横向、纵向尺寸，提高单点存储比特是关键。

表1 直径为120 mm、厚度为2 mm的样品中点间距、层间距、单点比特数与存储容量的关系

2）实际写入速度较低：存储速度与形成每个记录点所需的脉冲数负相关，如表2所示，减小单点脉冲数、提高单点存储比特是关键。

表2 激光器重复频率为10 MHz时最高写入速度与脉冲数、单点比特数、并行写入通道数的关系

3）实际读取速度和准确率较低：在提高存储密度时，太小的点间距和层间距会造成数据读出时的串扰。此外，纳米光栅的产生还伴随着其他效应的产生，不可避免会引入Type I型、Type III型结构，都会影响读取准确率。

图4 飞秒激光永久光存储技术制备的时间胶囊样品

飞秒激光永久光存储要想实现理论上的百TB甚至PB容量快速存储，其根本是加深对飞秒激光与材料相互作用机制的认识，如何实现超衍射加工，将比特体积元横向尺寸降低到100 nm甚至更小、纵向尺寸降到1 μm以下，如何发展更多维度复用技术等；如何调控激光脉冲作用效率，提高数据写入速度；如何提高双折射信号处理能力，实现数据的快速、准确读出等。目前，该技术正在向商业化推进，微软已经与一些图书馆机构展开合作（《超人》复写等），我们也相信在不远的将来，这项技术能够在人类历史、文学艺术、政企档案、安保防护等需要长期存储的领域得到广泛应用。

课题组介绍

吉林大学集成光电子学国家重点实验室陈岐岱教授团队围绕超快激光与物质的相互作用机制，长期致力于永久光存储、三维光子集成芯片、特种光电器件等光电子器件的超快激光直写及激光微纳加工一体化系统研究。