高密度光存储技术是一种利用光学原理来存储和检索大量数据的技术。它通过激光与介质的相互作用使介质发生物理、化学变化来实现数据的编码、存储和读取，以实现高密度、高速度和高稳定性的数据存储。

其基本物理原理是：存储介质受到激光照射后，介质的某种性质(如反射率、反射光极化方向等)发生改变，介质性质的不同状态映射为不同的存储数据，存储数据的读出则通过识别存储单元性质的变化来实现。所有基于光盘的光存储都基于相同的技术原理：聚焦光束人射到光盘上，如果光盘上已经存在记录信息，反射光的特征，例如，光强、光的相位或者光的偏振状态将发生某种变化，通过电子系统处理可以再现原始记录的数据信息，这就是光盘的基本读出过程。具体来说，就是读取信息时，激光扫描介质，在凹坑处由于反射光与入射光相互抵消入射光不返回，而在未烧蚀的无凹坑处，入射光大部分返回。这样，根据光束反射能力的不同，就可以把存储介质上的二进制信息读出，然后再将这些二进制代码转换成为原来的信息。

传统光存储中，绝大部分商品化光盘存储系统中所用的记录介质的记录机理都是热致效应。利用从激光束吸收的能量，作为高度集中的、强大的热源，促使介质局部熔化或蒸发，通常称为烧蚀记录。对于特定的高密度存储用途，可以选择不同的机制：双光子异构化(TPI)和激光诱导表面变形。TPI可以产生巨大的双折射，实现高信噪比(>20d B)的多维可逆存储。随着记录能量的增加，表面发生偏振相关的形变，这不仅有利于多级存储，而且提高了读出信号和存储稳定性。光致表面形变当记录剂量(曝光时间或记录功率)增加到临界阈值以上时，材料表面将形成偏振相关的形变[23，24]。与其他激光类型的热烧蚀不同，飞秒激光引起的表面变形一般归因于电场力驱动的聚合物分子的大规模迁移。[3]

了解光存储相对于磁存储方法的优势，需要从原理上理解它们的根本区别，传统的磁记录的写入原理是将随时间变化的电信号转换为在线性或者旋转的铁磁性材料中的磁化强度和方向的空间变化，传统的磁记录读出原理是将分布于磁性材料中的磁化方向和强度的空间变化，通过线性或者旋转运动，利用磁电转化元件，转换为随时间变化的电信号。每次处理或翻转一点信息时，驱动器都会使用磁场通过线圈传导热量，从而燃烧大量能量。相反，如果驱动器可以在磁层上使用激光脉冲，则该器件将在较低的电压下运行，并且位翻转所需的能量将大大减少。[4]

随着记录密度的提高(目前的硬盘记录密度已经能够达到 30Gb/cm2)，能够获得的感生电流的强度和信噪比已经过小，造成读入设备的误码率已经不能达到要求。计算机和信息产业的发展使越来越多的信息内容以数字化的形式记录、传输和存储，对大容量信息存储技术的研究也随之不断升温。

与传统的磁存储技术（如硬盘驱动器）相比，高密度光存储技术具有更高的存储密度和更快的数据访问速度，同时具有更好的数据保持性和耐用性。

随着激光技术的不断成熟，尤其是半导体激光器的成熟应用，使得光存储从最初的微缩照相发展成为快捷、方便、容量巨大的存储技术，各种光存储技术纷纷产生。与磁介质存储技术相比，光存储具有寿命长、非接触式读/写、信息位的价格低等优点。从二十世纪六十年代开始一经发展就迅速流行[1]，已普及到国民经济的各行各业。直到近些 年来，随着全固态硬盘(solid state hard drive, SSD)、硬盘(hybrid hard disk, HHD)等存储技术的快速发展，其存储密度、容量不断增大和成本不断降低，以及网速的不断提高、云存储的普及，经历了数代进步的光盘市场开始不断萎缩。

但随着云计算、物联网、人工智能、大数据时代的到来，主流的数据保存方法，例如 SSD 存储存在单位成本高的问题，同样存储容量的 SSD 比 HDD 贵得多；而 HDD 虽然单位成本低，适合做大容量存储，但读写速度远不如 SSD。而且 SSD和 HDD 寿命都只有 3 年~5 年。磁带库具有存储密度高，成本低的优点，但每 10 年左右就要进行迁移，需要恒温恒湿的保存环境，抵御强电磁场的能力差。在此情况下，面对大数据时代长期保存、低能耗、高可靠的存储要求，光存储技术又开始受到重视和发展[2]。

上图显示了50年来单个单元读/写和空闲状态的电力消耗比较。在此比较中，单个HDD单元通常用于读/写消耗20 W，并且以这种方式用于每年100小时。在空闲状态下，每小时功耗为10w。单个ODS单元的读写功耗为7w，每年以这种方式使用100小时。成本是根据假设计算出来的[1]

为了提高存储密度和数据传输速率，未来主流光存储技术发展的另一个重要目标将是增加在光盘中制造的存储层的数量。光存储正在由长波向短波、低维向高维(即由平面向立体)、远场向近场、光热效应向光子效应、逐点存储向并行存储发展。

1. 多层光盘存储技术：这种技术通过增加光盘的存储层数，来实现数据存储容量的大幅提升。传统的DVD和蓝光技术分别支持单层和双层存储，而多层光盘技术可以支持更多的数据层，从而显著增加存储容量。信息的写入和读出通常是通过将一束或多束激光束聚焦到 3D 介质中来实现的。

2. 三维光存储技术：三维光存储技术通过在多个维度（通常是三个空间维度）上存储信息，来实现高密度存储。这种技术可以在同一体积内存储大量数据，比传统的二维存储技术（如CD、DVD）的存储密度要高得多。包括可超越光学衍射极限的双光子吸收 (two-photon absorption，TPA)三维光存储，基于远场超分辨受激发射损耗(stimulated emission depletion， STED)荧光显微三维光存储技术；

写入过程是通过使用商用可调谐钛蓝宝石振荡器完成的，该振荡器通过自制显微镜中的高数值孔径透镜聚焦。纳米棒有一个阈值温度，在该温度下，它们会熔化并重整为更短的棒或球体。这种光热重塑发生的程度取决于输入波长及其相对于入射偏振的对齐。因此，可以从焦点体积中存在的大量杆中选择单个杆;只有那些具有适当长度和方向的杆才会被转换为球体，表示与这些参数相对应的枯竭的局部杆群：数据点。

3. 全息数据存储技术：全息存储是一种利用光的干涉和衍射原理，将数据以全息图的形式在介质中存储和再现的技术。全息存储不仅可以在两维平面上存储数据，还可以利用介质的深度，实现高密度存储。采用三维体存储模式，其理论存储密度为1/λ3。由于存储密度提升了一个维度，因此可以将现有的光存储密度提升几个数量级。一般光学体全息数据存储机理为：待存储的数据(数字或模拟)经空间光调制器(SLM)被调制到信号光上，形成一个二维信息页，然后与参考光在记录介质中干涉形成体全息图从而完成信息的记录读出时使用和原来相同的参考光寻址，可以读出相应地存储在晶体中的全息图。利用体全息图的布拉格选择性，改变参考光的入射角度或波长，就可在一个单位体积内复用多幅图像，实现多重存储，达到超高密度存储的目的。

4. 超快激光直写技术实现大容量、超长寿命的多维光学数据存储，特别是微纳米结构技术，以其快速、高精度的能量沉积等独特优势，在透明材料中得到了广泛的研究。与更长的激光脉冲(大于几皮秒)相比，飞秒激光脉冲可以在非热状态下在材料内部产生修改而不会造成附带损害，这表明飞秒激光是极具潜力的3D光学数据存储工具。

5. 多阶光存储技术：传统的光存储系统中，二元数据序列存储在记录介质中，记录符只有两种不同的物理状态，例如只读光盘中交替变化的坑岸形貌。如将数据流调制成M进制数据(M>2)，令调制后的数据与记录介质的M种不同物理状态相对应，即可实现M阶存储。如图所示的坑深调制多阶存储，就是通过改变信息符的深度来实现多值存储，数据流经调制转换成盘基多种不同坑深的变化，即可实现多阶坑深存储。[9]

6. 近场光学存储技术：传统光驱使用包含物镜的光学头进行写、读、擦操作，由于物镜距盘片记录层多为几个毫米，属于远场光存储方式，光无法聚焦成直径小于半波长的点，存储密度受到了限制。近场光学存储采用的是近场光，它是由记录介质与光源在小于半波长量级 的距离时获得的隐失光。隐失光为非传输光，当距离超过波长量级时迅速衰减到接近于零。近场光学存储的基本原理就是通过亚波长尺寸的光学头和亚波长尺寸的距离控制，实现亚波长尺寸的光点记录。只要将光学存储介质放在近场光学显微镜中，保持光学探针与存储介质的距离在近场范围内，则在存储介质中形成的记录点尺寸就可能在亚波长量级内，从而克服衍射极限，实现高密度存储。近场超越光学衍射极限光学存储，包括近场探针扫描显微(scanning probe microscopy，SPM)存储、近场固体浸没透镜(solid immersion lens，SIL)存储和超分辨近场结构 (super-resolution near-field structure ，super-RENS)存储

在对高效、可靠的存储解决方案的需求不断增长的数字时代，高密度光数据存储技术变得越来越重要。飞秒激光器以其超短脉冲持续时间为特征，已成为这些存储解决方案发展的关键参与者。它们在微观和纳米尺度上精确操纵材料的能力使它们成为高密度光学数据存储应用的理想选择。涉及全息存储、双光子吸收存储以及近场光学技术，利用飞秒脉冲激光在纳米尺度下创建修改区域，编码多级和多路复用信息，以显著扩展存储容量。高功率飞秒激光技术的发展为实现超高密度光存储提供了一种高可行性的方案。

镱镭飞秒的HELIOS系列高功率飞秒激光器，在提高数据存储密度和读写速度方面发挥了重要作用，由于其窄脉宽的特性，允许在不损伤周围材料的情况下，对存储介质进行极其精细的加工。这意味着可以在更小的空间内创建存储单元，无需担心因加工过程产生的热损伤而影响数据的完整性。使其能够在存储介质上制作极其细小的标记，这允许在相同空间内存储更多的数据。通过精确控制激光脉冲的能量和持续时间，可以实现复杂的数据编码模式，从而极大地提高存储密度和存储介质的长期稳定性和可靠性。HELIOS系列高功率飞秒激光器还可以用于开发新型存储介质，如通过在玻璃或其他透明材料中创建微纳结构来实现高密度存储，搭配镱镭开发的AURORA系列光参量放大器，通过调谐激发波长寻找可以对存储材料特异性激发的特殊波长，开发新型大容量光存储材料。也通过使用具有较高重复频率的飞秒激光器并对每个体素多于8个状态(3Bit)的荧光强度进行编码，可以进行更高速的记录飞秒激光诱导材料荧光基团来实现高速的数据读写。

另外在研究光磁相互作用的实验中，采用飞秒磁光成像技术研究磁化转换的超快动力学。用单个泵浦脉冲记录磁区，并用中心波长为800 nm的单个40fs非聚焦探测脉冲成像；激光诱导磁化过程。为了研究飞秒激光脉冲在YIG：Co薄膜中诱导的自旋振荡，我们还利用磁光泵浦探测方法进行了常规的时间分辨测量。泵浦脉冲的持续时间为50fs，以500kHz的重复频率打到样品处。

时间分辨磁化动力学和单次成像原理图。附图显示了单脉冲激光激发YIG:Co形成的磁畴的磁光可视化。[11]

2012 年，PennWell's Strategies Unlimited（加利福尼亚州）预测，在大约 76 亿美元的激光市场中，近 7.85 亿美元（占总市场的 10% 以上）用于光学数据存储激光器的销售。[13] 2021 年 11 月，美国国会通过了《国防授权法案》（NDAA），要求建立国家半导体技术中心 （NSTC）。美国国家半导体技术中心（National Semiconductor Technology Center）的卓越内存联盟建议。[14]因此对这些迅速增长的数据量进行存档的需求不断增长。另一方面，处理大量数据归档的数据中心更是特别需要降低存储成本(初始成本和运营成本)。光存储可以作为一种非常有前途的大容量存储解决方式，但为了真正满足未来这些数据中心的需求，增加光存储容量密度是必需的。松下、索尼等公司也早都开始了新型高密度大容量光存储技术的开发[15]

之后随着光存储的发展和用户意识的普及，2017 年下半年，光存储进入快速发展阶段，从 2018年到 2019 年将有一个很大的突破点[29]，如单个光盘存储容量将达到或超过 500 G，并不断降低存储成本。预计在 2022 年左右与光存储相关的单项技术和系统集成技术将达到稳定，并使得存储购买成本达到或低于 1 美分/GB。

未来光存储技术研究将主要围绕两个大的方向并行：新的存储方式工程化和研发性能更优良的存储介质材料。目前，最有望工程化的是双光束超分辨技术和玻璃存储技术。由于各种存储技术都以提高存储容量、密度、可靠性和数据传输率为主要发展目标。因此在未来 5 到 10 年内，光存储技术的发展趋势仍然是以超大容量、超高效率、超高吞吐率、低成本及广泛兼容性的云存储产品为主要目标，通过完善并依据相应的行业标准、国家标准和国际标准，各行各业普及高性能低成本大数据光存储。

可以合理地预测，在不久的将来，OSA将在大数据技术领域获得巨大的份额，全球市场规模将达到每年300亿美元。与蓬勃发展的芯片和激光技术一起，OSA作为数据流的中继站或信息归档的仓库，将能够推动一种全新的全光信息管理范式，走向大数据存储的可持续未来。[16]

近年来，随着各类光存储技术的持续进步，光学数据存储理论存储密度不断攀升。这使得光学数据存储技术具备了克服磁控存储技术等传统数据存储方式在高能耗和低寿命等方面缺点的优势，尤其在大数据存储领域展现出广阔的应用前景。当前，商用光存储系统主要以二维数据存储技术为主，研发重点集中在提升数据存储面密度。然而，关于开发和提升信息存储体密度的研究及商业化应用仍有巨大的发展空间。通过深入研发各类高密度光存储技术，有望在信息存储密度、读写速度及使用寿命稳定性等方面实现光学存储技术的巨大提升，进而实现单设备数据存储容量的几何级增长。