(57)【要約】  本発明は、ドーパントおよび酸素空格子点欠損を含む酸化アルミニウム結晶質材料、およびこのような結晶質材料の製造方法を提供する。本発明の結晶質材料は、光学データ記憶適用において特に有用である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ２Ｏ３を含む基礎材料；
Ｍｇを含む第１のドーパント；および
炭素を含む第２のドーパント
を含む結晶質材料であって、該結晶質材料が、多数の酸素空格子点欠損および／または集合酸素空格子点欠損を含む、結晶質材料。
【請求項２】
Ａｌ２Ｏ３を含む基礎材料およびＭｇを含むドーパントを含む結晶質材料であって、該結晶質材料が、多数の集合酸素空格子点欠損を含む、結晶質材料。
【請求項３】
前記結晶質材料が、４３５±５ｎｍの領域に吸収帯を有する少なくとも１つの色中心を含み、そして該吸収帯が、９±３ｎｓのルミネセンス寿命を有する５２０±１０ｎｍの領域での発光帯に関連する、請求項１または２に記載の結晶質材料。
【請求項４】
前記結晶質材料が、３３５±５ｎｍの領域での吸収帯を有する少なくとも１つの色中心を含み、そして該吸収帯が、８０±１０ｎｓのルミネセンス寿命を有する７５０±１０ｎｍの領域での発光帯に関連する、請求項１または２に記載の結晶質材料。
【請求項５】
Ａｌ２Ｏ３を含む基礎材料；
マグネシウムを含む第１のドーパント；
炭素を含む第２のドーパント；および
水素を含む第３のドーパント
を含む、結晶質材料であって、該結晶質材料が、４３５±５ｎｍの領域での吸収および９±３ｎｓのルミネセンス寿命を有する５２０±５ｎｍの領域に発光帯を有する少なくとも１つの第１の色中心、ならびに３３５±５ｎｍの領域に吸収および８０±１０ｎｓのルミネセンス寿命を有する７５０±１０ｎｍの領域に発光帯を有する少なくとも１つの第２の色中心を含む、結晶質材料。
【請求項６】
前記結晶質材料が、約６００℃から７００℃の非局在化温度を有する電荷の深いトラップを含む、請求項１から５のいずれかの項に記載の結晶質材料。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかの項に記載の結晶質材料の製造方法であって、
（ａ）マグネシウムを含む第１のドーパントでドープしたＡｌ２Ｏ３を含む基礎材料を含むドープした材料を提供する工程；および
（ｂ）該結晶質材料を形成するために、高い還元性雰囲気中で該ドープした材料を結晶化する工程であって、該結晶質材料が、多数の少なくとも１つのタイプの酸素空格子点欠損を含む、工程
を含む、方法。
【請求項８】
前記ドープした材料が、工程（ａ）および／または工程（ｂ）の間に炭素を含む第２のドーパントでドープされる、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学データ記憶への適用を意図するドープした酸化アルミニウム結晶質材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、以下の同時係属中の米国特許出願の優先日を主張する。第１の出願は、2001年12月4日に出願された「書き換え可能な光学データ記憶用の酸化アルミニウム材料および技法」という表題の米国仮出願第60/336,749号である。第２の出願は、2002年10月10日に出願された「共焦点１ビット蛍光光学データ記憶用の酸化アルミニウム材料および技法」という表題の米国仮出願第60/417,153号である。第３の出願は、2002年12月4日に出願された「光学データ記憶用の酸化アルミニウム材料」という表題の米国出願である。第４の出願は、2002年12月4日に出願された「光学データ記憶に用いられる酸化アルミニウム材料の形成方法」という表題の米国出願である。上記出願の開示および内容の全体が、本明細書で参考として援用される。
【０００３】
コンピュータデバイスのための磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなどのような従来の記憶媒体に取って代わるために、より高密度のデータ記憶媒体を設計するための種々の試みが行われている。改良された記憶媒体を開発することに関して直面する障害の多くは、不適切な材料特性に関連している。例えば、フォトポリマーは、１ビットまたはホログラフィーのデータ記憶における使用のために研究されている。しかし、フォトポリマーは、強い寸法収縮を示す。また、ほとんどの光感受性ポリマーは、ＷＲＯＭ媒体（１回書き込み、多数回読み取り）としてのみ使用され得、そして書き換え可能なフォトポリマーは、未だ不安定であり、そして書き込み−読み取りサイクルが多数回繰り返されると、著しい疲労を示す。１回書き込み蛍光フォトポリマーでさえも、繰り返して読み取る場合、蛍光出力シグナルの強い低下を示す。ほとんどのフォトポリマー、ならびに容積１ビット記録のための他の潜在的な材料である光屈折結晶についてのさらなる問題は、有効な２光子吸収を達成するためにフェムト秒の高ピーク出力のＴｉ−サファイアレーザーを使用する必要があることである。このタイプのレーザーは、大きく、高価であり、そして研究室のデモンストレーションにのみ適切である。
【０００４】
したがって、高密度データ記憶デバイスの製造のためのより良好な材料の必要性がある。
【発明の開示】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、周知の技法についての相変化転移または光誘導重合化に対して、基本的に非常に速い電子的プロセスに基づくデータ記憶方法に用いられ得る結晶質材料を提供することである。
【０００６】
本発明のさらなる目的は、１秒当たり１Ｇビットまでの書き込み／読み取り速度を達成し得るデータ記憶方法に用いられ得る結晶質材料を提供することである。
【０００７】
本発明のさらに他の目的は、書き込み／読み取り速度をさらに上昇させるための記憶媒体において多重マークの並行処理を行う能力を提供するデータ記憶方法に用いられ得る結晶質材料を提供することである。
【０００８】
本発明のさらに他の目的は、光学部品の回折限界およびＮＡによってのみ制限される高データ記憶密度を提供するデータ記憶方法に用いられ得る結晶質材料を提供することである。
【０００９】
本発明のさらに他の目的は、７十進内のルミネセンス応答の直線性による多重レベルデータ記憶の可能性を提供するデータ記憶方法に用いられ得る結晶質材料を提供することである。
【００１０】
本発明のさらに他の目的は、情報の書き込みおよび読み取りのための低レーザー光エネルギー（ｐＪおよびｎＪ範囲）のみを必要とするデータ記憶方法に用いられ得る結晶質材料を提供することである。
【００１１】
本発明のさらに他の目的は、（放射線量計測の適用においてテストした）著しく高温および時間安定性を有する記憶したデータを提供するデータ記憶方法に用いられ得る結晶質材料を提供することである。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は、無数の書き込み／読み取りサイクルの後に材料性能の低下がないデータ記憶方法に用いられ得る結晶質材料を提供することである。
【００１３】
本発明の第１の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含む基礎材料；マグネシウムを含む第１のドーパント；および炭素を含む第２のドーパント；を含む結晶質材料が提供され、この結晶質材料は、多数の少なくとも１つのタイプの酸素空格子点欠損を含む。
【００１４】
本発明の第２の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含む結晶質材料が提供され、この結晶質材料は、多数の酸素空格子点欠損を含む。
【００１５】
本発明の第３の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含む結晶質材料が提供され、この結晶質材料は、４３５±５ｎｍの領域に吸収、５２０±５ｎｍの領域に発光、および９±３ｎｓの蛍光寿命を有する少なくとも１つの色中心を含む。
【００１６】
本発明の第４の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含む結晶質材料が提供され、この結晶質材料は、３３５±５ｎｍの領域に吸収、７５０±５ｎｍの領域に発光、および８０±１０ｎｓの蛍光寿命を有する少なくとも１つの色中心を含む。
【００１７】
本発明の第５の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含む基礎材料；マグネシウムを含む第１のドーパント；および炭素を含む第２のドーパント；を含む結晶質材料が提供され、この結晶質材料は、４３５±５ｎｍの領域に吸収、５２０±５ｎｍの領域に発光、および９±３ｎｓの蛍光寿命を有する少なくとも１つの色中心を含む。
【００１８】
本発明の第６の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含む基礎材料；マグネシウムを含む第１のドーパント；および炭素を含む第２のドーパント；を含む結晶質材料が提供され、この結晶質材料は、３３５±５ｎｍの領域に吸収、７５０±５ｎｍの領域に発光、および８０±１０ｎｓの寿命を有する少なくとも１つの色中心を含む。
【００１９】
本発明の第７の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含む基礎材料；マグネシウムを含む第１のドーパント；および炭素を含む第２のドーパント；を含む結晶質材料が提供され、この結晶質材料は、４３５±５ｎｍの領域に吸収、５２０±５ｎｍの領域に発光、および９±３ｎｓの蛍光寿命を有する少なくとも１つの色中心、ならびに３３５±５ｎｍの領域に吸収、７５０±５ｎｍの領域に発光、および８０±１０ｎｓの寿命を有する少なくとも１つの色中心を含む。
【００２０】
本発明の第８の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含む基礎材料；マグネシウムを含む第１のドーパント；炭素を含む第２のドーパント；および水素を含む第３のドーパント；を含む結晶質材料が提供され、この結晶質材料は、４３５±５ｎｍの領域に吸収、５２０±５ｎｍの領域に発光、および９±３ｎｓの蛍光寿命を有する少なくとも１つの色中心、ならびに３３５±５ｎｍの領域に吸収、７５０±５ｎｍの領域に発光、および８０±１０ｎｓの寿命を有する少なくとも１つの色中心を含む。
【００２１】
本発明の第９の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含む基礎材料およびＭｇを含むドーパントを含む結晶質材料が提供され、この結晶質材料は、多数の集合酸素空格子点欠損を含む。
【００２２】
本発明の第１０の広い局面によれば、結晶質材料の製造方法が提供され、この方法は、（ａ）Ａｌ２Ｏ３を含む基礎材料をマグネシウムを含む第１のドーパントでドープしてドープした材料を形成する工程；および（ｂ）結晶質材料を形成するために、高い還元性雰囲気中で該ドープした材料を結晶化する工程を含み、ここで、該結晶質材料は、多数の少なくとも１つのタイプの酸素空格子点欠損を含む。
【００２３】
本発明の他の目的および特徴は、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかである。
【００２４】
本発明は、添付の図面とともに説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明を説明する前に、いくつかの用語を定義することが好都合である。以下の定義が本出願全体を通して使用されることが理解されるべきである。
【００２６】
［定義］
用語の定義が、通常使用される用語の意味から逸脱する場合、出願人は、特に指示しない限り、以下に提供される定義を利用することを意図する。
【００２７】
本発明について、結晶化の前に混合物の一部である化合物をいう場合、用語「百万分率（ｐｐｍ）」とは、混合物の全体としての質量に対する化合物の質量の比をいう。本発明について、結晶化の前に混合物中に存在する元素をいう場合、用語「百万分率（ｐｐｍ）」とは、混合物の全体としての質量に対する元素を含む化合物または分子の質量の比をいう。例えば、Ｍｇが結晶化前の混合物中に５００ｐｐｍの濃度で存在しそしてＭｇがＭｇＯとして混合物中に存在するならば、ＭｇＯは、混合物の総質量の５００ｐｐｍの濃度で存在する。本発明について、結晶に存在する元素をいう場合、用語「百万分率（ｐｐｍ）」とは、結晶の全体としての質量に対する元素の質量比をいう。例えば、Ｍｇが結晶中に２７ｐｐｍで存在するならば、これは、元素Ｍｇが結晶の総質量の２７ｐｐｍの濃度で結晶中に存在することを示す。
【００２８】
本発明について、用語「〜の領域における吸収帯」または「〜の領域における発光帯」とは、適切な領域においてピークを有する吸収または発光帯をいう。時々この領域は、特定の波長であり得、そして時々この領域は、帯ピーク位置で潜在的なシフトを示す波長の範囲を含み得る。
【００２９】
本発明について、用語「結晶質材料」とは、従来の用語「結晶質材料」の意味、すなわち、構造中に規則的または周期的な原子の配置を有する任意の材料をいう。
【００３０】
本発明について、用語「欠損」とは、結晶の格子に関して従来の用語「欠損」の意味、すなわち、結晶の格子における空格子、格子間原子、不純物原子、または任意の他の不完全性をいう。
【００３１】
本発明について、用語「酸素空格子点欠損」とは、結晶質材料の格子における酸素空格子によって生じる欠損をいう。酸素空格子点欠損は、単一の酸素空格子点欠損、２重の酸素空格子点欠損、３重の酸素空格子点欠損、または３重より多い酸素空格子点欠損であり得る。酸素空格子点欠損は、１以上の不純物原子に関連し得るか、または誤入格子間酸素原子のような格子間原子の内在性の欠損に関連し得る。２電子による酸素空格子点の占領によって、中性のＦ−中心を生じるが、１電子による任意の酸素空格子点の占領によって、Ｆ＋−中心を形成する。Ｆ＋−中心は、格子に対して正の電荷を有する。２重酸素空格子点によって形成される酸素空格子点欠損のクラスターは、Ｆ２タイプ中心という。２つのＦ＋−中心によって形成されそして２つのＭｇ不純物原子によって電荷補償される酸素空格子点欠損のクラスターは、Ｆ２２＋（２Ｍｇ）−中心という。
【００３２】
本発明について、用語「Ｆタイプ中心」とは、以下の中心のいずれか１つをいう：Ｆ−中心、Ｆ＋−中心、Ｆ２＋−中心、Ｆ２＋＋−中心、Ｆ２＋（２Ｍｇ）−中心、Ｆ２＋＋（２Ｍｇ）−中心など。
【００３３】
本発明について、用語「色中心」とは、従来の用語「色中心」の意味、すなわち、結晶の光吸収を生じそして光励起時に光子のルミネセンスを生成する結晶格子における点欠損をいう。結晶質材料における色中心、不純物、または内在性の欠損は、不安定種を生じる。この不安定な種または欠損に局在する電子は、光子の光を吸収することによって励起された状態への量子遷移を行い、そして光子のルミネセンスを発光することによって基底状態にもどる量子遷移を行う。本発明の好適な実施態様では、色中心は、約１０１３ｃｍ−３から１０１９ｃｍ−３の濃度で存在する。
【００３４】
本発明について、用語「ルミネセンス寿命」または「蛍光寿命」とは、ルミネセンスまたは蛍光の指数関数的減衰の時定数をいう。
【００３５】
本発明について、用語「広発光帯」とは、０．１ｅＶより大きい半値全幅を有しそして強い電子−フォノン相互作用の結果である発光帯をいう。広発光帯の１例は、約３３０ｎｍの広発光帯である。
【００３６】
本発明について、用語「電荷補償した」とは、結晶格子における欠損がもう１つの欠損の電荷を静電気学的に補償することをいう。例えば、本発明の好適な実施態様では、ＭｇおよびＣ不純物が、Ｆ２２＋（２Ｍｇ）−中心を含む、１酸素空格子点欠損、２酸素空格子点欠損、これらの欠損のクラスターなどを電荷補償するために使用され得る。
【００３７】
本発明について、用語「室内灯に実質的に不感受性」とは、結晶質材料が周囲光条件下でのトラップにおける着色または電子の濃度（不安定種の濃度）を著しく変化しないことをいう。
【００３８】
本発明について、用語「長期データ記憶のために用いられ得る」とは、結晶質材料が、周囲温度でトラップにおける着色または電子の濃度（不安定種の濃度）を著しく変化しないことをいう。
【００３９】
本発明について、用語「光イオン化断面積」とは、色中心の光イオン化を行うために単位面積当たりどれくらいの光エネルギーを必要とするかを決定するｃｍ２／Ｊの次元を有するパラメータをいう。光イオン化断面積が大きいほど、イオン化（ビットの記録）を行うために必要とされる単位面積当たりのエネルギーが少ないことを意味する。
【００４０】
本発明について、用語「蛍光収量」とは、この蛍光材料によって吸収される光子の数に対するルミネセンス材料によって発光される光子の数の比として決定されるパラメータをいう。
【００４１】
本発明について、用語「高い還元性雰囲気」とは、低酸素分圧の雰囲気をいう。
【００４２】
本発明について、用語「低酸素分圧」とは、１０−３ａｔｍより低い気体の混合物中の酸素分圧をいう。
【００４３】
本発明について、用語「電子トラップ」とは、局在化した電子状態を生じることができそして結晶質材料の伝導帯からの遊離の電子を捕獲し得る、結晶格子における構造欠損をいう。
【００４４】
本発明について、用語「正孔トラップ」とは、局在化した電子状態を生じることができそして結晶質材料の伝導帯からの遊離の正孔を捕獲し得る、結晶格子における構造欠損をいう。
【００４５】
本発明について、用語「深いトラップ」とは、ｋＴより大きい熱活性化エネルギーを有する電子または正孔トラップをいい、ここでＴは結晶の絶対温度でありそしてｋはボルツマン定数である。
【００４６】
本発明について、用語「有効な深いトラップ」とは、電子または正孔をトラップし得、そして十分な捕獲断面積を有する深いトラップをいう。
【００４７】
本発明について、用語「多重レベル光学データ記憶」または「多値光学データ記憶」とは、データ記憶システムが多くの量子化データまたは２より多くのシグナルレベルを有する媒体において同じ物理的位置からのデータの記録および読み取りを行う能力をいう。
【００４８】
本発明について、用語「チョクラルスキー法」とは、以下に記載されるような周知のチョクラルスキー結晶成長技法をいう：Crystal Growth in Science and Technology, H. ArendtおよびJ. Hulliger編, New York: Plenum Press, 1989；Y.A. Tatarchenko, Shaped Crystal Growth, Dordrecht/Boston/London: Kluwer Academic Publishers, 1993；これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。チョクラルスキー法は、溶融物プール中に単結晶の種を浸漬し、次いで同時回転しながら溶融物から種を引き出すことによる、単結晶体の形成を包含する。
【００４９】
本発明について、用語「ステパノフ法」とは、以下に記載されるような周知のステパノフ法をいう：Crystal Growth in Science and Technology, H. ArendtおよびJ. Hulliger編, New York: Plenum Press, 1989；Y.A. Tatarchenko, Shaped Crystal Growth, Dordrecht/Boston/London: Kluwer Academic Publishers, 1993；A.V. Stepanov, 1959, Zh. Tech. Fiz 29, 339 (Transl. Soviet Phys.-JETP)；およびKravetskyらの米国特許第4,915,773号；これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。ステパノフ法は、溶融物を成形単位のキャピラリーチャネルを通して引き、そして成形単位の表面上で固化して単結晶繊維、ロッド、チューブ、またはリボンを形成することを包含する。
【００５０】
本発明について、用語「ＥＦＧ法」または「エッジ規定フィルム供給成長法」とは、以下に記載されるような周知のＥＦＧ方法をいう：Crystal Growth in Science and Technology, H. ArendtおよびJ. Hulliger編, New York: Plenum Press, 1989；Y.A. Tatarchenko, Shaped Crystal Growth, Dordrecht/Boston/London: Kluwer Academic Publishers, 1993；B. Chalmers, H.E. LaBelle, およびA.J. Mlavsky, 1972, J. Crystal Growth 13/14, 84；LaBelleの米国特許第3,591,348号およびLaBelleの米国特許第3,915,662号；これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。ＥＦＧ法は、ステパノフ法の変形であり、これは、毛管力の作用下で形成される溶融物の薄膜から成形された構造（例えば、チューブ、プレート）を成長させるために用いられ得る。
【００５１】
本発明について、用語「指向性凍結」とは、以下に記載されるような周知の指向性凍結技法をいう：Crystal Growth in Science and Technology, H. ArendtおよびJ. Hulliger編, New York: Plenum Press, 1989；Y.A. Tatarchenko, Shaped Crystal Growth, Dordrecht/Boston/London: Kluwer Academic Publishers, 1993；これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。
【００５２】
［説明］
大量データ記憶のための高容量および高転送速度のコンピュータデバイスの必要性は、２以上の安定な配置で存在し得る新しいタイプの媒体の検討を促進している。１つの配置からもう一方へ記憶媒体を転送することによって、情報のビットを書き込みそして消去し得るが、媒体の配置を分析することによってビットの読み取りが認識される。データ記憶およびデータ処理についての多くの材料および技法が示唆されているが、これらの２〜３の技法のみで実際の適用が見られている。多くの必要性のため、好ましくはこれらのすべての必要性を満たす光学データ記憶デバイス用の媒体を開発することは非常に困難である。以下の文献（これらの内容および開示は、本明細書に参考として援用される）は、試みられているいくつかの技法を記載している：International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage 2002, Technical Digest Publication of IEEE, Catalog #02EX552 (2002年7月)；Optical Data Storage 2001, Proceedings of SPIE, 4342巻 (2001)；Optical Data Storage 2000, Proceedings of SPIE, 4090巻 (2000)；International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage 1999, SPIE, 3864巻 (1999)；Advanced Optical Data Storage: Materials, Systems, and Interfaces to Computers, Proceedings of SPIE, 3802巻 (1999)；およびK. Schwartz, The physics of optical recording, Springer-Verlag, Germany (1993)；これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。
【００５３】
好ましくはデータ記憶デバイスが満たす最も重要な必要性のいくつかは、以下のものである：データを繰り返して書き込み、読み取り、そして消去する能力（＞１０６サイクル）；単位容量または面積当たりの高密度のビット（＞１０１１ｃｍ−３）；高データ転送速度（＞１０７ビット／秒）；最小アクセス時間（＜１０−２秒）；記憶媒体の長寿命および記憶媒体に記憶される情報の非揮発性；媒体特性の環境安定性；記憶されるデータの安全性；およびデータエラー修正を行う能力。
【００５４】
所望の特性を達成するために従来の磁気誘導方法と競合するまたはこれにとって代わることが可能であり得る記憶デバイスを提供するためのいくつかの方法が試みられている。これらの方法のうち、以下のものを使用することが試みられている：磁気光学および電気光学効果（ポッケルス効果、カー効果、ファラデー効果、光屈折効果など）、染料ポリマーおよび無機結晶におけるフォトクロミック効果、およびレーザービームで加熱されているスポットでの記憶媒体における相転移。これらの方法のいくつかは、うまく認識されており、そしてＣＤ−ＲＷおよびＤＶＤ−ＲＷならびに磁気光学ＷＲＥＭディスクおよびドライブの形態の相変化媒体は、既に市場に出ており、近視野固体界浸レンズ記録、および原子間力顕微鏡のような他のものはめったに議論されない。Alternative Storage Technologies Symposium 2001, Monterey California, 2001年6月26日を参照のこと；この全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。
【００５５】
２Ｄ（薄膜）媒体を使用する上記の従来の技法のほとんどは、最小の達成可能な集束レーザー光スポットによって、または磁壁（超常磁性的効果）の熱不安定性による磁気記録の場合に生じる、記憶密度の基本的な限界に近づいている。これらの限界を克服するための最も有望な方法は、容積（３Ｄ空間）記録を使用することであり得る。３Ｄタイプのデータ記憶の中で、研究されているデータ記憶のタイプのほとんどは、ディジタルホログラフィー（Holographic data storage (H.J. Coufal, D. Psaltis, G. Sincerbox編), Springer 2000, 488頁を参照のこと）、および容積多層１ビット記録（Confocal and Tow Photon Microscopy, Foundations, Applications, and Advances (Alberto Diaspro編) Wiley-Liss, 2002, 567頁を参照のこと）の領域である。上記文献の全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。
【００５６】
フォトポリマー、フォトクロミック材料、および光屈折結晶などのいくつかの種類の材料が、共焦点検出機構で可能性のある記録媒体として提案されており、このとき、媒体の容積中の１ビットは、高ピーク出力の短パルスレーザービームの２光子吸収（２ＰＡ）を用いる局所屈折率変化として書き込まれ得、そして記録されたデータは、読み取りレーザー光の反射の変化を測定することによって読み取られる。Stricklerらの米国特許第5,289,407号；James H. Strickler, Watt W. Webb, Three-dimensional optical data storage in refractive media by two-photon point excitation, Optics Letters, 16巻, Issue 22, 1780, 1991年11月；Y. Kawata, H. Ishitobi, S. Kawata, Use of two-photon absorption in a photorefractive crystal for three-dimensional optical memory, Optics Letters, 23巻, Issue 10, 756-758, 1998年5月；A. Toriumi, J.M. Herrmann, S. Kawata, Nondestructive readout of a three-dimensional photochromic optical memory with a near-infrared differential phase-contrast microscope, Optics Letters, 22巻, Issue 8, 555-557, 1997年4月；M. Ishikawa, Y. Kawata, C. Egami, O. Sugihara, N. Okamoto, M. Tsuchimori, O. Watanabe, Reflection-type confocal readout for multilayered optical memory, Optics Letters, 23巻, Issue 22, 1781-1783, 1998年11月；A. Toriumi, S. Kawata, M. Gu, Reflection confocal microscope readout system for three-dimensional photochromic optical data storage, Optics Letters, 23巻, Issue 24, 1924-1926, 1998年12月；Min Gu, Daniel Day, Use of continuous-wave illumination for two-photon three-dimensional optical bit data storage in a photo-bleaching polymer, Optics Letters, 24巻, Issue 5, 288-290, 1999年3月；Yoshimasa Kawata, Takuo Tanaka, Satoshi Kawata. Randomly accessible, multilayered optical memory with a Bi12SiO20 crystal, Applied Optics-IP, 35巻, Issue 26, 5308-5311, 1996年9月；Daniel Day, Min Gu, Andrew Smallridge, Use of two-photon excitation for erasable rewritable three-dimensional bit optical data storage in a photo-refractive polymer, Optics Letters, 24巻, Issue 14, 948-950, 1999年7月；Y. Shen, J. Swiatkiewicz, D.l Jakubczyk, F. Xu, P.N. Prasad, R.A. Vaia, B.A Reinhardt, High-Density Optical Data Storage With One-Photon and Two-Photon Near-Field Fluorescence Microscopy, Applied Optics, 40巻, 6号, 938-940, 2001年2月；T. Wilson, Y. Kawata, S. Kawata, Readout of Three-Dimensional Optical Memories, Optics Letters, 21巻, 13号, 1003-1005, 1996年7月；H. Ueki, Y. Kawata, S. Kawata, Three-Dimensional Optical Bit-Memory Recording and Reading With a Photorefractive Crystal: Analysis and Experiment, Applied Optics, 35巻, 14号, 2457-2465, 1996年5月；Min Gu, Confocal Readout of Three-Dimensional Data Bits Recorded by the Photorefractive Effect Under Single-Photon and Two-Photon Excitation, Proceedings of the IEEE, 87巻, 12号, 2021-2029, 1999年12月を参照のこと；これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。
【００５７】
１ビットマイクロホログラムは、ビット反射性ならびに信号対雑音および搬送波対雑音比（それぞれＳＮＲおよびＣＮＲ）を増加させる方法として示唆された。Cumpstonらの米国特許第6,322,931号；Daiberらの米国特許第6,322,933号；H.J. Eichler, P. Kuemmel, S. Orlic, A. Wappelt, High-Density Disk Storage by Multiplexed Microholograms, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Eletronics, 4巻, 5号, 840-848, 1998年9月/10月；Y. Kawata, M. Nakano, Suk-Chun Lee, Three-Dimensional Optical Data Storage Using Three-Dimensional Optics, Optical Engineering, 40巻, 10号, 2247-2254, 2001年10月を参照のこと；これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。
【００５８】
３Ｄの１ビット光学データ記憶のためのいくつかのタイプのフォトクロミック材料が提案されている：ポリマーマトリクス中で分散した有機蛍光染料は、照射の結果として化学的または構造的コンホメーション、分散、および重合化を受ける。蛍光フォトポリマーにおける２光子吸収および共焦点検出機構も用いられている：Rentzepisらの米国特許第5,325,324号；D.A. ParthenopoulosおよびP.M. Rentzepis, Three-Dimensional Optical Storage Memory, Science, 245巻, 843-845頁、1989；Daniel Day, Min Gu, Effects of Refractive-Index Mismatch on Three-Dimensional Optical Data-Storage Density in a Two-Photon Bleaching Polymer, Applied Optics-IP, 37巻, Issue 26, 6299-6304, 1998年9月；Mark M. Wang, Sadik C. Esener, Three-Dimensional Optical Data Storage in a Fluorescent Dye-Doped Photopolymer, Applied Optics, 39巻, 11号, 1826-1834, 2000年4月；E.P. Walker, X. Zheng, F.B. McCormick, H. Zhang, N.-H. Kim, J. Costa, A.S. Dvornikov, Servo Error Signal Generation for 2-Photon Recorded Monolithic Multilayer Optical Data Storage, Optical Data Storage 2000, Proceedings of SPIE 4090巻, 179-184頁, 2000；H. Zhang, A.S. Dvornikov, E.P. Walker, N.-H. Kim, F.B. McCormick, Single Beam Two-Photon-Recorded Monolithic Multi-layer Optical Disks, Optical Data Storage 2000, Proceedings of SPIE 4090巻, 174-178頁, 2000；Y. Zhang, T.D. Milster, J. Butz, W. Bletcher, K.J. Erwin, E. Walker, Signal, Cross Talk and Signal to Noise Ratio in Bit-Wise Volumetric Optical Data Storage, Technical Digest of Joint International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage, IEEE Catalog, 02EX552号, 246-248頁, 2002；E.P. Walker, W. Feng, Y. Zhang, H. Zhang, F.B. McCormick, S. Esener, 3-D Parallel Readout in a 3-D Multilayer Optical Data Storage System, Technical Digest of Joint International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage, IEEE Catalog, 02EX552号, 147-149頁, 2002；およびIngolf Sander (Constalation 3D, Inc.) Fluorescent multilayer technology, Alternative Storage Technologies Symposium 2001, Monterey California, 2001年6月26日を参照のこと；これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。
【００５９】
データ記憶媒体としてのルミネセンス材料は、多重レベル（または多値）光学データ記憶を認識する能力のため、特に魅力的である。ルミネセンス応答は、「書き込み」および「読み取り」中に媒体に置かれたエネルギーの産物に比例する。１ビットの情報に対応する容積で電子転移を受ける欠損の濃度が十分に大きいならば、光感受性媒体の元素は「グレースケール」態様で用いられ得、そして光学データ記憶システムは多重レベル（または多値）データ記憶システムとして用いられ得る。可能性のある記憶容量は、確実に達成されるデータレベルの数に比例して増加する。ルミネセンス応答の全体の直線性は、数桁の大きさにわたって広がり得る。媒体の種々の論理的な状態は、種々の強度のルミネセンスシグナルによって示されそして閾値電子回路を用いてディジタル化され得る。実際に、１０レベルの蛍光強度は、レーザー「書き込み」ビームのエネルギーまたは時間を変化させることによって達成され得る。データ記憶の密度の増加は、本発明のルミネセンス技法の主な可能性のある有利点の１つである。
【００６０】
データ記憶媒体への書き込みまたはそこからの読み取りに対する同様のアプローチは、放射線量計測で用いられる銀ドープした光ルミネセンスガラスで行われている。B. Lommler, E. Pitt, A. Scharmann, Optical creation of radiophotoluminescence centers in dosimeter glass by two photon absorption, Radiat. Prot. Dosim. 65巻, 1-4号, 101-104頁 (1996)を参照のこと；この全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。２光子ＵＶ励起（「書き込み」）は、情報の測定可能な消去を伴わず、より低い出力で、同じレーザーで繰り返して「読み取られ」得る光ルミネセンスシグナルを生じた。媒体を加熱することのないこの場合においてどのようにデータを「消去」するかは、明らかではない。複雑化もまた、ルミネセンスシグナルの「構築」に導く拡散およびルミネセンス中心転換の長期プロセスによって引き起こされ得る。
【００６１】
２光子吸収の確率は、レーザー光強度の２乗に比例する。２光子吸収は、材料の周囲容量に影響を与えることなく堅く集束したレーザービーム付近でのみ光感受性媒体の光イオン化または光転換を行うことを可能にする。２ＰＡを用いて書き込んだ１つの３次元ビットまたはボクセルのサイズは、１×１×３μｍもの小ささで作成され得る。記録されたビットを読み取るために、非常に低い強度および共焦点検出機構を有するＣＷレーザービームの１光子誘導した蛍光または反射を用いた。共焦点検出は、隣接するビットとトラック間のクロストークを著しく減少させ、そして所望の信号対雑音比（ＳＮＲ）を達成することを可能にする。１０Ｔビット／インチ３までの非常に高い記憶密度が予測される。
【００６２】
上記の種々の記憶媒体の問題のほとんどは、不適切な材料特性に関連している。１ビットまたはホログラフィックデータ記憶について示唆されたフォトポリマーのほとんどは、光感受性を示すが、強い寸法収縮を示す。光感受性ポリマーのほとんどは、ＷＲＯＭ媒体（１回書き込み、多数回読み取り）としてのみ使用され得るが、書き換え可能なフォトポリマーは、未だ不安定であり、そして書き込み−読み取りサイクルが多数回繰り返されると、著しい疲労を示す。１回書き込み蛍光フォトポリマーでさえも、繰り返して読み取る場合、蛍光出力シグナルの強い低下を示す。Ｔｉ−サファイアレーザーは大きく、高価であり、そして研究室のデモンストレーションにのみ適切であるので、容積１ビット記録についてテストしたほとんどの示唆されたフォトポリマーおよび光屈折結晶についてのさらなる障害は、有効な２光子吸収を達成するためにフェムト秒の高ピーク出力のＴｉ−サファイアレーザーを使用する必要があることである。
【００６３】
したがって、本発明の目的は、１ビット光学記録および読み取りに使用され得る有効かつ安定な無機フォトクロミック蛍光材料を提供することである。
【００６４】
書き込み中にレーザー光でのイオン化によって発生する電子を捕獲することに寄与するトラップの低い熱エネルギー深さにより、周囲温度でのトラップからの電子の熱刺激された放出および記憶されたデータのフェージングが引き起こされる。一般的に、これは、特に、アナログルミネセンスシグナルの正確なディジタル化を必要とする多値記憶に関しては、受け入れならない。さらに、いくつかのルミネセンス材料の化学的不安定性ならびに空気と接触した場合の酸化および湿度に対する感受性は、保護層の使用を必要とする。いくつかの有機蛍光材料では、光化学転換および重合の結果、材料収縮が起こるため、寸法安定性は、重要な問題である。
【００６５】
１０−１２〜１０−９の程度の緩和時間での光励起によって生じる固体の電子遷移は、基本的に非常に速く、そして大量の光学データ記憶についての最も有望な量子系の中にあると考えられる。レーザー刺激のパルス後のルミネセンス減衰時間は、情報の各ビットの取り出しに必要とされる時間および最大の達成可能なデータ転送速度を決定する。
【００６６】
より安定なかつ確実なデータ記憶および光学処理を達成するために、深いトラップおよびルミネセンス中心を有する化学的、機械的、および熱的に安定なルミネセンス材料を使用すべきである。このような深い中心を生成するために、広いギャップ誘電体を用いる必要がある。さらに、これらの「熱的に」および「光学的に」深いトラップは、励起（「書き込み」）、刺激（「読み取り」）、および回復（「消去」）のために、より短波長のレーザー光を必要とする。光学記録のためには、最小の光スポット直径は、ｄ＝０．５λ／ＮＡであり、ここで、ＮＡは光ヘッドの開口数である。したがって、青色およびＵＶレーザーは、より高い記憶密度を達成するためにＩＲレーザーに対して明らかに有利である。ＧａＡｌＮのような広ギャップ半導体のヘテロ構造に基づく青色およびＵＶ固体レーザーの最近の開発により、広いエネルギーギャップを有する材料の使用に現実の可能性が生じる。
【００６７】
電子捕獲材料および光学励起ルミネセンス（ＯＳＬ）の技法は、大量の光学データ記憶および光計算のための最も有望な量子系の中にあると考えられ、簡単なアルゴリズムで複雑な問題を解決し得る人工ニューラルネットワークの並行画像処理および実現のために使用される。
【００６８】
光学データ記憶および光学処理に用いられるべきＯＳＬ材料は、正確な所望の特徴を有する高濃度の電子または正孔トラップおよび再結合中心を含むべきである。光感受性媒体の最初の配置は、「接地」または論理的な「０」値にあると見なされる。結晶をイオン化するため（狭ギャップ半導体における帯間遷移）に十分に高いかあるいは不純物中心または本来の欠損のみをイオン化できる、適切な光子エネルギーｈν１のレーザー光（「書き込み」ビーム）での照射により、予め存在する電子欠損でトラップされる遊離の電荷担体（電子または正孔）を生成し得る。トラップが十分に深く、熱放出されることなく周囲温度で長時間にわたり電荷担体を記憶するならば、「励起」または「荷電」した準安定配置（この状態は、論理的な「１」値に割り当てられ得、ここで、空トラップは論理的な「０」値に対応する）にある量子系を有する。好ましくは、データを「読み取る」ために、他の光子エネルギーｈν２の刺激光が適用される。データを「読み取る」ためにいくつかの選択肢があり、そしてこれらの選択肢は、ルミネセンス材料のタイプに依存する。
【００６９】
エネルギーｈν２の光子は、充満したトラップの光学的深さに対応する。その結果、トラップのイオン化および「書き込み」状態のプロセス中にイオン化された現存するルミネセンス中心の１つで再結合し得る遊離の電荷担体が生成する。エネルギーｈν３のルミネセンス光子は検出され得、これは、量子系の「フリップフロップ」を示す。光子エネルギーｈν３は、ほとんどの場合、特定のタイプのルミネセンス中心に特異的であり、そして中心内放射遷移に対応する。この遷移の放射減衰時間は、データの速い読み取りに非常に重要である。
【００７０】
ルミネセンス材料における再結合中心が放射的に有効でないならば、再結合中心と空間的に関連する追加のルミネセンス中心（いわゆる「共活性物質」）が誘導され得、そして共鳴エネルギー移動、次いで「共活性物質」における放射遷移が起こる。遷移金属および希土類金属のイオンは、しばしば、ルミネセンス材料に対するドーパントとして用いられる。
【００７１】
エネルギーｈν２の光子は、トラップされた電子の励起状態への光学遷移に対応し、これから、最も近いルミネセンス中心の励起状態へのトンネリングが生じ、次いで再度エネルギーｈν３の光子の励起での放射遷移が生じ得る。これまでの場合のように、トラップおよびルミネセンス中心は、空間的に関連すべきであり、遊離の電荷担体はレーザー刺激中に生じない。
【００７２】
一般的に、刺激光のパルス下でのルミネセンスの立上がり時間および刺激が終わった後のルミネセンス減衰時間は、各ビットの情報の取り出しに必要とされる時間を決定する。刺激光の適用後のトラップ中の電子の濃度が十分に大きいままであるならば、光感受性媒体の元素は、未だ「励起した」非消去の状態と見なされ得る。元素容積からの情報を完全に「消去」するために、より高いエネルギーまたはより長期間の光の刺激が必要である。１ビットの情報に対応する媒体の容積を最小にすることによって、および光検出システムを最適化することによって、非常に高密度のデータ記憶および高いデータ転送速度を達成し得る。
【００７３】
Ｃｅ、Ｓｍ、Ｅｕ、およびＬａのような希土類元素でドープしたＣａＳおよびＳｒＳのようなＩＩ〜ＩＶ化合物の使用が記載されている。これらの材料は、狭いエネルギーギャップ（約４．５ｅＶ）および１〜１．２ｅＶ（λ＝１μｍ）の光学深さの狭いトラップを有する。トラップを充満させるために、波長４５０〜５００ｎｍの青色「書き込み」光を用いる。データを「読み取る」ために、最大約１μｍの広帯域の光学刺激を用いる。最良のＯＳＬ材料の１つであるＣａＳ：Ｓｍ，Ｃｅのルミネセンスの励起帯は、６３０ｎｍで最大を有し、そして励起または刺激帯と重複しない。スルフィドベースの蛍光体は、約２００Ｍビット／秒のデータ転送速度を達成させるルミネセンスの速い減衰時間（５〜５０ｎｓ）を有する。P. Goldsmith, J. Lindmayer, およびC Wrigley. Electron trapping. A new approach to rewritable optical data storage, Optical Data Storage Meeting proceedings, SPIE 1316巻, 312-320 (1990)を参照のこと；この全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。これは、データを「書き込む」（０．１ｍＷ）、「読み取る」（０．２ｍＷ）、および「消去する」（２ｍＷ）ための低いレーザー出力で達成される。ルミネセンス中心のイオン化（「書き込み」）は、可視波長（４５０〜５２０ｎｍ）で生成され得る。ルミネセンスの刺激（「読み取り」）は、ＩＲレーザーダイオード（λ＝８３０〜１０００ｎｍ）で生成され得る。ルミネセンス励起帯は、Ｓｉ光検出器およびＣＣＤカメラの感度領域とよく一致する。最後に、セラミックおよび粉体層蛍光体と比較してルミネセンス出力の相当な損失なしに透明な基材上にルミネセンス材料の結晶性薄膜（１〜５μｍ）を生成する可能性が証明されている。
【００７４】
ハロゲン化アルカリＫＣｌ：Ｅｕ、ＢａＦＢｒ：Ｅｕ、ＫＢｒ：Ｉｎ、およびＬｉＦのような他の電子トラッピング材料が、ＯＳＬを利用する光学メモリおよび光計算について示唆されている。種々のルミネセンス材料ならびに放射線量計測、考古学的、および地質学的年代測定におけるこれらの適用が長い間にわたり知られているが（Zhang, A.S. Dvornikov, E.P. Walker, N.H. Kim, F.B. McCormick, Single Beam Two-Photon-Recorded Monolithic Multi-Layer Optical Disks, Optical Data Storage 2000, Proceedings of SPIE, 4090巻, 174-178頁, 2000を参照のこと）、本発明の前には、このような材料の特性は、光学データ記憶の適用には適合しなかった。
【００７５】
光学データ記憶への他のアプローチは、放射線量計測に使用される銀でドープした光ルミネセンスガラスで証明された。Zhang, T.D. Milster, J. Butz, W. Bletcher, K.J. Erwin, E. Walker, Signal, Cross Talk and Signal to Noise Ratio in Bit-Wise Volumetric Optical Data Storage, Technical Digest of Joint International Symposium on Optical Memory and Optical Data Storage, IEEE Catalog, 02EX552号, 246-248頁, 2002を参照のこと；この全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。２光子ＵＶ励起（「書き込み」）は、情報の測定可能な消去を伴わず、より低い出力で、同じレーザーで繰り返して「読み取られ」得る光ルミネセンスシグナルを生じる。この場合において媒体を加熱することなくどのようにデータを「消去」するかは、明らかではない。複雑化もまた、ルミネセンスシグナルの「構築」に導く拡散およびルミネセンス中心変換の長期プロセスによって引き起こされる。
【００７６】
３Ｄホログラフィック媒体は、１ｃｍ３当たり１ＴＢを超える極端な高密度のデータ記憶および１０Ｇビット／秒を超える考えられる最大のデータ転送速度を約束する。ホログラフィックデータ記憶技術は、既に４０年間にわたり開発中であり、そして主な障害は、未だに、多くの重要な必要性を満たす媒体が存在しないことである。S. Orlov, Volume Holographic Data Storage, Communications of the ACM, 43巻, 11号, 47-54頁, 2000年11月；M.A. Noginov, G.B. Loutts, S.W. Helzer, A. Booker, B. Lucas, D. Fider, R.M. Macfarlane, およびR.M. Shelby, Two Color Holographic Recording Scheme Allowing Nonvolatile Reading in Mn:YAIO3, Applied Optics, 40巻, 23号, 3915-3921頁, 2001年8月；M.A. Noginov, N. Noginova, M. Curley, N. Kukhtarev, H.J. Caulfield, P. Venkateswarlu, Optical Characterization of Mn:YAIO3: Material for Holographic Recording and Data Storage, Optical Society of America, 15巻, 5号、1463-1468頁, 1998年5月；M.P. Bernal, H. Coufal, R.K. Grygier, J.A. Hoffnagle, C.M. Jefferson, R.M. Macfarlane, R.M. Shelby, G.T. Sincerbox, P. Wimmer, およびG. Wittmann, A Precision Tester for Studies Of Holographic Optical Storage Materials and Recording Physics, Applied Optics, 35巻, 14号, 2360-2374頁, 1996年5月；H. Guenther, R. Macfarlane, Y. Furukawa, K. Kitamura, およびR. Neurgaonkar, Two-Color Holography in Reduced Near-Stoichiometric Lithium Niobate, Applied Optics, 37巻, 32号, 7611-7623頁, 1998年11月；Mark D.R., David P. West, K. Khand, J.D. Shakos, およびR.M. Shelby, Digital Holographic Data Storage in a High-Performance Photorefractive Polymer Composite, Applied Optics, 40巻, 20号, 3395-3401頁, 2001年7月；L. Hesselink, S.S. Orlov, A. Liu, A. Akella, D. Lande, R.R. Neurgaonkar, Photorefractive Materials for Nonvolatile Volume Holographic Data Storage, Science, 282巻, 1089-1094頁, 1998年11月；J.F. Heanue, M.C. Bashaw, L. Hesselink, Volume Holographic Storage and Retrieval of Digital Data, 265巻, 749-752頁, 1994年8月；H. Blume, T. Bader, およびF. Luty, Bi-Directional Holographic Information Storage Based on the Optical Reorientation of FA Centers in KCl:Na, Optics Communications, 12巻, 2号, 147-151頁, 1974年10月；I. Schneider, W.C. Collins, M.J. Marrone, およびM.E. Gingerich, Holographic Subtraction Using Anisotropic Centers in Alkali Halide Crystals, Applied Physics Letters, 27巻, 6号, 348-350頁, 1975年9月；K.E. Peiponen, P. Silfsten, およびP. Raerinne, Ruby Laser-Induced Dichroism of FA(II) Centers in KCl:Li Crystals, J. Appl. Physics, 70巻, 5号, 2883-2884頁, 1991年9月；H.M. Smith, Holographic Recording Materials, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, New York, 1977を参照のこと；これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。ホログラフィック媒体の主な必要性のいくつかは、高い回折効率、書き込みレーザー光の高い感受性、非破壊的読み取り、光学消去を行う能力、情報の熱安定性、低い環境光感受性、高い光学品質、および寸法安定性（非収縮）である。本発明のＡｌ２Ｏ３材料はこれらの必要性の多くを満たす。
【００７７】
電荷担体の蓄積に寄与するトラップの低エネルギー深さは、周囲温度での電子の熱刺激放出および記憶したデータのフェージングを導く。これは、特に、アナログルミネセンスシグナルの正確なディジタル化を必要とする多重レベルデータ記憶については受容可能ではない。さらに、化学的不安定性ならびに空気と接触した場合の酸化および湿度に対する感受性は、保護層の使用を必要とする。
【００７８】
より安定なかつ確実なデータ記憶および光学処理を達成するために、より深いトラップおよびルミネセンス中心を有するルミネセンス材料を有するべきである。このような深いトラップを生成するために、広いギャップ誘電体を使用する必要がある。さらに、これらの「熱的に」および「光学的に」深いトラップは、励起（「書き込み」）および刺激（「読み取り」および「消去」）のためにより短波長のレーザー光を必要とする。光学記録のためには、最小の光スポット直径は、ｄ＝０．５λ／ＮＡであり、ここで、ＮＡは光ヘッドの開口数である。したがって、青色およびＵＶレーザーは、より高い記憶密度を達成するためにＩＲレーザーに対して明らかに有利である。ＧａＡｌＮのような広いギャップの半導体のヘテロ構造に基づく青色およびＵＶ固体レーザーの最近の開発により、広いエネルギーギャップを有する材料の使用に現実の可能性が生じる。
【００７９】
光学励起ルミネセンスは、トラップされた電荷担体による光子の吸収によって開始され、続いて反対の極性の再結合部位で励起した電荷が再結合する。プロセスの強度は、読み取り光のフルエンス率φ、トラップされた電荷担体の濃度ｎ、およびトラップされた電子の光イオン化断面積σに依存する：
Ｉ＝φσｄｎ／ｄｔ
【００８０】
充満したトラップの濃度を増加させそして大きな光イオン化断面積を有するトラップを生成することによって、ルミネセンス媒体の光出力を改良し、そして記憶した情報の「読み取り」に必要なレーザーの出力を減少させ得る。同様に、大きな濃度のドナーを含む材料を有することによってシグナルを「書き込む」ために必要なエネルギーを減少し得、このドナーは、高い吸収係数のため「書き込み」ビームによって、および情報の有効な記憶のための大きな捕獲断面積を有する大きな濃度のトラップを扱うことによって、容易にイオン化される。
【００８１】
ＯＳＬは、鉱物および陶器の地質学的および考古学的な年代測定における放射線量計測の方法としてうまく使用されている。D.J. Huntley, D.L. Godfrey-Smith, およびM.L.W. Thewalt, Optical Dating of Sediments, Nature, 313巻, 105-107頁 (1985)；L. Botter-JensenおよびS.W.S. McKeever, Optically stimulated Luminescence Dosimetry Using Natural and Synthetic Materials, Radiation Prot. Dosim., 65巻, 1-4号, 273-280頁 (1996)を参照のこと；これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。最近、レーザー刺激がパルスされそしてＯＳＬが各パルスの後に測定されるアニオン欠損Ａｌ２Ｏ３を用いる放射線量計測についての新しいパルスＯＳＬ技法が開発されており、そしてLandauer Inc.によってＬＵＸＥＬ技術で市販されている。McKeeverらの米国特許第5,892,234号；McKeeverらの米国特許第5,962,857号；国際公開番号WO 98/12575 1998年3月26日；M.S. AkselrodおよびS.W.S. McKeever, A Radiation Dosimetry Method Using Pulsed Optically Stimulated Luminescence, Radiat. Prot. Dosim. 81巻, 3号, 167-176 (1999)；S.W.S. McKeever, M.S. Akselrod, およびB.G. Markey, Pulsed Optically Stimulated Luminescence Dosimetry Using Alpha-Al2O3:C, Radiat. Prot. Dosim., 65(1-4), 267-272頁, (1996)；M.S. Akselrod, A.C. Lucas, J.C. Polf, およびS.W.S. McKeever, Optically Stimulated Luminescence of Al2O3, Radiat. Measurements, 5巻, 21頁 (1998)を参照のこと；これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。
【００８２】
Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンス材料およびＯＳＬ技法はまた、放射線場の作像に用いられる。Akselrodらの米国特許第6,316,782号；および、M.S. Akselrod, N. Agersnap Larsen, およびS.W.S. McKeever, A procedure for the Distinction between Static and Dynamic Radiation Exposures of Personal Radiation badges Using Pulsed Optically Stimulated Luminescence, Radiat. Measurements, 32巻, 215-225頁 (2000)を参照のこと；これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。
【００８３】
Ａｌ２Ｏ３：ＣからのＯＳＬシグナルの研究は、これが熱安定かつ再生可能であることを示し、１μＧｙの放射ガンマ線量の検出が可能である。光漂白は、材料から情報を「消去する」ために、および次の使用について準備するために用いられ得る。
【００８４】
コランダムまたはサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）は、多くの光学および電子応用において重要な技術的材料である。これは、固体レーザー用のホスト物質として、光学窓として、半導体エピタキシャル成長における基材物質として、およびより最近は放射線検出器として使用される。これらの原理は、種々の形態のα−Ａｌ２Ｏ３で利用されており、これは、1950年代初期以来の放射線の熱ルミネセンス線量計（ＴＬＤ）として導入された。これらとしては、Ｔｉ−ドープしたＡｌ２Ｏ３（J.K. RiekeおよびF. Daniels, Health Phys., 13巻, 798頁 (1954)；W.G. Buckman, Aluminum oxide thermoluminescence properties for detecting radiation, Health Phys., 22巻, 402頁 (1972)；R.S. McDougallおよびS. Rudin, Thermoluminescent dosimetry of aluminum oxide, Health Physics, 19巻, 281-283頁 (1970)を参照のこと）、およびＳｉおよびＴｉでドープしたＡｌ２Ｏ３（W.G. Buckman, Aluminum oxide thermoluminescence properties for detecting radiation, Health Phys., 22巻, 402頁 (1972)を参照のこと）、ＭｇおよびＹでドープしたＡｌ２Ｏ３（R.S. McDougallおよびS. Rudin, Thermoluminescent dosimetry of aluminum oxide, Health Physics, 19巻, 281-283頁 (1970)を参照のこと）、ＣｒでドープしたＡｌ２Ｏ３（S.K. MehtaおよびS. Sengupta, Gamma dosimetry using Al2O3:Si,Ti thermoluminescent phosphor, Phys. Med. Biol., 1976, 21巻, 6号, 955頁を参照のこと）、またはＣｒおよびＮｉでドープしたＡｌ２Ｏ３（M. OsvayおよびT. Biro, Nucl. Instr. Meth., 175巻, 60頁 (1980)；D. Lapraz, P. Iacconi, Y. Sayady, P. Keller, J. Barthe, およびG. Portal, Some thermoluminescence of an α-Al2O3 sample, Phys. Stat. Sol. (a), 108巻, 783-794頁, (1988)を参照のこと）が挙げられる。上記文献の全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。
【００８５】
しかし、酸化アルミニウムは、炭素でドープされたα−Ａｌ２Ｏ３：Ｃの導入まで、ルミネセンス材料として十分な感受性を有していなかった。Ａｌ２Ｏ３：Ｃは、1980年代後半に超感受性ＴＬＤとして最初に開発された。M.S. Akselrod, V.S. Kortov, D.J. Kravetsky, V.I. Gotlib, Highly Sensitive Thermoluminescent Anion-Defective α-Al2O3:C Single Crystal Detectors, Radiat. Prot. Dosim., 32巻(1), 15-20頁 (1990)；M.S. Akselrodおよび V.S. Kortov, Thermoluminescent and Exoemission Properties of New High-Sensitivity TLD α-Al2O3:C Crystals, Radiat. Prot. Dosim., 33巻, 1-4号, 123-126頁 (1990)；M.S. Akselrod, V.S. Kortov, およびE.A. Gorelova, Preparation and properties of Al2O3:C, Radiat. Prot. Dosim., 47巻, 1-4号, 159-164頁 (1993)；Akselrod M.S.およびGorelova E.A., Deep Traps in Highly Sensitive α-Al2O3:C TL Crystals, Nucl. Tracks Radiat. Meas., 21巻, 1号, 143-146頁 (1993)を参照のこと；これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。そして、これは、新しく開発された光学励起ルミネセンス（ＯＳＬ）技術を用いた最も感受性の高い線量測定材料と考えられる。McKeeverらの米国特許第5,892,234号；McKeeverらの米国特許第5,962,857号；Akselrodらの米国特許第6,316,782号；Colyottらの米国特許第6,414,324号；およびS.W.S. McKeever, M.S. Akselrod, およびB.G. Markey, Pulsed Optically Stimulated Luminescence Dosimetry Using Alpha-Al2O3:C, Radiat. Prot. Dosim., 65(1-4), 267-272頁 (1996)を参照のこと；これらの全体の内容および開示は、本明細書に参考として援用される。比較的深いトラップおよび非常に良好な環境安定性のため、情報のフェージングなく７桁程度の放射線量の関数として光出力の直線性を有する。酸素空格子点を有する炭素でドープしたＡｌ２Ｏ３の優れた線量測定特性にもかかわらず、この材料におけるルミネセンス中心（Ｆ−中心）は、非常に長いルミネセンス寿命（３５ｍｓ）を有する。これは、高いデータ転送速度を必要とするＯＳＬまたは蛍光１ビット記録適用には受容されない。公知のＡｌ２Ｏ３材料もまた、ホログラフィックデータ記憶適用に適切なフォトクロミック遷移を受け得る吸収帯を有さない。
【００８６】
本発明のＡｌ２Ｏ３結晶質材料に関して、本発明の重要な特徴は、記憶蛍光体の電子的および光学的特性、その欠損構造、ならびに単結晶、薄膜、または粉体の形態でのその製造の技術である。本発明のＡｌ２Ｏ３結晶質材料は、光を吸収する色中心、電子および正孔の安定なトラップを有し、そしてそのルミネセンス中心は、短いルミネセンス寿命を有する。本発明の範囲の材料は、結晶成長プロセス中にまたは高い還元性雰囲気における他の高温合成中に形成され、そしてマグネシウム（Ｍｇ）、炭素（Ｃ）、および水素（Ｈ）不純物で酸化アルミニウムをドープすることによって促進される。
【００８７】
本発明の１つの好適な実施態様では、Ａｌ２Ｏ３結晶の結晶成長は、チョクラルスキー法を用いて行われる。本発明のＡｌ２Ｏ３材料の結晶成長もまた、ステパノフ法、ＥＦＧ、または指向性凍結などの、溶融物からの結晶引き出しなどの任意の他の標準的な方法を用いて行われ得る。本発明の好適な実施態様で用いられる、図１に示すようなチョクラルスキー法は、単結晶の種１０４をるつぼ１０８中に含まれる溶融プール１０６中に浸漬し、次いで結晶の種１０４を同時回転１１２しながら溶融物１１０から引き出すことによる、単結晶体１０２の形成を含む。るつぼ１０８の加熱は、るつぼ１０８とインダクタコイル１１４との直接電磁カップリングによる誘導加熱を用いて、あるいは熱絶縁１１８によりインダクタコイル１１４から隔離された導電サクセプタ（succeptor）１１６を加熱することによって、行われる。
【００８８】
Ａｌ２Ｏ３の結晶成長は、約２０１０〜２０９０℃の結晶点付近の温度で行われる。正確な結晶化温度は、溶融物および結晶の不純物含量に依存する。好ましくは、結晶成長は２０５０℃で行われる。
【００８９】
酸素空格子点欠損を有するＡｌ２Ｏ３結晶の結晶成長は、加熱炉の雰囲気中で、１０−３〜１０−２０Ｐａの範囲の低い酸素分圧を得る目的で加熱グラファイトを存在させて、高い還元性雰囲気中で行われる。Ａｌ２Ｏ３結晶構造中に高濃度の酸素空格子点欠損を得るために、好ましい酸素分圧は、１０−１０Ｐａ以下およびより好ましくは１０−１５Ｐａ以下である。
【００９０】
Ａｌ２Ｏ３結晶の結晶化は、好ましくは、約０．１ｍｍ／時間〜６００ｍｍ／時間の引き出し速度で、およびより好ましくは、約１〜１０ｍｍ／時間の引き出し速度で行われる。好ましくは、結晶化は、約１〜５０ｒｐｍの種回転で行われる。本発明の特に好適な実施態様では、結晶化は、２０５０℃の温度で、５ｍｍ／時間の引き出し速度で、および１０ｒｐｍの種回転で行われる。
【００９１】
好ましくは、Ａｌ２Ｏ３基礎材料に添加されるＭｇドーピング材料はＭｇ化合物である。１つの好適なＭｇ化合物はＭｇＯであり、これは、ＭｇＯ粉末の形態でまたはＭｇＯの単結晶としてＡｌ２Ｏ３基礎材料に添加され得る。ＭｇＯがＭｇドーピング材料として用いられる場合、Ａｌ２Ｏ３基礎材料に添加するＭｇＯの量は、Ａｌ２Ｏ３基礎材料の質量の２ｐｐｍ〜５，０００ｐｐｍの量、好ましくは１００〜１０００ｐｐｍの濃度、およびより好ましくは５５０ｐｐｍの濃度を含む。他の好適なＭｇ化合物はＭｇＡｌ２Ｏ４であり、これは、ＭｇＡｌ２Ｏ４スピネル多結晶質粉末としてまたはＭｇＡｌ２Ｏ４結晶としてＡｌ２Ｏ３基礎材料に添加され得る。好ましくは、ＭｇＡｌ２Ｏ４がＭｇドーピング材料として用いられる場合、ＭｇＡｌ２Ｏ４ドーピング材料は、Ａｌ２Ｏ３基礎材料の質量の４ｐｐｍ〜１０，０００ｐｐｍの量、より好ましくは２００〜２０００ｐｐｍの量、およびさらにより好ましくは８００ｐｐｍの量を含む。
【００９２】
本発明の実施態様による成長したＡｌ２Ｏ３結晶中のＭｇドーパントの濃度は、このプロセス前に混合物に添加されたＭｇ含有化合物の濃度および溶融物中のＭｇの濃度とは異なる。混合物に添加された種々の量のＭｇを有する成長したいくつかのＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶の原子吸光技法を用いて行った化学分析の結果を図２に示す。溶融物中および成長した結晶中の不純物の濃度の比である偏析係数は、１２から２５まで変化する。溶融物中および成長した結晶中のＭｇの濃度間の大きな差を強調することが重要である。受容可能な光学品質のＡｌ２Ｏ３単結晶を得ることが可能である結晶中のＭｇ不純物の濃度の有用な範囲は、１〜１００ｐｐｍである。Ｍｇ濃度の好ましい範囲は、約１０〜４０ｐｐｍであり、そしてより好ましくは２７ｐｐｍの濃度である。
【００９３】
第２のドーパントである炭素は、引き出しプロセスを開始する前に、Ａｌ２Ｏ３溶融物に添加され、好ましくは、Ａｌ２Ｏ３溶融物に一酸化炭素を溶解することによって行われる。炭素は、酸素空光子点欠損および深いトラップの生成を刺激する。炭素不純物はまた、情報を記憶するために本発明で用いられる電子トラップの形成に寄与すると考えられる。
【００９４】
第３のドーパントである水素は、引き出しプロセスを開始する前に、Ａｌ２Ｏ３溶融物に添加され、好ましくは、Ａｌ２Ｏ３溶融物に水素ガスを溶解することによって行われる。水素での追加のドーピングは、本発明の材料中の浅いトラップの濃度を最小にし、そして書き込み／読み取り操作のスピードおよび効率を改良する。
【００９５】
一酸化炭素ガス、水素ガス、または一酸化炭素ガスと水素ガスとの両方は、結晶成長加熱炉のアルゴンまたは他の不活性ガス雰囲気に連続的に添加され得る。加熱炉に添加される一酸化炭素の量は、好ましくは、加熱炉のガス雰囲気中のアルゴンの量に対して２ｐｐｍ〜５０，０００ｐｐｍの範囲である。一酸化炭素の好ましい範囲は、１０００ｐｐｍ〜１５，０００ｐｐｍの範囲であり、より好ましい値は８８００ｐｐｍである。加熱炉の雰囲気に添加される水素の量は、通常、１００ｐｐｍ〜１０，０００ｐｐｍの範囲であり、好ましい範囲は５００〜２，０００ｐｐｍであり、そしてより好ましい値は１，２００ｐｐｍである。
【００９６】
本発明の好適な実施態様では、炭素は、結晶化が完了した後の結晶質材料中に、基礎材料の質量の０．５〜２０ｐｐｍの量で、より好ましくは基礎材料の質量の１〜１０ｐｐｍで、およびさらにより好ましくは６ｐｐｍで存在する。
【００９７】
本発明のさらに他の好適な実施態様では、Ｈは、結晶化が完了した後の結晶質材料中に、基礎材料の質量の１〜１００ｐｐｍの量で、より好ましくは基礎材料の質量の５〜２０ｐｐｍで、およびさらにより好ましくは８ｐｐｍで存在する。
【００９８】
ＭｇおよびＣは、Ａｌ２Ｏ３基礎材料に、連続的または同時のいずれかで添加され得る。好適な実施態様では、Ｍｇは、Ａｌ２Ｏ３基礎材料に添加されてＭｇ−Ａｌ２Ｏ３混合物、Ｍｇ−Ａｌ２Ｏ３混合物からのＭｇ−Ａｌ２Ｏ３溶融物を形成し；そしてＣＯはこの溶融物に溶解して２回ドープした材料を形成する。
【００９９】
好適な実施態様では、本発明の方法の結晶化工程は、誘導加熱の加熱炉のインダクタにカップリングした加熱グラファイトサスセプタを用いて誘導加熱の加熱炉で行われ、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ混合物を溶融しそして公知の結晶成長技法の１つを用いてＡｌ２Ｏ３：Ｍｇ，Ｃ混合物を固化する。
【０１００】
１つの好適な実施態様では、本発明は、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料の製造方法を提供し、この方法は、Ａｌ２Ｏ３を含む基礎材料をマグネシウムを含む第１のドーパントおよび炭素を含む第２のドーパントでドープして、２回ドープした材料を形成する工程；および、結晶質材料を形成するために、高い還元性雰囲気中で該２回ドープした材料を結晶化する工程を含む。このように形成された結晶質材料は、多数の１以上のタイプの酸素空格子点欠損を含む。
【０１０１】
他の好適な実施態様では、本発明は、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ，Ｈ結晶質材料の製造方法を提供し、この方法は、Ａｌ２Ｏ３を含む基礎材料をマグネシウムを含む第１のドーパントおよび炭素を含む第２のドーパントでドープして、２回ドープした材料を形成する工程；該２回ドープした材料を水素でドープして、３回ドープした材料を形成する工程；および、結晶質材料を形成するために、高い還元性雰囲気中で該３回ドープした材料を結晶化する工程を含む。このように形成された結晶質材料は、多数の１以上のタイプの酸素空格子点欠損を含む。
【０１０２】
好ましくは、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ，Ｈの３回ドープした材料の結晶化は、８００ｐｐｍのＭｇＡｌ２Ｏ４スピネルおよび８，８００ｐｐｍの一酸化炭素を開始混合物に添加し、ならびに加熱炉のアルゴン雰囲気に１２００ｐｐｍの水素を添加する。本発明の特に好適な実施態様では、３回ドープした材料の結晶化は、１０−２０ａｔｍの酸素分圧、２０５０℃の温度、５ｍｍ／時間の引き出し速度、および１０ｒｐｍの種回転で行われ得る。
【０１０３】
好ましくは、このように形成された結晶質材料は、２０５、２３０、２５５、３３５、および４３５ｎｍに光吸収帯を有する。好ましくは、結晶質材料は、５ｎｓより短いルミネセンス寿命の約３３０±５ｎｍの広い発光帯で、９±１ｎｓのルミネセンス寿命の約５２０±１０ｎｍのさらに他の発光帯で、および８０±１０ｎｓのルミネセンス寿命の約７５０±１０ｎｍのさらに他の発光帯で、ルミネセンス光を発光する。
【０１０４】
３回ドープした材料についての第２のドーパントとしての使用のための好ましい化合物は、ＣＯ、好ましくはＣＯガスである。
【０１０５】
３回ドープした材料についての第３のドーパントとしての使用のための好ましい材料は、水素ガスである。
【０１０６】
酸素空格子点欠損を有するＡｌ２Ｏ３材料を（例えば、薄膜形態で）得るためのさらに他の方法は、高い還元性雰囲気中でのＡｌ２Ｏ３材料の熱処理によって行われる。薄膜は、まず、モリブデン基材上へのＡｌ２Ｏ３ターゲットの電子ビームスパッタリングにより得られ、そして酸素空格子点欠損は、１０−１０〜１０−２０Ｐａの酸素分圧および１２００℃以上の温度での高い還元性雰囲気中における基材上の薄膜の加熱によって得られる。酸素空格子点の生成に好ましい温度は、１９００℃〜２０００℃である。熱処理の時間は、加工した材料の厚さに依存して、レーザー加熱手順中の１秒から放射タイプの加熱炉における数時間まで変化し得る。１０μｍの厚さを有する膜に好ましい時間は、２分〜３０分である。
【０１０７】
α−Ａｌ２Ｏ３は、３つのすべての八面体の間隙のうちの２つを占領するＡｌ３＋イオンを有する、強固な、わずかに歪んだ、稠密六方Ｏ２−副格子を有する（図３を参照のこと）。各Ｏ２−イオンは、４つの四面体の最も近接するＡｌ３＋イオンに取り囲まれる。Ａｌ２Ｏ３における一次情報記憶プロセスは、電子イオン化、次いでそれに続くトラッピング中心による励起した電子電荷の捕獲である。したがって、情報の有効な記憶のためには、Ａｌ２Ｏ３結晶が電子をトラップし得る欠損を含むことが必要である。しかし、ルミネセンスの有効な生成は、高濃度のトラップ部位を必要とするだけでなく、有効なルミネセンス中心の存在も必要とする。
【０１０８】
本発明の１つの好適な実施態様の酸化アルミニウム材料の１つの重要な特徴は、近くのＭｇ不純物原子により電荷補償されたＦ＋中心の形態における高濃度の単一および二重の酸素空格子点である。Ｍｇ２＋イオンによって電荷補償されたＦ＋−中心を、Ｆ＋（Ｍｇ）−中心と示す。この中心は、２３０および２５５ｎｍの少なくとも２つの吸収帯によって特徴づけられ（図４を参照のこと）、そして５ｎｓよりも短い寿命（図６を参照のこと）の３３０ｎｍのルミネセンス帯を有する（図５を参照のこと）。これらの欠損のうちの２つのクラスタリングは、２つのＦ＋−中心および２つのＭｇ不純物原子から構成される集合空格子点欠損を形成し、これは、本発明に重要な欠損の生成を生じる。本明細書では、この欠損は、Ｆ２２＋（２Ｍｇ）と示され、そして２つの局在した電子を有する。本発明の集合酸素空格子点欠損は、４３５ｎｍの領域の青色吸収−励起帯に寄与する（図４および図７を参照のこと）。これは、５２０ｎｍの領域の緑色蛍光帯によって特徴づけられ（図７を参照のこと）、そして９±３ｎｓの寿命を示す（図８を参照のこと）。この迅速な緑色ルミネセンスを示すＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶は、上で詳述した本発明の好適な方法に従って高い還元性雰囲気中で成長し、そして結晶に可視の緑色を与える青色吸収帯を有するいくつかのＵＶ吸収帯により特徴づけられる。
【０１０９】
他の特に好適な実施態様では、本発明のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、７５０±５ｎｍの領域の蛍光発光帯（図９を参照のこと）、８０±１０ｎｓの蛍光減衰時間（図１０を参照のこと）、および３３５±５ｎｍの領域の吸収／励起帯（図９および図１１を参照のこと）を示す。
【０１１０】
本発明のＡｌ２Ｏ３結晶質材料に関して、ＦおよびＦ＋−中心ならびにＦ２＋（２Ｍｇ）およびＦ２２＋（２Ｍｇ）などの集合中心のような高濃度の酸素空格子点欠損の生成は、本発明には重要である。酸化アルミニウムをＭｇでドープすることにより、酸素空格子点欠損およびそれらの集合の生成を刺激する。Ｍｇ２＋イオンは、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造中のＡｌ３＋イオンの非常に小さな部分のみを置き換える。マグネシウム不純物によって形成されるアクセプタ中心［Ｍｇ］−は、結晶格子に対して負に荷電し、そしてその電荷補償のために正荷電したＦ＋−中心の形成を必要とする。
【０１１１】
さらに、単一の酸素空格子点および不純物／空格子点クラスタリングの集合は、実行可能である。図３は、Ｆ２２＋（２Ｍｇ）−中心のような上で定義した集合欠損の可能性のある配置の１つを示す。本発明によるこの集合欠損は、２つの酸素空格子点および２つのＭｇイオンを含む。異原子価不純物の２つの原子の電荷補償のために、２つの電子を酸素空格子点の近くに局在させる。これらの２つの電子は、深い局在化したエネルギー状態を有し、そしてＡｌ２Ｏ３：Ｍｇ結晶の青色吸収帯に寄与する。
【０１１２】
Ａｌ２Ｏ３結晶中の酸素空格子点欠損は、低い酸素分圧での高い還元性雰囲気中で得られ得る。このような条件下、安定な酸素空格子点は、いわゆる「減色法」のプロセスによって生成される。酸素空格子点欠損を生成する他の方法は、ニュートロンまたは高エネルギー電子を用いるＡｌ２Ｏ３結晶の照射である。２電子による酸素空格子点の占領により、中性のＦ−中心が生じるが、１電子による占領により、格子に対して正電荷のＦ＋−中心が形成される。これらの中心は、Ｆ−中心に割り当てられる２０５ｎｍの強い吸収帯（K.H. LeeおよびJ.H. Crawford, Electron centres in single crystal Al2O3, Phys. Rev. B, 15巻, 4065-4074頁 (1977)を参照のこと）、およびＦ＋−中心における遷移に割り当てられる２３０および２５５ｎｍの２つの重複する吸収帯（B.D. EvansおよびM. Stapelbroek, Optical properties of the F+ centre in crystalline Al2O3, Phys. Rev. B, 18巻, 7089-7098頁 (1978)を参照のこと）によって同定され得る。これらの文献の全体の内容および開示は、参考として本明細書に援用される。Ｆ帯における照射下での強い光誘導伝導性を観察し、そしてこれは、ＵＶ照射下での遊離の電荷担体の有効な生成を示す（B.J. Jeffries, J.D. Brewer, およびG.P. Summers, Photoconductivity and charge trapping in α-Al2O3, Phys. Rev. B, 24巻, 10号, 6074-6082頁 (1981)を参照のこと；この全体の内容および開示は、参考として本明細書に援用される）。
【０１１３】
本発明のＡｌ２Ｏ３材料の欠損構造は、光吸収スペクトルにおける独特の帯によって特徴づけられ得る（図４を参照のこと）。Ｆ−およびＦ＋−帯における吸収は非常に強く（Ｆ−帯については７０ｃｍ−１まで、Ｆ＋−帯については２０ｃｍ−１まで、およびＦ２２＋（２Ｍｇ）帯については３ｃｍ−１まで）、そしてスマクラ（Smakula）の式に従って算出した結晶中のＦ−、Ｆ＋−、およびＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心の濃度は、Ｆ−中心については５×１０１８ｃｍ−３まで、Ｆ＋−中心については５×１０１７ｃｍ−３まで、およびＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心については１０１７ｃｍ−３までである。
【０１１４】
好ましくは、酸素空格子点欠損は、本発明のＡｌ２Ｏ３結晶質材料中に約１０１３〜１０１９ｃｍ−３の濃度で存在する。Ａｌ２Ｏ３結晶質材料中に存在する酸素空格子点欠損は、Ｆ−中心を含み得、そしてＦ−中心は、Ａｌ２Ｏ３結晶質材料中に約１０１６〜１０１９ｃｍ−３の濃度で存在し得る。Ａｌ２Ｏ３結晶質材料中に存在する酸素空格子点欠損は、Ｆ＋−中心を含み得、そしてＦ＋−中心は、Ａｌ２Ｏ３結晶質材料中に約１０１５〜５×１０１７ｃｍ−３の濃度で存在し得る。Ａｌ２Ｏ３結晶質材料中に存在する酸素空格子点欠損は、Ｆ２２＋−中心を含み得、そしてＦ２２＋−中心は、Ａｌ２Ｏ３結晶質材料中に約１０１５〜１０１７ｃｍ−３の濃度で存在し得る。酸素空格子点欠損は、一般的に、種々のタイプのＦ−タイプ中心の混合物である。酸素空格子点欠損を有するＡｌ２Ｏ３結晶をレーザー光、ＵＶ光、またはイオン化放射で曝露することにより、１つの荷電状態から他の状態への同じ構造欠損の変換を生じ得る。例えば、Ｆ２２＋（２Ｍｇ）−中心は、Ｆ２＋（２Ｍｇ）−中心に変換され、そして変換されて戻り得る（図１１を参照のこと）。本発明のさらに他の好適な実施態様では、Ｆ＋−中心はＦ−中心に変換され、そしてＦ−中心はＦ＋−中心に変換されて戻った。
【０１１５】
本発明の好適な実施態様では、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、約１０１３〜１０１９ｃｍ−３の濃度で存在する色中心を含む。
【０１１６】
本発明の好適な実施態様では、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、いくつかのタイプの酸素空格子点欠損、好ましくは約５×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の濃度のＦ−中心、および約５×１０１６〜５×１０１７ｃｍ−３の濃度で存在するＦ＋（Ｍｇ）色中心、および約１０１６〜１０１７ｃｍ−３の濃度で存在するＦ２２＋（２Ｍｇ）色中心の組み合わせを含む。
【０１１７】
本発明の種々の好適な実施態様では、本発明のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、以下の領域に１以上の吸収帯を有する：２０５±５ｎｍ、２３０±５ｎｍ、２５５±５ｎｍ、３３５±５ｎｍ、４３５±５ｎｍ、５００±１５ｎｍ、および６３０±１５ｎｍ（図４および図１１を参照のこと）。本発明の種々の好適な実施態様では、本発明のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、以下の領域に１以上の蛍光発光帯を有する：３３０±５ｎｍ、４２０±５ｎｍ、５２０±５ｎｍ、および７５０±５ｎｍ。特に好適な実施態様では、本発明のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、５２０±５ｎｍの領域に蛍光発光帯、９±３ｎｓの蛍光減衰時間、および４３５±５ｎｍの領域に吸収帯を有する。他の特に好適な実施態様では、本発明のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、７５０±５ｎｍの領域に蛍光発光帯、８０±１０ｎｓの蛍光減衰時間、および３３５±５ｎｍの領域に吸収帯を有する。
【０１１８】
他の特に好適な実施態様では、本発明のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、２５５±５ｎｍの領域に吸収帯および４±３ｎｓの蛍光減衰時間を有する。他の特に好適な実施態様では、本発明のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、２０５±５ｎｍの領域に吸収帯および３５±３ｍｓの蛍光減衰時間を有する。他の特に好適な実施態様では、本発明のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、５００±１５ｎｍの領域に吸収帯を有する。他の特に好適な実施態様では、本発明のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、６３０±１５ｎｍの領域に吸収帯を有する。
【０１１９】
本発明の好適な実施態様では、本発明の結晶質材料は、少なくとも０．０１ｃｍ２／Ｊの光イオン化断面積を有する。本発明の他の好適な実施態様では、本発明の結晶質材料は、少なくとも０．１の蛍光収量を有する。本発明の他の好適な実施態様では、本発明の結晶質材料は、材料中に記憶される１ビットの情報当たり１μＪを超えないレーザーエネルギーを必要とする。
【０１２０】
本発明によれば、Ｆ＋（Ｍｇ）−およびＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心に割り当てられそして２５５ｎｍおよび４３５ｎｍ吸収帯に関連する色中心の生成におけるＭｇ原子の関連は、Ｍｇ濃度におけるこれらの帯の強度の強い依存性によって支持される（図１２および図１３を参照のこと）。
【０１２１】
種々の適用における材料のいくつかの光学的および機械的特徴に有用なＡｌ２Ｏ３結晶のいくつかの形態中のマグネシウム不純物およびセラミックが、報告されている。米国特許第5,702,654号, W.W. ChenおよびN.H. Harris, Method of Making Thermal Shock Resistant Sapphire for IR Windows and Domes, (1997年12月30日)；S. Morita, H. Sekiwa, H. Toshima, およびU. Miyazawa, The Growth of Al2O3 Single Crystals by the Czochralski Method, Journal of the Ceramic Society of Japan, 101巻, 1号, 108-112頁, 1993；S. Lartigue KorinekおよびF. Dupau, Grain Boundary Behavior in Superplastic Mg-Doped Alumina with Yttria Codoping, Acta. Metall. Mater., 42巻, 1号, 293-302頁, 1994；C.A. Handwerker, P.A. Morris, およびR.L. Coble, Effects of Chemical Inhomogeneities on Grain Growth and Microstructure in Al2O3, Journal of American Ceramic Society, 72巻, 1号, 130-136頁；L.R. Brock, K.C. Mishra, M. Raukas, W.P. Lapatovich, およびG.C. Wei, Color Centers in Magnesium Doped Polycrystalline Alumina, Mat. Res. Soc. Symp. Proceedings, 667巻, G7.1.1-G7.1.11頁, 2001；R. Ramirez, R. Gonzalez, およびI. Colera, Protons and Deuterons in Magnesium-Doped Sapphire Crystals, Journal of American Ceramic Society, 80巻, 4号, 847-850頁, 1997；K.P.D. LagerlofおよびR.W. Grimes, The Defect Chemistry of Sapphire (α-Al2O3), Acta Mater., 46巻, 16号, 5689-5700頁；M. Yasuto, M. Shoji, S. Hideyuki, Production of Aluminum Oxide Single Crystal, 日本国特許出願第04303103号, 1992年10月15日出願, 公開番号第06199597号, 1994年7月19日を参照のこと；これらの全体の内容および開示は本明細書に参考として援用される。しかし、光学データ記憶適用に適切な特定の光学特性を有する集合酸素空格子点欠損の生成を刺激したＭｇ不純物でのＡｌ２Ｏ３のドーピングは、本発明以前にはなかった。
【０１２２】
Ｆ−中心発光と同時に観察されるＦ＋−中心発光は、Ｍｇドープされた結晶で報告されている；V.S. Kortov, T.S. Bessonova, M.S. Alselrod, およびI.I. Milman, Hole-Induced Exoelectron Emission and Luminescence of Corundum Doped with Mg, Phys. Stat. Sol. (a), 87巻, 629-639頁 (1985)；および、P.A. Kulis, M.J. Springis, I.A. Tale, V.S. Vainer, およびJ.A. Valbis, Impurity-associated color centers in Mg- and Ca-doped Al2O3 single crystals, Phys. Stat. Sol. (b), 104巻, 719-725頁 (1981)を参照のこと；これらの全体の内容および開示は本明細書に参考として援用される。２つの酸素空格子点によって形成される集合欠損のいくつかの光学特性は、ニュートロン照射したＡｌ２Ｏ３結晶について報告されている；B.D. Evans, G.J. Pogatshnik, およびY. Chen, Optical properties of lattice defects in α-Al2O3, Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Res. B, 91巻, 258-262頁 (1994)を参照のこと；これらの全体の内容および開示は本明細書に参考として援用される。Evanceらによれば、ニュートロン照射したＡｌ２Ｏ３結晶におけるＦ２−中心は、３００ｎｍの領域で光を吸収し、そして３２２ｎｍおよび５１５ｎｍの領域で発光する。Ｆ２２＋−中心は、４５８ｎｍの領域で光を吸収し、そして５６０ｎｍの領域で発光する。Ｆ２＋−中心は、３６０ｎｍで吸収し、そして３８０ｎｍで発光する。しかし、２つの酸素空格子点（元来の欠損）および２つのＭｇ不純物原子（外的な欠損）の両方によって形成された集合欠損を有するＡｌ２Ｏ３結晶は、本発明より前に光学データ記憶用の材料として報告されたものはない。
【０１２３】
本発明の範囲の酸素空格子点欠損の光学的特徴を、図５〜１１に示す。本発明のＡｌ２Ｏ３材料における集合欠損の光吸収およびルミネセンス特徴が、文献に報告されそして上述されるものとは非常に異なることを強調することが重要である。ニュートロン照射したＡｌ２Ｏ３結晶におけるＦ２２＋−中心は、４５８ｎｍで吸収しそして５６０ｎｍで発光するが、Ｍｇで補償したＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心は、４３５ｎｍで吸収しそして５２０ｎｍに中心を置く広い蛍光帯を有する（図７を参照のこと）。３６０ｎｍで吸収しそして３８０ｎｍで発光するニュートロン照射した結晶におけるＦ２＋−中心と、３３５ｎｍに吸収および励起帯ならびに７５０ｎｍにピークのある広い蛍光帯を有するＭｇでドープした結晶（図９を参照のこと）におけるＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心との間の、光学パラメータの著しい差も測定される。
【０１２４】
本発明の好適な実施態様では、本発明のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、ＭｇおよびＣ不純物で電荷補償したＦ２２＋−中心を含む欠損のクラスターによって形成される色中心を含む。好ましくは、色中心は、約１０１３〜１０１７ｃｍ−３の濃度を有する。
【０１２５】
本発明の他の好適な実施態様では、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、電荷の深いトラップを含む。好ましくは、電荷の深いトラップは、約６００℃〜７００℃の非局在化温度を有し、そして約１０１３〜１０１７ｃｍ−３の濃度を有する。深いトラップの非局在化温度は、光吸収実験（図１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、および１４Ｄを参照のこと）から見出され、これは、本発明に従って成長させ、光学データ記憶システムにおける「書き込み」操作と等価である４３０ｎｍパルスレーザー光で照射した結晶をステップアニールする。２５５ｎｍのＦ＋−中心および４３５ｎｍのＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心の光吸収帯は、その強度が増加し、そして６６０〜７００℃の温度範囲でもとの強度を回復する。Ｆ２＋（２Ｍｇ）−中心の３３５ｎｍ帯およびＦ２３＋（２Ｍｇ）−中心の６３０ｎｍ帯については、同じ温度範囲で反対の傾向が見られ得、これは、これらの中心がアニーリング中にＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心に変換することを示す。
【０１２６】
本発明の他の好適な実施態様では、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、書き込みおよび消去の両方の状態で、室内灯に実質的に不感受性である。
【０１２７】
本発明の他の好適な実施態様では、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、長期データ記憶に用いることができる。
【０１２８】
本発明の他の好適な実施態様では、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、少なくとも０．０１ｃｍ２／Ｊの光イオン化断面積を有する（図７を参照のこと）。
【０１２９】
本発明の他の好適な実施態様では、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、少なくとも０．１の蛍光収量を有する。
【０１３０】
本発明の他の好適な実施態様では、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、材料中に記憶された１ビットの情報当たり１μＪを超えないレーザーエネルギーを必要とする。
【０１３１】
本発明のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ材料における「書き込み」および「読み取り」操作中の好ましい電子プロセスを、図１６のような帯の図を用いて説明する。データ記憶媒体として使用するための本発明の好ましいドープされたＡｌ２Ｏ３材料は、正確な所望の特徴を有する高濃度のトラッピング部位および蛍光中心を含むように形成され得る。データ記憶媒体は、一般的に、「０」および「１」状態に対応して割り当てられる少なくとも２つの安定な物理的状態で存在する。到着または消去されたＡｌ２Ｏ３媒体の最初の配置（論理的０状態）は、４３５±５ｎｍの領域における強い吸収帯によって特徴づけられる高濃度のＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心を有する。上記の結晶欠損をイオン化するために十分に高い適切な光子エネルギーｈν１（または波長λ１）および強度の書き込みレーザー光（「書き込み」ビーム）の照射によって、予め存在する電子欠損にトラップされるべき遊離の電子を生成し得る。Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇにおけるトラップは、熱放出することなく周囲温度で長時間にわたり電荷担体を保つために十分に深い。量子系のこの第２の状態は、ここでは、準安定「荷電」配置（論理的「１」状態）である。媒体の状態を「読み取る」ために、書き込み光または他の光子エネルギーｈν２（または波長λ２）と同じ刺激光が適用され、そして光子エネルギーｈν３（または波長λ３）の蛍光光子が検出される。蛍光１ビット記録の場合、書き込まれたビットは蛍光強度の減少を生じるが、書き込まれていないスポットは元の強い蛍光を生じる。
【０１３２】
Ａｌ２Ｏ３のような広いギャップの誘電体における電子欠損は、その接地および励起した状態のエネルギーレベルによって特徴づけられる。電子欠損の励起状態が伝導帯の近くまたは伝導帯内に位置する場合、欠損は、１光子吸収によってイオン化され得る。励起状態が結晶のエネルギーギャップ内の深くに位置する場合、異なる状況が起こる。電子欠損の接地状態と励起状態との間のエネルギー遷移に対応する１光子の吸収により、局在化遷移、次いで非放射および放射減衰（蛍光）が生じる。この１光子吸収のプロセスは非破壊的であり、そして情報を読み取るために使用され得る。
【０１３３】
このような深い欠損から電子を除去するために、および結晶中の特定の欠損のルミネセンス特性を変化させるために、本発明では２光子の同時吸収が用いられる。第１の吸収された光子は、上記の電子欠損の電子を励起状態に励起するが、第２の光子は、エネルギーギャップ内の上記の励起状態から伝導帯に電子を転送する。伝導帯における電子は、ここでは非局在化され（その元の欠損部位から除去され）、そして他の欠損によってトラップされ得る。
【０１３４】
通常、２光子吸収（２ＰＡ）は、２光子のルミネセンス中心による同時吸収のプロセスと考えられる。これらの２光子のエネルギーの合計は、好ましくは、ルミネセンス中心の励起を行うために十分であるが、１光子のみのエネルギーは励起遷移に十分ではない。２ＰＡは、欠損の仮（非存在）量子エネルギー状態によって行われ、そしてその確率は非常に低い。２ＰＡを行うために、１００ＭＷ／ｃｍ２の程度の出力密度を有するフェムトまたはピコ秒レーザーパルスが必要である。本発明に記載のＡｌ２Ｏ３材料における２ＰＡの非常に重要な有利点は、レーザー光を吸収しそして蛍光を生じる欠損が、データ記録に必要な第２の光子吸収の確率を著しく上昇させるために十分に長くかつ同時に高いデータ転送速度を達成するために蛍光シグナルの速い読み取りを可能にするために十分に短い寿命を有するギャップにおける励起状態の深さを有することである。集合酸素空格子点欠損における好ましい２光子吸収の証拠は、レーザー光強度に対するこれらの中心の光イオン化断面積の二次従属性によって提供される（図１５を参照のこと）。薄いＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶を照射する光パラメトリック発振器の４３０ｎｍ、４．５ｎｓレーザーパルスを用いてテストを行い、レーザーエネルギー密度の関数として蛍光の減衰定数を記録した。
【０１３５】
データの書き込みは、上記のＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心による４３５±４０ｎｍ青色レーザー光の２光子吸収を用いて行われ得る（図１６を参照のこと）。第１の光子は中心に局在する２つの電子のうちの１つを励起状態に励起するが、第２の光子は励起状態と伝導帯との間の第２の遷移を行い、そのため、中心の光イオン化が行われる。書き込みプロセスの最後の段階は、他の欠損による、すなわち他のＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心による、またはＦ＋（Ｍｇ）−中心による、または炭素不純物による、上記の光電子の局在化（またはトラッピング）である。これらのフォトクロミック変換の結果は、（ａ）３つの局在化電子を有しそして３３５ｎｍのＵＶ吸収帯によって特徴づけられる、他の荷電状態の集合欠損、Ｆ２＋（２Ｍｇ）−中心、の生成、または（ｂ）２０５ｎｍのＵＶ吸収帯を有する中性のＦ−中心の生成、または（ｃ）１９０℃のＴＬピークに寄与する炭素関連トラップである。３つのすべてのプロセスにより、光学的に深くそして熱安定な電子状態の形成を生じ、そして長期データ記憶のために本発明の好適な実施態様で使用され得る。第１のプロセス（ａ）は、光吸収帯の光子変換の効率から決定されたより高い確率を有する。光イオン化の結果として、Ｆ２２＋（Ｍｇ）−中心は、６２０ｎｍの吸収帯を有するＦ２３＋（Ｍｇ）に変換し、そして放出された電子は、３つの局在化電子を有しそして３３５ｎｍの吸収帯および７５０ｎｍの発光帯によって特徴づけられるＦ２＋（Ｍｇ）−中心に変換する他のＦ−２２＋（Ｍｇ）−中心によってトラップされる。
【０１３６】
本発明は、データを読み取るための２つのタイプの蛍光プロセスを提供する（図１６を参照のこと）。タイプ１すなわち「負の」プロセスは、４３５±４０ｎｍの青色レーザー光励起を用いるＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心の元の緑色蛍光の刺激を含む。この励起の強度は、好ましくは、２光子吸収を避けるために著しく低下するが、情報の確実な検出に十分な緑色蛍光を生じるには十分である。書き込み中に２光子イオン化を受けた少量のＡｌ２Ｏ３結晶（ボクセル）は蛍光の減少を示すかまたは蛍光を示さないが、未書き込みのボクセルは、高い強度の緑色蛍光を示す。
【０１３７】
データを読み取るための本発明のタイプ２の読み出しプロセス、いわゆる「正の」読み出しプロセスは、読み取り中に生じたＦ２＋（２Ｍｇ）−中心の蛍光を刺激するために３３５±４０ｎｍのレーザー励起を用いることを含む。この励起の強度もまた、好ましくは、２光子吸収を避けるために著しく低下する。８０ｎｓの寿命を有する７５０ｎｍの領域でのＦ２＋（２Ｍｇ）−中心の蛍光の強度は、バイナリーまたは多重レベルデータ記憶のための「読み出し」プロセス中のデータの尺度として用いられる。
【０１３８】
２ＰＡを用いる本発明の酸化アルミニウム媒体でのデータの書き込みおよび同じ媒体からのデータの読み取りは、レーザー誘導蛍光（ＬＩＦ）によって行われ得、そして好ましくは、電子運動および電子遷移によって達成される。相変換または他の構造変化は、「書き込み」または「読み取り」操作中には起こらない。これは、プロセスを非常に速くかつ再生可能にする。
【０１３９】
本発明の好適な実施態様に従ってデータを書き込むプロセスを、ここで説明する。まず、Ｍｇでドープされたアニオン欠損Ａｌ２Ｏ３単結晶の形態のデータ記憶媒体を、媒体または光ヘッドの可動部品の機械的動作によって媒体の所定の深さに焦点を合わせた回折限界レーザー「書き込み」ビームに対して所望の位置に移動させる。
【０１４０】
次いで、データ記憶媒体に、書き込み時間ｔ１に等しい時間にわたり波長λ１を有する書き込みレーザー光の上記の焦点を合わせたビームを照射する。上記の「書き込み」波長λ１は、３８０〜４８０ｎｍの範囲であり、最も好ましい波長は４０５ｎｍである。２光子吸収プロセスは、通常、少なくとも１０ＭＷ／ｍ２のレーザー強度で行われ得る。上記「書き込み」時間ｔ１は、０．０１ｎｓ〜１ｍｓの範囲であり、最も好ましい時間は１０ｎｓである。書き込み操作の結果は、Ｆ２２＋（２Ｍｇ）−中心のＦ２３＋（２Ｍｇ）−中心へのイオン化および光変換である。
【０１４１】
Ｆ２２＋（２Ｍｇ）  ＋  ２ｈν１  ＝  Ｆ２３＋（２Ｍｇ）  ＋  ｅ−
【０１４２】
光イオン化プロセスの結果としてＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心から放出された電子は、深いトラップおよび他の近くのＦ２２＋（２Ｍｇ）−およびＦ＋−中心によって捕獲される。
【０１４３】
Ｆ２２＋（２Ｍｇ）  ＋  ｅ−  ＝  Ｆ２＋（２Ｍｇ）
【０１４４】
Ｆ＋（Ｍｇ）  ＋  ｅ−  ＝  Ｆ（Ｍｇ）
【０１４５】
上記の深いトラッピング部位は、情報をほとんど無限に記憶できる。
【０１４６】
本発明は、共焦点レーザー誘導蛍光検出機構を用いてデータを読み取る３つの好適な態様を提供する。第１の態様は、Ｆ２２＋（２Ｍｇ）−中心の吸収帯に対応するが、２光子吸収および記憶したデータの削除を避けるための著しく低下した強度および照射時間を有する、波長λ１の同じ書き込みレーザービームを読み取る。読み取りレーザービームの操作の第２の態様は、λ１より長い波長λ２を有するが、これは未だＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心の吸収帯内である。例えば、波長λ２は４４０ｎｍであるように選択される。より長い波長は、２ＰＡの可能性をさらに減少し、そして蛍光の励起のためのより高いレーザー光強度を用い、そしてより良好な信号対雑音比（ＳＮＲ）を達成することを可能にする。読み取り操作のこれらの２つの態様は、５２０ｎｍの領域でＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心の蛍光発光帯を利用する。この蛍光の寿命は９±２ｎｓであり、そして１００Ｍビット／秒のデータ転送速度を達成するために十分に速い。０バイナリー状態に対応する強い蛍光シグナルは、書き込み操作が特定のボクセルで行われなかったことを示す。低下した蛍光は、バイナリーまたは多重レベルのデータについてディジタル化し得る。読み取りのこれらの２つの態様は、「負の」タイプの操作と称し得る。読み取り操作の第３の態様は、書き込み操作中のＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心による電子のトラッピングの結果として生じたＦ２＋（２Ｍｇ）−中心（集合欠損を占領する３つの電子）の蛍光を利用する。
【０１４７】
Ｆ２２＋（２Ｍｇ）  ＋  ｅ−  ＝  Ｆ２＋（２Ｍｇ）
【０１４８】
Ｆ２＋（２Ｍｇ）−中心は、３３５ｎｍの領域の吸収帯でまたは２５５ｎｍのＦ＋−中心吸収帯で励起され得る。これらの中心の発光は、赤外領域であり、そして７５０ｎｍの領域である（励起および発光スペクトルの詳細については図９を参照のこと）。７５０ｎｍ発光の寿命は８０±１０ｎｓであり（図１０を参照のこと）、そして１０Ｍｂ／秒までのデータ転送速度に対しては十分に短い。
【０１４９】
本発明の好ましい読み取り操作を、ここで説明する。まず、上記のデータ記憶媒体を、同じ波長λ１または他の波長λ２の焦点を合わせた「読み取り」レーザービームに対して所望の位置に移動させる。上記の波長λ２は、４２０〜４８０ｎｍの範囲であり、最も好ましい波長は４４０ｎｍである。次いで、上記のデータ記憶媒体に、「読み取り」時間ｔ２に等しい時間にわたり「読み取り」光の上記の焦点を合わせたビームを照射する。上記の「読み取り」時間ｔ２は、０．１ｎｓ〜１ｍｓの範囲であり、最も好ましい時間は５ｎｓである。次いで、Ａｌ２Ｏ３データ記憶媒体により生じたレーザー誘導蛍光は、光検出器を用いて測定する。上記のＬＩＦは、７５０ｎｍの領域での第３の波長λ３での「データ」光であり、そして６２０ｎｍ〜８８０ｎｍの範囲にある。上記の蛍光シグナルは、次いで、処理されて記憶されたデータの値を得る。
【０１５０】
結晶質材料が光学データ記録および取り出しドライブに使用され得る方法を説明する簡単な概略図を、図１７に示す。機構１７００において、４０５ｎｍ「書き込み」レーザービーム１７０２および４４０ｎｍ「読み取り」レーザービーム１７０４は、２つのNichiaダイオードレーザー（図示せず）によって生成される。レーザービーム１７０２および１７０４は、ダイクロイックミラー１７０８および高ＮＡ集束対物レンズ１７１０によって単結晶質ディスク１７０６に向けられる。Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶から製造された単結晶ディスク１７０６を、１７１２で示すように回転させ、そして対物レンズ１７１０、ダイクロイックミラー１７０８、集束レンズ１７１４、共焦点ピンホール１７１６、および光検出器１７１８を組み合わせる光学ピックアップヘッドを、ディスクの半径に沿ってスライドさせる。焦点深さ（またはディスクの３Ｄ容量内の一定のデータ層）の選択および球面収差の修正は、光学ピックアップヘッドの追加の光学部品を移動することによって行われる（図示せず）。光検出器１７１８を用いて、書き込みおよび読み込み中のレーザー誘導蛍光をモニターする。ダイクロイックミラー１７０８により反射した緑色蛍光１７２０は、共焦点ピンホール１７１６上のレンズ１７１４によって焦点を合わせ、そして注文製造のエレクトロニクスまたはコンピュータ１７２２と接続されたディジタルオシロスコープ１７２０によって検出される。「書き込み」操作中の２光子吸収は、レーザービームの焦点スポットおよび書き込まれたビット１７２４の３Ｄ閉込めにおいて光イオン化プロセスの非常に強い局在化を可能にする。より長い波長の「読み取り」レーザー光１７０４を用いる蛍光媒体１７０６の１光子励起および共焦点蛍光検出器機構は、多数回のビットの非破壊的読み取りを行うことを可能にする。
【０１５１】
３Ｄホログラフィックデータ記憶は、１ｃｍ３当たり１ＴＢを超える極端な高密度のデータ記憶および１０Ｇビット／秒を超える考えられる最大のデータ転送速度を約束する。ホログラフィックデータ記憶技術は、既に４０年間にわたり開発中であり、そして主な障害は、多くの重要な必要性を満たす媒体が未だ存在しないことである。それらのいくつかは、高い回折効率、書き込みレーザー光の高い感受性、非破壊的読み取り、光学消去を行う能力、情報の熱安定性、低い環境光感受性、高い光学品質、および寸法安定性（非収縮）である。
【０１５２】
ＬｉＮｂＯ３のようないわゆる光回折結晶とは逆に、Ａｌ２Ｏ３は、フォトクロミック材料であると考えられ、ここでは吸収係数の変化が回折率の一定の変化を引き起こす。ホログラフィック格子は、フォトクロミック材料における最大吸収帯に対応する波長とともに２つの交差するコヒーレントレーザービーム（物体ビームおよび参照ビーム）を用いて書き込まれなければならない。ほとんどの光回折結晶についての主な問題は、トラップの熱不安定性（周囲温度での情報のフェージング）、および記録するレーザー光に対して比較的低い感受性、ならびに光学消去および非破壊的読み取りを達成するための困難性である。
【０１５３】
本発明のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、高濃度の色中心、２光子吸収下での有効なフォトクロミック遷移、１光子吸収を用いる非破壊的読み取りを行う能力、情報の光学消去を行う能力、および熱安定性についてテストした深いトラップの存在のため、ホログラフィック記録および読み取り情報について一定の有利点を有する。
【０１５４】
１つの好適な実施態様では、本発明は、集合酸素空格子点欠損およびＭｇイオンに関連し、そしてそれぞれＦ２２＋（２Ｍｇ）中心およびＦ２＋（２Ｍｇ）中心と命名されている４３５ｎｍおよび３３５ｎｍに中心を置く吸収帯のホログラフィック記録および読み取りフォトクロミック遷移を利用する。これらの帯は、Ｍｇ不純物でドープされそしてグラファイトの存在下で高い還元性雰囲気で成長したＡｌ２Ｏ３結晶において出現する。これらの色中心の主な正の特徴は、励起された状態が、Ａｌ２Ｏ３のエネルギーギャップにおいて深く位置すること、およびこれらが比較的大きな光イオン化断面積を有することである。
【０１５５】
共焦点蛍光１ビットデータ記憶の場合のように、ホログラフィック格子の記録を行うために、好ましくは、２光子が比較的短い時間間隔で到着し、そして中心によって吸収される。第１の光子は、接地状態から９ｎｓの程度の寿命を有する励起状態への中心の励起を行い、そして第２の光子は、励起状態から伝導帯への電子遷移とともに中心の光イオン化を行う。２光子吸収イオン化プロセスは、次いで、深いトラップの１つにおいて放出された電子をトラップする。可能性のあるトラップの１つは、他のＦ２２＋（２Ｍｇ）中心であり、これは、電子の捕獲後、Ｆ２＋（２Ｍｇ）中心に変換される。
【０１５６】
本発明のＡｌ２Ｏ３材料を利用する光学データ記憶のための好ましい技法の１つは、光学励起ルミネセンス（ＯＳＬ）の技法である。この技法は、上記のレーザー誘導蛍光とは異なる。好ましいＯＳＬの「書き込み」プロセスでは、遊離の電荷担体が、ＵＶ光を用いる記憶媒体における色中心の光イオン化によって生成され、比較的深いトラッピング中心によってトラップされる。可視レーザー光刺激は、電荷担体をトラップから放出し、次いでルミネセンス中心と放射再結合する。レーザー刺激中に検出されるルミネセンスは、データシグナルである。高効率ＯＳＬプロセスは、高濃度のトラップおよびルミネセンス中心の両方を必要とする。情報記憶に使用され得るＡｌ２Ｏ３中の電子トラップを研究し、そして熱ルミネセンス（ＴＬ）技法を用いて、または室温でのガンマ照射または光励起により生じた電荷担体生成後の等温ステップアニーリング手順と組み合わせた光吸収分光学を用いてモニターした。いくつかの深いトラップを、これらの２つの技法を用いてアニオン欠損Ａｌ２Ｏ３において同定した。Akselrod M.S.およびGorelova E.A., Deep Traps in Highly Sensitive α-Al2O3:C TL Crystals, Nucl. Tracks Radiat. Meas., 21巻, 1号, 143-146頁 (1993)を参照のこと；この全体の内容および開示は本明細書で参考として援用される。約４５０ＫでのＴＬピークに寄与する電子トラップは、ＴＬおよびＯＳＬ線量測定に用いられる主な線量測定トラップとして公知である。約６７０、９００、および１２００Ｋの非局在化温度を有するいくつかの他の有効な深いトラップも、光転送熱ルミネセンス（Akselrod M.S.およびGorelova E.A., Deep Traps in Highly Sensitive α-Al2O3:C TL Crystals, Nucl. Tracks Radiat. Meas., 21巻, 1号, 143-146頁 (1993)）、高温ＴＬ（G. Molnar, M. Benabdesselam, J. Borrosay, D. Lapraz, P. Iacconi, およびM. Akselrod, Influence of the Irradiation Temperature on TL Sensitivity of Al2O3:C, Radiat. Measurements, 33巻, 619-623 (2001)を参照のこと；この全体の内容および開示は本明細書で参考として援用される）の方法を用いて同定された。２２０、２６０、および３１０ＫにＴＬピークの温度を有する３つの浅いトラップも、報告された。M.S. AkselrodおよびV.S. Kortov, Thermoluminescent and Exoemission Properties of New High-Sensitivity TLD α-Al2O3:C Crystals, Radiat. Prot. Dosim., 33巻, 1-4号, 123-126頁 (1990)；S. Kortov, T.S. Bessonova, M.S. Akselrod, およびI.I. Milman, Hole-Induced Exoelectron Emission and Luminescence of Corundum Doped with Mg, Phys. Stat. Sol. (a), 87巻, 629-639頁 (1985)；およびP.A. Kulis, M.J. Springis, I.A. Tale, V.S. Vainer, およびJ.A. Valbis, Impurity-associated colour centers in Mg- and Ca-doped Al2O3 single crystals, Phys. Stat. Sol. (b), 104巻, 719-725頁 (1981)を参照のこと；これらの全体の内容および開示は本明細書で参考として援用される。電子の捕獲および放出を引き起こす熱不安定性のため、これらの浅いトラップの効果は顕著であり得、そのため電子プロセスを遅延させる。本発明の好適な実施態様によれば、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，ＭｇのＨイオンでの追加のドーピングにより、浅いトラップの濃度を低下させ、そして光学データ記憶適用のためのルミネセンス材料をより速くして、レーザー刺激に対して応答させる。
【０１５７】
本発明のＡｌ２Ｏ３結晶質材料へのデータの書き込みおよびそこからのデータの読み取りは、光学励起ルミネセンスプロセスを用いて行われ得、そして電子および正孔の輸送によってならびに電子遷移によって達成される。相変換または他の主な構造変化は、書き込み／読み取り操作中には行われない。酸素空格子点欠損の近くの電子遷移および電荷再分布の結果として、わずかな局部結晶格子変形および緩和が可能である。これは、このプロセスを非常に速くかつ再生可能にする。本発明のＡｌ２Ｏ３結晶質材料は、ＵＶ光またはより強い青色レーザー光の２光子吸収を利用して書き込まれ得、そしてトラップに記憶された情報は、他の波長の光（緑〜青）または８００ｎｍ付近のＩＲレーザー光の２光子吸収を利用して取り出され得る。情報は、３３０ｎｍの領域の発光帯内のルミネセンス光の形態で記憶媒体から取り出される。
【０１５８】
本発明のＡｌ２Ｏ３結晶質材料を用いる本発明の好適な実施態様では、データ書き込みプロセスは、以下の工程を含む：ドープされたＡｌ２Ｏ３単結晶または基材上に溶着したドープされたＡｌ２Ｏ３薄膜の形態のデータ記憶媒体を、「書き込み」ビームの焦点を合わせたスポットに対して所望の位置に移動させる工程、および該データ記憶媒体を書き込み時間に等しい時間にわたり「書き込み」光（書き込み波長１）の上記の焦点を合わせたビームで照射する工程。上記の「書き込み」波長１は、１８０〜４６０ｎｍの範囲であり、最も好ましい波長は２０５ｎｍである。２光子「書き込み」プロセスは、４１０ｎｍで行われ得る。上記の「書き込み」時間は、０．１ｎｓ〜１ｓの範囲であり、最も好ましい時間は１ｎｓである。
【０１５９】
本発明のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ，Ｈ結晶質材料を用いる本発明の好適な実施態様では、データ読み取りプロセスは、以下の工程を含む：上記のデータ記憶媒体を、「読み取り」ビームの焦点を合わせたスポットに対して所望の位置に移動させる工程、上記のデータ記憶媒体を「読み取り」時間（時間２）に等しい時間にわたり「読み取り」光（波長２）の上記の焦点を合わせたビームで照射する工程。上記の「読み取り」波長２は、４６０〜９００ｎｍの範囲であり、最も好ましい波長は５３２ｎｍである。上記の「読み取り」時間２は、０．１ｎｓ〜１ｓの範囲であり、最も好ましい時間は１ｎｓである。上記ＯＳＬは、第３の波長３での「データ」光であり、そして２５０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲であり、最も好ましい波長は３３０ｎｍである。すべての場合、上述の３つのタイプの光（「書き込み」光、「読み取り」光、および「ＯＳＬデータ」光）は異なる波長を有し、そして種々のレーザーおよび光学フィルタを用いて光学的に分離される。
【０１６０】
光学データ記憶のための公知の材料および技術と比較して、本発明は、いくつかの利点を提供する。周知の技術についての比較的遅い相変化遷移および光誘導重合化に対して基本的に非常に速い電子プロセスの利用は、１００Ｍｂ／秒までの１チャネルについてのデータ転送速度を提供する。提案した材料の３Ｄ容量ならびに光ヘッドの青色レーザー光回折限界およびＮＡによってのみ制限される共焦点検出機構により、高いデータ記憶密度が達成される。多重データ層は、２光子吸収技法および共焦点検出機構を用いて書き込みおよび読み取り操作中に大容量の媒体中でアクセスされ得る。不揮発性読み取りは、記憶した情報の劣化を引き起こさない蛍光中心の１光子励起を用いて行われる。多重レベル（多値）データ記憶は、ルミネセンス応答の直線性のため、さらにデータ記憶密度を上昇させ得る。情報の「書き込み」および「読み取り」に必要とされる低い平均レーザー光強度（ｍＷの範囲）は、好ましくは、コンパクト青色レーザーダイオードを使用することを可能にする。十分に確立されかつ効率的な結晶成長技術により、高い光学品質のＡｌ２Ｏ３結晶を生成する。
【０１６１】
本発明はまた、「書き込み」または「読み取り」速度およびデータ記憶密度のさらなる上昇のための記憶媒体における多数のマークの並行処理を可能にする。並行処理は、光学データ記録の主な利点の１つである。レーザーおよび光検出器の一次元または二次元アレイを使用し得る（ＣＣＤチップまたはＣＭＯＳ検出器）。本発明の記憶媒体はまた、媒体および記憶したデータの熱、時間、および環境安定性を提供する。蛍光および光屈折データ記憶媒体の共通の問題は熱不安定性であり、そして記憶した情報の熱消去を生じる。炭素およびマグネシウムでドープしたＡｌ２Ｏ３は、結晶構造中に酸素空光子点欠損によって形成された局在化状態上にトラップされた電子として記憶される情報の非常に良好な熱および時間安定性を示す。トラップにおける電荷担体の寿命は、記憶温度に依存する。温度が高いほど、寿命は短くなる。トラップが深いほど、記憶時間は長くなる。トラップした電子のほとんどは、非常に高い熱および光学深さを有する６５０℃のトラップに関連する。Ａｌ２Ｏ３結晶は、機械的、化学的、および光学的に非常に安定であり、そして数年にわたり性能の劣化を示さない。記録したデータが従来の室内灯照射によって消去されずそして媒体が光保護を必要としないことも示された。
【０１６２】
大量データ記憶は、本発明の唯一の目的ではない。連続処理に基づく古典的なコンピュータ構成は、計算スピードがひどく制限される。マルチプロセッサを用いる新しい構成は、この問題をある程度解決し得る。プロセッサ内の複雑な相互接続は、電子機械における伝統的なワイヤまたは平板マイクロ回路を用いて認識することが困難である。従来のコンピュータの最終的なスピードアップにおける制限因子は、基本的な構成要素の不適切なスピードから起こるのではない。むしろ、相互接続が制限因子である。光計算の新しい概念（例えば、D.G. Feitelson, Optical computing. Pub. MIT Press, USA (1988)を参照のこと；この全体の内容および開示は本明細書に参考として援用される）は、画像処理ならびに大量の計算に関するコンピュータシミュレーションのいくつかの分野において、いくつかの本質的な利点を有し得る。光処理は、数百万のデータチャネルを任意の電子リンクよりも非常に大きな帯域幅で並行して操作することを可能にする。並列性は、ハイスピードデータ処理を生じる。光リンクは、電磁相互作用を受けず、そして最終的に、研究者らは、光システムが等価の電子コンピュータよりも小さく、軽く、そして単純であると考える。
【０１６３】
本発明は、実施例によって説明される。以下に記載の実施例の実験は、上記の材料および手順の例示を意味し、そして本発明の限定的な説明と見なされるべきではない。
【実施例】
【０１６４】
実施例Ｉ
本発明の好適な実施態様に従って製造したＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇの結晶を、チョクラルスキー結晶成長法（図１に示す）を用いて、８８００ｐｐｍ（０．８８％）の量の一酸化炭素を添加したドーピングガスとともにアルゴン雰囲気中で成長させた。５５０ｐｐｍ（０．０５５％）の量のマグネシウム不純物を、ＭｇＡｌ２Ｏ４スピネル結晶として、るつぼ中に投入したＡｌ２Ｏ３結晶のストックに添加した。成長した結晶における分光分析を用いて測定したＭｇ不純物の量は、２７ｐｐｍであった。Ａｌ２Ｏ３結晶構造における酸素空格子点の生成を刺激する高い還元性雰囲気および低酸素分圧を、誘導加熱の加熱炉のインダクタにカップリングした加熱グラファイトサスセプタを用いて得た。結晶成長を、２０５０℃にて、５ｍｍ／分の引き出し速度で、および１分当たり１０回の種の回転速度で行った。４５ｍｍ直径を有するブール（boule）の形状の結晶を得た。次いで、結晶を１ｍｍ厚のディスクにカットし、そして両側を研磨して光学品質表面を得た。成長した結晶は、２０５ｎｍのＦ−中心帯で３０ｃｍ−１の吸収および２５５ｎｍのＦ＋−中心吸収帯で１０ｃｍ−１の吸収係数およびＦ２２＋（Ｍｇ）−中心の吸収に対応する４３５ｎｍで１．２ｃｍ−１の吸収を有した（図４を参照のこと）。すべての吸収係数を、バックグラウンドペデスタルを差し引いた後に示す。スマキュラ（Smacula）の式に従って、吸収係数を、８．６×１０１７ｃｍ−３のＦ−中心の濃度、および２．６×１０１７ｃｍ−３のＦ＋−中心の濃度および１．７×１０１６ｃｍ−３のＦ２２＋（Ｍｇ）−中心の濃度に変換し得る。後者の数は、記憶媒体のマイクロ立方当たり１７，０００の蛍光中心があることを示す。
【０１６５】
実施例ＩＩ
上記のようにテストした本発明の新しい結晶質材料および公知のＡｌ２Ｏ３：Ｃ結晶の光吸収スペクトルを、図４に示す。２３０および２５５ｎｍのＦ＋−帯の強度は、Ｍｇでドープした結晶のほうが顕著に高い。これは、Ｍｇ２＋イオンによって電荷補償されたＦ＋−中心のより高い濃度を示す。４３５ｎｍの新しい青色吸収帯は、本発明で使用した集合Ｆ２２＋（２Ｍｇ）欠損の生成を示す。
【０１６６】
Ｆ＋（Ｍｇ）およびＦ２２＋（２Ｍｇ）中心の生成におけるＭｇ不純物の重要性の証拠は、結晶成長中に結晶に導入された不純物濃度における対応する吸収帯強度の依存性である（図１２および図１３）。この依存性は、レーザー母体結晶およびＴＬＤ蛍光体における不純物含量におけるルミネセンス出力の濃度依存性に特徴的である。
【０１６７】
実施例ＩＩＩ
励起および発光の光の適切な波長範囲を揃えるために、２つの異なる状態においてＭｇおよびＣでドープしたＡｌ２Ｏ３の集合中心の発光−励起スペクトルを得た（図７および図９）。パルスＸｅランプを装着した分光蛍光計、２つの走査Acton Researchスペクトログラフ、およびPrinceton Instrumentsの冷却ＣＣＤを用いて、スペクトルを得た。新鮮な（または消去した）結晶が、図４でより早く示される４３５ｎｍの青色吸収帯に対応する励起帯とともに５２０ｎｍの領域の強い緑色ルミネセンス帯を示すことを示した。書き込み（漂白）操作後、緑色発光帯はほとんど完全に消失し、そして結晶は、それぞれＦ＋（Ｍｇ）−およびＦ２＋（２Ｍｇ）吸収帯に対応する２５５ｎｍおよび３３５ｎｍの励起帯とともに７５０ｎｍの領域に強い発光帯を示す。Ｆ２２＋（２Ｍｇ）−およびＦ２＋（２Ｍｇ）−中心に対応する両発光帯である５２０ｎｍの緑色帯および７５０ｎｍのＩＲ帯は、それぞれ約９および８３ｎｓの短い寿命を有する（図８および１０を参照のこと）。
【０１６８】
実施例ＩＶ
本発明の好適な実施態様に従って製造したＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ，Ｈの結晶を、ステパノフ結晶成長法を用いて、８８００ｐｐｍ（０．８８％）の量の一酸化炭素および１３００ｐｐｍ（０．１３％）の量の水素を添加したドーピングガスとともにアルゴン雰囲気中で成長させた。ＭｇＯ粉末の形態で４００ｐｐｍのマグネシウム不純物を、るつぼ中に投入したＡｌ２Ｏ３結晶のストックに添加した。Ａｌ２Ｏ３結晶構造における酸素空格子点の生成を刺激する高い還元性雰囲気および１０−１５ａｔｍ以下の低酸素分圧を、誘導加熱の加熱炉のインダクタにカップリングした加熱グラファイトサスセプタを用いて得た。結晶成長を、２０５０℃にて、６０ｍｍ／時間の引き出し速度で行った。１２．５ｍｍ直径を有するロッドの形状の結晶を得た。次いで、結晶を１ｍｍ厚のディスクにカットし、そして両側を研磨して光学品質表面を得た。
【０１６９】
上記のステパノフ法に従って成長させたＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ，Ｈ結晶の光吸収および蛍光研究は、チョクラルスキー法で成長させた結晶について記載したものと類似の光学特性を示し、そして図４〜１１に示した。テストした結晶は、２０５ｎｍのＦ−中心の吸収帯で４７ｃｍ−１の吸収係数および２５５ｎｍのＦ＋−中心吸収帯で１７ｃｍ−１の吸収係数および４３５ｎｍのＦ２＋（２Ｍｇ）−中心の０．９ｃｍ−１の吸収係数を有した。
【０１７０】
Ｆ＋−発光帯における最大のＯＳＬ出力は、２７ｐｐｍのＭｇの最適濃度で観察された。スマキュラ（Smacula）の式に従って、吸収係数は、２．６×１０１７ｃｍ−３のＦ−中心の濃度、および１．０６×１０１７ｃｍ−３のＦ＋−中心の濃度に変換され得る。３３０ｎｍでのＦ＋−中心の強い発光帯（図５を参照のこと）を、Princeton Instrumentsの冷却ＣＣＤを装着したActon Research Spectrographを用いて検出した。
【０１７１】
ThorLabsからの高速ＰＩＮ光検出器ならびに３５５ｎｍの第３の高調波発生器を装着したＮｄ：ＹＡＧポンピングレーザーおよび光パラメトリック発振器およびストレージオシロスコープTektronix TDS-3045からなるContinum Pantherレーザーシステムからの４．５ｎｓ、２５５ｎｍレーザーパルスを用いて、Ｆ＋−中心ルミネセンスの寿命時間を測定した。Ｆ＋−帯発光が５ｎｓ未満の短い寿命を有することを示した（図６を参照のこと）。
【０１７２】
実施例Ｖ
実施例Ｉに記載のように製造したＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶試料および実施例ＩＶで上記のContinum Pantherレーザーシステムにおいて、「書き込み」操作を行った。レーザーシステムを調整して、４．５ｎｓのパルス幅および試料位置でのパルス当たり６０μＪ／ｍｍ２のエネルギー密度を有する４３０ｎｍの単一ビームを発生した。タイプ１（または負の操作）を用いる書き込んだ領域の読み取りを、PicoQuantからの青色レーザーダイオードで行った（０．６ｍＷの平均出力、２０ＭＨｚで繰返し速さの６０ｐｓパルス）。５２０ｎｍでの蛍光を、長流路ガラスフィルタOG515、Hamamatsu PMT H5783-06およびTektonix TDS-3045オシロスコープを用いて検出した。９ｎｓの減衰時間を有する蛍光シグナルを図８に示す。パルス蛍光シグナルの振幅は、数時間にわたり減少せず、これは読み取り操作中に起こる１光子吸収のみがあることを示す。上記の緑色ルミネセンスの短い寿命は、１００Ｍビット／秒までのデータ転送速度を達成することを可能にする。
【０１７３】
実施例ＶＩ
実施例Ｉに記載したのと同じ結晶試料および実施例ＩＶに記載したのと同じレーザーシステムを用いて、「書き込み」操作を行った。タイプ２（または「正」タイプの操作）を用いる書き込んだ領域の読み取りを、同じＯＰＯレーザーシステムからの３３５ｎｍのＵＶビームで行った（１００ｎＪ／パルス、４．５ｎｓパルス幅、および１０Ｈｚ繰返し速さ）。７５０ｎｍでの蛍光を、長流路ガラスフィルタRG610およびThorLabs, Inc.からのシリコンフォトダイオードDET-110およびTektonix TDS-3045オシロスコープを用いて検出した。８０±１０ｎｓの減衰時間を有する蛍光シグナルを図１０に示す。漂白した（書き込んだ）結晶の７５０ｎｍの赤外蛍光帯（図９を参照のこと）は、消去した結晶媒体の５２０ｎｍの緑色蛍光よりも長い寿命を有するが、これでも、１０Ｍｂ／秒までのデータ転送速度操作に対してはなお十分に速い。
【０１７４】
実施例ＶＩＩ
１ビット記録中の２光子吸収および読み取り用の共焦点蛍光検出機構を利用するＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇにおける高密度のデータ記憶を、図１８の画像に示す。本発明に従って合成した材料のテストを、以下のシーケンスにおいて上記および図１７に示したものと類似の装置を用いて行った。「書き込み」操作を、４０５ｎｍダイオードレーザービームを用いて全出力で行い、そしてレーザーパルス幅を、コンピュータ・インタフェース・ボードからのＴＴＬパルスで制御した。書き込み操作中の蛍光シグナルの減衰を、ＰＭＴおよびオシロスコープによって検出し、そしてこれは書き込みがうまくいったことを示した。読み取り操作中、コンピュータからのＴＴＬパルスの他のシーケンスによって調節されるＣＷ低出力青色ダイオードレーザー（０．１ｍＷ、４４０ｎｍ）を用い、そしてダイクロイックミラーおよび共焦点ピンホールによって分離した緑色蛍光を、ＰＭＴおよび光子計数器によって検出した。５μｍ離れて間隔の開いた３×３ビットのマトリクスを記録し、そして蛍光コントラストの画像として読み取った。４０５ｎｍレーザー光でおよび１ビット当たりちょうど２５ｎＪの記録エネルギーで、９ビットを書き込んだ。「読み取り」操作を、情報の消去を防止するために「書き込みビーム」よりも長い４４０ｎｍの波長を有する調節したＣＷレーザーダイオードで、結晶記憶媒体の記録した領域を走査することによって行った。書き込んだビットの画像（図１８を参照のこと）を得るために、記憶媒体の走査を、Polytec PI.からの圧電作動３Ｄステージを用いて行った。蛍光シグナルの単一光子パルスを、ＰＭＴおよびパーソナルコンピュータと接続した多チャネル光子計数器Stanford Research SR430を用いて検出した。結晶の走査を、０．２μｍの増分および１５３μｍ／秒の走査速度で行った。記録したビットの変調深さは約４０％であり、そして単一ビットについての半値全幅は約１μｍであった。約１０μｍの層間で分離した記録したビットの数層を得た。
【０１７５】
実施例ＶＩＩＩ
図１９は、４３０ｎｍ書き込みビームを用いる書き込み時間の関数としての４３５と３３５ｎｍとの間の吸収帯強度の逆比例に基づく、示唆した光学記憶媒体の多重レベルデータ記憶能力を示す。実施例Ｉに従って製造したＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶を、実施例Ｖに記載のＯＰＯレーザーシステムの４３０ｎｍ「書き込み」レーザーパルスの増数に供した。各秒の照射は１０レーザーパルスに対応する。５２０ｎｍ蛍光シグナルに関連する４３５ｎｍ帯での吸収は、書き込みレーザーパルスの数の関数として減少するが、Ｆ２＋（２Ｍｇ）に関連する３３５ｎｍ帯および７５０ｎｍの赤外ルミネセンスの吸収は同時に増加する。これらの中心の励起に対応する蛍光の強度は、上記の吸収帯の強度に比例し、そしていくつかのデータ値にディジタル化された。
【０１７６】
実施例ＩＸ
書き込んだデータのＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶からの消去を、２０５±２０ｎｍを有する非コヒーレントＵＶ光を用いるＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶の照射、次いで３３５ｎｍのレーザー光のパルス照射によって行った。４３５ｎｍの元の強い吸収および５２０ｎｍの蛍光が回復した。
【０１７７】
以下は、９４６ｎｍでの基本の第１高調波、４３７ｎｍでの第２高調波、３１５ｎｍでの第３高調波、および２３７ｎｍでの第４高調波を有する、１つのみの固体レーザーＮｄ：ＹＡＧによって発生し得る波長に対応する波長を利用する書き込み−消去サイクルを証明する。テストを、実施例Ｖに記載のパルスＯＰＯシステムを用いて行った。フォトクロミック遷移を、分光光度計によってモニターし、そして図１１に示した。色中心の４３５ｎｍの最初の吸収は、４３５ｎｍ吸収帯を３３５ｎｍ吸収帯に変換する４７２ｎｍレーザー光での照射によって減少した。電荷担体の一部を、Ｆ−中心に変換するＦ＋−中心によってトラップした。２３６ｎｍレーザー光、次いで３１６ｎｍレーザー光の２つの照射のシーケンスを用いて、４３５ｎｍ帯の吸収は、一部回復した。４３５ｎｍの吸収帯を成長中の結晶の値まで完全に回復することは不可能であるが、２〜３の書き込み−読み取り消去サイクルにおいて、光吸収は、元の成長中の結晶の７０％のレベルまで安定化する。
【０１７８】
実施例Ｘ
Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶におけるホログラフィック記録を、図２０に示すような可変同調パルスレーザーシステム２００２を用いてテストした。レーザーシステム２００２は、ポンプ源として第３の高調波発生器を有するＮｄ：ＹＡＧレーザー２００４、および２１５ｎｍ〜１２００ｎｍの波長範囲で４．５ｎｓレーザーパルスを発生し得る光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）２００６を含んでいた。このテストについて、レーザーシステムを、パルスレーザーで書き込んだ回折格子の非破壊的読み取りに用いられるＣＷ  Ｈｅ−Ｃｄレーザーの波長に一致する４４２ｎｍの波長に調整した。
【０１７９】
図２０はまた、光学機構２００８を示す。ＯＰＯ２００６からの出力４４２ｎｍレーザービーム２０１０を、ビームスプリッタ２０１４のシャッター２０１２に向けて、等しい強度の２つのビームを発生した：１つはシグナルビーム２０１６であり、１つは参照ビーム２０１８である。２つのミラー２０２０および２０２２を用いて、試料平面の垂線に対する入射角θでＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶２０２４にシグナルおよび参照ビームをあてた。結晶２０２４の光学Ｃ軸を、レーザー光の分極方向に並行にセットした。２つのコヒーレントレーザービームの干渉により、結晶２０２４内部の電磁場に変調が発生した。干渉リッジの領域での２光子吸収は、４３５ｎｍ帯に寄与する色中心の光イオン化を生じ、そして吸収係数の変調およびクラーマース−クローニヒの関係式による吸収係数に直接関連する屈折率の変調を生じた。結果として、３Ｄホログラフィック格子を、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶２０２４の量で記録した。シャッター２０２６を用いて、シグナルビームを遮断し、そして参照ビーム２０１８のみを結晶２０２４に照射した。Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶２０２４の内部のホログラフィック格子で回折した光は、シグナルビーム２０１６の方向に沿って出現し、そして光検出器２０２８でモニターした。光検出器２０２８を、シャッター２０３０を用いて記録段階中に強い照射から保護した。
【０１８０】
シャッター２０２６を閉じ、シャッター２０３０を開け、そして光検出器２０２２、オシロスコープ２０３２、およびコンピュータ２０３４を用いて回折したシグナルを測定することによって、ホログラフィック格子形成および破壊のダイナミックをモニターした。図２１は、種々のレーザー波長でのＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇのホログラフィック格子形成および減衰を示す。ホログラフィック格子の最も効率的な記録は、４４０ｎｍの波長で示した。
【０１８１】
実施例ＸＩ
４４２ｎｍのパルスレーザー光の下でＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶２０２４において発生するホログラフィック格子の非破壊的読み取りを、同じ４４２ｎｍ波長で光を発光する７５ｍＷ  ＣＷ  Ｈｅ−Ｃｄレーザー２０３６を用いて証明した（図２０を参照のこと）。ミラー２０４０によって反射した平行ＣＷレーザービーム２０３８を、実施例Ｘで用いた追加のシャッター２０４２およびビームスプリッタ２０１４ならびに実施例Ｘの記録段階中に用いたミラー２０２０によって、ブラッグ角下でＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶２０２４にあてた。５０ｍＷ／ｍｍ２の出力密度を有するＣＷ光は、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇにおいて色中心の光イオン化を行うことができず、そして光検出器の方向でＣＷ参照レーザービームの１光子吸収および回折のみを引き起こした。ＣＷレーザービーム２０３８での１４時間のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶２０２４の連続照射および回折したシグナルの強度のモニタリングの結果を図２３に示す。３８００Ｊのレーザーエネルギーでの結晶２０２４の照射後に、ホログラフィック格子の著しい低下はなかった。この量のレーザーエネルギーは、１秒当たり１０００フレームをディジタル化し得る高速ＣＣＤカメラでのホログラフィック読み取りに用いられる１ｍｓ曝露での５１００万読み取りを行うに十分であるべきである。
【０１８２】
書き込み、読み取り、および消去操作での光学サイクルを、図２０に示すパルスＯＰＯレーザーシステムからのレーザー光を用いて証明した。ホログラフィック格子の書き込みおよび読み取りを、上記実施例Ｘで説明したように４４２ｎｍに等しい波長で行った。４３５ｎｍに中心のある吸収帯に寄与する色中心の初期濃度の格子の消去および回復を、２１５ｎｍおよび３３０ｎｍの２つの異なる波長の２つの照射のシーケンスを用いて行った。これらの２つの波長も、実施例Ｘに上述し図２０に示すレーザーシステムによって発生した。消去操作のためのＵＶ光２０４６を、さらに他のコンピュータ制御したシャッター２０５０を通してミラー２０４８によってＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶２０２４に向けた。２０５ｎｍに中心のある吸収帯に寄与するＦ−中心の光イオン化による第１の照射発生電子および３３５ｎｍに中心のあるＦ２＋（２Ｍｇ）−中心に関連する帯のイオン化を行った第２の電子は、Ｆ２２＋（２Ｍｇ）−中心に変換して戻り、そして結晶２０２４の元の緑色着色を回復する。図２３に示すように、書き込み−読み取り−消去操作のサイクリングを、回折効率の低下なしに多数回行った。スクリーン２０５２を用いて、参照ビーム２０１８を観察し、そして並進ステージ２０５４を用いて、テストのＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶２０２４を載せた。
【０１８３】
実施例ＸＩＩ
ＯＳＬ技法を利用する「書き込み−読み取り」操作を、実施例Ｉに記載の結晶試料および図２４に示すレーザーシステム２４００を用いて行った。「書き込み」操作を、２１５ｎｍの波長を有するパルスレーザービームで行った。「読み取り」操作を５３２ｎｍに調節したレーザーパルスで行った。両方のパルスの期間は４．３ｎｓであった。３３０ｎｍのＦ＋−中心の発光帯におけるＯＳＬ「データ」応答のパルス（図５）を先の図６に示す。ＯＳＬ「データ」パルスの半値幅は４．７ｎｓであり、これはＦ＋−中心発光の寿命が１ｎｓよりも長くないことを示す。
【０１８４】
光学データ記録および取り出し技法を、図２４に示すレーザーシステムを用いてテストした。２１５ｎｍの「書き込み」ビーム２４０２および４３０ｎｍまたは５３２ｎｍの「読み取り」ビーム２４０４を、第２および第３高調波発生器に装着したＮｄ：ＹＡＧレーザー２４０６およびＵＶ倍加結晶を有する光パラメトリック発振器２４０８に基づく同じ可変同調レーザーシステムによって発生する。レーザービーム２４０２および２４０４を、ビームスプリッタ２４１２ならびにミラー２４１４および２４１６を用い、そしてレンズ２４１８および２４２０で焦点を合わせてＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ，Ｈ結晶２４１０に向ける。レーザー出力メータ２４２２および高速ＰＩＮダイオード２４２４を用いて、レーザービームをモニターした。Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ，Ｈ結晶２４１０を、遮光性チャンバー２４２６内に配置し、そして「データ」シグナル２４２８を、光電子増倍管（ＰＭＴ）２４３０およびコンピュータ２４３４に接続したディジタルスコープ２４３２によって検出した。「書き込み」ビーム２４０２および「読み取り」ビーム２４０４を、電子シャッター２４３６および２４３８で制御する。
【０１８５】
すべての装置を、コンピュータ２４３４によって制御する。テストを、以下の順序で行った。「書き込み」シャッター２４３６を、「書き込み」時間ｔ１の間にわたり開放し、そして４．５ｎｓの半分の極大期間を有する「書き込み」ビーム２４０２のパルスを、結晶２４１０に向けた。「読み取り」シャッター２４３８を開放する他に、４．５ｎｓの期間を有する「読み取り」レーザービーム２４０４のパルスも、記憶結晶の同じスポットに向けた。「読み取り」パルスの間、ＯＳＬシグナルを、ＰＭＴ２４３０およびディジタルスコープ２４３２を用いて検出した。ＰＭＴ２４３０は、５０ｎｍの帯域幅の半分とともに３３０ｎｍの波長を有するＯＳＬ「データ」シグナルを、４３０または５３２ｎｍの波長を有する刺激「読み取り」レーザー光と光学的に区別するために、ウィンドウの前方に帯域フィルタ２４４０を有する（図５を参照のこと）。
【０１８６】
より低いバックグラウンドルミネセンスシグナルを発生しそしてより高い信号対雑音比を可能にするので、５３２ｎｍ波長が好適であった。後者の結果は、図２５に示すバックグラウンドシグナルの波長依存性によって示される。
【０１８７】
実施例ＸＩＩＩ
OSL技法を利用する多重レベルデータ記憶および取り出しを達成する能力を、図２６に示す。テストしたＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ，Ｈ結晶を、２１５ｎｍの波長での漸増数の「書き込み」ＵＶレーザーパルスに供し、そして記憶した情報の「読み取り」を、５３２ｎｍでのＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波を用いて行った。３３０ｎｍの「データ」ＯＳＬシグナルを検出し、そしてＵＶ「書き込み」パルスの数の関数としてプロットした。データは、ＯＳＬ応答と３十進以内のＵＶパルスの数との比例を示す。多重レベルデータ記憶に用いられ得るデータレベルの不連続数は、好ましくは、少なくとも２８＝２５６であり、そして記憶システムに用いられるアナログディジタル変換器の正確さに依存する。
【０１８８】
実施例ＸＩＶ
１８０〜２４０ｎｍの波長の範囲内で提案された酸化アルミニウム材料に「書き込み」得るが、「書き込み」ビームの好適な波長は、２０５ｎｍのＦ−中心の最大吸収帯に対応するべきである（図４）。「読み取り」ビームの好適な波長は５３２ｎｍで示唆され、そして好ましくは、図２７に示すＯＳＬ刺激帯（４００〜６００ｎｍ）の範囲内であり、そして同時に、図２６に示すＯＳＬバックグラウンドシグナルの最小波長依存性に対応するべきである。図２７は、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ，Ｈ結晶からのＯＳＬ応答を刺激波長の関数として示す。刺激を、Acton Research走査モノクロメータおよび出口スリット上のGG-400長通過フィルタによるパルスＸｅランプで行った。２１０ｎｍＵＶ照射（書き込み）前の結晶からとＵＶ照射後の同じ結晶からとのＯＳＬ応答間の差は、電子トラップの光学深さおよび４００〜６００ｎｍの範囲でのＯＳＬ刺激の最適波長を証明した。
【０１８９】
「書き込み」プロセス中に満たされるトラップを光学的に刺激しそして「読み取り」操作を行うための他の方法を、上記で用いた可視光の代わりにＯＰＯアイドラーからの８００〜１２００ｎｍの範囲の赤外光の２光子吸収を用いてテストした。後者の場合、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの１０６４ｎｍ基本高調波は、容易に利用可能であり、そして好ましい波長と考えられ得る。
【０１９０】
本出願明細書に引用されたすべての文献、特許文献、雑誌、および他の材料は、参考として本明細書に援用される。
【０１９１】
本発明が、本出願において本明細書に記載の特定の材料および技術的工程の詳細に限定されないことを強調することが重要である。本発明は、他の実施態様で可能であり、そして種々の方法で実行されそして行われ得る。本明細書で用いられる語句および用語は、説明を目的とし限定を目的としないことが理解されるべきである。
【０１９２】
本発明は、添付の図面を参照して好適な実施態様とともに十分に記載されているが、種々の変更および改変が当業者に明らかであり得ることが理解されるべきである。このような変更および改変は、本発明から逸脱しない限り、添付の請求の範囲よって定義される本発明の範囲内に包含されると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１９３】
【図１】Ａｌ２Ｏ３結晶の製造のための本発明の好適な実施態様で用いられるチョクラルスキー結晶成長法の概略図である。
【図２】ドープしたＡｌ２Ｏ３溶融物と成長した結晶との間のＭｇ不純物の濃度の差を示すグラフである。
【図３】本発明の好適な実施態様における、Ａｌ２Ｏ３結晶構造および集合酸素空格子点欠損の部分３次元および部分概略図である。Ｆ２２＋（２Ｍｇ）−中心は、２つの酸素空格子点、２つのＭｇ不純物原子、および２つの局在した電子を含む。
【図４】２つの結晶の光吸収スペクトルを示す：（ａ）放射線量計測に用いられる公知のＡｌ２Ｏ３：Ｃ結晶のスペクトル、および（ｂ）より高濃度のＦ＋−中心（２５５ｎｍでの吸収）および新しい材料を明確に区別するＦ２＋（２Ｍｇ）−およびＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心に対応する新しい吸収帯を有する、本発明の好適な実施態様であるＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ単結晶のスペクトル。
【図５】本発明の好適な実施態様におけるＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ，Ｈ結晶質材料の２５５ｎｍレーザー光での励起による、３３０ｎｍでのＦ＋−中心の発光帯を示すグラフである。
【図６】本発明の好適な実施態様におけるＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ，Ｈ結晶質材料についての４．７ｎｓの半値全幅を有する３３０ｎｍでのＦ＋−中心の発光におけるＯＳＬデータシグナルのパルスを示すグラフである。
【図７】到着または消去状態におけるＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇで生成したＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心の吸収、励起、および発光スペクトルを示すグラフであり、５２０ｎｍの発光帯の励起スペクトルが同じ欠損に割り当てられた４３５ｎｍの吸収帯とよく一致し、そしてＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心についての２光子光イオン化断面積の波長依存性を示す。
【図８】本発明の好適な実施態様におけるＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料についての、５２０ｎｍでのＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心発光の寿命が９±３ｎｓである２０ＭＨｚの繰返し速度での蛍光シグナルの連続読み出しを示すグラフである。
【図９】４３０ｎｍの波長を有するパルス青色レーザー光を用いるＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶におけるＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心の光変換（「書き込み」操作）の結果として得られたＦ２＋（２Ｍｇ）−中心の励起および発光スペクトルを示すグラフである。
【図１０】本発明の好適な実施態様におけるＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料についての、８０±５ｎｓである７５０ｎｍでのＦ２＋（２Ｍｇ）−中心発光の寿命測定を示すグラフである。
【図１１】９４６ｎｍでの基本高調波を有する１つのＮｄ：ＹＡＧレーザーによって発生され得る３つのレーザー波長を用いるＦ２２＋（２Ｍｇ）およびＦ２＋（２Ｍｇ）−中心の光変換のプロセスとして書き込みおよび消去操作の可能性を示すグラフであり；４７２ｎｍのパルスレーザー光（第２高調波）を用いてＡｌ２Ｏ３結晶上に「書き込んで」（青色吸収帯を漂白した）が、２１６および３１６ｎｍの波長を有するレーザービームを用いて「消去」（青色吸収帯を復元）した。
【図１２】Ａｌ２Ｏ３結晶中のＭｇ不純物濃度におけるＦ＋（Ｍｇ）−中心に割り当てられた２５５ｎｍ帯の光吸収の依存性を示すグラフである。
【図１３】Ａｌ２Ｏ３結晶中のＭｇ不純物濃度におけるＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心に割り当てられた４３５ｎｍ帯の光吸収の依存性を示すグラフである。
【図１４】図１４Ａは、２５５ｎｍでの光吸収帯（Ｆ＋−中心）の温度依存性を示すグラフであり、そして６５０℃までのトラップ電荷の高い熱安定性を示し；図１４Ｂは、３３５ｎｍでの光吸収帯（Ｆ２＋（２Ｍｇ）−中心）の温度依存性を示すグラフであり、そして６５０℃までのトラップ電荷の高い熱安定性を示し；図１４Ｃは、４３５ｎｍでの光吸収帯（Ｆ２２＋（２Ｍｇ）−中心）の温度依存性を示すグラフであり、そして６５０℃までのトラップ電荷の高い熱安定性を示し；図１４Ｄは、６３０ｎｍでの光吸収帯（Ｆ２３＋（２Ｍｇ）−中心）の温度依存性を示すグラフであり、そして６５０℃までのトラップ電荷の高い熱安定性を示す。
【図１５】平均レーザー光強度におけるＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心の光イオン化断面積の二次従属性を示すグラフであり、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶における２光子吸収プロセスの高い確率を示す。
【図１６】「書き込み」および「読み取り」操作中のＭｇ不純物でドープしたＡｌ２Ｏ３結晶における電子プロセスを示す、帯の図である。
【図１７】本発明の好適な実施態様における光学データ記憶ドライブの概略図であり、着脱Ａｌ２Ｏ３結晶媒体は、２光子吸収を用いて書き込み、そして共焦点検出機構を有するレーザー誘導蛍光を用いて読み取る。
【図１８】高密度光学データ記憶のための本発明の好適な実施態様におけるＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料の使用を示すグラフであり、ここでは、５μｍ増分で間隔の開いた３×３ビットのマトリクスを記録しそして蛍光コントラストでの画像として読み取った。
【図１９】本発明の好適な実施態様のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料についての、４３５および３３５ｎｍの吸収帯強度と「書き込み」時間との間の比例に基づく多重レベルデータ記憶原理を示すグラフである。
【図２０】本発明の好適な実施態様のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ材料におけるホログラフィック格子の記録および読み取りに使用される実験装備の概略図である。
【図２１】種々のレーザー波長でのＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇにおけるホログラフィック格子形成および減衰を示すグラフである。
【図２２】本発明の好適な実施態様のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶におけるホログラフィック格子形成の「書き込み−読み取り−消去」サイクルを示すグラフである。
【図２３】１４時間にわたり参照の４４２ｎｍのＣＷレーザービームを用い、そして２つの４４２ｎｍパルスレーザービームで予め書き込んだ回折シグナルの強度をモニターした、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶の連続照射の結果を示すグラフである。
【図２４】ＯＳＬ読み出し技法および本発明の好適な実施態様におけるＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ，Ｈ結晶質材料を利用するテストシステムの概略図である。
【図２５】ＯＳＬ「読み取り」ビームの好ましい波長（５３２ｎｍ）の選択を示すグラフであり、ここでは、本発明の好適な実施態様による非書き込みのＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ，Ｈ結晶からの最小バックグラウンド蛍光シグナルを、この選択の基準として使用した。
【図２６】本発明の好適な実施態様の好適な実施態様によるＵＶ「書き込み」パルスの数に対するＯＳＬ「データ」シグナルの比例に基づく多重レベルデータ記憶原理を示すグラフである。
【図２７】Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ，Ｈ結晶についての光学刺激の帯を示すグラフであり、本発明の好適な実施態様による「読み取り」ビーム波長の選択された範囲を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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