(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
データ記憶媒体に情報を書き込む方法であって、
Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇを含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程；および
該情報を光源で該ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込む工程
を含み、
該情報が、２光子吸収技法および光イオン化技法を用いて、該ルミネセンスデータ記憶媒体における色中心から電子を除去し、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体において該電子を熱安定なトラップに移動させることによって、該ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込まれ、そして
該ルミネセンスデータ記憶媒体が、単結晶Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ材料である、方法。
【請求項２】
前記２光子吸収技法が、連続的２段階２光子吸収技法である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記２光子吸収技法が、中間レベルのない同時直接２光子吸収技法である、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報をデータ記憶媒体へ書き込み、該媒体から読み取り、そして該媒体上で消去する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、2003年4月22日に出願された「酸化アルミニウム単結晶を利用する共焦点１ビット記録および蛍光読み出し」という表題の米国特許出願第10/419,726号および2003年8月6日に出願された「酸化アルミニウム単結晶媒体を利用するビット方式光学データ記憶」という表題の米国特許出願第10/633,654号の一部継続出願であり、これらは、2001年12月4日に出願された米国仮出願第60/336,749号（現在は放棄された）の優先日を主張している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」という表題の米国特許出願第10/309,021号、ならびに2002年10月10日に出願された米国仮出願第60/417,153号の優先日を主張している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」という表題の米国特許出願第10/309,179号の一部継続出願である。この出願はまた、米国特許出願第10/419,726号の分割出願である2003年6月9日に出願された「酸化アルミニウムデータ記憶媒体に記憶される情報を熱消去する方法」という表題の米国特許出願第10/456,569号に関連する。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】
磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなどのような従来の記憶媒体の代わりに、コンピュータデバイスのための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。改良されたデータ記憶方法を開発することに関して直面する障害の多くは、不適切な記憶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が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、データ記憶のための相変化転移または光誘導重合化技法と比較して、速い電子的プロセスを可能にする、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法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１００Ｍビットまでの書き込み／読み取り速度を達成し得る、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法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／読み取り速度を上昇させるためのデータ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、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法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、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法を提供することである。
【０００９】
本発明のさらに他の目的は、書き込みレーザーエネルギーからの蛍光応答の依存性による多重レベルデータ記憶の可能性を提供する、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法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、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法を提供することである。
【００１１】
本発明のさらに他の目的は、記憶したデータの著しく高温および時間安定性を提供する、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法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、酸化アルミニウム材料を利用するデータ記憶方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の広い局面によれば、データ記憶媒体に情報を書き込む方法が提供され、該方法は、Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程；および光源で該情報を該ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込む工程を含む。
【００１４】
本発明の第２の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を読み取る方法が提供され、該方法は、光源でルミネセンスデータ記憶媒体を励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がＡｌ２Ｏ３を含み、そして該光源が該ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する読み取りレーザービームを発する、工程；および該ルミネセンスデータ記憶媒体から該レーザーで誘導された蛍光光シグナルを測定して、該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶された該情報を読み取る工程を含む。
【００１５】
本発明の第３の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を消去する方法が提供され、該方法は、Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、そこに記憶された該情報を有する、工程；および光源で該ルミネセンスデータ記憶媒体を照射して、該情報を消去する工程を含む。
【００１６】
本発明の第４の広い局面によれば、データ記憶媒体に情報を書き込む方法が提供され、該方法は、Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程；および、該ルミネセンスデータ記憶媒体における色中心から電子を除去し、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体において該電子を熱安定トラップに移動させる２光子吸収技法および光イオン化技法を用いることによって、該情報を光源で該ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込む工程を含む。
【００１７】
本発明の第５の広い局面によれば、データ記憶媒体から情報を読み取る方法が提供され、該方法は、ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する光源で該ルミネセンスデータ記憶媒体を励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体が、Ａｌ２Ｏ３および色中心を含む、工程；および該ルミネセンスデータ記憶媒体から該誘導された蛍光シグナルを測定して、該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶された該情報を読み取る工程を含み、該方法は、該色中心の光イオン化なしで１光子吸収の条件下で行われ、そして該光源による該色中心の励起を生じて、該色中心に該蛍光シグナルを発する。
【００１８】
本発明の第６の広い局面によれば、データ記憶媒体に記憶された情報を消去する方法が提供され、該方法は、Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がそこに記憶された該情報を有する、工程；および２光子吸収の条件下で光源で該ルミネセンスデータ記憶媒体を照射して、該情報を消去する工程を含む。
【００１９】
本発明の第７の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体；および該ルミネセンスデータ記憶媒体に情報を書き込むための光源を含む装置が提供される。
【００２０】
本発明の第８の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体；情報が該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶される場合に該ルミネセンスデータ記憶媒体を励起させて該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発するための第１光源；および該発生した蛍光光シグナルを測定するための手段を含む装置が提供される。
【００２１】
本発明の第９の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体；および、該ルミネセンスデータ記憶媒体における色中心から電子を除去し、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体において該電子を熱安定トラップに移動させる２光子吸収技法および光イオン化技法を用いることによって、該情報を該ルミネセンスデータ記憶媒体に書き込むための書き込み手段を含む装置が提供され、該書き込み手段は第１光源を含む。
【００２２】
本発明の第１０の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を消去する方法が提供され、該方法は、（ａ）Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がそこに記憶された該情報を有する、工程；および（ｂ）約６００から７００℃の温度で該ルミネセンスデータ記憶媒体を熱アニールして、該ルミネセンスデータ記憶媒体上の該情報を消去する工程を含む。
【００２３】
本発明の第１１の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を消去するための装置が提供され、該装置は、Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がそこに記憶された該情報を有する、記憶媒体；および約６００から７００℃の温度で該ルミネセンスデータ記憶媒体を熱アニールして、該ルミネセンスデータ記憶媒体上の該情報を消去するためのアニール手段を含む。
【００２４】
本発明の第１２の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を読み取る方法が提供され、該方法は、（ａ）ルミネセンスデータ記憶媒体を光源で励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させる工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がＡｌ２Ｏ３を含み、そして該光源が、該ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する読み取りレーザービームを発する、工程；および（ｂ）該ルミネセンスデータ記憶媒体からの該レーザー誘導された蛍光光シグナルを測定して、該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶された該情報を読み取る工程を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体は、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のドーパントを含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体は、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み、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体は、２５０±５ｎｍ、３３５±５ｎｍ、および６２０±１０ｎｍの領域に吸収帯、７５０±１０ｎｍ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。
【００２５】
本発明の第１３の広い局面によれば、データ記憶媒体に情報を書き込む方法が提供され、該方法は、Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程；および該ルミネセンスデータ記憶媒体に光源で該情報を書き込む工程を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体は、該光源の光伝搬の方向に平行な光学ｃ軸の配向を有する。
【００２６】
本発明の第１４の広い局面によれば、データ記憶媒体に情報を書き込む方法が提供され、該方法は、Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程；および該ルミネセンスデータ記憶媒体に光源で該情報を書き込む工程を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体は、該光源の光伝搬の方向に垂直な光学ｃ軸の配向を有し、そして該光源の偏光のベクトルは、該ルミネセンスデータ記憶媒体の回転と同期回転し、そして該光源の偏光方向に平行な結晶の光学ｃ軸を維持する。
【００２７】
本発明の第１５の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を読み取る方法が提供され、該方法は、（ａ）ルミネセンスデータ記憶媒体を光源で励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させる工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がＡｌ２Ｏ３を含み、そして該光源が該ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する読み取りレーザービームを発生し、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体が該光源の光伝搬の方向に平行な光学ｃ軸の配向を有する、工程；および（ｂ）該ルミネセンスデータ記憶媒体からの該レーザー誘導した蛍光光シグナルを測定して、該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶された該情報を読み取る工程を含む。
【００２８】
本発明の第１６の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を読み取る方法が提供され、該方法は、（ａ）ルミネセンスデータ記憶媒体を光源で励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発生させる工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がＡｌ２Ｏ３を含み、そして該光源が該ルミネセンスデータ記憶媒体の吸収帯の範囲の波長を有する読み取りレーザービームを発生し、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体が該光源の光伝搬の方向に垂直な光学ｃ軸の配向を有し、そして該光源の偏光のベクトルが、該ルミネセンスデータ記憶媒体の回転と同期回転し、そして該結晶の該ｃ軸が該光源の偏光方向に平行に維持される、工程；および（ｂ）該ルミネセンスデータ記憶媒体からの該レーザー誘導した蛍光光シグナルを測定して、該ルミネセンスデータ記憶媒体上に記憶された該情報を読み取る工程を含む。
【００２９】
本発明の第１７の広い局面によれば、データ記憶媒体上に記憶された情報を消去する方法が提供され、該方法は、（ａ）Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体を提供する工程であって、該ルミネセンスデータ記憶媒体がそこに記憶された該情報を有する、工程；および（ｂ）該ルミネセンスデータ記憶媒体を光源で照射して、該情報を消去する工程を含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体は、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のドーパントを含み、該ルミネセンスデータ記憶媒体は、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み、そして該ルミネセンスデータ記憶媒体は、２５０±５ｎｍ、３３５±５ｎｍ、および６２０±１０ｎｍの領域に吸収帯、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。
【００３０】
本発明の第１８の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体；該ルミネセンスデータ記憶媒体に情報を書き込むための光源；および該ルミネセンスデータ記憶媒体を回転させるための手段および該光源の偏光のベクトルの回転のための手段を含む装置が提供され、該ルミネセンスデータ記憶媒体の光学ｃ軸は同期回転し、そして該光源の偏光のベクトルに平行である。
【００３１】
本発明の第１９の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体；情報が該ルミネセンスデータ記憶媒体に記憶される場合、該ルミネセンスデータ記憶媒体を励起させて、該ルミネセンスデータ記憶媒体に蛍光光シグナルを発するための第１光源；該発生した蛍光光シグナルを測定するための測定手段；および該ルミネセンスデータ記憶媒体を回転させるための手段および該光源の偏光のベクトルの回転のための手段を含む装置が提供され、該ルミネセンスデータ記憶媒体の光学ｃ軸は同期回転し、そして該光源の偏光のベクトルに平行である。
【００３２】
本発明の第２０の広い局面によれば、Ａｌ２Ｏ３を含むルミネセンスデータ記憶媒体；および該ルミネセンスデータ記憶媒体から情報を消去するための光源；および該光源の偏光のベクトルを回転させるための手段を含む装置が提供され、該ルミネセンスデータ記憶媒体の光学ｃ軸は同期回転し、そして該光源の偏光のベクトルに平行である。
【００３３】
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。
【００３４】
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】
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
本発明について、用語「書き込み」とは、データ記憶媒体上に情報を記憶することに関して従来の用語「書き込み」の意味をいう。本発明の好適な実施態様では、情報は、１以上の周波数の「書き込み」レーザービームを用いてデータ記憶媒体に書き込まれる。
【００３８】
本発明について、用語「書き込み位置」とは、データ記憶媒体がレーザービームによって書き込まれ得る位置へデータ記憶媒体を配置することをいう。
【００３９】
本発明について、用語「蛍光シグナルの変調深さ」とは、記録／書き込みの前後の同じ媒体スポットから得られる２つの蛍光シグナルの比として決定された光学データ記憶システムのパラメータをいう。
【００４０】
本発明について、用語「多重レベル記録」とは、記憶媒体に情報を書き込む方法をいい、読み取りビームでの読み出しの際に１ビットよりも多いディジタル情報を示すいくつかの不連続な値レベル上にディジタル化され得る読み出し値を生成する。
【００４１】
本発明について、用語「書き込み時間」とは、書き込みビームが、蛍光シグナル振幅（蛍光シグナルの変調深さ）の所望の変化を達成するために媒体上のスポットを照射している時間をいう。蛍光シグナル振幅のこのような変化は、所望の変調深さに依存して、１％程度に低くまたは９０％を超える程度に高くてもよい。
【００４２】
本発明について、用語「読み取り」とは、データ記憶媒体上に記憶された情報を引き出すことに関して従来の用語「読み取り」の意味をいう。本発明の好適な実施態様では、情報は、１以上の周波数のレーザービームを用いてデータ記憶媒体から読み取られる。
【００４３】
本発明について、用語「読み取り時間」とは、特定の記憶位置が読み取りレーザーによって照射されている時間をいう。読み取り時間は、定常媒体についておよび媒体を移動するための媒体速度に対する読み取りスポットサイズの比として、読み取りレーザーパルス長に等しい。
【００４４】
本発明について、用語「消去」とは、ディジタルデータ記憶媒体に関して従来の用語「消去」のあらゆる意味をいう。一般に、消去とは、記憶された情報を含むデータ記憶媒体の１以上のセクションを、そのセクションに記憶された情報を有する前の状態に回復することをいう。
【００４５】
本発明について、用語「物理的消去」とは、データ記憶媒体上に予め記憶された情報を除去または破壊することをいう。
【００４６】
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、帯ピーク位置における潜在的なシフトを示す波長の範囲を含み得る。
【００４７】
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。
【００４８】
本発明について、用語「ルミネセンス材料」とは、従来の用語「ルミネセンス材料」のあらゆる意味をいう。
【００４９】
本発明について、用語「データ記憶媒体」とは、データが、一般的にディジタル形態で記憶され得る媒体をいう。
【００５０】
本発明について、用語「ルミネセンスデータ記憶媒体」とは、ルミネセンス材料の一部または全体に含まれるデータ記憶媒体をいう。
【００５１】
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。
【００５２】
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Ａｌ２Ｏ３格子において隣の天然のＡｌ３＋イオンを代用する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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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５２０ｎｍの広発光帯である。
【００５７】
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。
【００５８】
本発明について、用語「２光子吸収または２ＰＡ」とは、２光子が色中心の局在化した電子によって同時または連続的に吸収されそして電子が励起状態または結晶の伝導帯に量子遷移する場合の、色中心による光吸収の量子力学的プロセスをいう。
【００５９】
本発明について、用語「１光子吸収または１ＰＡ」とは、１光子のみが色中心の局在化した電子によって吸収されそして電子が結晶の伝導帯に転送されることなく励起状態に量子遷移する場合の、色中心による光吸収の量子力学的プロセスをいう。
【００６０】
本発明について、用語「多光子吸収」とは、１より多くの光子が色中心の局在化した電子によって吸収される場合の、色中心による光吸収の量子力学的プロセスをいう。
【００６１】
本発明について、用語「レーザー光出力密度」または「レーザー光強度」とは、１秒当たりに媒体を通って伝搬するレーザービームの平均光エネルギーとして測定されそしてレーザービームのくびれによって分割された物理量をいう。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
本発明について、用語「蛍光収量」とは、このルミネセンス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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
本発明について、用語「共焦点検出」とは、蛍光シグナルを光学的に検出する方法をいい、ここで、光学読み取り／書き込みヘッドの媒体内部の焦点平面は、蛍光データ記憶媒体の投影スポットの回折限界スポットサイズに匹敵またはそれよりも小さいサイズを有する開口または開口のセットを含む平面上に光学的に再結像される。
【００７２】
本発明について、用語「球面収差補正（ＳＡＣ）」とは、高い開口数の対物レンズ（少なくとも０．３５のＮＡ）が記憶媒体のボリューム内部の異なる深さに集束される場合に生じる球面収差を補正または修正するための技法をいう。球面収差修正は、集束する深さで回折限界スポットサイズを達成する媒体内部の焦点の深さに依存して、集束するレンズの特性を動的に変化させることによって、媒体のより大きい深さ、好適には５００ミクロンより大きい深さに回折限界スポットサイズを維持することを可能にする。
【００７３】
本発明について、用語「ｃ軸」または「光学ｃ軸」とは、光学の分野におけるこれらの用語の従来の意味をいう。ｃ軸の１例を以下に記載し、そして図２４Ａおよび２４Ｂに示す。
【００７４】
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：E.P. Walkerら, 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カタログ番号02EX552, 147-149頁, (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, 第4章, 89-111頁, 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。
【００７５】
好ましくはデータ記憶デバイスが満たすより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（＞１０年）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。
【００７６】
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（書き込み−読み取り−消去−メモリー）ディスクおよびドライブの形態の相変化媒体の形態で、既に市場に出ている。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方法はめったに議論されない。Ingolf Sander (Constellation 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。
【００７７】
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 Two 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。
【００７８】
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、媒体のボリューム中の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, 1780-82, 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。
【００７９】
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。
【００８０】
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カタログ番号02EX552, 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カタログ番号02EX552, 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。
【００８１】
データ記憶媒体としてルミネセンス材料を用いることは、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ボリューム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。
【００８２】
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証明されている。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に、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。媒体を加熱することのなくどのようにこのようなデータが「消去」され得るかは、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。
【００８３】
従来のデータ記憶システムの限界を克服するための見込みのある方法は、容積または３Ｄ記録を使用することである。３Ｄ技術の中で、２光子吸収（２ＰＡ）での多層１ビット記録は、いくつかの明らかな有利点がある。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、材料の周囲ボリューム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。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。
【００８４】
本発明に従って構築した装置を図１に示し、以下でより詳細に説明する。青色レーザーダイオードに基づく２レーザーを用いて、データを記憶媒体に書き込みそしてそこから読み取る。より短い波長を有するより高出力のＣＷレーザーからの２光子吸収が、データを記録するために用いられる。対物レンズの高ＮＡは、達成されるべき２ＰＡおよび回折限界の記録されたビットサイズ形成に必要とされるレーザー光の高強度を可能にする。低エネルギーおよびより長い波長レーザーによって誘導される１光子誘導蛍光ならびに共焦点検出機構は、データを記録するために用いられ得る。共焦点検出は、所望の搬送波対雑音比（ＣＮＲ）を達成する目的で、隣接するビットとトラックと層との間のクロストークを著しく減少させる。
【００８５】
本発明の重要な目的は、２ＰＡの高い確率を用いて書込み操作を行い、そして読み出し中に２ＰＡの確率を低下させることによって読み取り操作を非破壊的にする方法および装置を提供することである。同時に、本発明の方法および装置は、許容可能なＣＮＲおよび高データ転送速度を達成するために必要とされる可能な最高レベルで、読み出し中の１ＰＡおよびレーザー誘導蛍光を使用する。
【００８６】
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、ＷＯＲＭ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、そして通常には主として研究室のデモンストレーションに適切であるので、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。
【００８７】
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のための有効かつ安定な無機フォトクロミック蛍光材料の利用である。
【００８８】
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としての材料収縮のため、寸法安定性は、重要な問題である。
【００８９】
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。
【００９０】
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＝０．５λｎ／ＮＡに等しく、ここで、ＮＡは光ヘッドの開口数であり、ｎは媒体の屈折率であり、そしてλはレーザー光の波長である。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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。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)を参照のこと。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。しかし、α−Ａｌ２Ｏ３は、高いデータ転送速度を必要とする蛍光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、容積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。
【００９３】
2002年12月4日に出願された米国特許出願第10/309,021号および2002年12月4日に出願された米国特許出願第10/309,179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）に記載される新しいＡｌ２Ｏ３結晶質材料に関して、本発明に利用されるこの材料の重要な特徴は、記憶蛍光体の電子的および光学的特性およびその欠損構造である。Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、光を吸収する色中心、電子の安定トラップ、および正孔を有し、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。
【００９４】
結晶質蛍光材料が光学データ記録および回復ドライブにおいてどのように使用され得るかを示す簡略化した図を、図１に示す。図中の１００において、４０５ｎｍ「書き込み」レーザービーム１０２および４４０ｎｍ「読み取り」レーザービーム１０４は、それぞれ２つのダイオードレーザー１０６および１０８によって生成される。レーザービーム１０２および１０４は、フリッピングミラー１１２、ダイクロイックミラー１１４、および高ＮＡ集束対物レンズ１１６によってＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇから製造された単結晶質ディスク１１０に向けられる。ディスク１１０は、矢印１１８で示されるようにレーザーエンコーダを装着した空気スピンドルによって回転するか、または矢印１１９によって示す３Ｄピエゾおよびステッパ作動並進ステージによって移動する。対物レンズ１１６、ダイクロイックミラー１１４、集束レンズ１２０、共焦点ピンホール１２２、および光検出器１２４を組み合わせる光学ピックアップヘッドは、ディスク１１０の半径に沿ってスライドする。ディスクの３Ｄボリューム内の一定のデータ層であるビット１２６の焦点深さ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１２４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１２８をモニターする。緑色蛍光１２６は、対物レンズ１１６によって集められ、ダイクロイックミラー１１４により反射され、共焦点ピンホール１２２上のレンズ１２０によって焦点を合わせ、そしてコンピュータ１３２と接続された光子計数器またはディジタルオシロスコープ１３０によって検出される。
【００９５】
図１に示す図において、「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（緑色蛍光１２６）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。同じまたは異なる波長の「読み取り」レーザー光を用いる媒体から蛍光光の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。
【００９６】
本発明に記載の方法は、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇの独特の光学的特性によって可能になる。Ａｌ２Ｏ３における最初の情報記憶プロセスは光イオン化であり、次いでそれに続くトラッピング中心による励起された電荷の捕獲である。したがって、情報の効率的な記憶のために、Ａｌ２Ｏ３結晶が光を吸収する色中心と電子をトラップし得る欠損との両方を含むことが必要である。１ビット共焦点記録には、蛍光の高量子収量も必要とされる。本発明の好適な実施態様によれば、ビットの容積記録は、２ＰＡを用いて行われるが、非破壊的読み取り操作は１ＰＡおよび速いレーザー誘導蛍光を利用する。
【００９７】
2002年12月4日に出願された米国特許出願第10/309,021号および2002年12月4日に出願された米国特許出願第10/309,179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）に記載の方法に従って生成されそして本発明において利用されるＡｌ２Ｏ３結晶質材料は、いくつかのタイプの酸素空格子点欠損を含み、そして炭素およびマグネシウム不純物でドープされ、そして任意の従来の結晶成長方法を用いて（例えば、チョクラルスキー法）当業者によって成長され得る。本発明で利用される結晶質材料は、いくつかの光学吸収（ＯＡ）帯によって特徴づけられる：２０５、２３０、２５５、３３５、４３５、５２０、および６２０ｎｍ（図２および３）。４３５ｎｍの青色吸収帯は、結晶の可視緑色の着色のためである。新しい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中性のＦ−中心ならびにＦ＋およびＦ２２＋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。
【００９８】
Ｆ＋−中心は、１つのＭｇ２＋イオンによって電荷補償された１電子を有する酸素空格子点であり、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２）、そして５ｎｓよりも短い寿命の３３０ｎｍのルミネセンス帯を有する。これらの欠損のうちの２つのクラスターは、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する。この集合は、２つの局在化した電子が欠損し、Ｆ２２＋（２Ｍｇ）と示され、そして光学データ記憶に好適である。これは４３５ｎｍの青色吸収−励起帯に寄与し（図４）、５２０ｎｍの緑色蛍光帯を生成し、そして９±３ｎｓに等しい短い寿命を有する（図５）。
【００９９】
酸素空格子点欠損を有するＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶の適切な波長の高強度レーザー光への曝露により、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る。例えば、Ｆ２２＋（２Ｍｇ）−中心は、４３０ｎｍ照射でＦ２＋（２Ｍｇ）−中心に変換され（図３および６）、そして３３５ｎｍまたは６２０ｎｍパルスレーザー光で変換されて戻り得る。「書き込み」操作として定義される青色レーザー光によって誘導されるフォトクロミック遷移後、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶は、２６０、３３５ｎｍおよび６２０ｎｍで吸収／励起帯（図３および７）、８０±１０ｎｓに等しい比較的速い崩壊時間の７５０ｎｍで広い蛍光発光帯（図７）を示す。
【０１００】
本発明の好適な実施態様では、２光子吸収（２ＰＡ）プロセスは、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇのボリュームにおいて情報を記録するために利用される。通常、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みなされる。これらの２光子のエネルギーの合計は、好適には、ルミネセンス中心の励起を行うに十分であるが、１光子のみのエネルギーは、励起遷移に十分ではない。この場合、２ＰＡは、欠損の仮（非存在）の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、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。いわゆる「連続」２ＰＡを可能にするＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇの非常に重要な特徴は、レーザー光を吸収しそして蛍光を生じる欠損が、エネルギーギャップにおける励起状態の深さを有することである。この励起状態の寿命は、光イオン化およびデータ記録に必要とされる第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い。同時に、この色中心のための励起状態の寿命は、高いデータ転送速度で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。
【０１０１】
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９を参照のこと）。２ＰＡプロセスについての光イオン化断面積は、減衰定数に逆比例し、そして基底状態および励起状態の吸収断面積の産物に直接比例する。Ｆ２２＋（２Ｍｇ）−中心の光イオン化断面積の波長依存性は、１ＰＡ帯と比較してより短波長にシフトし（図４および１０）、そしてＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶における２ＰＡプロセスのもう１つの指標である。
【０１０２】
本発明の記憶媒体の書き込んだデータの消去ならびに元の光学吸収（着色)および蛍光の回復は、光学的または熱的に達成され得る。Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、電荷の深いトラップを含む。電荷のこれらの深いトラップは、約６００℃から７００℃の脱色温度を有し、そして約１０１３から１０１７ｃｍ−３の濃度を有する。これらの深いトラップの脱色温度を、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のパルスレーザー光で照射した後のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶のアニーリング工程での光吸収実験から見出した（図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、および１１Ｄを参照のこと）。２５５ｎｍでのＦ＋−中心の光吸収帯および４３５ｎｍでのＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心の光吸収帯は、その強度を増加させ、そして６００から７００℃の温度範囲で元の強度を回復する。両方ともＦ２＋（２Ｍｇ）−中心に帰属される３３５ｎｍおよび６２０ｎｍ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）−中心に変換されることを示す。Ｆ２＋（２Ｍｇ）−中心の３３５ｎｍおよび６２０ｎｍ吸収帯は両方とも、パルス青色レーザー光での「書き込み」操作後のみ出現し、そして図２および３に示す新鮮なＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶の吸収スペクトルでは可視ではない。
【０１０３】
本発明の利用したＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ材料における「書き込み」および「読み取り」操作中の好適な電子プロセスを、図１２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の使用のための本発明の好適なドープした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。受領または消去された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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
Ａｌ２Ｏ３のような広いギャップの誘電体における電子欠損は、その基底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。電子欠損の基底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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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１２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２６０、３３５、および６２０ｎｍの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、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２６０、３３５ｎｍ、および６２０ｎｍの吸収／励起帯および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Ｆ２２＋（Ｍｇ）−中心によってトラップされる。３３５ｎｍおよび６２０ｎｍに中心のある両方の帯は、これらの帯のいずれかへの励起が、正確に同じ８０±５ｎｓ寿命を有する同じ７５０ｎｍ蛍光発光を生じるので、同じ色中心に属する。
【０１０８】
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１２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。
【０１０９】
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、記録中に生じたＦ２＋（２Ｍｇ）−中心の７５０ｎｍ蛍光を刺激するために３３５±３０ｎｍまたは６２０±５０ｎｍのレーザー励起を用いることを含む。赤色半導体レーザーダイオードが容易に利用可能でありそして赤色レーザーが情報の非破壊的読み出しを可能にするので、好適な読み出し態様の１つは、６２０ｎｍ吸収帯を利用する。この読み出し励起の強度は、好ましくは、２光子吸収を避けるために著しく低下する。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。
【０１１０】
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、データ記録および回復を非常に速くかつ再生可能にする。
【０１１１】
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、媒体および／または光学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。焦点を合わせたビームの球面収差の修正も、光学成分の機械的動作によってまたは例えば液晶移相器に基づく電子光学成分によってこの段階で行われる。
【０１１２】
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、３７０〜４９０ｎｍの範囲であり、より好ましい波長は３９０ｎｍである。本発明に記載の連続的２光子吸収プロセスは、１ｋＷ／ｃｍ２より高いレーザー強度で行われ得る。「書き込み」時間は、０．１ｐｓ〜１ｍｓの範囲であり、より好ましい時間は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。これは、第１の励起続いてイオン化を含む２段階プロセスである：
【０１１３】
Ｆ２２＋（２Ｍｇ）  ＋  ｈν１  ＝  Ｆ２２＋（２Ｍｇ）＊
Ｆ２２＋（２Ｍｇ）＊  ＋  ｈν１  ＝  Ｆ２３＋（２Ｍｇ）  ＋  ｅ−
【０１１４】
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。
【０１１５】
Ｆ２２＋（２Ｍｇ）  ＋  ｅ−  ＝  Ｆ２＋（２Ｍｇ）
【０１１６】
Ｆ＋（Ｍｇ）  ＋  ｅ−  ＝  Ｆ（Ｍｇ）
【０１１７】
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。
【０１１８】
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、「書き込み」に使用した波長λ１の同じレーザービームでデータを読み取るが、著しく低下した強度および照射時間で２光子吸収および記憶したデータの削除を避ける。操作の第２の態様では、読み取りレーザービームは、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４６０ｎｍ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可能にし、そしてより良好な信号対雑音比（ＳＮＲ）を提供する。「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（図４）。この蛍光の寿命は９±２ｎｓであり（図５）、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」操作が特定のビットで行われなかったことを示す。読み取りのこれらの２つの第１の態様は、「負の」タイプの操作と称し得る。
【０１１９】
「正の」タイプという読み取り操作の第３のおよび特に好適な態様は、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：
【０１２０】
Ｆ２２＋（２Ｍｇ）  ＋  ｅ−  ＝  Ｆ２＋（２Ｍｇ）
【０１２１】
Ｆ２＋（２Ｍｇ）−中心は、２６０、３３５、および６２０ｎｍに中心がある３つの吸収／励起帯の１つの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７を参照のこと）。７５０ｎｍ発光の寿命は８０±１０ｎｓであり（図８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。
【０１２２】
本発明の特に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、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。上記の読み取りレーザービームは、λ２波長を有し、これは６００〜６８０ｎｍの範囲であり、より好ましい波長は、容易に利用可能な赤色レーザーダイオードに対応する６３５ｎｍ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、より好ましい時間は２０〜１５００ｎｓの範囲であり、さらにより好ましい時間は１００ｎｓ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を、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。
【０１２３】
４３５ｎｍ吸収帯および５２０ｎｍ蛍光の逆フォトクロミック遷移および回復による記録されたビットの光学消去は、ＦおよびＦ２＋（２Ｍｇ）−中心の吸収帯に対応する２０５±３０および３３５±３０ｎｍレーザー光でのＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶の連続的照射を用いて、本発明の他の好適な実施態様に従って達成され得る。Ｆ−吸収帯に対応する２０５±３０ｎｍの光での照射は、Ｆ−中心の光イオン化を行い、そして自由電子を生成する。これらの自由電子は、記録中にイオン化された欠損によって捕獲され得る。特に、これらの電子は、Ｆ２２＋（２Ｍｇ）およびＦ２３＋（２Ｍｇ）−中心によって捕獲される。本発明の好適な実施態様の１つの目的は、できるだけ多くの二重酸素空格子点欠損をＦ２＋（２Ｍｇ）荷電状態に変換することである。これらの欠損は、３３５ｎｍおよび６２０ｎｍの領域における強い吸収帯によって特徴付けられる。Ｆ中心のイオン化は、例えば、キセノンランプの重水素によって生成されるコヒーレントレーザー光または非コヒーレント光のいずれかによって行われ得る。３３５±３０ｎｍを有する高出力密度レーザー光でのその後の結晶の照射は、Ｆ２＋（２Ｍｇ）中心において２ＰＡを行い、それらをＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心に変換する。記載した光学手順は、これらの欠損に特徴的な４３５ｎｍ吸収帯および５２０ｎｍ蛍光を回復し、そしてＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶の元の緑色を回復する。
【０１２４】
本発明のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶における情報消去の他の好適な態様は、６２０ｎｍ吸収帯内の波長を有する赤色レーザーでの高ピーク出力密度照射を利用する。６３３ｎｍのＣＷレーザーでの記録されたビットの連続的照射が読み出し７５０ｎｍ蛍光シグナルの強度を減少させることが証明された（図１３）。３３５ｎｍおよび６２０ｎｍ吸収帯の４３５ｎｍ帯への逆フォトクロミック遷移も、６２０ｎｍパルスレーザー照射下で観察され（図１４）、そしてＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶の元の緑色着色が部分的に回復された。
【０１２５】
本発明の他の好適な実施態様では、記録されたビットからの蛍光読み出しシグナルの調節は、図１５および１６に示すように、記録段階中に媒体に送達されるエネルギーの量（すなわち、「書き込み」レーザーパルスの数）に比例する。読み出しシグナルは、バイナリーまたは多重レベルタイプのデータにディジタル化され得、したがってデータ記憶密度をさらに増加させるために使用され得る。
【０１２６】
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）。
【０１２７】
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。
【０１２８】
結晶成長中にこれらの結晶において生成したＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶および色中心は、光学特性の高い異方性を示す。例えば、結晶の光学ｃ軸に平行な方向に偏光したレーザー光についての色中心の光学吸収は、光学ｃ軸に垂直に偏光した同じ光のＯＡよりも約２〜４倍高い。これは、書き込み、読み取り、および消去操作のために本発明で利用される３３５ｎｍ、４３５ｎｍ、５２０ｎｍ、および６２０ｎｍ吸収帯を含むがこれらに限定されないいくつかの光学吸収帯について真実である。４３５ｎｍのＯＡ帯についての角度依存性（光学ｃ軸に対する偏光ベクトルの角度の関数としてのＯＡ係数）の例を図２３に示す。実際の問題は、回転しているディスクの形態で結晶を使用し始める場合に発生する。媒体の並進については問題であるべきではないが、単結晶ディスクの回転が使用される場合、ＯＡの強い異方性が、書き込み、消去（両方とも吸収したレーザー光強度に二次従属性を有する）、および読み取り（１光子吸収についての直接比例）の効率が変化する。レーザービームの一定の偏光方向について、吸収は、ディスクの１回転内のコサイン関数として変化する。問題の１つの解決を図２４Ａに示す。
【０１２９】
図２４Ａは、ディスク平面に垂直およびレーザー光伝播の方向に平行な光学ｃ軸を有する異方性単結晶を用いる書き込み、読み取り、および消去操作の好適な態様の１つを示す。この態様は、回転しているディスクの角位置における書き込み、読み取り、および消去効率の依存性を排除する。図２４Ａに示す態様では、ディスク２４０１は、ディスク光学ｃ軸２４０５のまわりを回転２４０３し、この光学ｃ軸は、ディスク２４０１の平面に垂直でありそしてレーザービーム２４０８の伝播方向（ｋベクトル）２４０７およびピックアップヘッド（示さず）の光学軸に平行であり、そしてレーザービーム２４０８の偏光ベクトル２４０９に垂直である。ディスクの回転中、書き込み、読み取り、および消去の効率に変化はない。しかし、結晶ｃ軸のこの方向についてのより低い吸収係数のため、書き込みおよび消去の効率は、約１０倍減少し、そして読み取りの効率は２〜４倍減少する（図２３を参照のこと）。
【０１３０】
本発明の他の好適な実施態様は、ｃ軸２４１１を有するディスクを使用し、このｃ軸２４１１は、ディスクの平面に平行であり、ならびに光学ｃ軸および対物レンズに入る前のディスクの平面に平行なレーザー光の偏光のベクトルに平行である（図２４Ｂ）。図２４Ｂは、回転しているディスクの平面に平行でありそしてレーザー光伝播の方向に垂直である光学ｃ軸を有する異方性単結晶を用いる、書き込みおよび読み取り操作の好適な態様を示す。レーザー光の偏光方向は、ディスクの回転と同時に回転し、そしてすべての場合、結晶の光学ｃ軸に平行である。この態様は、回転しているディスクの角位置に対する書き込み、読み取り、および消去効率の依存性を排除し、そして同時に書き込み、読み取り、および消去操作のより高い効率のためにより高い光学吸収を提供する。高ＮＡ対物レンズにおいて、光の回折のため、近軸光線およびオフアクシス光線は、対物レンズの光学軸に対して異なる配向の偏光ベクトルを有するが、光の偏光ベクトルを有し、そして互いに平行な結晶のｃ軸はさらに好適な配向である。本発明の好適な実施態様によれば、レーザー光の偏光ベクトルは、Ａｌ２Ｏ３結晶のｃ軸がレーザー光偏光の方向にいつも平行であるように、書き込み、読み取り、および消去操作中に、単結晶ディスクの回転と同時に回転２４１３する。
【０１３１】
本発明の他の好適な実施態様では、光学データ記憶の利用した方法は、長期データ記憶に使用され得る。
【０１３２】
本発明の他の好適な実施態様では、データ記録の利用した方法は、材料に記憶された１ビットの情報当たりに１５ｎＪもの小さいレーザーエネルギーを必要とする。
【０１３３】
本発明の他の好適な実施態様では、利用したＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質材料は、書き込みおよび消去の両方の状態において室内灯に実質的に不感受性である。
【０１３４】
光学データ記憶のための公知の技術と比較して、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容量ならびに光学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。
【０１３５】
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】
【０１３６】
実施例Ｉ
図１に示すタイプの光学データ記憶装置を用いて、本発明の方法を説明する。「書き込み」および「読み取り」の両方のレーザービームを、Nichiaレーザーダイオードを用いて構築したそれぞれの半導体レーザーによって生じさせた。２つのタイプの書き込みレーザーをテストした：４０５ｎｍで１８ｍＷの出力を生じるPower TechnologyのＣＷ変調レーザー、および４１１ｎｍで１．５ｍＷを発生するPicoQuantパルスレーザー（２０ＭＨｚ、６０ｐｓパルス幅、４００ｍＷのピーク出力）。Power Technologyの「読み取り」レーザーの出力（４４０ｎｍ、３ｍＷ）を、中性密度フィルタを用いて制御した。２つのレーザービームを、フリッピングミラー、ダイクロイックミラー、およびNikon CFI PLAN FLUOR（０．８５ＮＡ、６０×）対物レンズを介してＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶質記憶媒体上に向けた。この無限共役対物レンズは、マニュアルの球面収差補償のための光学部品を有する。
【０１３７】
Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇの単結晶ディスクを、１０ｎｍの解像度を有する３Ｄステッパ−ピエゾ並進ステージと組み合わせたPolytec PIに装着した。ディスクの３Ｄ容量内の焦点深さまたは一定のデータ層ならびに球面収差の修正の選択を、Ｚ方向において結晶１１０を移動することによって、および対物レンズ上の修正カラーを回転させることによって行った。レーザー誘導蛍光を、対物レンズによって集め、そしてダイクロイックミラーによって反射させて共焦点ピンホール上の集光レンズを通した。長流路黄色ガラスフィルタOG515 134をＰＭＴの前に設置して、残りの青色レーザー光を排除した。光電子増倍管によって検出した蛍光を、コンピュータと接続されたディジタルオシロスコープまたはStanford Research SR430マルチチャネル光子計数器のいずれかによって処理した。
【０１３８】
Ａｌ２Ｏ３結晶の異なる深さでの回折限界ビットの記録は、注意深い球面収差補償（ＳＡＣ）を必要とする。光学システムのＳＡＣを、５０〜３００μｍの厚み変動を有する特別に製造したサファイア楔を用いるナイフエッジ技法を用いて校正した。適切な焦点平面位置および最適なＳＡＣを決定した後、「書き込み」および「読み取り」の両方のレーザービームプロファイルを測定した。１／ｅ２に焦点を合わせたレーザービームの直径は、１００〜２４０μｍのサファイア深さの範囲について０．５５±０．０５μｍに等しい。
【０１３９】
実施例ＩＩ
直径４５ｍｍの結晶ブールから、１．８ｍｍ厚のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶プレートを切り出した。両側を研磨し、そしてレーザービームの偏光に平行な結晶光学ｃ軸を有する対物レンズの光学軸に垂直に、実施例Ｉに記載の試験台に設置した。４３５ｎｍの青色吸収帯および５２０ｎｍの緑色ルミネセンスの原因である色中心の濃度を、マイクロ立方当たり１７，０００中心であると見積もった。
【０１４０】
以下のシーケンスでテストを行った。「書き込み」操作を、コンピュータ・インタフェース・ボードによって制御された変調ＣＷまたはパルスレーザーダイオードのいずれかを用いて行った。両タイプのレーザーとも同様の結果であったが、パルスレーザーは、ビット当たりにエネルギーの必要が少なくそしてより良好な空間的分解能を生じる。結晶媒体を、ピエゾアクチュエータを用いて段階的増加させてＸＹ平面中で移動させた。読み出し中、結晶媒体を、Ｘ方向においてランプモードでおよびＹおよびＺ方向において段階増加で並進させる。ＣＷレーザービーム（１５μＷ、４４０ｎｍ）は、結晶媒体から緑色（５２０ｎｍ）蛍光を励起した。
【０１４１】
１ビット記録中に２光子吸収および読み取りのために共焦点蛍光検出機構を利用するＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇのための高密度データ記憶プロセスを、図１７の画像で例示する。蛍光コントラストでのビット画像を、本発明で記載の方法を用いて得、そして実施例Ｉで上記したおよび図１に記載の装置を用いて以下のシーケンスで行った。「書き込み」操作を、４０５ｎｍの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パルスを用いて制御した。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、そしてこれは成功した書き込みの指標であった。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変調した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。
【０１４２】
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での画像として読み取った（図１７を参照のこと）。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の波長を有する変調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を得るために、記憶媒体の走査を、Polytec PIからのピエゾアクチュエータ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。
【０１４３】
実施例ＩＩＩ
実施例Ｉに記載の装置を利用する高密度記録およびタイプ１または「負」の読み出しモードを証明した。ＸおよびＹ方向における１μｍの増分を有する１００×１００ビット画像（図１８）を、３Ｄピエゾアクチュエータを用いて書き込んだ。各ビットを、パルスPicoQuantダイオードレーザー（１ビット当たり１０００パルス）によって生じた１５ｎＪのエネルギーで書き込んだ。緑色５２０ｎｍ発光の蛍光コントラストにおけるビットパターンの読み取りを、変調ＣＷレーザービーム（４４０ｎｍ、１５μＷ）を用いて、２００ｎｍの線間を有するラスターを走査することによって行った。５００×５００ピクセルを有する画像を得た。１μｍ離れて間隔の開いた数ビットの空間的プロファイルを図１９に示し、そしてこれは１２％の変調深さを証明する。
【０１４４】
実施例ＩＶ
「書き込み」操作中に生じそして３３５ｎｍおよび６２０ｎｍ吸収帯ならびに７５０ｎｍ蛍光発光帯を有する色中心を利用する「正の」または「タイプ２」モードの読み取り操作を、実施例Ｉの最初に記載しそして図１に記載の装置をいくつか改変して用いてテストした。６３２．８ｎｍの波長を有する赤色Ｈｅ−Ｎｅレーザーを、読み取りレーザーとして用いた。４０５または４７３ｎｍの「書き込み」波長で透明かつ７５０ｎｍの蛍光に対して反射する異なるダイクロイックミラーを設置した。装置の他の改変は、既述の実施例で使用した緑色感受性光検出器の代わりに、近赤外感受性アバランチ光検出器およびその前面に設置した６６５長流路フィルタを含む。実施例ＩＩに記載の同様のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶プレートをテストに用いた。結晶媒体の作動を、静止テスターの３Ｄピエゾアクチュエータまたは動的テスターの２Ｄステッパーステージの上部に設置した空気スピンドルのいずれかによって行った。書込み操作を、コンピュータ制御した４０５ｎｍレーザーダイオードを用いて行った。蛍光シグナルを、アバランチ光検出器によって共焦点ジオメトリで検出し、そしてオシロスコープおよびコンピュータによって記録した。側方（ＸＹ）平面において得られたビットの画像を図２０に示す。１００×６０ビットのマトリクスを、４７３ｎｍ青色レーザーで結晶の容積中に１０μｍ深さで書き込み、そして赤色６３３ｎｍ Ｈｅ−Ｎｅレーザーを用いてＸＹ平面で読み取った。記録して読み取ったビットは、側方に０．８μｍおよび軸方向に２．５μｍの半値幅を有する。このモードの操作において、読み出し蛍光シグナルは、小さい（ほぼ０）レベルのバックグラウンドシグナルで測定されるため、「正の」モードの操作により、より良好な信号対雑音比が可能になるが、「負の」タイプの読み取り操作においては、読み出しシグナルは、高い初期レベルの緑色蛍光の負の変調として測定される。
【０１４５】
実施例Ｖ
さらに他のテストにおいて、多層記録の可能性を証明した。Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶媒体の容積において、２μｍの側方および７ｍの軸並進増分を有する５層の記録したビットを得た（図２１）。結晶の容積において２ＰＡを用いて書き込んだ単一ビットは、レーザービーム伝播方向に対して側方および軸方向に異なる寸法を有する。ビットの理論的な軸サイズは、側方ビットサイズよりも３〜４倍大きいべきである。軸方向（ＸＺ平面）に書き込まれたビットのサイズを決定するために、データのビットを、上記実施例ＩＩＩのように、ＸＺ平面において３Ｄ並進ステージの段階増分作動を用いて書き込み、次いで蛍光コントラストにおけるビットの画像を、６３３ｎｍレーザービームを用いるＸＺ平面における結晶のラスター走査によって得た。各層のビットを記録し、そして対物レンズの球面収差補償（ＳＡＣ）のマニュアル制御で読み取った。これは、蛍光画像のいくつかのゆがみを説明する。自動化ＳＡＣは、２ｍｍの厚みを有する結晶の容積において３００以上の層のデータビットを得ることを可能にするべきである。
【０１４６】
実施例ＶＩ
赤色レーザー刺激を利用するデータの光学安定性および光学消去を証明した。最初に、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ単結晶媒体の容積に書き込んだデータビットの安定性を、図１に記載の装置および実施例ＩＩＩに記載の書き込み／読み取り技法を用いてテストした。データビットを、青色４７３ｎｍレーザーを用いて書き込んだ。次いで、記憶媒体におけるデータのトラックを、３ｍＷの出力を有する６３３ｎｍ Ｈｅ−Ｎｅレーザーを用いて複数回走査して、データシグナルの蛍光振幅の依存性を、読み取りサイクル数および総照射時間の関数として得た。図１３は、総照射時間の関数としての蛍光シグナルの減少を示す。高集束レーザービームでの総照射の１秒（これは、１ＭＨｚのデータ速度での１×１０６読み取りサイクルに等価である）において、データシグナルは５％のみ低下した。
【０１４７】
実施例ＶＩＩ
本発明のデータの光学消去の好適な方法を、パルス赤色（６２０ｎｍ）レーザー刺激を用いることによって本実施例で説明する。まず、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇの単結晶を、４３５ｎｍ波長の単一ビームに同調したContinuum Panther光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）の４３５ｎｍパルスレーザー照射によって、「書き込み」状態に変換し、そして結晶の光吸収スペクトルを記録した。次いで、結晶を、同じＯＰＯからの６２０ｎｍパルスレーザー光での１セットの照射に供し、そしてすべての吸収帯の強度を、各サイクルの照射後に記録した。３３５、４３５、および６２０ｎｍ帯の強度を、光吸収スペクトルの数値デコンボルーション後に得た。結果を図１４に示し、そして高ピーク出力密度の赤色レーザー照射を用いることによって、３３５ｎｍおよび６３０ｎｍ帯を消去し、そして４３５ｎｍ帯を回復し、この方法が、媒体を元の書き込まれていない状態に変換できることを証明する。
【０１４８】
実施例ＶＩＩＩ
図１５および１６は、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ光学記憶媒体を利用する多重レベルデータ記憶の可能性を説明する。多重レベル記憶は、書き込まれたビットの蛍光強度と書き込みパルスの数との間の逆比例性に基づく。Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶に、「書き込み」レーザーパルスの増数を用いて１０ビットを書き込んだ。生成したビットの変調深さは、レーザーパルスの数の非線形関数であるが、それにもかかわらずいくつかのデータ値上にディジタル化され得、そして本発明の方法および媒体を利用してデータ記憶密度がさらに増加され得る。
【０１４９】
実施例ＩＸ
本発明のテストに利用したＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶の光学特性を、ここで説明する。４５ｍｍの直径を有するブールの形状のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶を得た。次いで、結晶を、１．８ｍｍ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。本発明で利用したＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ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、Shimadzu UV-2104PC分光光度計を用いて得、そして図２に示す。２３０および２５５ｎｍでの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。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２および３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。
【０１５０】
実施例Ｘ
本発明の「書き込み」、「読み取り」、および「消去」操作に適切な波長範囲を正当化するために、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４および図７）。パルスＥＧ＆Ｇ 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、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（図２および３）。４３０ｎｍパルスレーザーでの書込み操作後、青色４３５ｎｍ吸収帯（図３を参照のこと）および対応する５２０ｎｍ緑色発光帯はほとんど完全に消失し、そして結晶は、すべてがＦ２＋（２Ｍｇ）−中心に対応する２６０ｎｍ、３５５ｎｍ、および６２０ｎｍの励起帯（図７）とともに７５０ｎｍの領域の強い発光帯を示す。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８０ｎｓの短い寿命を有する（図５および８を参照のこと）。
【０１５１】
実施例ＸＩ
データを記録および消去するために利用したＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇにおける色中心の光誘導変換を証明した。酸素空格子点欠損を有するＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶を適切な波長の高強度レーザー光に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光誘導変換を生じ得る。例えば、Ｆ２２＋（２Ｍｇ）−中心は、４３０ｎｍ照射でＦ２＋（２Ｍｇ）−中心に変換され（図３および６）、そして３３５ｎｍパルスレーザー光で変換されて戻り得る。青色レーザー光によって誘導されるフォトクロミック遷移の後、Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶は、３３５ｎｍおよび６２０ｎｍで吸収／励起帯（図３、６、および７）、ならびに７５０ｎｍで対応する広い蛍光発光を示す（図７）。
【０１５２】
実施例ＸＩＩ
集合酸素空格子点欠損における好適な２光子吸収の証拠を、これらの中心対レーザー光強度の光イオン化断面積の二次従属性によって提供する（図９を参照のこと）。薄い３８０μｍのＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶を照射しそして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するテストを、光パラメトリック発振器の４１５ｎｍ、４．５ｎｓレーザーパルスを用いて行った。次いで、光イオン化断面積をこの減衰定数に対して逆比例すると算出した。
【０１５３】
Ｆ２２＋（２Ｍｇ）中心の光イオン化断面積の波長依存性を、波長の関数として測定した。光イオン化断面積のピーク位置は、１光子吸収／励起帯と比較してより短波長にシフトされ（図４および１０）、そしてＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶において２ＰＡプロセスのほかの指標である。
【０１５４】
実施例ＸＩＩＩ
本発明の可能なデータ転送速度および非破壊的読み出し操作をテストした。タイプ１（すなわち、いわゆる「負の」操作）で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、６０ｐｓパルス、および２０ＭＨｚで繰返し速度）。５２０ｎｍでの蛍光を、長流路ガラスフィルタOG515、高速ThorLabs DET210シリコン光検出器、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５に示し、そして１００Ｍビット／秒までのデータ転送速度を達成することの可能性を示す。結晶の書き込まれていない領域の蛍光シグナルは、強い５２０ｎｍ蛍光を示す。このパルスシグナルの振幅は、数時間にわたり減少せず、これは「読み取り」操作中に１光子吸収のみがあることを示す。比較のために、「書き込み」パルス４３５ｎｍレーザー光に供した結晶の領域は、書き込まれていない結晶からのシグナルの１０％のみと等しい蛍光シグナルを示す。
【０１５５】
実施例ＸＩＶ
タイプ２または「正の」蛍光プロセスを利用する読み出し操作をテストした。「書き込み」操作を、実施例ＩＩに記載と同じ結晶試料および実施例ＶＩＩに記載のContinuum Panther ＯＰＯレーザーシステムを用いて行った。タイプ２（または「正の」タイプの操作）で書き込んだ領域の読み取りを、同じＯＰＯレーザーシステム（１００ｎＪ／パルス、４．５ｎｓパルス幅、および１０Ｈｚ繰返し速度）からの３３５ｎｍ ＵＶビームで行った。７５０ｎｍでの蛍光を、長流路ガラスフィルタRG610およびThorLabs, Inc.のシリコン光ダイオードDET-110、およびTektonix TDS-3054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８に示す。漂白した（書き込んだ）結晶の７５０ｎｍの赤外蛍光帯は、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。
【０１５６】
実施例ＸＶ
図６は、４３５と３３５ｎｍとの間の吸収帯強度の逆比例およびそれらの書き込み時間の依存性に基づく、利用した光学記憶方法の多重レベルデータ記憶能力の他の例として使用され得る。実施例ＩＩに記載のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶を、実施例ＶＩＩ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。
【０１５７】
実施例ＸＶＩ
Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶におけるフォトクロミック変換の非常に重要な特徴は、その高い熱安定性である。この記録した情報の高い熱および光安定性は、結晶成長中に生じた深いトラップのためであり、そしてＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶における光吸収帯のステップアニーリングテストによって証明される（図１１）。高い強度の青色レーザー光での記録中、４３０ｎｍ帯は３３５ｎｍおよび６２０ｎｍ帯に変換する［２Ｆ２２＋（２Ｍｇ）＋２ｈν→Ｆ２＋（２Ｍｇ）＋Ｆ２３＋（２Ｍｇ）］。光吸収帯の逆変換［Ｆ２＋（２Ｍｇ）＋Ｆ２３＋（２Ｍｇ）→Ｆ２２＋（２Ｍｇ）］は、約６５０℃で起こる。
【０１５８】
実施例ＸＶＩＩ
４３５ｎｍ吸収帯の逆フォトクロミック変換および回復を、パルス３３５±２０ｎｍ照射、またはより効率的なＦおよびＦ２＋（２Ｍｇ）中心の吸収に対応する２１５ｎｍ次いで３３５ｎｍレーザー光での結晶の連続照射のいずれかによって達成した。４３５ｎｍでの元の強い吸収および５２０ｎｍでの蛍光が回復した。Ｆ２＋（Ｍｇ）−中心をＦ２２＋（Ｍｇ）−中心に変換する逆フォトクロミックプロセスは、３３５ｎｍ吸収帯内のレーザー光の２光子吸収によって行われ得る。記録したデータの完全消去およびＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇの元の緑色の着色の回復は、結晶を６５０℃まで加熱することによって達成され得る（図１１）。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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】
【０１６２】
【図１】２光子吸収を用いて本発明のデータ記憶媒体に情報を書き込む工程、および共焦点検出機構を有するレーザー誘導蛍光を用いて本発明のデータ記憶媒体から情報を読み取る工程を示す概略図である。
【図２】２つの結晶の光吸収スペクトルを示す：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３】書き込みおよび消去操作中のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶における３３５、４３５、および６２０ｎｍ吸収帯のフォトクロミック変換を示し、そして色中心における電子の２光子吸収、イオン化、およびトラッピングの結果である。
【図４】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５】本発明の好適な実施態様のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇルミネセンス材料についての、５２０ｎｍでのＦ２２＋（２Ｍｇ）−中心発光の寿命が９±３ｎｓに等しい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６】本発明の好適な実施態様のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇルミネセンス材料についての、４３５および３３５ｎｍの吸収帯強度と「書き込み」時間の依存性との間の逆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７】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８】本発明の好適な実施態様のＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇルミネセンス材料についての、８０±５ｎｓに等しい７５０ｎｍでのＦ２＋（２Ｍｇ）−中心発光の寿命測定を示すグラフである。
【図９】ピーク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１０】光イオン化断面積の波長依存性を示すグラフであり、約３９０ｎｍにＡｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇにおいて「書き込み」操作を行うための最適波長を示す。
【図１１】図１１Ａ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６００℃までのトラップ電荷の高い熱安定性を示し；図１１Ｂ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６００℃までのトラップ電荷の高い熱安定性を示し；図１１Ｃ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６００℃までのトラップ電荷の高い熱安定性を示し；図１１Ｄは、６２０ｎｍ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６００℃までのトラップ電荷の高い熱安定性を示す。
【図１２】「書き込み」および「読み取り」操作中のＭｇ不純物ドープしたＡｌ２Ｏ３結晶における電子プロセスを示す、帯の図である。
【図１３】６３５ｎｍの赤色レーザー照射時間の関数として書き込まれたビットの蛍光振幅の依存性を説明し、多重読み出しサイクル中のデータの安定性と高出力焦点赤色レーザーでビットを消去する可能性との両方を示す。
【図１４】Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ媒体の書き込み状態に特徴的な３３５および６２０ｎｍ帯と媒体の元の状態または消去状態に特徴的な４３５ｎｍ光吸収帯との間の逆フォトクロミック変換を用いる光学消去操作を説明する。フォトクロミック変換を、光パラメトリック発振器の高ピーク出力の赤色（６２０ｎｍ）レーザー光を用いて多光子吸収の条件下で行った。
【図１５】Ａｌ２Ｏ３結晶のＸＹスキャン中の蛍光画像を測定することによる多重レベル１ビット記録を示すグラフであり、ここでは、１０ビットを、異なる数の６０ｐｓ「書き込み」レーザーパルスで結晶のボリュームに書き込んだ。
【図１６】「書き込み」レーザーパルスの数の関数としてのビットの変調深さの依存性を示すグラフであり、そして多重レベル１ビット記録を示す。
【図１７】ＣＷの４０５ｎｍレーザーダイオードを用いて５μｍ増分で結晶媒体のＸＹ平面に書き込みそして共焦点検出機構および４４０ｎｍのＣＷレーザーダイオードを用いて読み取った３×３ビットのマトリクスの蛍光画像である。
【図１８】１μｍ増分で結晶のＸＹ平面に１００×１００ビットを書き込んだ後の蛍光コントラストで得られた５００×５００ピクセル画像であり、ここでは、ビットを、青色の４１１ｎｍレーザーダイオードのパルスで書き込みそして４４０ｎｍレーザーダイオードで読み取った。読み出しを、タイプ１または「負」のモードの操作で行い、これは、Ｆ２２＋（２Ｍｇ）中心の５２０ｎｍ蛍光発光を利用する。
【図１９】結晶のＸスキャン中の蛍光コントラストで得られたビットプロファイルであり、１ビット当たり１５ｎＪおよび１μｍ増分ステップで書き込んだビットの空間的分解能を示す。
【図２０】１μｍ増分で結晶のＸＹ平面に１００×６０ビットを書き込んだ後の蛍光コントラストで得られた５００×３００ピクセル画像である。ビットを、青色の４７３ｎｍレーザーのパルスで書き込みそして６３３ｎｍＣＷレーザーで読み取った。読み出しを、タイプ２または「正」のモードの操作を用いて行い、これは、Ｆ２＋（２Ｍｇ）中心の６２０ｎｍ吸収帯および７５０ｎｍ蛍光発光を利用する。
【図２１】ビットを、横方向に２μｍおよび軸方向に７μｍの増分で結晶のボリュームに書き込んだ後の結晶のＸＺ平面における蛍光コントラストで得られた５層のビットの画像である。ビット画像を、青色の４７３ｎｍレーザーのパルスで書き込み、そして６３３ｎｍのＣＷレーザーで読み取った。そしてこれは、結晶のボリュームにおける多重層においてデータを書き込みそして読み取る可能性を示し、好ましくは「正」のモードの読み出し操作であり、これは、Ｆ２３＋（２Ｍｇ）中心の６２０ｎｍ吸収帯および７５０ｎｍ蛍光発光を利用する。
【図２２】Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶のボリュームに書き込みそして読み取ったデータビットについての４５ｄＢに等しい搬送波対雑音比（ＣＮＲ）を示す。出力スペクトルを、変調した４０５ｎｍレーザーダイオードで５００ビットを書き込みそして６３３ｎｍのＣＷレーザーで読み取った後の波形のＦＦＴによって得た。データを、レーザーエンコーダを装着した空気スピンドル上で回転する結晶媒体を有するダイナミックテスターを利用して得た。タイプ２または「正」のモードの読み取り操作を用いた。
【図２３】Ａｌ２Ｏ３：Ｃ，Ｍｇ結晶の光学特性の異方性を示し、そして４３５ｎｍ帯についての吸収の係数の角度依存性を示す：（ａ）結晶の光学ｃ軸が偏光光伝搬の方向に垂直に回転する場合、および（ｂ）結晶の光学ｃ軸が偏光光伝搬の方向に平行である場合。
【図２４】図２４Ａは、ディスクの平面に垂直でありそしてレーザー光伝搬の方向に平行である光学ｃ軸を有する異方性単結晶を用いる、書き込み、読み取り、および消去操作の好適な態様の１つを示す。この態様は、回転ディスクの角度位置における書き込み、読み取り、および消去効率における依存性を除外する。図２４Ｂは、回転ディスクの平面に平行でありそしてレーザー光伝搬の方向に垂直である光学ｃ軸を有する異方性単結晶を用いる、書き込みおよび読み取り操作の他の好適な態様を示す。レーザー光の偏光方向は、ディスクの回転と同期に回転し、そしてすべての場合に結晶の光学ｃ軸に平行である。この態様は、回転ディスクの角度位置における書き込み、読み取り、および消去効率における依存性を除外し、そして同時に、書き込み、読み取り、および消去操作のより高い効率についてのより高い光学吸収を提供する。
【図１】
0004820400.tif 000002
【図２】
0004820400.tif 000003
【図３】
0004820400.tif 000004
【図４】
0004820400.tif 000005
【図５】
0004820400.tif 000006
【図６】
0004820400.tif 000007
【図７】
0004820400.tif 000008
【図８】
0004820400.tif 000009
【図９】
0004820400.tif 000010
【図１０】
0004820400.tif 000011
【図１１】
0004820400.tif 000012
【図１２】
0004820400.tif 000013
【図１３】
0004820400.tif 000014
【図１４】
0004820400.tif 000015
【図１５】
0004820400.tif 000016
【図１６】
0004820400.tif 000017
【図１７】
0004820400.tif 000018
【図１８】
0004820400.tif 000019
【図１９】
0004820400.tif 000020
【図２０】
0004820400.tif 000021
【図２１】
0004820400.tif 000022
【図２２】
0004820400.tif 000023
【図２３】
0004820400.tif 000024
【図２４】
0004820400.tif 000025