Способ записи информации в кварцевом стекле
INFORMATION RECORDING METHOD IN QUARTZ GLASS

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности, к способу записи информации на носитель из кварцевого стекла под действием лазерного излучения. Полученный результат может быть использован для создания устройств долговечной пятимерной оптической памяти на кварцевом стекле со сверхплотной емкостью хранения информации и повышенной термической стабильностью.
Суть процесса записи информации на оптический носитель с помощью лазерного пучка можно представить как создание контраста между облученной областью и исходной средой - питов, в которых кодируются данные. При этом создаваемый контраст, который впоследствии является источником сигнала при считывании информации, в критической степени зависит от условий лазерного модифицирования.
2
Известен способ записи информации на аморфной халькогенидной пленке, в основе которого лежат фотоструктурные превращения при облучении с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны материала [RU 2298839]. Облучение производилось ртутной лампой или N-лазером. Данный способ отличается низкой скоростью записи питов: процесс окисления, приводящий к образованию химических связей М-О (M=Ge, Ga) и просветлению пленки, протекает в течение более 10 мин. Плотность хранения данных в носителе такого типа ограничена двумя измерениями. Кроме того, термическая стабильность халькогенидов существенно более низкая по сравнению с оксидными стеклами.
Известен способ записи информации в фоточувствительном стекле, легированном ионами серебра [RU 2543670], с помощью фемтосекундного лазерного пучка с длиной волны в ближнем ИК диапазоне 0,8-1,1 мкм. Способ заключается в том, что при локальном воздействии фемтосекундных лазерных импульсов с длительностью 200 фс, энергией 1,67-10 мкДж и частотой следования 300 кГц на стекло, происходит восстановление ионов Ag+ за счет многофотонного поглощения и фотоионизации, что увеличивает интенсивность люминесценции облученной области. Хотя плотность хранения данных в приведенном способе более высокая по сравнению с предыдущим примером за счет использования третьей координаты, она ограничена возможностью записи 1 бит информации в одном пите. Недостатками данного способа является также низкая термическая стабильность (ниже 400°С) оптического носителя по сравнению с кварцевым стеклом.
Известен способ трехмерной записи информации в объеме стекол и кристаллов, содержащих в своем составе редкоземельные ионы, под действием импульсного лазерного излучения [US 6728154]. Для этого предлагается локально изменять валентное состояние редкоземельных ионов с помощью сфокусированного лазерного пучка и детектировать люминесценцию пита. Пиковая плотность мощности лазерного излучения должна находиться в диапазоне 108-1017 Вт/см2 и быть достаточной для изменения валентного состояния редкоземельных ионов. При этом пропускание области носителя данных, используемой для записи в трех измерениях, на длине волны записывающего лазера должно быть не ниже 30%. Поскольку в данном патенте для кодирования информации используется только два состояния люминесцирующих ионов (необлученные и облученные), недостатком предложенного способа является ограничение плотности записи информации одним битом в одной пространственной точке записи (пите).
Известен способ трехмерной записи информации лазерным пучком за счет контраста показателя преломления [Shiozawa, Manabu, et al. Simultaneous multi-bit recording in fused silica for permanent storage // Japanese Journal of Applied Physics - 52.9S2 (2013). 09LA01]. Для записи использовался титан-сапфировый лазер, генерирующий на длине волны 800 нм импульсы энергии в диапазоне 150-1400 нДж и длительностью 120 фс с частотой следования 1 кГц. Фокусировка в объем стекла осуществлялась с помощью объектива с числовой апертурой 0,7, и производилась запись 26 слоев с расстоянием 50 мкм между ними. Слои включали в себя точки, отличающиеся по яркости при наблюдении под микроскопом; их минимальная глубина составляла 25 мкм при коррекции аберраций. При этом показана термическая стабильность оптического носителя с записанной информацией при 1000°С в течение 2 часов. Основными недостатками способа является ограничение плотности записи информации одним битом в одной пространственной точке записи (пите), а также использование для считывания данных отраженного от пита света, что для обеспечения уверенного считывания точки требует уровня отражения не ниже некоторого порога. При многослойной записи данных на этом принципе слои, расположенные на пути лазерного пучка к считываемому слою, отражают часть данных, что приводит к постепенному ослаблению пучка и, в конечном итоге, ограничивает либо количество слоев, которые можно считывать с приемлемым соотношением «сигнал-шум», либо плотность записи питов в слое уровнем, выше которого потери проходящего пучка на отражение становятся неприемлемыми при считывании требуемого количества слоев.
Наиболее близкой к сути изобретения является работа, где описан способ пятимерной записи информации фемтосекундным лазерным пучком за счет поляризационно-зависимого двулучепреломления, величина которого зависит от условий облучения [Zhang, Jingyu, et al. "Seemingly unlimited lifetime data storage in nanostructured glass." Physical review letters 112.3 (2014): 033901.], принимаемая за прототип. Считывание данных проводилось путем анализа прошедшего света. При прохождении через облученную двулучепреломляющую область луч света разделяется на два взаимно ортогонально-поляризованных луча - обыкновенный и необыкновенный, между которыми возникает фазовый сдвиг, выражаемый в нм. Величина фазового сдвига определяется формулой:
o
e
где n и n - показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного луча соответственно, Δ - глубина двулучепреломляющей области в нм.
Сформированная лазерным пучком анизотропная область имеет «медленную» ось, т.е. направление, вдоль которого показатель преломления для необыкновенного луча максимален. Ранее в предыдущих работах [Shimotsuma, Yasuhiko, et al. "Self-organized nanogratings in glass irradiated by ultrashort light pulses." Physical review letters 91.24 (2003): 247405, Beresna, Martynas, et al. "Exciton mediated self-organization in glass driven by ultrashort light pulses." Applied Physics Letters 101.5 (2012): 053120.] авторами прототипа было установлено, что ориентация «медленной» оси пита перпендикулярна плоскости поляризации пучка лазера. Фазовый сдвиг пита возрастает при увеличении количества или энергии лазерных импульсов. Таким образом, кодирование информации возможно не только в трех пространственных измерениях, но и в нескольких направлениях «медленной» оси и уровнях фазового сдвига, что позволяет закодировать в одной пространственной точке более одного бита информации (т.е., реализуется принцип многоуровневой памяти). Это позволяет увеличить плотность записи информации на оптический носитель пропорционально числу бит, записанных в одной точке. Для записи питов применялась фемтосекундная лазерная система на кристалле калий-гадолиниевого вольфрамата, допированного иттербием. Лазерные импульсы длиной волны 1030 нм, длительностью 280 фс с частотой следования 200 кГц фокусировались в пятно размером меньше 1 мкм с помощью водно-иммерсионного объектива с числовой апертурой 1,2. Питы записывались на глубине 130-170 мкм через каждые 3,7 мкм послойно с расстоянием между слоями 20 мкм. Была показана запись трех слоев информации и продемонстрировано считывание с них. Авторами прототипа отмечено, что одним из критических параметров, лимитирующих скорость записи в предложенном им способе, является энергия импульса лазерного излучения. Для ускорения записи в прототипе пучок лазера с исходной энергией импульсов 6,3 мкДж разбивался с помощью пространственного модулятора света на максимум 100 лазерных пучков, т.е. минимальная энергия импульса для формирования пита составляла 63 нДж. Скорость записи при таких условиях составляла 6,3 КБ/с. Механизм образования анизотропной структуры под действием фемтосекундного лазерного пучка до настоящего времени находится под вопросом [Beresna, Martynas, et al. "Exciton mediated self-organization in glass driven by ultrashort light pulses." Applied Physics Letters 101.5 (2012): 053120.]. Поэтому для ускорения процесса записи информации с помощью двулучепреломляющих питов требуется экспериментальная оптимизация параметров лазерного излучения. Только определенные параметры лазерного пучка приводят к достижению кварцевым стеклом температурно-вязкостных характеристик, при которых формируются области с анизотропией.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение состоит в увеличении до трех раз скорости записи информации на оптический носитель из кварцевого стекла.
Технический результат, достижение которого обеспечивается при осуществлении настоящего изобретения согласно формуле, заключается в повышении скорости записи информации.
Поставленная задача решается таким способом записи информации в кварцевом стекле, при котором микрообласти с поляризационно-зависимым двулучепреломлением формируются путем модифицирования кварцевого стекла пучком лазера, излучающего на длине волны ближнего ИК диапазона фемтосекундные импульсы энергией от 20 до 30 нДж, причем лазерный луч фокусируется с помощью объектива с числовой апертурой от 0,45 до 0,9, обеспечивающей большую по сравнению с прототипом глубину фокуса. Таким образом, заявленное снижение энергии импульса лазерного излучения позволяет достигать трехкратного повышения скорости записи информации (до 18,9 КБ/с) на оптический носитель. В свою очередь, понижение числовой апертуры используемого объектива обеспечивает квадратичное увеличение глубины двулучепреломляющей области, а, следовательно, значение фазового сдвига пита и его уверенное считывание. При этом исходный лазерный пучек может быть разделен на 100-300 пучков.
Для создания питов в объеме полированного с двух сторон оптического носителя из кварцевого стекла применялась установка, в которой излучение ближнего ИК диапазона длиной волны 1030 нм с фемтосекундного регенеративного усилителя ослабляется до требуемого значения энергии импульса с помощью оптического аттенюатора, состоящего из вращающейся полуволновой пластины и призмы Глана, проходит еще одну полуволновую пластину, угол поворота которой определяет ориентацию линейной поляризации лазерного пучка, через систему зеркал попадает на объектив с числовой апертурой в диапазоне от 0,45 до 0,9, и фокусируется в объеме стекла. Величина энергии импульса лазерного излучения измерялась после оптического аттенюатора. Оптический носитель располагался на моторизованном трехкоординатном столе с точностью перемещения 0,2 мкм. Минимальная глубина фокусировки лазерного пучка составляла 20 мкм во избежание возможности образования трещин. При лазерном воздействии на кварцевое стекло образовывались питы - локальные области диаметром около 1,5 мкм, обладающие локальным поляризационно-зависимым двулучепреломлением. Для регистрации величины двулучепреломления (фазового сдвига) и ориентации «медленной» оси облученных областей может применяться, например, система Abrio Microbirefringence [US 7372567] на базе оптического поляризационного микроскопа Olympus ВХ51. При облучении стекла на большой глубине нужно принимать во внимание возникающие сферические аберрации, которые оказывают влияние на величину фазового сдвига питов. Проблема сферических аберраций может быть решена, в частности, применением пространственного модулятора света.
Рассмотрим частные примеры осуществления настоящего изобретения, отметив при этом, что настоящее изобретение не ограничивается описанными далее примерами.
Пример 1.
Кварцевое стекло облучают сфокусированными объективом с числовой апертурой 0,55 на глубине 30 мкм в пятно диаметром 1,5 мкм фемтосекундными лазерными импульсами с длиной волны 1,03 мкм, длительностью импульсов 300 фс, частотой повторения импульсов 200 кГц и средней мощностью 0,004-0,012 Вт (энергия импульса 20-30 нДж). Число импульсов варьируется от 4 до 16384 импульса на пит. В результате облучения получены массивы питов с ориентацией «медленной» оси 0° и 90° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, фазовым сдвигом в диапазоне 7-38 нм (Фиг. 1). На записанную информацию не влияет термообработка при 600°С в течение 2 ч. Снижение энергии импульсов до 20 нДж в приведенном примере обеспечивает возможность разбивки лазерного пучка на 300 пучков и увеличения скорости записи до 18,9 КБ/с.
Пример 2.
Под воздействием сфокусированных с помощью объектива (числовая апертура 0,9) фемтосекундных импульсов на длине волны 1,03 мкм длительности 600 фс в интервале энергий 20-30 нДж при частоте следования импульсов 200 кГц в объеме кварцевого стекла сформирован массив питов на глубине 80 мкм. Питы различаются уровнем фазового сдвига в интервалах 10-30 с шагом 5 нм (Фиг. 2) и имеют ориентацию «медленной» оси 90° относительно плоскости поляризации лазерного излучения. Снижение энергии импульсов до 20 нДж в приведенном примере обеспечивает возможность разбивки лазерного пучка на 300 пучков и увеличения скорость записи до 18,9 КБ/с.
Таким образом, подтверждается возможность осуществления настоящего изобретения согласно формуле с достижением заявленного результата.