Способ записи оптической информации в фототерморефрактивном стекле
METHOD OF RECORDING OPTICAL INFORMATION IN A PHOTOTHERMOREFRACTIVE GLASS

Изобретение относится к оптике и фотонике и может быть использовано для записи и длительного, архивного, хранения оптической информации в кодах высших порядков, например в восьмеричной или в шестнадцатеричной системах счисления.
Известен способ записи оптической информации в фототерморефрактивном стекле, содержащем ионы серебра, церия и сурьмы, заключающийся в локальном воздействии на стекло через непрозрачную маску непрерывным ультрафиолетовым излучением с длиной волны 300-315 нм (V.D. Dubrovin, А.I. Ignatiev, N.V. Nikonorov, A.I. Sidorov, Т.A. Shakhverdov, D.S. Agafonova. Luminescence of silver molecular clusters in photo-thermo-refractive glasses // Optical Materials, V. 36 (2014) P. 753-759). В процессе ультрафиолетового облучения происходит фотоионизация ионов фотосенсибилизатора (церия). Освободившиеся при этом электроны захватываются положительно заряженными молекулярными кластерами серебра, которые переходят в нейтральное состояние. Так как нейтральные молекулярные кластеры серебра обладают интенсивной люминесценцией в видимой области спектра, то участки стекла, облученные ультрафиолетовым излучением, приобретают люминесцентные свойства. Недостатком способа является необходимость использования маски при облучении ультрафиолетовым излучением. Недостатком является также невозможность записи оптической информации в кодах высших порядков.
Известен способ записи оптической информации в фототерморефрактивном стекле, содержащем ионы серебра, церия и сурьмы, выбранный в качестве прототипа (D.A. Klyukin, V.D. Dubrovin, A.S. Pshenova, S.Е. Putilin, Т.А. Shakhverdov, A.N. Tsypkin, N.V. Nikonorov, A.I. Sidorov. Formation of luminescent and nonluminescent silver nanoparticles in silicate glasses by near-infrared femtosecond laser pulses and subsequent thermal treatment: the role of halogenides // Optical Engineering, V. 55 (2016) P. 067101-1-7), который заключается в локальном воздействии на стекло фемтосекундными лазерными импульсам и ближнего инфракрасного диапазона (λ=790 нм) и последующей термообработке стекла при температуре выше температуры стеклования. При облучении стекла фемтосекундными лазерными импульсами происходит многофотонная фотоионизация дефектов сетки стекла. Освободившиеся при этом электроны захватываются положительно заряженными ионами и молекулярными кластерами серебра, которые переходят в нейтральное состояние. При последующей термообработке, за счет термической диффузии, атомы серебра присоединяются к нейтральным молекулярным кластерам серебра, что приводит к увеличению их размеров. В результате в стекле формируются наночастицы серебра, обладающие плазмонным резонансом, который приводит к появлению полосы поглощения в спектральном интервале 400-450 нм. Это приводит к необратимому окрашиванию облученной зоны в желтый или коричневый цвет в зависимости от концентрации наночастиц серебра и состава стекла. Недостатком способа является большая длина волны записывающего излучения, что ограничивает минимальный геометрический размер записанного бита информации величиной в 1 мкм.
Изобретение решает задачи уменьшения минимального геометрического размера записанного бита информации, повышения плотности записи информации за счет записи информации в кодах высокого порядка, а также повышения контраста при считывании информации.
2
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что для записи кодов чисел используют лазерное излучение ультрафиолетового диапазона наносекундной длительности с постоянной плотностью энергии лазерного излучения, например 0,3-0,8 Дж/см, но с различным количеством лазерных импульсов, например, 1-16 импульсов, а после термообработки участок стекла с записанной информацией облучают непрерывным ультрафиолетовым излучением с длиной волны 300-315 нм в течение 10-20 мин, причем после облучения непрерывным ультрафиолетовым излучением стекло термообрабатывают при температуре 350-400°C в течение 1 ч.
При локальном воздействии на фототерморефрактивное стекло, содержащее ионы серебра, церия и сурьмы наносекундными лазерными импульсами ультрафиолетового диапазона, происходит фотоионизация дефектов сетки стекла. Освободившиеся при этом электроны захватываются положительно заряженными ионами и молекулярными кластерами серебра, которые переходят в нейтральное состояние. Часть свободных электронов захватывается также ионами сурьмы. При последующей термообработке выше температуры стеклования, за счет термической диффузии, атомы серебра присоединяются к нейтральным молекулярным кластерам серебра. При этом происходит увеличение размеров молекулярных кластеров серебра и в результате в стекле формируются наночастицы серебра, обладающие плазмонным резонансом, который приводит к появлению полосы поглощения в спектральном интервале 400-450 нм. Это приводит к необратимому окрашиванию облученной зоны стекла.
Увеличение количества лазерных импульсов, воздействующих на один участок стекла, соответствует увеличению дозы облучения. Это приводит к увеличению концентрации свободных электронов ив результате к увеличению концентрации нейтральных атомов и молекулярных кластеров серебра. Поэтому при последующей термообработке концентрация наночастиц серебра увеличивается. Это приводит к увеличению амплитуды полосы поглощения, соответствующей плазмонному резонансу, и к увеличению интенсивности окрашивания стекла в облученной зоне. Таким образом, варьируя количество воздействующих лазерных импульсов, можно создавать заданный уровень оптической плотности в облученной зоне и ставить ему в соответствие определенный код числа системы счисления высокого порядка, например восьмеричной системы счисления. Кодом числа в данном случае является сигнал считывающего фотодиода.
3+
При последующем облучении стекла непрерывным ультрафиолетовым излучением с длиной волны 300-315 нм происходит фотоионизация ионов церия Ce. Освободившиеся при этом электроны захватываются оставшимися ионами и заряженными молекулярными кластерами серебра, которые переходят в нейтральное состояние, а также ионами сурьмы. Данный процесс происходит только вне облученных лазером зон, так как внутри этих зон серебро трансформировалось в наночастицы. Так как атомы и нейтральные молекулярные кластеры серебра обладают люминесценцией в видимой области спектра, то в необлученных участках стекла появляется люминесценция при ее возбуждении ультрафиолетовым или фиолетовым излучением. При дополнительной термообработке после ультрафиолетового облучения при температуре 350-400°C ионы сурьмы отдают в стекло захваченные ранее электроны, которые, в свою очередь, захватываются оставшимися ионами и заряженными молекулярными кластерами серебра, переводя их в нейтральное состояние. Это приводит к увеличению концентрации атомов и нейтральных молекулярных кластеров серебра в необлученных лазером участках стекла и к увеличению интенсивности люминесценции этих участков. Для считывания записанной оптической информации может быть использован полупроводниковый лазер с длиной волны генерации 405 нм, попадающей в плазмонную полосу поглощения наночастиц серебра, и дешевый широко распространенный кремниевый фотодиод. В облученных лазером зонах излучение лазера частично поглощается и сигнал фотодиода соответствует коду записанного числа. Вне облученных зон, при отсутствии дополнительного облучения непрерывным ультрафиолетовым излучением, описанного ранее, излучение лазера полностью проходит через стекло и регистрируется фотодиодом. Сигнал фотодиода, в этом случае, соответствует коду числа «0».
Однако длина волны 405 нм приходится на край спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов. Поэтому контраст между сигналом, соответствующим коду числа «0», и сигналами, соответствующими кодам других чисел, невелик. При формировании люминесцентных центров в необлученных лазером участках стекла часть излучения с длиной волны 405 нм поглощается этими центрами и преобразуется в излучение в спектральном интервале 550-750 нм, который соответствует высокой чувствительности кремниевого фотодиода. Это дает возможность увеличить сигнал фотодиода, соответствующий коду числа «0», и за счет этого увеличить контраст при считывании оптической информации. При использовании объектива с числовой апертурой NA=1-1.4 лазерное излучение с длиной волны 355 нм может быть сфокусировано в пятно размером 0.5-0.6 мкм. Это позволяет уменьшить геометрический размер записанного бита информации до 0.5-0.6 мкм.
Достоинством предлагаемого способа является то, что благодаря использованию для записи информации ультрафиолетового излучения может быть уменьшен минимальный геометрический размер записанного бита информации. Достоинствами являются также то, что может быть повышена плотность записи информации за счет записи информации в кодах высокого порядка, а также то, что может быть повышен контраст при считывании информации за счет формирования люминесцентных центров в необлученных лазером участках стекла.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 показана фотография фототерморефрактивного стекла после локального лазерного облучения различным количеством импульсов и термообработки при Т=520°C в течение 3 ч. Цифры у нижнего ряда облученных участков соответствуют кодам чисел в восьмеричной системе счисления.
На фиг. 2 показаны: спектры оптической плотности фототерморефрактивного стекла после локального лазерного облучения различным количеством импульсов и термообработки при Т=520°C в течение 3 ч. 12 - 0 импульсов, 13 - 1,14 - 5, 15 - 6, 16 - 7, 17 - 10. Пунктир - длина волны генерации полупроводникового лазера.
На фиг. 3 показана: зависимость поглощения фототерморефрактивного стекла на длине волны 405 нм от количества лазерных импульсов после локального лазерного облучения и термообработки при Т=520°С в течение 3 ч. Нижний ряд чисел - код числа в восьмеричной системе счисления.
На фиг. 4 показана: фотография люминесценции фототерморефрактивного стекла после локального лазерного облучения различным количеством импульсов, термообработки при Т=520°С в течение 3 ч и облучения непрерывным ультрафиолетовым излучением в течение 15 мин. Длина волны возбуждения люминесценции 405 нм.
На фиг. 5 показаны: 18 - спектральная зависимость оптической плотности фототерморефрактивного стекла после локального лазерного облучения 10-ю лазерными импульсами и термообработки при Т=520°C в течение 3 ч; 19 - спектральная зависимость люминесценции участков стекла, не подвергнутых лазерному облучению, но подвергнутых облучению непрерывным ультрафиолетовым излучением в течение 15 мин. Длина волны возбуждения люминесценции 405 нм; 20 - спектральная зависимость чувствительности кремниевого фотодиода. Пунктир - длина волны 405 нм.
Сущность изобретения раскрывается на примере, который не должен рассматриваться экспертом как ограничивающие притязания изобретения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Пример
2
2
2
3
2
2
2
3
2
Для записи оптической информации используют фототерморефрактивное силикатное стекло - система: SiO-NaO-AlO-ZnO-NaCl с добавками AgO (0.2 мол. %), CeO (0.05 мол. %) и SbO (0.04 мол. %). Необходимо отметить, что при синтезе стекла ионы церия переходят в трехвалентное состояние, а ионы сурьмы - в пятивалентное. Температура стеклования данного стекла, измеренная с помощью дифференциального сканирующего калориметра, составила 495°С. Полированные пластины стекла облучают импульсным излучением третьей гармоники YAG:Nd лазера (длина волны - 355 нм) с длительностью лазерного импульса 9 нс и плотностью энергии в импульсе 0.5 Дж/см. Размер облучаемого участка стекла равен 1 мм. Выбор размера облучаемого участка обусловлен удобством последующих спектральных измерений. Количество лазерных импульсов в каждом облучаемом участке варьируют от 1 до 10. После лазерного облучения проводят термообработку стекла при температуре 520°С в течение 3 ч. После термообработки облученные участи стекла приобретают окраску от светло-желтой до красно-коричневой в зависимости от количества воздействующих лазерных импульсов (фиг. 1), а на спектрах оптической плотности появляется полоса поглощения в спектральном интервале 380-600 нм, соответствующая плазмонному резонансу наночастиц серебра (фиг. 2). Амплитуда плазмонной полосы поглощения увеличивается с увеличением количества воздействующих лазерных импульсов. Для считывания информации используют полупроводниковый лазер с длиной волны генерации 405 нм и кремниевый p-i-n фотодиод BPW34. На фиг. 3 показана зависимость поглощения фототерморефрактивного стекла на длине волны 405 нм от количества лазерных импульсов после локального лазерного облучения и термообработки при Т=520°С в течение 3 ч. Из фиг. 3 видно, что зависимость близка к линейной, а изменение поглощения при изменении количества воздействующих импульсов на 1 составляет 8%. Это позволяет надежно регистрировать данное изменение с помощью фотодиода. Таким образом, можно сопоставить сигнал фотодиода с поглощением в облученном участке стекла, и поставить ему в соответствие код числа в системе счисления высокого порядка, например в восьмеричной системе счисления. Например, участку стекла, облученному одним лазерным импульсом, можно поставить в соответствие «1», двумя импульсами - «2» и т.д. При уменьшении плотности энергии лазерного излучения и увеличении диапазона варьирования количества лазерных импульсов может быть осуществлена запись информации в шестнадцатеричной системе счисления.
Для повышения контраста считывания записанной информации стекло после лазерного облучения и термообработки облучают излучением ртутной лампы, имеющей полосу излучения в спектральном интервале 300-315 нм, в течение 15 мин. При этом на участках стекла, не подвергнутых лазерному облучению, появляется люминесценция в видимой области спектра при ее возбуждении излучением с длиной волны 405 нм (фиг. 4). На фиг. 5 показаны спектральная зависимость оптической плотности фототерморефрактивного стекла в области лазерного воздействия после локального лазерного облучения 10-ю лазерными импульсами и термообработки при Т=520°C в течение 3 ч (кривая 18), спектральная зависимость люминесценции участков стекла, не подвергнутых лазерному облучению, но подвергнутых облучению непрерывным ультрафиолетовым излучением в течение 15 мин (кривая 19) и спектральная зависимость чувствительности кремниевого фотодиода BPW34 (кривая 20). Из фиг. 3 видно, что спектральное преобразование излучения с длиной волны 405 нм в спектральный интервал высокой чувствительности кремниевого фотодиода позволяет увеличить сигнал фотодиода, соответствующий коду числа «0» (участки стекла, не облученные импульсным лазером). Измерения показали, что контраст считывания в этом случае увеличивается в 2 раза. Для дальнейшего увеличения контраста считывания стекло с записанной информацией после облучения ртутной лампой подвергают термообработке при температуре 380°C в течение 1 ч. Это приводит к дополнительному увеличению интенсивности люминесценции в 2.5 раза. Во столько же раз увеличивается контраст считывания информации.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить минимальный геометрический размер записанного бита информации, повысить плотности записи информации за счет записи информации в кодах высокого порядка, а также повысить контраст при считывании информации за счет формирования люминесцентных центров в необлученных лазером участках стекла. Достоинством предложенного способа является надежность хранения информации: качество записи не изменяется при воздействии ультрафиолетового и видимого излучений, а также при нагреве до 400°С, что важно при возникновении аварийных ситуаций, например при пожаре.