ОПТИЧЕСКИЙ НОСИТЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к носителям информации и может использоваться для записи, хранения и считывания записанной на носитель информации.
Аналогами полезной модели являются оптические носители информации, выполненные из фотополимеров [М. М. Wang et al. Tree-Dimensional Optical Data Storage in a Fluorescent Dye-Doped Photopolymer, Applied Optics, Vol.39, No. 11, p.1826-1834, 2000; H. Zhang et al. Single-Beam Two-Photon-Recorded Monolithic Multi-Layer Optical Disks, Optical Data Storage, Proc. SPIE, Vol.4090, p.174-178, 2000]. Запись информации на данные носители осуществляется созданием в них люминесцирующих областей действием оптического излучения. Считывание основано на возбуждении люминесценции данных областей оптическим излучением и регистрации данной люминесценции. Недостатком данных аналогов полезной модели является то, что большинство фотополимеров могут со временем менять свой объем и постепенно теряют люминесцентные свойства при многократном считывании информации.
2
3
Ближайшим аналогом полезной модели является оптический носитель информации, выполненный из монокристаллического оксида алюминия с примесью углерода и магния AlO:C,Mg [Заявка США №7072275 В2], который принят за ее прототип. Оксид алюминия с примесью углерода и магния является кристаллическим диэлектрическим материалом, в этом случае - монокристаллом. Запись информации на такой носитель осуществляется лазерным лучом и основана на формировании центров окраски определенного типа действием лазерного луча с образованием информационных питов. Информационный пит - это область в материале, используемая для хранения отдельного элемента информации, имеющая соответствующие определенные физические свойства. В ближайшем аналоге определенные физические свойства области в материале, являющейся информационным питом, связаны с наличием в данной области центров окраски определенного типа, формируемых действием лазерного луча. Считывание информации основано на возбуждении люминесценции указанных центров окраски действием оптического излучения. Недостатком прототипа является анизотропность применяемого в нем монокристаллического материала, т.к. монокристаллы обладают анизотропией оптических свойств [Е.Ф.Мартынович. Центры окраски в лазерных кристаллах. Иркутск: Изд-во Иркут. Ун-та, 2004. - 227 с.; M.S.Akselrod et al. Fluorescent Aluminium Oxide Crystals for Volumetric Optical Data Storage and Imaging Applications // Journal of Fluorescence. 2003. Vol.13, No. 6], что осложняет применение носителей информации произвольной формы, например, в форме диска. Другим недостатком прототипа является сложность его изготовления в случае больших размеров и сложной формы, например, в форме диска, что вызвано применением монокристаллического материала.
Предлагаемая полезная модель решает задачу создания на основе диэлектрических кристаллов оптического носителя информации, лишенного анизотропии материала, из которого он выполнен, и упрощение его изготовления при сохранении стабильности его механических и оптических свойств.
Поставленная задача решается тем, что предлагается оптический носитель информации, выполненный из кристаллического диэлектрического материала, способного образовывать информационные питы под воздействием лазерного луча, у которого названный кристаллический диэлектрический материал имеет поликристаллическую структуру, состоящую из множества кристаллических зерен, кристаллическая решетка каждого из которых, характеризуется постоянной кристаллической решетки.
Целесообразно, чтобы средний размер кристаллического зерна поликристаллической структуры был, по меньшей мере, в три раза больше постоянной кристаллической решетки и, по меньшей мере, в три раза меньше размера информационного пита.
Носитель информации может быть выполнен, например, в форме диска с отверстием в центре, или в форме прямоугольной или квадратной пластины.
Постоянная кристаллической решетки - это расстояние между ближайшими эквивалентными узлами кристаллической решетки. На фиг.1 в качестве примера изображена двумерная схема некоторой поликристаллической структуры, где пунктирными линиями обозначены границы кристаллических зерен, черными кругами обозначены узлы кристаллической решетки, а - постоянная кристаллической решетки.
На фиг.2 и фиг.3 изображены носители информации разной формы. Оптический носитель информации может быть выполнен в форме диска с отверстием в центре (фиг.2), или в форме прямоугольной или квадратной пластины (фиг.3), в зависимости от типа записывающего и считывающего устройств.
На фиг.4 и фиг.5 изображены поликристаллические структуры и информационные питы.
2
2
3
2
2
2
3
-
+*
+
+
Кристаллическим диэлектрическим материалом может быть фторид лития LiF, или фторид натрия NaF, или фторид магния MgF, или оксид алюминия АlО, содержащий F-центры окраски, или иное широкозонное кристаллическое соединение, причем целесообразно, чтобы применяемый материал являлся оптической керамикой. Кристаллический диэлектрический материал может содержать примеси, которые способствуют снижению мощности лазерного луча, необходимой для образования информационных питов, и/или повышают стабильность информационных питов. В случае применения фторида лития LiF, такой примесью может быть, например, гидроксил ОН. Его присутствие в данном материале приводит к образованию стабилизированных кислородом центров окраски F , которые, в отличие от центров окраски F , стабильны при комнатных температурах. При изготовлении оптического носителя информации из оксида алюминия АlО, необходимо использовать оксид алюминия (α-фаза), термохимически обработанный в восстановительных условиях, в результате чего в нем содержится повышенная концентрация F-центров окраски (вакансии кислорода с двумя захваченными электронами), которые, в результате оптического воздействия, превращаются в F-центры окраски, формирующие информационные питы.
Оптический носитель информации работает следующим образом.
Запись информации на оптический носитель информации осуществляется записывающим устройством. Записывающее устройство содержит лазер. Для записи информации луч лазера записывающего устройства поочередно воздействует на определенные области кристаллического диэлектрического материала, из которого выполнен оптический носитель информации. Для этого лазерный луч указанного лазера фокусируется в данные области на определенные интервалы времени. В результате, в данных областях формируются определенные центры окраски, вследствие чего данные области приобретают определенные физические свойства и, тем самым, становятся информационными питами. Указанные определенные физические свойства заключаются в способности данных областей люминесцировать при воздействии на данные области определенного оптического излучения.
Считывание информации с оптического носителя информации осуществляется считывающим устройством. Считывающее устройство содержит источник определенного оптического излучения и приемник оптического излучения. Для считывания информации, информационные питы оптического носителя информации поочередно подвергаются воздействию оптического излучения указанного источника считывающего устройства. При этом информационные питы оптического носителя информации люминесцируют. Люминесценция информационных питов регистрируется приемником оптического излучения считывающего устройства.
2
2
-
Исследования показывают, что поликристаллические диэлектрические материалы, в том числе оптические керамики с наноразмерными кристаллическими зернами, имеют свойства центров окраски, аналогичные свойствам центров окраски монокристаллических материалов [Е.Ф.Мартынович и др. Лазерный материал. Авторское свидетельство СССР №1538846; О.V.Palashov et al. Comparison of the optical parameters of a CaF single crystal and optical ceramics // Quantum Electronics, Vol.37, No. 1, p.27-28, 2007; Т.Т.Basiev et al. Lasing in diode-pumped fluoride nanostructure F :LiF colour centre ceramics // Quantum Electronics, Vol.37, No. 11, p.989-990, 2007].
При этом поликристаллические материалы проявляют изотропию и однородность оптических свойств, в случае, если размер отдельных кристаллических зерен значительно меньше пространственной разрешающей способности оптических приборов, посредством которых данные свойства регистрируются либо формируются. Кроме того, производство поликристаллических изделий больших размеров и сложной формы проще, чем монокристаллических. Поэтому поликристаллические материалы в большей степени подходят для изготовления оптических носителей информации, чем монокристаллы.
Средний размер кристаллических зерен материала носителя информации должен быть, по меньшей мере, в три раза больше постоянной кристаллической решетки, так как в противном случае невозможно возникновение и существование агрегатных центров окраски. С другой стороны, для обеспечения наблюдаемой изотропности оптических свойств материала, размер его кристаллических зерен должен быть, по меньшей мере, в три раза меньше размера информационных питов. На фиг.4 и фиг.5 изображены поликристаллические структуры (сплошные линии обозначают границы кристаллических зерен) и информационные питы (пунктирные линии обозначают границы информационных питов). В случае, изображенном на фиг.4, размер информационного пита значительно превышает средний размер кристаллических зерен, тогда как в случае, представленном на фиг.5, размер информационного пита превышает средний размер кристаллических зерен в 3-4 раза.
2
3
Удобным материалом для применения в полезной модели является, фторид лития LiF в форме оптической керамики. В случае использования фторида лития, лазер, содержащийся в записывающем устройстве, должен быть фемтосекундным лазером вследствие относительно большой ширины запрещенной зоны в данном материале. Таким лазером может быть, например, лазер, имеющий, в качестве активной среды, оксид алюминия AlO с примесью титана. Другим фемтосекундным лазером, пригодным для записи информации в таком материале, может быть волоконный лазер на стекле с примесью иттербия.
Физические процессы, происходящие при формировании информационных питов во фториде лития под воздействием указанного лазера заключаются в следующем. Вначале происходит поглощение оптического излучения, вызывающее появление электронов и дырок. Поскольку ширина запрещенной зоны в данном материале приблизительно в 10 раз превышает энергию отдельных фотонов указанного лазера, появление электронов и дырок возможно лишь при нелинейном, например, многофотонном поглощении. Далее, из электронов и дырок образуются экситоны (пары электронов и дырок, связанные определенным образом):
Здесь е - электрон, р - дырка, ex - экситон. Экситоны, в свою очередь, преобразуются в пару структурных френкелевских дефектов:
Здесь F и Н - анионные френкелевские дефекты (F - вакансия фтора, захватившая электрон, Н - нейтральный межузельный атом фтора.). Френкелевский дефект F после рекомбинации с ним дырки р образует подвижную анионную вакансию:
а
а
2
+
+
+
Здесь V ↑ - подвижная анионная вакансия (стрелка «↑» здесь и далее обозначает способность соответствующего дефекта перемещаться при рабочей температуре). Взаимодействие подвижной анионной вакансии V ↑ с другим френкелевским дефектом F приводит к формированию подвижного центра окраски F ↑
2
3
2
+
+
Далее, подвижные центры окраски F ↑ взаимодействуют с другими френкелевскими дефектами F и электронами е с образованием неподвижных центров окраски F , и F:
3
2
+
В результате описанной последовательности процессов, в материале формируются информационные питы, способные люминесцировать с высоким выходом при воздействии оптического излучения вследствие наличия в них центров окраски F , и F.
Геометрическая форма и размер информационных питов зависят от интенсивности и фокусировки формирующих их лазерных импульсов. Нелинейность поглощения оптического излучения при записи информации приводит к пространственному обострению (уменьшению) области хранения элементарной единицы информации относительно размера пятна фокусировки лазерного луча. В периферийных областях данного пятна центры окраски не формируются вследствие недостаточной интенсивности излучения. Данный эффект позволяет повысить плотность записи информации.
Таким образом, предлагаемый оптический носитель информации не анизотропен и его проще изготовить.