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

Изобретение относится к оптике и фотонике, и может быть использовано для записи в стекле оптической информации в цифровом или аналоговом форматах, а также для создания в стекле нано- и микроразмерных источников света.
2
Известен способ формирования металлических нанокластеров в стекле, содержащем ионы серебра или меди, центров окраски в виде наночастиц серебра или меди (Патент РФ №2394001, МПК С03 17/06, дата приоритета 05.11.2008, опубликовано 10.07.2010). Сущность способа заключается в том, что стекло, содержащее ионы серебра или меди, локально облучают электронами с энергией 2-50 кэВ и дозой 2-20 мКл/см, после чего осуществляют термообработку стекла при температуре 400-600°С в течение 2-10 часов. При электронном облучении приповерхностный слой стекла приобретает отрицательный заряд за счет накопления электронов, потерявших энергию. Возникшее при этом электрическое поле приводит к полевой миграции положительных ионов серебра или меди в область отрицательного заряда и восстановлению ионов термализованными электронами до нейтрального состояния. В результате в облученной зоне возникает высокая концентрация нейтральных атомов металла. При последующей термообработке при температуре выше температуры стеклования (400-600°С) атомы металла формируют наночастицы, которые являются центрами окраски благодаря наличию у наночастиц плазмонного резонанса, приводящего к появлению плазмонной полосы оптического поглощения. Данный способ может быть использован для записи в стекле оптической информации путем создания локальных областей с повышенным поглощением. Недостатком способа является необходимость применения длительной термообработки стекла при высокой температуре.
Известен способ формирования в стекле, содержащем ионы серебра, люминесцентных центров в виде субнаноразмерных молекулярных кластеров серебра (Д.А. Клюкин, А.И. Сидоров, А.И. Игнатьев, Н.В. Никоноров, M. Silvennoinen, Ю.П. Свирко. Формирование люминесцентных центров и нелинейно-оптические эффекты в серебросодержащих стеклах при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов // Опт. и Спектр., 2015, Т. 119, №3, С. 122-126). Сущность способа заключается в том, что стекло, содержащее ионы и заряженные молекулярные кластеры серебра, локально облучают фемтосекундными лазерными импульсами ближнего ИК диапазона (λ=790 нм). При лазерном облучении происходит многофотонная ионизация дефектов сетки стекла. Образующиеся при этом свободные электроны захватываются заряженными молекулярными кластерами серебра, которые переходят в нейтральное состояние. Для нейтральных молекулярных кластеров серебра характерна интенсивная люминесценция в видимой области спектра при ее возбуждении непрерывным излучением УФ диапазона. Данный способ может быть использован для записи в стекле оптической информации путем создания локальных областей, обладающих люминесценцией. Недостатком способа является то, что лазерный луч невозможно сфокусировать в пятно диаметром менее 3-5 длин волн из-за дифракционных ограничений. Недостатком является также то, что при фокусировке лазерного луча перед фокусом находится сходящийся пучок излучения, а за фокусом - расходящийся пучок излучения. В этих пучках также образуются люминесцентные центры, и появляется паразитная люминесценция в объеме стекла. Это ограничивает плотность записи оптической информации и может привести к ошибкам при считывании информации. Недостатком является также то, что из-за высокой интенсивности лазерного излучения в стекле возникают нелинейно-оптические эффекты, приводящие, в частности, к самофокусировке и самодефокусировке луча. Это может приводить к искажению оптической информации. Недостатком является также то, что в облученной зоне находится малое количество молекулярных кластеров, которые образовались в ней при синтезе стекла. Поэтому интенсивность люминесценции после лазерного облучения не является максимально возможной.
Известен способ записи оптической информации в стекле, содержащем ионы серебра и субнаноразмерные молекулярные кластеры серебра (V.V. Gorbiak, A.I. Sidorov, V.N. Vasilyev, V.D. Dubrovin, N.V. Nikonorov. Multilevel optical information recording in silver-containing photosensitive glasses by UV laser pulses // Opt. Engineering, 2017, Vol. 56, No. 4, 047104), выбранный в качестве прототипа. Сущность способа заключается в том, что стекло, содержащее ионы и заряженные молекулярные кластеры серебра, локально облучают наносекундными лазерными импульсами УФ диапазона (λ=355 нм). При лазерном облучении происходит ионизация дефектов сетки стекла. Образующиеся при этом свободные электроны захватываются заряженными молекулярными кластерами серебра, которые переходят в нейтральное состояние. Для нейтральных молекулярных кластеров серебра характерна интенсивная люминесценция в видимой области спектра при ее возбуждении непрерывным излучением УФ диапазона. Данный способ использован для записи в стекле оптической информации путем создания локальных областей, обладающих люминесценцией. Недостатком способа является то, что лазерный луч невозможно сфокусировать в пятно диаметром менее 3-5 длин волн из-за дифракционных ограничений. Недостатком является также то, что при фокусировке лазерного луча перед фокусом находится сходящийся пучок излучения, а за фокусом - расходящийся пучок излучения. В этих пучках также образуются люминесцентные центры, и появляется паразитная люминесценция в объеме стекла. Это ограничивает плотность записи оптической информации и может привести к ошибкам при считывании информации. Недостатком является также то, что в облученной зоне находится малое количество молекулярных кластеров, которые образовались в ней при синтезе стекла. Поэтому интенсивность люминесценции после лазерного облучения не является максимально возможной.
Изобретение решает задачу повышения плотности записи оптической информации в стекле, увеличению интенсивности люминесценции облученных участков стекла и уменьшению интенсивности люминесценции в объеме стекла.
2
+
+
n
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что стекло, содержащее ионы и заряженные молекулярные кластеры серебра, локально облучают электронами с энергией 5-50 кэВ и дозой 5-40 мКл/см. Серебросодержащие стекла, синтезированные в окислительных условиях, содержат серебро в виде ионов Agи заряженных молекулярных кластеров Ag(n=2-4). Ионы и заряженные молекулярные кластеры серебра обладают чрезвычайно слабой люминесценцией в видимой области спектра. При локальном облучении электронами с энергией 5-50 кэВ они тормозятся в приповерхностном слое стекла толщиной 0.1-20 мкм, накапливаются в нем, и образуют в этом слое область с отрицательным зарядом. Возникшее при этом электрическое поле приводит к полевой миграции подвижных положительных ионов серебра в область отрицательного заряда и восстановлению ионов термализованными электронами до нейтрального состояния. В результате в облученной зоне возникает высокая концентрация нейтральных атомов серебра. Заряженные молекулярные кластеры серебра, находящиеся в облученной зоне, захватывают свободные электроны, и переходят в нейтральное состояние. Благодаря высокой концентрации нейтральных атомов серебра в облученной зоне появляется возможность возникновения новых нейтральных молекулярных кластеров серебра, вследствие чего их концентрация в облученной зоне увеличивается. Известно, что нейтральные молекулярные кластеры серебра в стекле обладают интенсивной люминесценцией в видимой области спектра при возбуждении люминесценции УФ или фиолетовым излучением (V.D. Dubrovin, A.I. Ignatiev, N.V. Nikonorov, A.I. Sidorov, Т.A. Shakhverdov, D.S. Agafonova, Luminescence of silver molecular clusters in photo-thermo-refractive glasses // Opt. Mater., 2014, Vol. 36, P. 753-759). Поэтому в облученных участках стекла появляется интенсивная люминесценция в видимой области спектра при ее возбуждении УФ или фиолетовым излучением. Таким образом, оптическая информация может быть записана в стекле, содержащем ионы и молекулярные кластеры серебра путем создания люминесцентных участков при локальном электронном облучении. Запись может производиться точечным воздействием сфокусированного электронного луча либо путем сканирования электронного луча по поверхности стекла. Для считывания информации в качестве источника, возбуждающего люминесценцию, может быть использован УФ светодиод с длиной волны излучения 365 нм или фиолетовый светодиод или полупроводниковый лазер с длиной волны излучения 405 нм. Для регистрации люминесценции может быть использован кремниевый фотодиод.
Достоинствами предлагаемого способа является следующее. Так как электронный луч может быть сфокусирован в пятно диаметром менее 10 нм, то расстояние между соседними пикселями может составлять 20 нм, благодаря чему повышается плотность записи информации по сравнению с прототипом. Так как при локальном электронном облучении концентрация люминесцентных центров, нейтральных молекулярных кластеров серебра, в облученной зоне увеличивается, то увеличивается интенсивность люминесценции в облученной зоне, по сравнению с прототипом. При электронном облучении с энергией электронов 5-50 кэВ нейтральные молекулярные кластеры серебра формируются в приповерхностном слое стекла толщиной 0.1-20 мкм. Поэтому паразитная люминесценция в объеме стекла не возникает. Это также позволяет увеличить плотность записи оптической информации.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
2
На фиг. 1 показаны спектры оптической плотности стекла до электронного облучения (1) и после облучения электронами с энергией 50 кэВ и дозой 30 мКл/см (2).
2
На фиг. 2 показана фотография люминесценции стекла после облучения электронами с энергией 50 кэВ и дозой 30 мКл/см. Длина волны возбуждения люминесценции 365 нм.
2
2
На фиг. 3 показаны спектры люминесценции стекла после облучения электронами с энергией 50 кэВ и дозами 5 мКл/см (3) и 30 мКл/см (4). Длина волны возбуждения люминесценции 405 нм.
На фиг. 1 показана зависимость интегральной интенсивности люминесценции стекла после электронного облучения от дозы облучения. Длина волны возбуждения люминесценции 405 нм. Энергия электронов 50 кэВ.
Сущность изобретения раскрывается на примере, который не должен рассматриваться экспертом как ограничивающий притязания изобретения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Пример
2
2
2
3
2
3
n
2
3
4
+
+
2
2
Для записи оптической информации используют силикатное стекло системы: SiO-NaO-AlO-ZnO-NaCl с добавкой AgO (0.12 мол. %). Серебро в шихту стекла вводят в виде AgNO, а синтез стекла проводят в воздушной атмосфере. Это обеспечивает окислительные условия синтеза. После синтеза и отжига стекло содержит ионы серебра Agи заряженные молекулярные кластеры серебра Ag(n=2-4). Стекло прозрачно, бесцветно и обладает очень слабой люминесценцией в видимой области спектра, которая может быть зарегистрирована только с помощью фотоэлектронного умножителя. Образец стекла представляет собой плоскопараллельную полированную пластину толщиной 1 мм. Перед электронным облучением на поверхность стекла наносят пленку А1 толщиной 100 нм для удаления поверхностного заряда. После электронного облучения пленку А1 удаляют травлением в водном растворе KOH. Облучение стекла электронами проводят в сканирующем электронном микроскопе с энергией электронов 50 кэВ и дозами 10-35 мКл/см при комнатной температуре. Облучение проводят неподвижным электронным лучом с диаметром на поверхности стекла равным 1.5 мм. Диаметр электронного луча выбран для удобства последующих оптических измерений. После облучения электронами облученные участки стекла приобретают бледно-желтую окраску, и происходит длинноволновый спектральный сдвиг края полосы поглощения стекла (Фиг. 1). Это указывает на переход заряженных молекулярных кластеров серебра в нейтральное состояние. В облученных участках стекла возникает интенсивная люминесценция в видимой области спектра при ее возбуждении УФ или фиолетовым излучением (Фиг. 2). Так как нейтральные молекулярные кластеры серебра формируются только в тонком приповерхностном слое стекла, в котором электроны теряют энергию, то паразитной люминесценции в объеме стекла не возникает. Спектры люминесценции для двух доз электронного облучения показаны на (Фиг. 3). Из рисунка видно, что полоса люминесценции занимает спектральный интервал 450-750 нм и имеет максимум на длине волны 550 нм. Вклад в люминесценцию при возбуждении длиной волны 405 нм вносят нейтральные молекулярные кластеры серебра Ag, Ag и Ag. На Фиг. 4 показана зависимость интегральной интенсивности люминесценции стекла после электронного облучения от дозы облучения. Длина волны возбуждения люминесценции равна 405 нм. Измерение интенсивности люминесценции проводилось с помощью кремниевого фотодиода. Из Фиг. 4 видно, что при увеличении дозы электронного облучения от 5 до 35 мКл/см интенсивность люминесценции увеличивается в 3.4 раза. Такого изменения интенсивности люминесценции достаточно для записи информации в восьмеричном коде счисления. При этом каждому уровню интенсивности люминесценции будет соответствовать определенный код числа системы счисления. Это дает возможность дополнительного увеличения плотности записи информации.
Эксперименты показали, что на качество записанной оптической информации не влияет нагрев до 350°С, а также облучение УФ ртутной лампой.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить плотность записи оптической информации в стекле, содержащем серебро, увеличить интенсивность люминесценции облученных участков стекла и уменьшить интенсивность люминесценции в объеме стекла. Дополнительным достоинством является возможность записи оптической информации в кодах высокого порядка, например, в восьмеричной системе счисления.