Способ записи информации в нанопористом кварцоидном стекле

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к способу записи информации на носитель из нанопористого кварцоидного стекла под действием лазерного излучения. Изобретение позволяет увеличить скорость записи информации, осуществляемой наведением поляризационно-зависимого двулучепреломления, в нанопористом кварцоидном стекле. Это достигается способом записи информации за счет наведения поляризационно-зависимого двулучепреломления путем модифицирования нанопористого кварцоидного стекла сфокусированным пучком лазера ближнего ИК диапазона со сниженным числом импульсов со 100 до 3, повышенной частоте следования импульсов до 10 МГц при длительности импульсов 150-220 фс с использованием объектива с числовой апертурой в диапазоне 0,65-0,9. 2 ил.

 

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к способу записи информации на носитель из нанопористого кварцоидного стекла под действием лазерного излучения. Полученный результат может быть использован для создания устройств долговечной многомерной оптической памяти на стекле со сверхплотной емкостью хранения информации.

Процесс записи информации лазерным пучком на оптический носитель заключается в формировании области с измененными под воздействием лазерного излучения свойствами и, обладающей контрастом по отношению к исходной среде. Создаваемый контраст, определяемый условиями лазерного модифицирования, в котором закодированы данные, представляет впоследствии источник сигнала при считывании информации.

Известен способ многослойной записи информации в прозрачном пластике - полиметилметакрилате [Kallepalli, Deepak LN, et al. "Ultra-high density optical data storage in common transparent plastics." Scientific reports 6 (2016)]. С помощью сфокусированного фемтосекундного пучка титан-сапфирового лазера была продемонстрирована запись за счет двухфотонного поглощения двадцати слоев, состоящих из точек, которые обладали люминесценцией вследствие образования флуорофоров. В уровне люминесценции каждой точки было закодировано 5 бит информации. Основным недостатком способа записи является термическая стабильность оптического носителя на основе полиметилметакрилата, не превышающая 200°С, что существенно ниже в сравнении с оксидными стеклами.

Известен способ записи информации в фоточувствительном стекле, легированном ионами серебра [Способ записи оптической информации в стекле (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. Плотность хранения данных в приведенном способе ограничена возможностью записи 1 бит информации в одной точке. Недостатком данного способа является также низкая термическая стабильность (ниже 400°С) оптического носителя по сравнению с нанопористым кварцоидным стеклом.

Известен способ трехмерной записи информации лазерным пучком в кварцевом стекле за счет контраста показателя преломления [Imai, Ryo, et al. "100-Layer recording in fused silica for semi permanent data storage." Japanese Journal of Applied Physics 54.9S (2015): 09МС02]. Для записи использовался титан-сапфировый лазер, генерирующий на длине волны 800 нм импульсы энергии 300 нДж и длительностью 120 фс с частотой следования 1 кГц. Фокусировка в объем стекла осуществлялась с помощью объектива с числовой апертурой 0,55, и производилась запись 50 слоев на каждой из сторон оптического диска с расстоянием 60 мкм между ними. Для одновременной записи нескольких точек применялся пространственный модулятор света. Слои включали в себя точки, отличающиеся по яркости при наблюдении под микроскопом; их минимальная глубина составляла 4 мкм при коррекции аберраций. При этом показана термическая стабильность оптического носителя с записанной информацией при 1000°С в течение 2 ч [Shiozawa, Manabu, et al. Simultaneous multi-bit recording in fused silica for permanent storage // Japanese Journal of Applied Physics - 52.9S2 (2013). 09LA01]]. Основными недостатками способа является ограничение плотности записи информации одним битом в одной пространственной точке записи (пите), лазерного источника с низкой частотой следования импульсов и дорогостоящего пространственного модулятора света, который также обладает медленной скоростью работы.

Наиболее близкими к сути изобретения являются работы, где описан способ многомерной записи информации фемтосекундным лазерным пучком в объеме кварцевого стекла за счет двулучепреломления формы, 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], принимаемые за прототип. Кодирование информации осуществлялось в фазовый сдвиг и медленную ось двулучепреломления нанорешетки - анизотропной нанопериодической структуры, формируемой при воздействии на стекло линейно поляризованного света. 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 двулучепреломления нанорешетки перпендикулярна плоскости поляризации пучка лазера. Считывание данных проводилось путем анализа параметров двулучепреломления записанных нанорешеток. Фазовый сдвиг нанорешетки 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 нанорешеток 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 с помощью водно-иммерсионного объектива с числовой апертурой 1,2 в кварцевое стекло.

Для кварцевого стекла была показана запись трех слоев информации с плотностью записи 26,75 КБ/мм2 и продемонстрировано считывание с них, причем нанорешетки, в каждой из которых было закодировано 3 бита информации, записывались на глубине 130-170 мкм через каждые 3,7 мкм послойно с расстоянием между слоями 20 мкм. 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 нанорешеток требуется экспериментальная оптимизация не только параметров лазерного излучения, но, как оказалось, и структуры оптического носителя. Для нанопористого кварцоидного стекла с размером пор менее 5 нм было установлено, что для образования двулучепреломления формы необходимо всего 2-3 лазерных импульса, что в 4 раза меньше количества импульсов, необходимых для образования нанорешетки в кварцевом стекле [Cerkauskaite, Ausra, et al. "Ultrafast laser-induced birefringence in various porosity silica glasses: from fused silica to aerogel." Optics Express 25.7 (2017): 8011-8021], и позволяет пропорционально увеличить скорость записи информации. Стоит отметить, что в прототипе используется пошаговое формирование нанорешеток, которое в свою очередь значительно лимитирует скорость записи информации, и очевидно, что при использовании непрерывной трансляции оптического носителя, например, его вращения, скорость записи можно повысить. Однако для дальнейшего повышения скорости записи информации на оптический носитель из нанопористого кварцевого стекла требуется экспериментальная оптимизация таких параметров лазерного облучения, которые определяют физические основы взаимодействия лазерного излучения с нанопористой структурой кварцоидного стекла, а именно длительности лазерных импульсов и максимальной частоты следования импульсов, которые позволяют локально сформировать двулучепреломление формы и до настоящего времени не определена. Значение длительности определяет пиковую интенсивность лазерного излучения, а частота следования импульсов - эффект накопления тепла, который в свою очередь существенно влияет на размер модифицируемой лазерным пучком области [Eaton, Shane М., et al. "Heat accumulation effects in femtosecond laser-written waveguides with variable repetition rate." Optics Express 13.12 (2005): 4708-4716.]. В то же время для повышения плотности записи необходимо добиться минимального размера двулучепреломляющей области с целью минимизации расстояния между нанорешетками в нанопористом кварцоидном стекле, обеспечивающей последующую возможность их считывания с минимальным количеством ошибок.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, состоит в многократном увеличении скорости записи информации и емкости оптического носителя из нанопористого кварцевого стекла.

Поставленная задача решается таким способом записи информации, при котором микрообласти, обладающие двулучепреломлением формы, образуются путем модифицирования стекла пучком лазера, излучающего на длине волны ближнего ИК диапазона фемтосекундные импульсы с частотой следования до 10 МГц и длительностью от 150 до 220 фс, причем лазерный луч фокусируется с помощью объектива с числовой апертурой от 0,65 до 0,9 для записи нанорешеток с расстоянием друг от друга 1,4 мкм в нанопористом кварцоидном стекле, которое имеет состав 97-99 мол. % SiO2, 0,2-0,6 мол. % Na2O, 1,4-1,8 мол. % В2О3 и средний размер пор 1-10 нм.

Обнаружено, что снижение длительности импульсов в интервале 600-150 фс на частоте 1 МГц приводит к увеличению фазового сдвига микрообластей. Чем выше уровень фазового сдвига, тем меньше количество ошибок при считывании данных. Экспериментально установлен порог в 10 МГц по максимальной частоте следования импульсов длительностью 180 фс, при которой наблюдается эффект образования двулучепреломления формы в модифицируемых лазерным пучком областях.

Таким образом, основным отличием от прототипа является оптимизация частоты следования лазерных импульсов и их длительности, которые позволяют формировать двулучепреломление формы в нанопористом кварцоидном стекле и обеспечивать стабильное считывание информации. В свою очередь, использование нанопористого кварцоидного стекла состава 97-99 мол. % SiO2, 0,2-0,6 мол. % Na2O, 1,4-1,8 мол. % B2O3 и средним размером пор 1-10 нм, структура которого минимизирует напряжения, возникающие при лазерном облучении, и объективов с числовой апертурой от 0,65 до 0,9 обеспечивают размер двулучепреломляющих микрообластей, который позволяет расположить их на расстоянии 1,4 мкм друг от друга и определяет значение уверенно регистрируемого фазового сдвига - более 20 нм, при многослойной записи информации - не менее 7 записанных слоев с каждой стороны образца.

Для формирования микрообластей с двулучепреломлением формы в объеме полированного с двух сторон оптического носителя из нанопористого кварцоидного 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 через систему зеркал и еще одну полуволновую пластину, угол поворота которой определяет ориентацию линейной поляризации лазерного пучка, попадает на объектив с числовой апертурой в диапазоне 0,45-0,9 и фокусируется в объеме стекла. Величина энергии импульса лазерного излучения измерялась после оптического аттенюатора. Оптический носитель располагался на моторизованном вращающемся столе с точностью радиальной и угловой координат 0,1 мкм и 0,0002 градуса соответственно. Минимальная глубина фокусировки лазерного пучка составляла 20 мкм во избежание возможности образования трещин. При воздействии на нанопористое кварцоидное стекло 3-х лазерных импульсов образовывались локальные области - нанорешетки размером менее 1,2 мкм, обладающие двулучепреломлением формы. В ориентации медленной оси двулучепреломления каждой области было закодировано 3 бита информации. Для анализа двулучепреломления, а именно ориентации медленной оси облученных областей применялась система Abrio Microbirefringence [Retardance measurement system and method US 7372567 B2] на базе оптического поляризационного микроскопа Olympus ВХ51.

Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.

Пример 1

Нанопористое кварцоидное стекло состава 97-99 мол. % SiO2, 0,2-0,6 мол. % Na2O, 1,4-1,8 мол. % В2О3 со средним размером пор 10 нм облучают сфокусированными объективом с числовой апертурой 0,9 на глубине 100 мкм в пятно диаметром 1,0 мкм фемтосекундными лазерными импульсами с длиной волны 1,03 мкм, длительностью импульсов 150 фс, частотой повторения импульсов 10 МГц и средней мощностью 0,5 Вт (энергия импульса 50 нДж). Число импульсов варьируется от 3 до 6 импульса на пит.В результате облучения получены массивы питов с ориентацией «медленной» оси в интервале 0-157,5° с шагом 22,2° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, фазовым сдвигом в диапазоне 15-25 нм. На записанную информацию не влияет термообработка при 600°С в течение 2 ч.

Пример 2

В объеме нанопористого кварцоидного стекла состава 97-99 мол. % SiO2, 0,2-0,6 мол. % Na2O, 1,4-1,8 мол. % В2О3 со средним размером пор 10 нм записывают массив питов с различной ориентацией «медленной» оси, в которую кодируется 3 бита информации (фиг. 1), с помощью фемтосекундного лазера, излучающего на длине волны 1,03 мкм импульсы длительностью 220 фс, энергией 60 нДж и частотой следования в интервале 0,01-1000 кГц (фиг. 2). Фокусировка лазерного излучения производилась объективом с числовой апертурой 0,65 в пятно диаметром около 12 мкм Получены 7 слоев, включающими записанные массивы питов с фазовым сдвигом 20-30 нм, с каждой стороны образца нанопористого стекла. Расстояние между записанными питами составляло 1,4 мкм при количестве импульсов на пит, равном 3. Запись массивов питов происходила послойно, начиная с нижнего слоя на глубине 200 мкм, причем расстояние между слоями было равным 20 мкм. После записи 7 слоев образец стекла переворачивался на другую сторону. Снижение числа импульсов и использование частоты следования 1000 кГц в приведенном примере обеспечивает увеличение скорости записи до 1050 КБ/с.

Способ записи информации в нанопористом кварцоидном стекле за счет наведения поляризационно-зависимого двулучепреломления путем модифицирования стекла сфокусированным пучком лазера, который излучает на длине волны ближнего ИК диапазона фемтосекундные импульсы, отличающийся тем, что снижают число импульсов со 100 до 3 и повышают частоту следования импульсов до 10 МГц при длительности импульсов 150-220 фс с использованием объектива с числовой апертурой в диапазоне 0,65-0,9.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к анализатору поляризации излучения, способу считывания информации, записанной в виде наведенной анизотропии показателя преломления в многослойном оптическом диске из кварцевого стекла, и устройству для считывания информации с диска.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности, к способу записи информации на носитель из кварцевого стекла под действием лазерного излучения.

Изобретение относится к системам хранения данных. Способы и устройство для записи и извлечения оптически считываемых данных предусматривают использование носителя записи, который содержит оптически активное вещество, способное индуцировать изменение свойств носителя в присутствии оптического излучения, имеющего первую характеристику, например, первую оптическую частоту, и при этом изменение свойств может подавляться оптическим излучением, имеющим вторую характеристику, например, вторую оптическую частоту.

Изобретение касается фотополимерной композиции для получения оптических элементов, включающая в себя полимеры матрикса, пишущие мономеры и фотоинициаторы, причем полимеры матрикса представляют собой полиуретаны и пишущие мономеры представляют собой акрилаты, в качестве пластификаторов она содержит фторуретаны, причем фторуретаны имеют общую формулу (II) в которой n≥1 и n≤8, R1, R2, R3 представляют собой водород и/или независимо друг от друга линейные, разветвленные, циклические или гетероциклические, незамещенные или при необходимости замещенные гетероатомами органические остатки, причем по меньшей мере один из остатков R1, R2, R3 замещен по меньшей мере одним атомом фтора и фторуретаны имеют коэффициент преломления n D 20 ≤ 1,4600 .

Изобретение относится к способу изготовления голографических пленок и применению таких пленок. Способ включает приготовление фотополимерной композиции, включающей в себя в качестве компонентов полимеры матрицы, записывающие мономеры, фотоинициирующую систему, при необходимости неспособный к фотополимеризации компонент, катализаторы, стабилизаторы радикалов, растворители, присадки, а также прочие вспомогательные вещества и/или добавки.

Изобретение относится к способу изготовления голографических сред. Способ включает приготовление фотополимерной композиции, включающей в себя в качестве компонентов полимеры матрицы, записывающие мономеры, фотоинициирующую систему, при необходимости вспомогательные вещества и/или добавки.

Изобретение относится к способу изготовления экспонированных голографических сред. Голографическая среда содержит фотополимерную композицию с регулируемым механическим модулем GUV в пределах от 0,1 до 160 МПа и Δn≥0,008.

Устройство записи содержит блоки записи и генерирования, а также управляющий блок. Блок записи сконфигурирован для записи файла движущегося изображения, включающего в себя первую область для сохранения данных движущегося изображения и вторую область для сохранения метаданных.

Настоящее изобретение относится к полиуретановому составу для получения голографических сред, включающему: (A) полиизоцианатную компоненту, содержащую по крайней мере один полиуретановый форполимер с концевой изоцианатной группой с функциональностью по изоцианатным группам от 1,9 до 5,0, у которого изоцианатная группа связана с первичным алифатическим остатком и который основан на соединениях с гидроксильными функциональными группами с функциональностью по гидроксильным группам от 1,6 до 2,05, (Б) реагирующие с изоцианатами простые полиэфирные полиолы, (B) уретановые акрилаты и/или уретановые метакрилаты с по меньшей мере одной ароматической структурной единицей и с коэффициентом преломления более 1,50 при 405 нм, которые свободны от изоцианатных групп и гидроксильных групп, (Г) радикальные стабилизаторы, (Д) фотоинициаторы на основе сочетаний боратных солей и одного или нескольких красителей с полосами поглощения, которые по крайней мере частично покрывают область спектра от 400 до 800 нм, (Е) в случае необходимости катализаторы и (Ж) в случае необходимости вспомогательные вещества и добавки.

Изобретение относится к устройствам и способам записи. Устройство записи для записи файла движущегося изображения, включающего в себя первую область для сохранения данных движущегося изображения и вторую область для сохранения метаданных, сформированных одной или более дорожками, генерирует первую дорожку, сохраняет первую информацию позиции в первую дорожку и сохраняет первую дорожку во вторую область.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности, к способу записи информации на носитель из кварцевого стекла под действием лазерного излучения.

Изобретение относится к системам хранения данных. Способы и устройство для записи и извлечения оптически считываемых данных предусматривают использование носителя записи, который содержит оптически активное вещество, способное индуцировать изменение свойств носителя в присутствии оптического излучения, имеющего первую характеристику, например, первую оптическую частоту, и при этом изменение свойств может подавляться оптическим излучением, имеющим вторую характеристику, например, вторую оптическую частоту.

Предложены носитель информации, устройства для записи, воспроизведения и оценивания носителя информации. Носитель информации содержит область записи условия записи, в которую записано условие записи для записи последовательности данных на дорожку.

Предложены способ и устройство оптической записи, устройство экспонирования, способы изготовления и воспроизведения информации с оптического дискового носителя.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам получения покрытия на поверхности стальных деталей путем переноса высокотемпературным газовым потоком наночастиц.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам получения покрытия на поверхности деталей из цветных металлов путем переноса высокотемпературным газовым потоком наночастиц.

Изобретение относится к способам обработки дисперсных углеродных материалов и конкретно касается получения деагломерированных недеформированных однослойных углеродных нанотрубок для хроматографического разделения по хиральности.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способу получения композиционного материала бор-углерод. Способ включает механическую обработку в планетарной мельнице смеси порошков аморфного бора с размерами частиц менее 2 мкм и фуллерита С60 с размерами частиц менее 200 мкм, которые берут в соотношении от 1:5 до 5:1, с добавлением метилового или этилового спирта в количестве 1 мл на 1 г смеси в режиме 900-1200 оборотов в минуту в течение 10-30 мин с получением гомогенного состояния, извлечение смеси из мельницы, сушку смеси на воздухе при температуре 100°С в течение 2 ч и воздействие на смесь давлением в пределах 1,5-2,5 ГПа и температурой в пределах от 900 до 1100°С в течение 60-120 мин.

Изобретение относится к области сенсорной техники и нанотехнологий, в частности к разработке газовых сенсоров хеморезистивного типа, используемых для детектирования газов.

Изобретение относится к химической промышленности и нанотехнологии. Сначала графит обрабатывают раствором перекиси водорода в серной кислоте, причем количество перекиси водорода берут от 0,15 до 0,30 масс.ч.

Изобретение относится к водоочистке. Способ очистки загрязненных грунтовых вод включает введение суспензии наноразмерного нуль-валентного железа в пробуренную скважину 1 под повышенным давлением, превышающим давление очищаемого горизонта.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к способу записи информации на носитель из нанопористого кварцоидного стекла под действием лазерного излучения. Изобретение позволяет увеличить скорость записи информации, осуществляемой наведением поляризационно-зависимого двулучепреломления, в нанопористом кварцоидном стекле. Это достигается способом записи информации за счет наведения поляризационно-зависимого двулучепреломления путем модифицирования нанопористого кварцоидного стекла сфокусированным пучком лазера ближнего ИК диапазона со сниженным числом импульсов со 100 до 3, повышенной частоте следования импульсов до 10 МГц при длительности импульсов 150-220 фс с использованием объектива с числовой апертурой в диапазоне 0,65-0,9. 2 ил.

Наверх