СПОСОБ МНОГОСЛОЙНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ ДВОИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 1994 года по МПК G11B7/00 

Изобретение относится к информатике и вычислительной технике и может быть использовано в цифровых оптических системах памяти.

Известен способ записи информации, основанный на формировании сфокусированного пучка света, перестраиваемого по частоте, облучении многослойной регистрирующей среды, состоящей из ряда последовательно расположенных слоев, каждый из которых обладает чувствительностью в определенной области спектра, и образовании обнаруживаемых изменений в произвольно заданном слое [1].

Недостатком способа является то, что фон, вызванный рассеянием света на всех слоях, попадает на фотоприемник наряду с сигналом со считываемого слоя. Это ведет к уменьшению отношения сигнал/шум и резко ограничивает число слоев регистрирующей среды, а следовательно, и плотность записи.

Известен наиболее близкий по технической сущности способ повышения плотности записи, включающий формирование двух сфокусированных, когерентных оптических пучков, пространственно совмещенных на требуемом слое объемного носителя информации, проведение записи образовавшейся интерференционной картины. Для записи в других слоях производят относительное перемещение зоны пересечения оптических пучков и объемного носителя информации по его глубине [2].

Недостатком способа является малое число (меньше 10) допустимых для записи слоев носителя информации, обусловленное тем, что в общем случае взаимодействия излучения с носителем информации определяющим является линейное (однофотонное) поглощение. При распространении излучения в носителе информации такое поглощение затрудняет проведение однородной по глубине записи и приводит к необходимости поиска компромисса между коэффициентом поглощения излучения в требуемом слое носителя информации и общим числом слоев, что приводит к ограничению числа слоев. Так, например, при общем пропускании носителя информации приблизительно 30% и поглощении в отдельном слое приблизительно 50% возможна запись 2 слоев. При поглощении в слое 20% - 5 слоев, при поглощении 10% - 10 слоев.

Целью изобретения является увеличение плотности записи информации путем увеличения количества слоев записи.

Для достижения цели в способе многослойной оптической записи двоичной информации, при котором формируют два записывающих когерентных друг другу сфокусированных пучка оптического излучения, модулируют их в соответствии с информационным содержанием, пространственно совмещают записывающие пучки на требуемом слое материала объемного носителя информации, производят запись образовавшейся интерференционной картины путем экспонирования материала носителя информации, причем глубину интерференционной картины устанавливают меньшей, чем толщина объемного носителя информации, а для записи информации в других слоях носителя производят относительное перемещение зоны пересечения записывающих пучков и объемного носителя информации по его глубине, формируют дополнительный сфокусированный пучок оптического излучения, пространственно совмещают его с пучками записи на требуемом слое объемного носителя информации и производят экспонирование носителя дополнительным и записывающими пучками, при этом частоту излучения записывающих пучков устанавливают лежащей в области прозрачности материала носителя информации, а частоту, равную сумме частот излучения дополнительного и записывающих пучков, устанавливают в области максимума спектра поглощения материала носителя информации, в качестве которого используют материал с двухступенчатым или с двухфотонным поглощением оптического излучения.

При записи на носитель из материала с двухступенчатым поглощением оптического излучения сначала производят экспонирование носителя информации дополнительным, а затем записывающим пучками оптического излучения, частоту излучения дополнительного пучка устанавливают лежащей в области максимума спектра поглощения промежуточного энергетического уровня материала носителя информации, а коэффициент поглощения записывающих пучков устанавливают по выбору интенсивности дополнительного пучка при условии появления обнаруживаемых изменений оптических свойств материала носителя информации при его экспонировании записывающими пучками.

При записи на носитель из материала с двухфотонным поглощением излучения экспонирование носителя информации производят одновременно дополнительным и записывающими пучками излучения, частоту излучения дополнительного пучка устанавливают в области прозрачности материала носителя информации, а коэффициент поглощения записывающих пучков устанавливают по выбору интенсивности дополнительного и записывающих пучков при условии появления обнаруживаемых изменений оптических свойств материала носителя информации при его экспонировании.

На фиг. 1 представлена оптическая схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 проиллюстрирован процесс записи в требуемом слое носителя информации; на фиг. 3 приведены схемы энергетических уровней, иллюстрирующие два типа двухквантового возбуждения носителя информации: двухступенчатое возбуждение через реальный промежуточный уровень (а) и двухфотонное возбуждение (б).

Поясним способ на примере работы устройства, реализующего способ.

Устройство содержит лазерный источник 1 излучения, объективы 2 и 3, акустооптический модулятор (АОМ) 4, объективы 5 и 6, блок 7 продольного перемещения объектива 6, объемный носитель 8 информации, лазерный источник 9 излучения, объектив 10, дихроичное поворотное зеркало 11.

Регистрация информации данным способом осуществляется в следующей последовательности.

Пучок оптического излучения, генерируемый лазерным источником 1 (фиг. 1), фокусируют с помощью объективов 2 и 3 в АОМ 4. Синусоидальный электрический сигнал с частотой ω_г возбуждает в АОМ, работающем в режиме дифракции Брэгга, бегущую ультразвуковую волну. Пучок, освещающий АОМ 4, дифрагирует на ультразвуковой волне в модуляторе, на выходе которого получают два записывающих оптических пучка.

Телескопическая система, состоящая из объективов 5, 6, переносит с уменьшением изображение ультразвуковой волны в слой объемного носителя 8 информации. Дополнительный оптический пучок, генерируемый лазерным источником 9 излучения, коллимируют объективом 10 и направляют на дихроичное поворотное зеркало 11, расположенное между объективами 5 и 6. Зеркало 11 пропускает излучение лазерного источника 1 и отражает излучение лазерного источника 9. Отраженное зеркалом 11 оптическое излучение дополнительного пучка направляют на объектив 6 и совмещают сфокусированный дополнительный световой пучок с записывающими пучками на требуемом слое объемного носителя информации (фиг. 2). Устанавливают частоту излучения записывающих пучков ω₂ в области прозрачности носителя информации, частоту дополнительного пучка ω₁ - в окрестности максимума спектра поглощения промежуточного уровня, частоту ω₂₁=ω₁+ω₂- в окрестности максимума спектра поглощения носителя информации.

Коэффициент поглощения записывающих пучков устанавливают по выбору интенсивности дополнительного пучка при условии появления обнаруживаемых изменений оптических свойств материала носителя информации с двухступенчатым поглощением оптического излучения при его экспонировании записывающими оптическими пучками.

Два когерентных записывающих пучка с частотой ω₂ формируют в области пересечения интерференционную картину, но так как частота ω₂попадает в область прозрачности носителя, энергии фотона недостаточно для проведения фотоиндуцированных изменений. Излучение дополнительного пучка на частоте ω₁ производит заселение промежуточного уровня материала носителя 8 (фиг. 3а) и приводит к очувствлению носителя на частоте ω₂. В области пересечения записывающих и дополнительных пучков (фиг. 2) происходит поглощение излучения записывающих пучков из возбужденного промежуточного состояния носителя. Регистрируемая интерференционная картина воспроизводит интерференционную картину записывающих пучков.

Коэффициент поглощения К₂ на частоте ω₂ дается выражением
К₂= N_o ˙σ˙σ^*˙τ˙I₁(ω₁)/hω₁, , (1) где N_o - концентрация фоточувствительных центров; σ, σ^* - сечения поглощения излучения из основного и возбужденного состояния соответственно; τ - время жизни промежуточного состояния; I₁ ( ω₁) - интенсивность дополнительного пучка; h - постоянная Планка. Сечения поглощения σиσ^* зависят от частоты и максимальны в области максимума спектра поглощения.

Из формулы (1) видно, что в области пересечения пучков коэффициент поглощения записывающих пучков с частотой ω₂ зависит от интенсивности дополнительного пучка с частотой ω₁ и может быть установлен соответствующим выбором интенсивности дополнительного пучка. Таким образом, коэффициент поглощения излучения в требуемом слое уже не связан с общим числом слоев, что и дает возможность увеличения допустимого числа слоев.

При отсутствии у носителя информации подходящего промежуточного уровня, двухфотонная запись может быть проведена через виртуальный промежуточный уровень (фиг. 3б). В этом случае частоту излучения дополнительного пучка устанавливают лежащей в области прозрачности носителя информации и проводят одновременную экспозицию записывающими и дополнительными пучками. Коэффициент поглощения излучения записывающих пучков К₂, индуцированный одновременным поглощением двух фотонов по одному из записывающего и дополнительного пучков, зависит в общем случае от интенсивности обоих пучков. В случае малого поглощения и выполнения условия l₁ (ω₁)>> I₂(ω₂ ), где I₂(ω₂) - интенсивность записывающего пучка, К₂ определяется следующим выражением:
К₂¹ (ω₂)≈ω₂˙γ˙l₁(ω₁), (2) где τ - коэффициент двухфотонного поглощения.

Коэффициент τ зависит от частоты и максимален в случае попадания частоты ω₂₁= ω₁+ω₂в область максимума спектра поглощения. Требуемый коэффициент поглощения К₂¹ может быть также установлен выбором интенсивности дополнительного пучка.

Сравнивая формулы (2) и (1), отмечаем, что К₂ зависит от произведения τ I₁( ω₁). Длительность экспонирования дополнительным пучком полагаем больше τ. Для долгоживущих промежуточных уровней интенсивность, требуемая для достижения одного и того же коэффициента поглощения, что и в двухфотонном случае, может быть понижена. Это облегчает работу лазерного источника 9 и снижает лучевую нагрузку на носитель информации.

Для воспроизведения информации может быть использован способ, описанный в (2).

П р и м е р. В качестве лазерного источника 1 излучения может быть использован полупроводниковый лазер типа ИЛПИ-2-7КА с длиной волны λ=0,67 мкм. В импульсе длительностью 5 нс была получена мощность излучения 0,5 Вт. Коэффициент полезного действия оптической системы по оптическому излучению составляет 30% , что дает 0,17 Вт на носителе информации. Телескопическая система, составленная из объективов 5 и 6 с фокусными расстояниями соответственно 210 и 4 мм и апертурой 0,65, формирует в области перетяжки пучка диаметром 1,5 мкм, что дает плотность мощности 8˙ 10⁶ Вт/см². В качестве лазерного источника 9 излучения может быть использован полупроводниковый лазер ИЛПН-108 с длиной волны λ=0,83-0,89 мкм.

В экспериментах с этим лазером была получена импульсная мощность 2 Вт, что дает плотность мощности в области перетяжки 2,5 ˙10⁷ Вт/см².

Рассмотрим требования на величину коэффициента ρ двухфотонного поглощения ρ= ωγ, обеспечивающего 10% поглощение в слое толщиной ΔZ =10 мкм при интенсивности дополнительного пучка I₁ ων≃2,5 ˙10⁷ Вт/см².

К₂¹ Δ Z= ρ˙l₁(ω_ν)˙ΔZ ≃ 0,1
Отсюда, ρ =4 ˙10^-6 см/Вт. Для сравнения коэффициент двухфотонного поглощения полупроводникового материала CdSe составляет 0,4 ˙10^-6 см/Вт. Энергия записывающих пучков, поглощенная при этом на 1 см2 носителя информации за время экспозиции 5 нс, составляет 4 ˙10^-3 Дж/см². В случае недостаточно чувствительного материала запись может быть осуществлена последовательностью импульсов.

В качестве объемного носителя информации могут быть использованы электрооптические кристаллы, такие как КТа_хNb_1-x О₃ (КТN), Sr_хBa_1-xNb₂O₆-G_e c чувствительностью 10^-3-10^-4 Дж/см², халькогенидные стекла с чувствительностью 10^-1-10^-2 Дж/см², фотополимеризующиеся композиции на основе акриламида, среды на основе комплекса с переносом заряда, обладающие возможностью оптического усиления. В качестве сред с промежуточным уровнем могут быть использованы кристаллы LiNbO₃:Fe, LiTaO₃:Fe, в которых под влиянием кристаллического поля уровень свободного иона Fe²+ расщепляется, что дает происхождение полосе поглощения ≃ 1,1 эВ. Излучение лазера АИГ-Nd- хорошо поглощается этой полосой. Чувствительность этих материалов 10^-1-10^-2 Дж/см².

Ограничение числа записанных слоев может быть связано с ослаблением воспроизводящего оптического пучка из-за рассеяния на предыдущих слоях. Допуская ослабление пучка при поглощении всем носителем информации ≃ 1/е раз и полагая дифракционную эффективность интерференционной картины в каждом слое ≃ 1%, можно записать ≃ 100 слоев.

Использование способа обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: введение дополнительного пучка и выполнение условий двухступенчатого или двухфотонного поглощения позволяет проводить пороговую запись в требуемом слое носителя информации, не влияющую на характеристики остальных слоев, что приводит к возможности записи большего числа слоев, а следовательно, повышению плотности записи.

Использование: информатика, вычислительная техника, цифровые оптические системы памяти. Сущность изобретения: формируют два когерентных друг другу сфокусированных записывающих пучка оптического излучения и дополнительный оптический пучок. Записывающие пучки модулируют в соответствии с информационным содержанием и совмещают их и дополнительный пучок на требуемом слой объемного носителя информации. Данными пучками экспонируют носитель, производя запись информации, причем глубину интерференционной картины устанавливают меньшей, чем толщина объемного носителя информации. Частоту излучения записывающих пучков устанавливают в области прозрачности материала носителя, а частоту, равную сумме частот излучения дополнительного и записывающих пучков, устанавливают в области максимума спектра поглощения материала носителя, которым может быть материал с двухступенчатым или с двухфотонным поглощением оптического излучения. Для записи информации в других слоях носителя производят относительное перемещение зоны пересечения пучков излучения и объемного носителя информации. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. СПОСОБ МНОГОСЛОЙНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ ДВОИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ, при котором формируют два записывающих когерентных друг другу сфокусированных пучка оптического излучения, модулируют их в соответствии с информационным содержанием, пространственно совмещают записывающие пучки на требуемом слое материала объемного носителя информации, производят запись образовавшейся интерференционной картины путем экспонирования материала носителя информации, причем глубину интерференционной картины устанавливают меньшей, чем толщина объемного носителя информации, а для записи информации в других слоях носителя производят относительное перемещение зоны пересечения записывающих пучков и объемного носителя информации по его глубине, отличающийся тем, что, с целью повышения плотности записи информации путем увеличения количества слоев записи, формируют дополнительный сфокусированный пучок оптического излучения, пространственно совмещают его с пучками записи на требуемом слое объемного носителя информации и производят экспонирование носителя дополнительным и записывающими пучками, при этом частоту излучения записывающих пучков устанавливают в области прозрачности материала носителя информации, а частоту, равную сумме частот излучения дополнительного и записывающих пучков, устанавливают в области максимума спектра поглощения материала носителя информации, в качестве которого используют материал с двухступенчатым или с двухфотонным поглощением оптического излучения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при записи на носитель из материала с двухступенчатым поглощением оптического излучения, сначала производят экспонирование носителя информации дополнительным, а затем записывающими пучками оптического излучения, частоту излучения дополнительного пучка устанавливают в области максимума спектра поглощения промежуточного энергетического уровня материала носителя информации, а коэффициент поглощения записывающих пучков устанавливают по выбору интенсивности дополнительного пучка при условии появления обнаруживаемых изменений оптических свойств материала носителя информации при его экспонировании записывающими пучками. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при записи на носитель из материала с двухфотонным поглощением оптического излучения, экспонирование носителя информации производят одновременно дополнительным и записывающими пучками оптического излучения, частоту излучения дополнительного пучка устанавливают в области прозрачности материала носителя информации, а коэффициент поглощения записывающих пучков устанавливают по выбору интенсивностей дополнительного и записывающих пучков при условии появления обнаруживаемых изменений оптических свойств материала носителя информации при его экспонировании.