Оптический носитель информации на основе оксидных стекол Российский патент 2020 года по МПК G11B7/242 C03C4/00 

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности, к оптическому носителю информации на основе оксидных стекол и может быть использовано для записи и хранения информации.

Известен носитель на основе натриевоборатного стекла с очувствляющей примесью цинком или кадмием в количестве 0,1-5 мас. %. Запись на оптический носитель осуществляется воздействием мощного ультрафиолетового (УФ) излучения. При этом в облученных областях изменяются спектрально-люминесцентные характеристики, которые отвечают за процесс считывания информации. Недостатком данного оптического носителя является необходимость применения мощных источников УФ излучения, термическая стабильность до 400°С, длительность хранения записанных данных не менее 1,5 лет [патент SU 1714675 А1 Носитель оптической записи].

Известен способ трехмерной записи-считывания и оптический носитель - фоточувствительное цинкфосфатное стекло, допированное серебром [патент WO 2011148113 A3]. За счет облучения стекла импульсным источником лазерного излучения в объеме оптического носителя формируются нанокластеры серебра, изменяя спектр люминесценции модифицированной области. Недостатком изобретения является невысокая плотность записи и хранения информации, ограниченная 1 битом информации в одном пите, а также низкая термическая стабильность (ниже 450°С) оптического носителя по сравнению с многокомпонентными силикатными и боросиликатными стеклами.

Дальнейшее развитие технологии оптической записи информации привело к появлению работы [Zhang, Jingyu, et al. "Seemingly unlimited lifetime data storage in nanostructured glass." Physical review letters 112.3 (2014): 03390], где был продемонстрирован способ многоуровневой записи информации на оптическом носителе из кварцевого стекла с помощью фемтосекундного лазерного пучка и который тесно связаны с данным изобретением.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является оптический носитель информации, представляющий собой оксидное кварцевое стекло (SiO₂). Запись информации состоит в облучении кварцевого стекла сфокусированным пучком фемтосекундного лазера, которое приводит к образованию периодических наноструктур, называемых «нанорешетками». Нанорешетки обладают анизотропными свойствами, их двулучепреломление зависит от параметров лазерного пучка. При прохождении через нанорешетку луч света разделяется на две взаимно ортогонально-поляризованных компоненты - обыкновенную и необыкновенную, между которыми возникает фазовый сдвиг, выражаемый в нм. Нанорешетка имеет «медленную» ось, т.е. направление, вдоль которого показатель преломления для необыкновенного луча максимален. В 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 L 101.5 (2012): 053120.] отмечено, что ориентация «медленной» оси пита перпендикулярна плоскости поляризации пучка лазера, т.е. двулучепреломление поляризационно-зависимо. Также установлено, что фазовый сдвиг пита можно повысить путем увеличения количества или энергии лазерных импульсов. Таким образом, запись информации возможна в нескольких направлениях «медленной» оси и уровнях фазового сдвига дополнительно к трем пространственным измерениям оптического носителя. Это позволяет закодировать в пите более одного бита информации (т.е. реализуется принцип многоуровневой памяти) и увеличить плотность записи информации оптического носителя пропорционально числу записанных бит. Тем не менее, энергия импульса - один из параметров лазерного пучка, критический для формирования нанорешетки, лимитирует скорость записи информации. Механизм образования нанорешеток до сих пор не выяснен, а образование периодических наноструктур в объеме материала, обладающих значительным и достаточным для считывания пита фазовым сдвигом (более 10 нм), было показано только для кварцевого стекла. В прототипе минимальная энергия импульса, применяемая для формирования пита в объеме кварцевого стекла, составляла от 30 нДж, при этом скорость записи данных составляет 6 КБ/сек. Показано, что кварцевое стекло благодаря своим уникальным свойствам, в частности, высокой температуре стеклования (около 1200°С) обеспечивает высокую термическую стабильность оптической памяти - двулучепреломление нанорешеток при термообработке при 1000°С в течение 1 часа ослабевает не более, чем на 2%, что фактически означает сохранность данных и возможность их считывания после такой термообработки. Экстраполяция температурной зависимости времени жизни данных на низкие температуры показала, что при температуре 200°С информация может храниться в течение миллиардов лет, а при комнатной температуре - практически вечно. Однако производство кварцевого стекла является более дорогостоящим и технически сложным по сравнению с производством многокомпонентных стекол силикатной и боросиликатной систем, так как синтез проводится при температурах более 2000°С при использовании специального дорогостоящего оборудования, а также в силу сложности механической обработки готового стекла: шлифовки и полировки. Температура стеклования многокомпонентных стекол силикатной и боросиликатной систем лежит в диапазоне 500-800°С, что также обеспечивает достаточную для архивного хранения информации термическую стабильность и долговечность оптического носителя. Совокупность термических и физико-механических свойств силикатных и боросиликатных стекол существенно упрощает и удешевляет в сравнении с кварцевым стеклом технологический процесс изготовления оптического носителя информации. Так температура варки таких стекол лежит в диапазоне от 1400 до 1620°С, а сама варка проводится с использованием стандартных электрических печей. Микротвердость многокомпонентных стекол, напрямую связанная с процессом шлифовки и полировки носителя информации, значительно ниже в сравнении с микротвердостью кварцевого стекла. В то же время энергия лазерного импульса для записи информации в заявляемых многокомпонентных стеклах обеспечивает сравнимую с прототипом скорость процесса записи данных.

Задачей настоящего изобретения является удешевление и упрощение процесса изготовления оптического носителя при сохранении скорости записи информации.

Поставленная задача решается использованием для изготовления оптического носителя многокомпонентных стекол составов:

Микротвердость синтезированных стекол определялась по методу Виккерса.

Для создания питов в объеме полированного с двух сторон оптического носителя из многокомпонентного стекла применялась установка, в которой излучение ближнего ИК диапазона длиной волны 1030 нм с фемтосекундного лазера ослабляется до значений 30-60 нДж энергии импульса с помощью оптического аттенюатора, проходит через фазовую пластину λ/2, угол поворота которой определяет ориентацию линейной поляризации лазерного пучка, и систему зеркал, попадает на объектив или линзу и фокусируется в объеме стекла. Величина энергии импульса лазерного излучения измерялась после фокусирующего объектива. Для записи питов применялось от 256 до 262144 импульсов.

Перемещение оптического носителя осуществлялось с помощью моторизованного трехкоординатного стола. Минимальная глубина фокусировки лазерного пучка составляла 20 мкм во избежание возможности образования трещин. При лазерном воздействии на кварцевое стекло образовывались питы - локальные области диаметром около 1,5 мкм, обладающие локальным поляризационно-зависимым двулучепреломлением. Для регистрации фазового сдвига и ориентации «медленной» оси двулучепреломляющих питов применялась система Abrio Microbirefringence [Retardance measurement system and method US 7372567 B2] на базе оптического поляризационного микроскопа Olympus ВХ51.

В приведенных далее примерах применялся оксид натрия. Правомерность обобщения на оксиды лития и калия следует из полного сходства используемых для достижения заявляемого технического результата свойств этих соединений.

Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.

Пример 1

В многокомпонентном стекле состава 15Na₂O-85SiO₂ на глубине 30 мкм сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 600 фс с частотой повторения 200 кГц и энергией от 30 до 60 нДж формируются массивы питов с ориентацией «медленной» оси 0° и 90° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, с фазовым сдвигом в диапазоне 10-45 нм. Число импульсов варьируется от 512 до 256144 импульса на пит. На двулучепреломление записанных нанорешеток не влияет термообработка при 400°С в течение 2 ч. Температура стеклования стекла данного состава 485°С, варка стекла осуществляется в электрической печи в платиновом тигле при температуре 1560°С. Введение 15 мол. % щелочного оксида в состав кварцевого стекла позволяет снизить микротвердость с 10,5 до 4,5 ГПа. Максимальная скорость записи информации составляет 12 КБ/сек.

Пример 2

В многокомпонентном стекле состава 12Na₂O-88SiO₂ на глубине 30 мкм сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 600 фс с частотой повторения 200 кГц и энергией от 30 до 60 нДж формируются массивы питов с ориентацией «медленной» оси 0 и 90° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, с фазовым сдвигом в диапазоне 10-45 нм. Число импульсов варьируется от 512 до 256144 импульса на пит. На двулучепреломление записанных нанорешеток не влияет термообработка при 400°С в течение 2 ч. Температура стеклования стекла данного состава 528°С, варка стекла осуществляется в электрической печи в платиновом тигле при температуре 1620°С. Введение 12 мол. % щелочного оксида в состав кварцевого стекла позволяет снизить микротвердость с 10,5 до 5,0 ГПа. Максимальная скорость записи информации составляет 12 КБ/сек.

Пример 3

В многокомпонентном стекле состава 30Na₂O-70SiO₂ на глубине 30 мкм сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 600 фс с частотой повторения 200 кГц и энергией 45 нДж формируются массивы питов с ориентацией «медленной» оси 0° и 90° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, с фазовым сдвигом в диапазоне 10-25 нм. Число импульсов варьируется от 1024 до 256144 импульса на пит. Температура стеклования стекла данного состава 460°С, варка стекла осуществляется в электрической печи в платиновом тигле при температуре 1400°С. Увеличение содержания оксида натрия до 30% в составе кварцевого стекла снижает микротвердость до 3,9 ГПа. Максимальная скорость записи информации составляет 9 КБ/сек.

Пример 4

В многокомпонентном стекле состава 30Na₂O-5Al₂O₃-65SiO₂ на глубине 50 мкм сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 600 фс с частотой повторения 100 кГц и энергией 45 нДж формируются массивы питов с ориентацией «медленной» оси 0°, 45° и 90° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, фазовым сдвигом в диапазоне 25 нм. Число импульсов пит составляло 128072 импульса на пит. Температура стеклования данного стекла составляет 480°С, а варка проводится в электрической печи при температуре 1490°С. Микротвердость стекла данного состава составляет 4,1-5,0 ГПа, что в 2,5 раза меньше, чем в кварцевом стекле. Скорость записи информации составляет 9 КБ/сек.

Пример 5

В многокомпонентном стекле состава 4Na₂O-2Al₂O₃-13B₂O₃-81SiO₂ на глубине 50 мкм сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 600 фс с частотой повторения 100 кГц и энергией 45 нДж формируются массивы питов с ориентацией «медленной» оси 0°, 45° и 90° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, фазовым сдвигом в диапазоне 25 нм. Число импульсов пит составляло 128072 импульса на пит. Температура стеклования данного стекла составляет 535°С, варка стекла осуществляется в электрической печи в платиновом тигле при температуре 1600°С. Микротвердость синтезированного стекла составляет 5,2-6,1 ГПа. Скорость записи составляет 9 КБ/сек.

Пример 6

В многокомпонентном стекле состава 25Na₂O-5Al₂O₃-5B₂O₃-65SiO₂ на глубине 50 мкм сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 600 фс с частотой повторения 100 кГц и энергией 45 нДж формируются массивы питов с ориентацией «медленной» оси 0°, 45° и 90° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, фазовым сдвигом в диапазоне 25 нм. Число импульсов пит составляло 64036 импульса на пит. Температура стеклования данного стекла составляет 510°С, варка стекла осуществляется в электрической печи в платиновом тигле при температуре 1510°С. Введение в состав стекла оксидов натрия, алюминия, бора в указанных количествах в состав кварцевого стекла позволяет снизить микротвердость с 10,5 ГПа до 5,4 ГПа. Скорость записи составляет 9 КБ/сек.

Выводы

Из приведенных выше примеров следует, что используя патентуемые составы возможно значительное упрощение технологического процесса изготовления носителя за счет снижения температур синтеза, которые в случае прототипа составляют порядка 2000°С, а для носителей на основе заявляемых многокомпонентных стекол лежат в диапазоне от 1400 до 1620°С и за счет использования электрических печей вместо специальных установок синтеза кварцевого стекла, а также упрощение процессов шлифовки и полировки поверхности носителя, обусловленное снижением микротвердости материала, при сохранении скорости записи информации, которая указана в прототипе.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к оптическому носителю информации на основе оксидных стекол, и может быть использовано для записи и хранения информации. Изобретение позволяет упростить и удешевить технологический процесс изготовления оптического носителя информации при сохранении скорости записи информации. Это достигается применением оптического носителя информации на основе многокомпонентных оксидных стекол составов, мол. %: Me₂O (Me=Li, Na, K) в количестве 12-30, SiO₂ в количестве 70-88; или состава: Me₂O (Me=Li, Na, K) в количестве 5-30, Al₂O₃ в количестве 0,1-5, SiO₂ в количестве 65-87,9; или состава: Me₂O (Me=Li, Na, K) в количестве 4-25, Al₂O₃ в количестве 2-5, В₂О₃ в количестве 5-13, SiO₂ в количестве 65-81.

Оптический носитель информации на основе оксидных стекол для трехмерной многоуровневой записи и хранения информации, отличающийся тем, что используют оксидные стекла следующих составов, мол. %:

Me₂O (Me=Li, Na, K) в количестве 12-30,

SiO₂ в количестве 70-88;

или состава:

Me₂O (Me=Li, Na, K) в количестве 12-30,

Al₂O₃ в количестве 0,1-5,

SiO₂ в количестве 65-87,9;

или состава:

Me₂O (Me=Li, Na, K) в количестве 4-25,

Al₂O₃ в количестве 2-5,

В₂О₃ в количестве 5-13,

SiO₂ в количестве 65-81.