Способ записи и считывания частотно-селективной оптической информации Советский патент 1992 года по МПК G11C13/04 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть применено в оптических и оптоэлектронных запоминающих устройствах.

Известен способ записи и считывания оптической информации, в котором осуществлено увеличение плотности записи, благодаря использованию частоты излучения для адресации к записываемым или считываемым битам информации. Этот способ основан на явлении образования стабильных спектральных провалов в неоднородно-уширенной полосе поглощения светочувствительного материала. Запись

двоичной информации в нем производится действием узкополосного лазерного излучения, спектральная ширина которого меньше ширины полосы поглощения материала. Сканирование частоты лазерного излучения при записи позволяет записывать биты информации на разных частотах, отстоящих друг от друга не менее, чем на ширину выжигаемого провала. Считывание осуществляется также с помощью узкополосного лазерного излучения меньшей интенсивности, чем при записи, путем регистрации света, прошедшего через светочувствительный материал, что позволяет определить, имеется ли образованный при записи провал на частоте считывающего излучения. При этом адресация к нужному биту информации осуществляется частотным сканированием считывающего излучения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, в котором используется страничный принцип хранения информации. Для переключения страниц хранения информации (вызова нужной страницы) как при записи, так и при считывании светочувствительный материал освещают двумя до- полнительными излучениями: сначала первым, с частотой и интенсивностью, обесг печивающими переход материала в мета- стабильное состояние, затем вторым - с частотой в области неоднородно-уширенной полосы поглощения метастабильного состояния материала и спектральной шириной, меньшей ширины этой полосы. При считывании освещение обоими дополнительными излучениями осуществляют до освещения основным излучением, а при записи освещение первым излучением производят до освещения основным излучением, а вторым - одновременно с ним. Адресация к нужной странице хранения информации осуществляется заданием частоты второго дополнительного излучения, используемого для переключения страниц.

При данном способе спектральная информационная емкость N (число битов информации, которые могут быть независимо записаны и считаны, благодаря использованию различных оптических частот) определяется формулой

N

Ai-A

СП&

О)

где Ai и Да - ширины неоднородно-уширенных полос поглощения соответственно основного и метастабильного состояний материала;

5i и dz - ширины провалов, выжигаемых в полосах поглощения соответственно основного и метастабильного состояний. Величина N для известного способа можетдостигать 10 .

Однако известный способ характеризуется недостаточным быстродействием записи и считывания, связанным с тем, что для переключения страниц в нем используется

процесс перевода материала в метаста- бильное состояние, имеющее относительно низкий квантовый выход (10 -10 ). По этой причине переключение требует довольно значительного времени, определяемого выражением

Jfi. 9м

(2)

где Гр - время релаксации (восстановления) основного состояния материала после оптического возбуждения;

дм - квантовый выход процесса, используемого для переключения страниц.

Для светочувствительных материалов на основе органических молекул гр равно времени жизни триплетного состояния и может составлять от нескольких десятков микросекунд до нескольких секунд. Столько

большое время переключения страниц tc должно приводить к малоэффективной работе известных устройств, особенно в тех случаях, когда необходим доступ к информации, записанной на разных страницах и требуется частая смена страниц.

Цель изобретения - повышение быстродействия записи и считывания частотно-селективной оптической информации.

Поставленная цель достигается тем, что

в известном способе записи и считывания частотно-селективной оптической информации, заключающемся в предварительном переключении страниц информации путем освещения светочувствительного материала, обладающего свойством фотоиндуциро- ванного образования провалов в полосе поглощения, излучением с частотой в области неоднородно-уширенной полосы поглощения светочувствительного материала и

спектральной шириной, меньшей ширины этой полосы, при записи - в одновременном освещении светочувствительного материала первым излучением с частотой в области неоднородно-уширенной полосы поглощения светочувствительного материала и спектральной шириной, меньшей ширины этой полосы, и вторым излучением, производящим совместно с первым излучением двухквантовую фотохимическую реакцию в

светочувствительном материале, а при считывании - в освещении светочувствительного материала излучением с такой же частотой и спектральной шириной, что у первого излучения при записи и в регистрации поглощения этого излучения светочувствительным материалом, вносятся следующие изменения. При предварительном переключении страниц хранения информации светочувствительный материал освещают излучением с интенсивностью и длительностью, необходимыми для перевода материала во флуоресцентное состояние. При записи освещение светочувствительного материала производят первым излучением в области неоднородно-уширенной полосы поглощения флуоресцентного состояния материала. При считывании освещение светочувствительного материала осуществляют излучением в области неоднородно-уширенной полосы поглощения флуоресцентного состояния материала.

Сходными с известным способом являются следующие признаки предлагаемого способа.

Наличие операции переключения страниц при записи и считывании с использованием освещения светочувствительного материала излучением с частотой в области неоднородно-уширенной полосы поглощения материала и спектральной шириной, меньшей ширины этой полосы. Наличие при записи операции одновременного освещения материала двумя световыми излучениями: первым - с частотой в области неоднородно-уширенной полосы поглощения материала и спектральной шириной, меньшей ширины этой полосы и вторым - производящим совместно с первым двух- квантовую фотохимическую реакцию в материале. Наличие при считывании операции освещения материала излучением с частотой в той же области, что и у первого излучения при записи, и с той же спектральной шириной с регистрацией поглощения этого излучения светочувствительным материалом.

Существенными отличительными признаками предлагаемого способа являются следующие.

Интенсивность и длительность (режимы) освещения материала при переключении страниц определяются условиями перевода материала во флуоресцентное состояние (а не в метастабильное), что дает возможность повысить быстродействие переключения (поскольку в этом случае квантовый выход равен единице). Частота излучения, используемого при считывании

и первого излучения при записи задается в области неоднородно-уширенной гтолосы поглощения флуоресцентного состояния материала). (У известного способа - в области неоднородно-уширенной полосы поглощения основного состояния). Это связано с использованием флуоресцентного состояния в качестве рабочего состояния при записи и считывании, что, в свою очередь,

продиктовано задачами повышения быстродействия переключения страниц.

Существенными отличиями предлагаемого способа (согласно целям) от известных решений являются новые условия (режимы)

операций.

На фиг.1 представлена блок-схема установки, позволяющей реализовать предлагаемый способ; на фиг.2 - спектры поглощения светочувствительного материала в

области неоднородно-уширенных полос его основного и флуоресцентного состояний на разных стадиях при записи и считывании бита информации.

Блок-схема установки (фиг.1) содержит

светочувствительный материал 1, оптический затвор 2, лазер 3, селективные зеркала 4 и 5, оптические затворы 6,7, лазеры 8,9, фотоприемник 10.

На фиг.2 показаны полоса поглощения

основного состояния 11, исходный (минимальный) уровень поглощения 12 флуоресцентного состояния, фотоиндуцированный провал 13 в полосе поглощения основного состояния, начальный уровень 14 поглощения флуоресцентного состояния, провал 16 в полосе поглощения основного состояния, полоса поглощения 17 флуоресцентного состояния в процессе перехода материала в основное состояние, уровень поглощения

после перехода материала в основное состояние в области полосы флуоресцентного состояния 18 и в области провала и в полосе основного состояния 19.

Запись информации осуществляют следующим образом.

Вначале производят вызов страницы хранения информации, на которую предполагается производить запись, путем освещения светочувствительного материала 1 световым излучением с частотой 1 в пределах неоднородно-уширенной полосы поглощения 11 материала и спектральной шириной, меньшей ширины этой полосы.

Для этого открывают затвор 2 перестраиваемого лазера 3, работающего на частоте vi . Селективное зеркало 4 должно эффективно отражать свет с частотой v во всей области ее перестройки. Селективное зеркало 5

служит для освещения материала другим излучением и должно быть прозрачным на частоте vi . Режим освещения выбирают таким, чтобы происходил максимально возможный (при данной частоте и спектраль- ной ширине излучения) переход материала во флуоресцентное состояние, например, путем использования светового тг-импуль- са с длительностью ги . удовлетворяющей

неравенству

Ти Тф ,

(3)

где Тф - время жизни флуоресцентного состояния (обычно от единиц до десятков на- носекунд) и плотностью мощности , определяемой выражением:

-

ЛГСГ1

Я Н2 т2 О и TU

(4)

где d - дипольный момент перехода, отвечающего полосе поглощения 11;

С - скорость света;

h - постоянная Планка (h h/2 л).

В результате этого в полосе поглощения основного состояния образуется узкий провал 13 за счет перевода во флуоресцентное состояние части молекул материала, частоты электронных переходов которых попадают в резонанс с частотой VL Это сопровождается увеличением поглощения в области неоднородно-уширенной полосы поглощения флуоресцентного состояния материала от исходного (нулевого) уровня 12 до некоторого значения 14. При этом из-за отсутствия у молекул корреляции между частотами разных электронных перехо- дов в неоднородно-уширенных спектрах образование узкого провала в полосе основного состояния сопровождается равномерным увеличением поглощения во всей полосе поглощения флуоресцентного состо- яния. Описанная операция осуществляет вызов страницы. После ее завершения производят собственно запись. Для этого одновременно открывают затворы 6 и 7 лазеров 8 и 9. Частота V2 перестраива- емого лазера 8 должна находиться в области неоднородно-уширенной полосы поглощения флуоресцентного состояния светочувствительного материала. Селективное зеркало 5 должно иметь высокий коэф- фициент отражения во всей области перестройки частоты vi. Излучение лазера 7 с частотой V3 должно удовлетворять следующему требованию: освещение им свето5

0

0

5

0 5 0 5 0 5

чувствительного материала, находящегося в флуоресцентном состоянии, должно приводить к двухквантовому фотопревращению в нем, когда оно осуществляется одновременно с освещением светом с частотой V2 . Частота V3 должна находиться за пределами поглощения как основного, так и флуоресцентного состояния материала. Селективные зеркала 4 и 5 должны быть прозрачны для излучения с частотой УЗ. Одновременно освещение материала излучением лазеров 8 и 9 осуществляют во время нахождения материала в флуоресцентном состоянии, т.е. в течение времени, не превышающего Гф, после освещение прекращают, закрывая затворы 6 и 7. В результате такого освещения происходит превращение части молекул из числа переведенных во флуоресцентное состояние, частоты которых попадают в резонанс с частотой V2 , в продукт фотохимической реакции. Это приводит к образованию провала на частоте при сохранении провала на частоте v. Интенсивности излучений лазеров 8 и 9 выбирают такими, чтобы в результате облучения ими материала глубина провала 15 была достаточной для его обнаружения при считывании. Переход молекул светочувствительного материала обратно в основное состояние проходит самопроизвольно, не требуя для этого никаких дополнительных воздействий на материал. Сначала, в течение времени Гф, считая от момента окончания светового импульса, осуществляющего выхов страницы - происходит уменьшение поглощения 17 в полосе флуоресцентного состояния, вплоть до исчезновения 18 полосы. Затем, в течение времени гр исчезает провал в полосе основного состояния и восстанавливается исходный уровень поглощения 19 во всей полосе.

Запись других битов информации обеспечивается частотным сканированием лазеров 3 и 8. Для этого достаточно изменить частоту vi на величину, превышающую ширину «л провала 13 (этим достигается изменение адреса страницы хранения информации) или (и) изменить частоту V2 на величину, превышающую ширину О2 провала 15 (этим достигается изменение адреса бита на странице) и провести снова все описанные операции в той же последовательности. Если при записи нового бита информации изменяется только частота va, т.е. записываются несколько битов на одну и ту же страницу, то вызов страницы может быть осуществлен один раз, после чего производят несколько последовательных освещений лазерами 8 и 9 с изменением частоты лазера 8 vz после каждого из освещений при условии, что все эти освещения осуществляются в течение времени, не превышающего Гф после вызова страницы. (Принципиально возможна одновременная запись нескольких битов информации на одной странице путем использования нескольких лазеров вместо одного лазера 8, либо одного многочастотного лазера).

Считывание производят следующим образом.

Пусть требуется считать бит, при записи которого использовались частоты Vi и V2, Сначала производят вызов страницы таким же образом, как и при записи, причем лазер 3 должен быть настроен на частоту Vi . При этом появляется поглощение в области полосы флуоресцентного состояния с уже имеющимися провалами 15 на тех частотах, которые ранее совместно с частотой vi использовались при записи битов информации. Для считывания требуемого бита открывают затвор б лазера 8, настроенного на частоту v% и с помощью фотоприемника 10 регистрируют свет, проходящий через светочувствительный материал. Наличие провала 15 и, следовательно, записанного бита информации, обнаруживается по уменьшению поглощения света материалом на частоте Vi по сравнению с тем же уровнем, который имеется после проведения тех же операций, но при отсутствии провала.

Считывание других битов информации, как и при записи, обеспечивается частотным сканированием лазеров 3 и 8. Так, для считывания бита, при записи которого использовались частоты vi и V2 , достаточно настроить лазер 3 на частоту v , а лазер 8 - на частоту и повторить все операции, относящиеся к считыванию. Как и при записи, данный способ допускает последовательное считывание нескольких битов информации, располагающихся на одной странице, при однократном ее вызове. Для этого достаточно осуществить вызов нужной страницы и затем произвести несколько последовательных освещений лазером 8, меняя его частоту после каждого освещения, при условии, что все эти освещения осуществлены за время, не превышающее Тф после вызова страницы. После завершения считывания записанной на данной странице информации для вызова новой страницы необходимо, как и при записи, выждать время не менее гр, считая от момента окончания светового импульса, осуществлявшего последний вызов страницы.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

В предлагаемом способе время, требуемое для переключения страниц, определяется соотношением (2) с qM 1 (поскольку переключение осуществляется возбуждением непосредственно во флуоресцентное состояние). Отсюда следует, что отношение времени, требуемого для переключения страницы в предлагаемом способе, к аналогичному времени в известном способе составляет 1/qM 103 - 102 . Реально предлагаемый способ дает еще больший выигрыш в быстродействии при переключении страниц, поскольку сам вызов страницы занимает в нем время, значительно меньшее, чем Тр и поэтому считывание (или запись) информации осуществляют сразу же после окончания светового импульса, вызывающего страницу, без ожидания времени гр. Последнее является ограничением снизу лишь для интервала времени между двумя последовательными вызовами страниц. В известном способе подобное совмещение операций невозможно, так как сам процесс переключения страниц занимает в нем время, не меньшее, чем rp/qM.

Спектральная информационная емкость предлагаемого способа определяется тем же выражением (1), что и в предлагаемом способе, если в качестве Дг и О2 берутся соответствующие величины не для метастабильного, а для флуоресцентного состояния. Из данных о временах жизни вторых синглетных возбужденных состояний тетрапиррольных соединений следует, что для светочувствительных материалов на основе тетрафенилпорфи- на отношение может составлять неfjо

сколько единиц 10 или даже 10 . Следовательно, спектральная информационная емкость для предлагаемого способа остается практически такой же, как и в известном способе.

Преимуществом, предлагаемого способа является более высокое быстродействие, что позволяет расширить сферы применения вычислительных и информационных систем и устройств, использующих накопители спектрально-селективной оптической информации с постраничной организацией ее хранения, за счет облегчения доступа ко всему массиву хранящейся информации и улучшения условий работы таких устройств совместно с электронными устройствами передачи и преобразования информации.

Формула изобретения Способ записи и считывания частотно- селективной оптической информации, заЯ

ключающийся в предварительном переключении страниц информации путем освещения светочувствительного материала, обладающего свойством фотоиндуцирован- ного образования провалов в полосе погло- щения, излучением с частотой в области неоднородно-уширенной полосы поглощения светочувствительного материала и спектральной шириной, меньшей ширины этой полосы, при записи-в одновременном освещении светочувствительного материала первым излучением с частотой в области неоднородно-уширенной полосы поглощения светочувствительного материала и спектральной шириной, меньшей ширины этой полосы, и вторым излучением, производящим совместно с первым излучением двухквантовую фотохимическую реакцию в светочувствительном материале, а при считывании - в освещении материала излуче- нием с такой же частотой и спектральной

шириной, что у первого излучения при записи, и в регистрации поглощения этого излучения светочувствительным материалом, о т- личающийся тем, что, с целью повышения быстродействия процессов записи и считывания информации, при предварительном переключении страниц хранения информации освещают светочувствительный материал излучением с интенсивностью и длительностью, необходимыми для перевода материала во флуоресцентное состояние, при записи освещение светочувствительного материала производят первым излучением в области неоднородно-уширенной полосы поглощения флуоресцентного состояния светочувствительного материала, при считывании освещение светочувствительного материала осуществляют излучением в области неоднородно-уширенной полосы поглощения флуоресцентного состояния светочувствительного материала

Изобретение относится к области вычислительной техники и предназначено для применения в оптических и оптоэлектрон- ных запоминающих устройствах, использующих частоту излучения для адресации к записываемым или считываемым битам информации при станичном способе ее хранения. Целью изобретения является повышение быстродействия записи и считывания информации. Способ включает в себя вспомогательное освещение светочувствительного материала, осуществляющее вызов страницы хранения информации, производимое узкополосным световым излучением с частотой в пределах неоднород- но-уширенной полосы поглощения tjsbZtgSidb - 2 светочувствительного материала, выбор которой определяет адрес вызываемой страницы. Интенсивность этого излучения выбирают таким , чтобы обеспечивался максимально возможный при данной частоте и спектральной ширине излучения перевод материала во флуоресцентное состояние. При записи после вспомогательного освещения материала во время его нахождения во флуоресцентном состоянии освещают материал одновременно еще двумя световыми излучениями, первое из которых - узкополосное(с частотой в пределах неоднородно-уширенной полосы поглощения флуоресцентного состояния - опреде- ляет адрес записываемого бита информации, а второе имеет частоту и интенсивность, обеспечивающие при его действии совместно с первым излучением прохождение двухквантовой фотохимической реакции в материале. При считывании после вспомогательного освещения материала во время его нахождения во флуоресцентном состоянии осуществляют освещение материала узкополосным излучением с частотой в области неоднород- но-уширенной -полосы поглощения флуоресцентного состояния. Информацию считывают путем регистрации поглощения этого излучения материалом. 2 ил. СП с VI со %| ел со :

9 7

УН

Фм.{

4 5

1

J)|

ft

Фиг. 2

//