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. 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.