СПОСОБ ЗАПИСИ ОПТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В СТЕКЛЕ

Изобретение относится к оптике и может быть использовано для записи оптической информации.

Известен способ записи оптической информации (US 4092139, опубл. 30.05.1978 г.), заключающийся в том, что стекло, содержащее ионы серебра, фотосенсибилизатор, локально облучают через амплитудную маску ультрафиолетовым излучением в течение 10-20 мин, а затем термообрабатывают при температуре выше температуры стеклования в течение 1-5 часов. При ультрафиолетовом облучении происходит фотоионизация фотосенсибилизатора с образованием в стекле свободных электронов. Часть этих электронов захватывают ионы серебра с образованием нейтральных атомов серебра. При термообработке, в результате термической диффузии атомов серебра происходит формирование наночастиц серебра, имеющих полосу поглощения в спектральном интервале 400-450 нм. В результате этого облученная область стекла приобретает окраску. Недостатком способа является большая продолжительность записи информации, и необходимость использования стекла с фотосенсибилизатором.

Известен способ записи оптической информации (R.E. de Lamaestre, H. Bea, H. Bernas, J. Belloni, J.L. Marigniez // Phys. Rev. B, 2007, V.76, 205431), заключающийся в том, что стекло, содержащее ионы серебра, локально облучают через амплитудную маску гамма-излучением или энергичными ионами в течение 10-20 мин, а затем термообрабатывают при температуре выше температуры стеклования в течение 1-5 часов. При гамма-облучении происходит фотоионизация компонентов стекла с образованием в стекле свободных электронов. Часть этих электронов захватывают ионы серебра с образованием нейтральных атомов серебра. При термообработке, в результате термической диффузии атомов серебра происходит формирование наночастиц серебра, имеющих полосу поглощения в спектральном интервале 400-450 нм. В результате этого облученная область стекла приобретает окраску. Недостатком способа является большая продолжительность записи информации и необходимость использования источника ионизирующего излучения либо ускорителя ионов.

Известен способ записи оптической информации (А.И. Игнатьев, Н.В. Никоноров, А.И. Сидоров, Т.А. Шахвердов. // Опт. и спектр. 2013. Т.114, С.838), выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что стекло, содержащее ионы серебра Ag_n ^m+, молекулярные ионы серебра Ag_n ^m+ (n=2-4) и фотосенсибилизатор - ионы церия Ce³⁺, локально облучают через амплитудную маску ультрафиолетовым излучением с длиной волны 305-310 нм в течение 10-20 мин. При ультрафиолетовом облучении происходит фотоионизация фотосенсибилизатора с образованием в стекле свободных электронов. Часть этих электронов захватывают ионы и молекулярные ионы серебра с образованием нейтральных атомов Ag и нейтральных молекулярных кластеров Agⁿ, обладающих интенсивной люминесценцией в видимой области спектра. Время облучения определяется тем, что при облучении в полосу поглощения ионов церия интенсивность ультрафиолетового излучения спадает по толщине образца экспоненциально. Поэтому для того, чтобы набрать необходимую дозу облучения по всей толщине образца в облучаемой зоне, необходимо продолжительное облучение. В результате этого облученная область стекла приобретает люминесцентные свойства при возбуждении люминесценции излучением с длиной волны 350-410 нм. Недостатком способа является большая продолжительность записи информации, и необходимость использования стекла с фотосенсибилизатором.

Изобретение решает задачи ускорения записи оптической информации в стекле и упрощения состава стекла.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что силикатное стекло, содержащее ионы и молекулярные ионы серебра, локально облучают фемтосекундными инфракрасными лазерными импульсами с длиной волны 0.8-1.1 мкм.

Серебро в силикатном стекле исходно содержится в виде ионов Ag⁺ и молекулярных ионов серебра Ag_n ^m+ (n=2-4), которые имеют чрезвычайно низкую интенсивность люминесценции. При локальном воздействии фемтосекундного инфракрасного лазерного импульса на стекло происходит многофотонное поглощение излучения компонентами стекла и фотоионизация, приводящая к появлению свободных электронов в стекле. В этом случае не требуется наличие в стекле фотосенсибилизатора - ионов церия. Электроны захватываются ионами и молекулярными ионами серебра, переводя их в нейтральное состояние. Нейтральные атомы и нейтральные молекулярные кластеры серебра обладают интенсивной люминесценцией в видимой области спектра при возбуждении люминесценции излучением с длиной волны 350-410 нм. Таким образом, на локальном участке стеклянной пластины фиксируется информация в виде люминесцентной метки. Так как в спектральном интервале 0.8-1.1 мкм стекло с серебром не содержит полос поглощения, то многофотонное поглощение происходит одинаково по всей толщине стекла. Поэтому не требуется продолжительное облучение для накопления дозы облучения в глубине стекла. Локальное воздействие на стекло фемтосекундных инфракрасных лазерных импульсов может производиться через амплитудную маску расфокусированным лазерным лучом, либо путем сканирования сфокусированного лазерного луча по поверхности стекла, с управлением сканером с помощью компьютера.

Совокупность признаков, изложенных в формуле, характеризует способ записи оптической информации в силикатном стекле, содержащем ионы и молекулярные ионы серебра, заключающийся в локальном облучении стекла не непрерывным ультрафиолетовым излучением, как в прототипе, а фемтосекундными инфракрасными лазерными импульсами с длиной волны 0.8-1.1 мкм. В отличие от прототипа запись информации осуществляется благодаря фотоионизации не фотосенсибилизатора, а всех компонентов стекла, за счет многофотонных процессов. Дополнительным достоинством способа является то, что после записи информации лазерным излучением малой мощности она не проявляется при облучении излучением видимой области спектра. Достоинством является также возможность автоматизации записи информации при использовании лазерного сканирующего устройства.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

Фиг.1. Фотографии образца (а) и его люминесценции (б) после локального облучения фемтосекундными инфракрасными лазерными импульсами. Длина волны возбуждения люминесценции 365 нм.

Фиг.2. Спектры люминесценции облученной зоны стекла после облучения фемтосекундными инфракрасными лазерными импульсами. Длина волны возбуждения люминесценции: 1-365 нм, 2-405 нм.

Далее сущность изобретения раскрывается на примере, который не должен рассматриваться экспертом как ограничивающий притязания изобретения.

Пример конкретной реализации изобретения.

Для записи оптической информации используют силикатное стекло без фотосенсибилизатора, имеющее следующий состав: Na₂O-ZnO-Al₂O₃-SiO₂-NaF-NaCl с добавкой Ag₂O (0.24 вес.%). Стекло локально, путем сканирования луча, облучают сфокусированными фемтосекундными инфракрасными лазерными импульсами с длиной волны 1 мкм, длительностью импульсов 200 фс, частотой повторения импульсов 300 кГц и средней мощностью 0.5-3 Вт. Плотность записи составляет 1000 имп/мм. Отсюда следует, что запись информации на участке длиной 1 мм занимает 0.003 с. После этого облученная зона стекла приобретает люминесцентные свойства при возбуждении люминесценции излучением с длиной волны 350-410 нм. Для записи информации через амплитудную маску поверхность стекла через маску освещают расфокусированным лазерным излучением с указанной средней мощностью. На фиг.1 показаны фотографии образца и его люминесценции после локального, путем сканирования луча, облучения фемтосекундными инфракрасными лазерными импульсами с различной средней мощностью. Облучались 6 квадратных участков размером 3×3 мм. Из фиг.1а видно, что при освещении образца видимым светом информация не проявляется на участках, подвергнутых облучению со средней мощностью 0.5-1 Вт. При средней мощности лазерного облучения более 1 Вт облученная область стекла приобретает слабую светло-желтую окраску. При освещении стекла излучением с длиной волны 365 нм области, на которые было произведено лазерное воздействие, начинают люминесцировать (фиг.1б). На фиг.2 показан спектр люминесценции облученных зон стекла после облучения фемтосекундными инфракрасными лазерными импульсами. Для считывания всей записанной информации одновременно стекло освещают излучением полупроводниковых светодиодов с длиной волны 365 или 405 нм, или расфокусированным излучением полупроводниковых лазеров с аналогичными длинами волн. Для последовательного считывания информации поверхность стекла сканируют сфокусированным излучением полупроводниковых лазеров с длиной волны 365 или 405 нм. Записанная информация может храниться в течение как минимум нескольких лет, она не стирается ультрафиолетовым облучением или нагревом стекла до температуры 400°C.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить скорость записи оптической информации в стекле и упростить состав стекла, исключив из его состава фотосенсибилизатор и восстановитель. Дополнительными достоинствами способа является то, что после записи информации лазерным излучением малой мощности она не проявляется при облучении излучением видимой области спектра, а также возможность автоматизации записи информации при использовании лазерного сканирующего устройства.

Промышленная применимость

Способ может быть использован для записи и хранения оптической информации в виде текста, изображений, штрих-кодов и цифровой битовой информации.