Лазерный двухпучковый метод многослойной записи/считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах

Актуальность работы.

Хранение и накопление информации в аналоговом и цифровом виде является фундаментальной основой человеческой культуры и цивилизации. Информационные технологии становятся, и будут оставаться важнейшей потребностью общества, что подтверждается стремительным развитием электронных и фотонных технологий записи и хранения данных.

Оптические технологии записи и хранения данных являются одной из наиболее развивающихся областей современной оптики и представляют как научный, так и коммерческий интерес.

Оптическая память, представленная в виде компакт-дисков (CD) стала основным средством распространения музыки и компьютерного программного обеспечения. Появление дисков в стандарте DVD (Digital Versatile Disc), обладающих в семь раз большей поверхностной плотностью записи, позволило осуществить запись нескольких часов видео высокого качества в стандарте MPEG-2.

Увеличение скорости вычислений, развитие новых Интернет и мультимедийных приложений, таких как аудио и видео по требованию, создание электронных библиотек, медицинских архивов приводит к необходимости дальнейшего повышения плотности записи и емкости памяти. Даже последний стандарт оптических дисковых запоминающих устройств — «Blue Ray,» поддерживающий видео высокой четкости, этим требованиям не удовлетворяет. Следует отметить, что стандарт «Blue Ray,» обладает практически предельной поверхностной плотностью записи. Дальнейшее развитие технологии оптической памяти возможно за счет использования, толстых регистрирующих сред. Это направление реализуется путем наложенной записи объемных голограмм, а также путем записи информации в ряде разделенных по глубине слоях [1]. Такую технологию принято называть многослойной.

Технология наложенной голографической записи информации достигла значительных успехов и близка к выходу на потребительский рынок [2]. Однако для эффективного использования при этом страничного формата данных необходимо разрабатывать новые параллельные системы связи с компьютером. В то же время в многослойных (побитовой и микроголографической) технологиях записи информации, являющихся своеобразным трехмерным аналогом технологии CD/DVD, можно применять существующие последовательные интерфейсы. Разработанные в Германии и США методы многослойной записи информации находятся на стадии НИР и не лишены существенных недостатков. Так, в методе записи отражательных микроголограмм [3], вследствие использования механизма линейного поглощения, запись по глубине среды происходит неоднородно, а ее динамический диапазон используется неэффективно, что приводит к ограничению количества возможных слоев записи. В методе многослойной побитовой записи, использующем флуоресцентное считывание [4], не удалось решить проблему стабильности флуоресцентного материала. Запись также неоднородна по глубине. Общей проблемой методов многослойной записи является необходимость компенсации сферической аберрации, изменяющейся при переходе от одного слоя записи к другому. В полной мере эта проблема не решена до сих пор.

Таким образом, несмотря на то, что методы многослойной записи информации имеют значительную перспективу увеличения плотности записи и емкости памяти, указанные недостатки препятствуют их развитию и применению. Поэтому задача разработки новых методов многослойной записи/считывания информации, лишенных упомянутых недостатков, остается по-прежнему актуальной.

Указанная задача как показано в настоящей диссертации может быть-решена путем а) глубинной записи интерференционных микроструктур (микроголограмм), применения многоуровневого фазового кодирования при записи таких структур и фазочувствительного гетеродинного детектирования (считывания) и б) применения механизма двухфотонного поглощения при записи микроголограмм.

Цель диссертации.

Разработка и исследование нового лазерного двухпучкового метода многослойной записи/считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах, позволяющего в отличие от известных локализовать при записи элементарный микрообъем среды, зарегистрировать интерференционную микроструктуру (микроголограмму) с дискретно изменяемой фазой и провести последующее гетеродинное детектирование такой микроструктуры с определением ее амплитуды и фазы.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Предложить, обосновать и разработать метод многослойной записи/считывания микроголограмм в объемной регистрирующей среде. Показать возможности повышения плотности и скорости записи информации при многоуровневом фазовом кодировании информации в микроголограмме. Определить предельную плотность записи информации.

2. Исследовать особенности коллинеарного фазочувствительного гетеродинного считывания микроголограмм при их импульсном освещении.

3. Создать автоматизированную установку для экспериментального исследования предложенного метода записи/считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах в режимах линейного и двухфотонного поглощения. Установка должна обеспечить прецизионное перемещение среды по трем координатам, возможность выбора экспозиции и фазы для каждой из микроголограмм при записи и их гетеродинное считывание с определением амплитуды и фазы.

4. Определить основные характеристики установки: чувствительность гетеродинного фотодетектирования, размеры сформированной в глубине среды микроголограммы, а также размер области пространственной селекции, характеризующий разрешающую способность разрабатываемого метода по глубине.

5. Провести исследование метода многослойной записи микроголограмм в режиме двухфотонной инициации локальных фотопревращений в кристаллах ниобата и танталата лития, а также в толстых слоях фотополимерных материалов. Определить размеры микроголограмм, величину амплитуды модуляции показателя преломления и характерное время их записи. Изучить возможности осуществления неразрушающего считывания.

Научная новизна.

Новыми результатами диссертации являются:

1. Лазерный двухпучковый метод многослойной записи и гетеродинного фазочувствительного считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах. Метод защищен авторским свидетельством и патентом РФ.

2. Обнаруженная и экспериментально подтвержденная возможность восстановления при гетеродинном считывании размера отклика1, близкого к дифракционно-ограниченному значению, несмотря на наличие сферической аберрации, увеличивающей размер микроголограмм при их многослойной записи.

3. Двухфотонная запись микроголограмм в нелегированном конгруэнтном танталате лития с их последующим неразрушающим гетеродинным считыванием на длине волны А. о = 0,66 мкм. Значительное сокращение характерного времени записи микроголограммы по сравнению с традиционным случаем, когда возбуждение происходит с примесного.

1 Отклик — сигнал на выходе фотоприемника, полученный при считывании микроголограммы. уровня. Получение насыщенного значения амплитуды модуляции показателя преломления на уровне Ans = 10,7×10″ 4.

4. Обнаруженное влияние стехиометрии нелегированного танталата лития при двухфотонном возбуждении на амплитуду модуляции показателя преломления, голографическую чувствительность и характерное время записи микроголограмм, что позволяет вести целенаправленный с точки зрения указанных параметров поиск оптимальной концентрации лития. Получение при концентрации лития 48,38 мол.% насыщенного значения о амплитуды модуляции показателя преломления Аns = 2,1×10″, характерного времени записи микроголограмм т = 24 не и значения голографической чувствительности S = 1,3 см/Дж (в три раза превышает значения, полученные с легированным железом танталатом лития).

5. Двухфотонная запись микроголограмм в фотополимерных материалах на основе новых тиоксантоновых хромофоров со значениями амплитуды модуляции показателя преломления Ап = 4,8×10″ 3 и голографической чувствительностью S = 1,2 см/Дж. Сообщения о получении таких значений Ап при двухфотонной фотополимеризации автору неизвестны.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Физико-технические решения и методики, принятые при проведении многослойной записи/считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах, включающие методику селективной глубинной модификации среды и гетеродинного считывания модифицированного состояния, методику измерения распределения, шумов рассеяния и чувствительности по глубине среды, а также методику исследования собственной фоторефракции нелегированных кристаллов, танталата и ниобата лития в условиях двухфотонного межзонного фотовозбуждения, являются основой для развития новых информационных технологий 3D оптической памяти, защитной голографии и научного эксперимента.

Результаты, полученные в диссертации, использованы в следующих организациях:

• ИАиЭ СО РАН при проведении инициативных НИР, проектов РФФИ и РФТР, интеграционных проектов СО РАН и научных программ РАН (1993;2009 гг);

• Новосибирском институте органической химии СО РАН при создании фотополимерной композиции с низким уровнем шумов рассеяния, а также фотополимерного материала для двухфотонной записи;

• Институте физики полупроводников СО РАН при определении уровня фоторефрактивной чувствительности кристаллов танталата лития с неизвестной предысторией и определении диапазона концентрации лития, обеспечивающего минимальное оптическое повреждение кристаллов;

• Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН при определении влияния уровня индуцированных двухфотонных оптических потерь на эффективность процессов параметрического преобразования частоты в нелинейных кристаллах твердых растворов на основе танталата лития.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Предложенный двухпучковый метод позволяет осуществить многослойную запись микроголограмм в объемных фоторефрактивных средах (кристаллы ниобата и танталата лития, фотополимерные материалы), их последующее селективное по глубине гетеродинное считывание, а также увеличить плотность и скорость записи путем применения многоуровневого фазового кодирования информации (в три раза при реализованном восьмиуровневом кодировании).

2. С помощью гетеродинного фазочувствительного считывания можно восстанавливать размер отклика, близкого к дифракционно-ограниченному значению, несмотря на наличие сферической аберрации, увеличивающей размер микроголограмм при их многослойной записи.

3. При записи микроголограмм в нелегированных фоторефрактивных кристаллах ниобата и танталата лития двухфотонное межзонное фотовозбуждение обеспечивает значения амплитуды модуляции показателя преломления, близкие к предельным, полученным для этих же материалов, но с оптимальным уровнем легирования. При этом также происходит сокращение характерного времени записи по сравнению с традиционным случаем, когда возбуждение происходит с примесного уровня.

4. Использование двухфотонного поглощения в толстых регистрирующих средах позволяет решить основные проблемы многослойной записи: обеспечить однородную запись микроголограмм во всем объеме среды и их неразрушающее детектирование с восстановлением амплитуды и фазы. В этом случае (в отличие от линейного поглощения) в каждом слое может быть достигнуто предельное для таких сред значение амплитуды модуляции показателя преломления.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертации рассматривались на следующих конференциях: Second International Conference on «Optical Information Processing,» Saint-Petersburg, Russia, 1996; International Conference on «Optical Information Science and Technology,» Moscow, Russia, 1997; XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Moscow, Russia 1998; 101 Tagung «Deutsche Gesellschaft f! ir angewandte Optik,» Jena, Germany, 2000; Ninth International Conference on «Photorefractive Effects, Materials, and Devices,» Nice, France, 2003; Tenth International Conference on «Photorefractive Effects, Materials, and Devices,» Sanya, P. R. China, 2005; Topical meeting «Controlling Light with Light: Photorefractive Effects, Photosensitivity, Fiber Gratings, Photonic Materials and More,» Olympic Valley, California, USA, 2007; Topical Meeting on Optoinformatics, Saint-Petersburg, Russia, 2008; Topical meeting «Photorefractive Materials, Effects, and Devices,» Bad Honnef, Germany, 2009.

Личный вклад.

Постановка и решение задач исследования по теме диссертации, разработка необходимых методик и оптико-механической части экспериментальной установки, проведение экспериментальных исследований выполнены автором.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 21 научной работе, в том числе в 1 авторском свидетельстве, 1 патенте РФ, 7 научных статьях, одной монографии (две главы) и 10 трудах международных конференций.

Исследования по теме диссертации выполнялись в Институте автоматики и электрометрии СО РАН г. Новосибирск в рамках следующих НИР:

Проект «Разработка лазерной микротехнологии 3-D записи высокоскоростных потоков цифровых данных на оптический диск» (шифр «Супердиск»), договор с РФТР при Миннауки России № 118−370−2, 1996 -1998 гг. — исполнитель;

Проект «Разработка и исследование трехмерных (ЗО)лазерных методов инициации фотохимических превращений в объемных регистрирующих средах для создания перспективных дисковых накопителей данных сверхбольшой емкости» (Заказчик — СПП при Президиуме РАН), 2001 — 2003 гг. — ответственный исполнитель;

Проект «Исследование двухфотонных лазерных методов инициации локальных фотохимических превращений в объемных средах и разработка на их основе новых информационных технологий (Программа РАН «Фемтосекундная оптика и физика сверхсильных лазерных полей»), 2003 -2005 гг. — ответственный исполнитель;

НИР «3D лазерные микротехнологии, системы и элементы» (Программа СО РАН «Оптика, лазерная физика», № гос. per. 0120.0 405 434), 2004 — 2006 гг. — ответственный исполнитель;

Проект «Фемтосекундные лазерные методы записи и детектирования микроструктур в 3D оптических регистрирующих средах» (Программа Президиума РАН «Фемтосекундная оптика и новые оптические материалы»), 2006 — 2008 гг. — ответственный исполнитель;

Междисциплинарный интеграционный проект СО РАН № 17 «Новые технологии трехмерной голографической памяти», 2006 — 2008 гг. — ответственный исполнитель;

Проект «Фотонно-кристаллические элементы и структуры на основе толстых однородных и слоистых оптических сред» (Программа СО РАН «Оптика, лазерная физика», № гос. per. 01.2.007 4 683), 2007 — 2009 гг. -ответственный исполнитель.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы, изложенных на 147 страницах, содержит 50 иллюстраций, 5 таблиц.

Список литературы

состоит из 93 наименований. Рисунки имеют сквозную нумерацию внутри каждой из глав. Этот же принцип нумерации по главам принят и для формул.

4.5. Выводы.

Проведено исследование двухфотонной записи микроголограмм в нелегированных образцах кристаллов ниобата и танталата лития, а также в фотополимерных материалах на основе новых и эффективных тиоксантоновых хромофоров.

В нелегированном кристалле ниобате лития показана возможность двухфотонной записи микроголограмм одним импульсом, что является чрезвычайно важным фактором на пути увеличения скорости записи в возможных практических приложениях. Получено увеличение 1,6 раза амплитуды модуляции показателя преломления нелегированного ниобата лития в присутствии дополнительного пучка с длиной волны X = 1,06 мкм. При экспозиции одним импульсом (IGr = 0,9 ГВт/см2, Im = 1 ГВт/см2) амплитуда модуляции показателя преломления составляет An = 5,4×10″ 4, а дифракционная эффективность микроголограммы — 0,07%. Дальнейшее увеличение значения An ограничено явлением катастрофической деградации материала при повышении интенсивности до 1-й, 2 ГВт/см2. Недостатком этого материала является отсутствие неразрушающего считывания на длине волны X = 0,66 мкм, что связанно с образованием центров окраски в кристалле HJT при действии излучения высокой мощности.

Впервые проведена двухфотонная запись микроголограмм в нелегированном кристалле танталата лития (состав близкий к конгруэнтному), где в отличие от ниобата лития осуществлено неразрушающее считывание на длине волны X = 0,66 мкм. Размер о микроголограммы составляет 1×1,4×10 мкм. Результаты исследования свидетельствуют о том, что двухфотонное межзонное фотовозбуждение позволяет обеспечить высокое значение амплитуды модуляции показателя преломления Аns = 10,7×10 (при I = 4,1 ГВт/см). В то же время следует отметить, что механизм лежащий в основе фоторефракции еще не ясен. Наблюдаемое значение голографической чувствительности S =.

0,45 см/Дж не уступает лучшим результатам, полученным в экспериментах с легированным железом TJI. Показано, что двухфотонное межзонное фотовозбуждение электрона приводит к значительно более быстрому отклику по сравнению с традиционным случаем, когда возбуждение происходит с примесного уровня. Анализ распределения амплитуд сигналов считывания, проведенный для трех слоев, расположенных на глубинах 100, 122 и 144 мкм показал, что значения амплитуд, считанных с различных слоев, близки и запись происходит однородно по глубине. Измеренное значение уровня перекрестных помех говорит о его малом влиянии, поскольку фотоиндуцированное изменение свойств среды происходит лишь в малой области пересечения двух сфокусированных пучков.

Исследовано влияния стехиометрии нелегированного танталата лития на результаты двухфотонной записи (амплитуда модуляции показателя преломления и голографическая чувствительность). Показано, что результаты записи сильно зависят от молярной концентрации лития в кристалле. При концентрации лития 48,38 мол.% амплитуда модуляции показателя преломления равна Ans = 21 хЮ" 4, а характерное время записи составляет т = 24 не. При этом значение голографической чувствительности TJI такого состава составляет S = 1,3 см/Дж, что в три раза превышает значения, полученные для легированного железом TJI.

Исследованы процессы двухфотонной записи микроголограмм в толстых (100−200 мкм) фотополимерных материалах, созданных на основе тиоксантоновых хромофоров. Максимальное значение сечения двухфотонного поглощения этих хромофоров составило 252×10″ 50 сш4*с. Проведена двухфотонная запись последовательности микроголограмм в произвольном по глубине слое. Глубина записи варьировалась в диапазоне 50— 150 мкм. Размер микроголограммы составлял о.

1x1,4×6,4 мкм. Полученные результаты свидетельствуют о том, что хромофоры обеспечивают высокие значения голографической чувствительность ФПМ (S= 1,2 см/Дж) и изменения показателя преломления о.

Ап = 4,8−10″). Запись носит пороговый характер. Пороговая характеристика среды является достоинством при проведении многослойной записи. В этом случае улучшается степень локализации микроголограммы при записи и уменьшается влияние перекрестных шумов при считывании. Определен порог записи микроголограмм по интенсивности, равный для материала с хромофором ТЗ 1,2 ГВт/см". Считывание для этого класса материалов носит неразрушающий характер.

Показано, что коэффициент, характеризующий эффективность двухфотонного поглощения в ФПМ, равен 5×10−4, что в 4 раза превосходит значение соответствующего коэффициента для ниобата лития. Основным ресурсом повышения значения коэффициента К является увеличение сечения ДФП хромофоров. Учитывая успехи современной квантовой химии и оценки для предельной величины коэффициента 8 ~ 106 ГМ [93], такой ресурс является значительным. Кроме того, поскольку коэффициент К зависит от интенсивности излучения, то при сокращении длительности импульса интенсивность записывающих пучков может быть повышена. Использование лазеров с фемтосекундными (100 — 200 фс) импульсами позволит увеличить интенсивность экспонирующих пучков на два порядка, поскольку при таких длительностях также растет порог разрушения материала.

Таким образом, использование ДФП в толстых регистрирующих средах позволит решить основные проблемы многослойной записи: обеспечить однородную запись во всем объеме среды и неразрушающее считывание. Важной особенностью применения ДФП является то, что в отличие от случая линейного поглощения в каждом слое может быть достигнуто максимальное значение амплитуды модуляции показателя преломления.

Заключение

.

В заключении приведем основные результаты диссертации.

1. Предложен новый двухпучковый лазерный метод записи/считывания микроголограмм, позволяющий в отличие от известных локализовать элементарный микрообъем в X, У, Ъ — пространстве среды, зарегистрировать интерференционную микроструктуру (микроголограмму) с дискретно изменяемой фазой, а также провести гетеродинное детектирование такой микроструктуры с определением ее амплитуды и фазы. Метод защищен авторским свидетельством и патентом РФ. Показано, что путем многоуровневого фазового кодирования плотность записи информации.

11 3 можно довести до уровня 3,9×10 бит/см (при Х0 = 0,66 мкм, ЫА = 0,65, п = 1,5).

2. Исследован процесс коллинеарного гетеродинного детектирования микроголограмм при их импульсном освещении. Показано, что в этом случае реализуется режим гетеродинирования со смещенной частотой, с подавлением несущей и с переносом спектра сигнала в сторону нижних частот, что позволяет определять амплитуду и фазу высокочастотных световых полей с помощью фотоприемника с большой площадью светочувствительной поверхности и малым быстродействием.

3. Создана автоматизированная оптико-электронная установка для многослойной записи микроголограмм в толстых регистрирующих средах в режимах линейного и двухфотонного поглощения. Диапазон перемещения среды по трем координатам — 0,8 мм, а точность позиционирования не хуже 0,2 мкм. Размеры микрорешетки в плоскости X, У (по уровню 0,5 л максимального значения интенсивности) — 1,0×1,4 мкм (А-о — 0,66 мкм, ЫА — 0,65), а размер по Ъ, определяющий разрешение по глубине, зависит от показателя преломления среды и может меняться в пределах 5−12 мкм. Порог чувствительности гетеродинного фотодетектирования составляет р

5,1×10″ ~ мм", что достаточно для обнаружения шумов рассеяния основных регистрирующих сред.

4. Обнаружена и экспериментально подтверждена возможность восстановления размера отклика, полученного при гетеродинном детектировании микроголограммы, близкого к дифракционно-ограниченному значению, несмотря на наличие сферической аберрации, приводящей к увеличению размеров микроголограммы более чем в два раза на глубине ~ 500 мкм. Продемонстрированы возможности записи/детектирования микроголограмм с восемью уровнями фазы и их селективного стирания (в кристаллах ниобата лития в произвольном по глубине слое.

5. Впервые реализована многослойная двухфотонная запись микроголограмм (1×1,4×10 мкм3) в нелегированном кристалле танталата лития (состав близкий к конгруэнтному) и их последующее неразрушающее детектирования на длине волны Х0 = 0,66 мкм. Показано, что двухфотонное межзонное фотовозбуждение электрона приводит к значительному сокращению характерного времени записи по сравнению с традиционным случаем, когда возбуждение происходит с примесного уровня, и позволяет получить насыщенное значение амплитуды модуляции показателя преломления на уровне Аns = 10,7×10″ 4 (при 1= 4,1 ГВт/см2).

6. Обнаружено значительное влияние стехиометрии нелегированного танталата лития при двухфотонном возбуждении на амплитуду модуляции показателя преломления, голографическую чувствительность и характерное время записи. Установлено, что при концентрации лития 48,38 мол.% насыщенное значение амплитуды модуляции показателя преломления равно Ans = 2ДхЮ" 3, а характерное время записи составляет т = 24 не. При этом значение голографической чувствительности (S = 1,3 см/Дж) в-три раза превышает значения, полученные с легированным железом танталатом лития.

7. Исследованы процессы двухфотонной записи микроголограмм в толстых (100−200 мкм) фотополимерных материалах на основе тиоксантоновых хромофоров. Проведена двухфотонная запись последовательности микроголограмм размера 1×1з4хб, 4 мкм3 в произвольном по глубине слое. Показано, что хромофоры обеспечивают высокие значения голографической чувствительность фотополимерного материала (? = 1,2 см/Дж) и амплитуды модуляции показателя преломления (Ап = 4,8×10″ 3). Запись носит пороговый характер, что позволяет повысить степень локализации микроголограммы при записи и уменьшить влияние перекрестных шумов при считывании. Определено, что порог записи микроголограмм по интенсивности находится на уровне 1,2 ГВт/см2.

Таким образом, при выполнении диссертации решена важная научно-техническая задача по созданию нового лазерного двухпучкового метода трехкоординатной микромодификации толстых регистрирующих сред, многослойной записи в таких средах микроголограмм и последующего гетеродинного детектирования их информационного содержания: амплитуды и фазы. Полученные результаты составляют научную основу для развития новых технологий ЗО оптической памяти с многослойной пословной организацией данных, защитной голографии, физического эксперимента и других приложений. Предложенные в диссертации методики двухфотонной модификации регистрирующих сред и селективного гетеродинного детектирования модифицированных состояний нашли применение при проведении научных исследований в НИОХ СО РАН (разработка фотополимерного материала для двухфотонной записи на основе тиоксантоновых хромофоров), ИФП СО РАН (определение значения фоторефрактивной чувствительности кристаллов танталата лития с неизвестной предысторией и концентрации лития, обеспечивающей минимальное оптическое повреждение), а также в ИМКЭС СО РАН (определение влияния уровня индуцированных двухфотонных оптических потерь на эффективность процессов параметрического преобразования частоты в нелинейных кристаллах твердых растворов на основе танталата лития).

В заключении автор приносит глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук профессору Твердохлебу П. Е. — за плодотворные обсуждения и поддержку в работе, своему постоянному соавтору к.т.н. Щепеткину Ю. А. за плодотворную совместную работу, к.т.н. Пену Е. Ф. за ценные советы и замечания, сделанные при чтении рукописи диссертации, к.х.н. Шелковникову В. В. за разработку, изготовление образцов ФПМ и полезные дискуссии, к.ф.-м.н. Атучину В. В. за определение стехиометрического состава кристаллов нелегированного танталата лития и полезные дискуссии, а также сотрудникам лаборатории оптических информационных систем: Вьюхиной H.H., Затолокину В. Н., Трубецкому A.B., Беликову А. Ю., принимавшим участие в выполнении отдельных этапов работы.