CN108320758B - 一种可逆相变材料高密度存储装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于双光束超分辨技术的可逆相变材料高密度存储装置，包括衍射受限的激发光生成组件用于引发光记录；中心光强为零的抑制光生成组件用于抑制光记录；光盘组件中光盘的记录层由半导体合金相变材料构成，在激光的作用下相变材料发生晶相和非晶相之间的可逆变换，导致材料的反射率、折射率等发生相应的可逆变化，能实现信息的超分辨记录；将发光离子掺杂到相变材料中，在合适波长激发光诱导下发出荧光，能实现记录信息的超分辨读出。本发明的基于双光束超分辨技术的可逆相变材料高密度存储装置及方法能实现超分辨读写的功能，解决了因衍射极限的约束而无法继续提升光盘存储容量的问题。

Description

一种可逆相变材料高密度存储装置
技术领域
本发明涉及光盘存储介质相关存储方法技术领域，特别是涉及一种基于双光束超分辨技术的可逆相变材料高密度存储装置。
背景技术
光盘于20世纪70年代诞生后，随着光盘存储技术的不断进步，基于无机材料的相变可擦写型光盘的地位日益显现出来。相变光盘是利用光-热过程使半导体合金薄膜的晶态(crystalline state)与非晶态(amorphous state)产生可逆相变，达到信号的写入、读出和擦除的目的。
相变材料的晶态处于吉布斯自由能的最低位置，是稳定态；非晶态处于吉布斯自由能的较高位置，是亚稳态。写入信息时，用较高功率和较短脉冲激光辐射处于晶态的薄膜材料，使材料的温度上升至熔点以上，然后通过液相快冷，转变为非晶态，这时的材料为长程无序，具有较低的反射率；擦除信息时，用较低功率和较宽脉冲激光辐射处于非晶态的已写入信息，使温度上升并稍微低于熔点，此时又回到晶态，具有较高的反射率。信息的读出利用记录点和非记录点的反射率差异来区分。
但是，由于受到衍射极限的约束，写入光斑的大小始终无法达到其波长的1/2以下，导致无法进一步提升光盘存储密度；同时，基于晶态和非晶态反射率差值来实现数据的读出具有很大的约束性，因为其反射率对比度通常是小于30％的，信噪比较小，不利于信号的读取；如果是超分辨写入，则记录光斑的尺寸将会更小，如果还是利用反射率对比度来实现数据的读取，其信噪比将进一步减小。所以，进一步提升相变光盘存储密度以及增强信号对比度变得尤为重要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于双光束超分辨技术的可逆相变材料高密度存储装置及方法，用于解决现有技术中因衍射极限的约束而无法继续提升光盘存储容量的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于双光束超分辨技术的可逆相变材料高密度存储装置。
本发明的技术解决方案如下：
一种可逆相变材料高密度存储装置，其特点在于：包括：
激发光生成组件，用于引发相变材料光记录；
抑制光生成组件，用于抑制相变材料光记录；
二相色透镜，用于反射激发光透射抑制光；
光盘组件，用于实现光盘相变材料上的超分辨写入和读出。
所述激发光生成组件包括第一激光光源，以及沿第一激光光源传输方向依次放置的第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一二分之一波片和反射镜。
所述第一激光光源用于生成平行激发光，所述第一聚焦透镜和第二聚焦透镜用于激光扩束；所述第一二分之一波片用于将所述平行光处理为第一线偏振光；所述反射镜用于改变光束的传输方向。
所述抑制光生成组件包括第二激光光源，以及沿第二激光光源传输方向依次放置的第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、第二二分之一波片、涡旋相位板、锥棱镜和第五聚焦透镜。
所述第二激光光源用于生成抑制光，所述第三聚焦透镜和第四聚焦透镜用于激光扩束；所述第二二分之一波片用于将所述抑制光处理为第二线偏振光；所述涡旋相位板将抑制光处理为中心光强为零的空心涡旋光；所述锥棱镜用于产生贝塞尔光束，其他起相同作用的光学组件同样可用；所述第五聚焦透镜用于对所述贝塞尔光束进行准直。
所述的第一激光光源的输出光依次经第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和第一二分之一波片后，入射到所述的反射镜，经该反射镜反射；所述的第二激光的输出光依次经第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、第二二分之一波片、涡旋相位板和锥棱镜后，入射到所述的第五聚焦透镜，经该第五聚焦透镜透射的透射光与经反射镜反射的反射光合束后，入射到所述的偏振分束片，经该偏振分束片透射后，依次经所述的四分之一波片和物镜后，入射到所述的光盘，经该光盘反射，原路返回依次经物镜和四分之一波片后入射到所述的偏振分束片，经该偏振分束片反射后经第六聚焦透镜被所述的CCD接收。
所述光盘包括依次连接的盘基、第一介电层、记录层、第二介电层、反射层以及保护层；
所述的盘基是由透光性较好的聚碳酸酯构成，对光盘工作波长的激光透过率要达到90％以上，两个介电层是由ZnS-SiO2构成，起到保护记录层、控制记录层灵敏度和反射率变化以及控制冷却速率等作用；所述的记录层用的光存储材料为可逆相变Ge-Sb-Te存储材料；所述的反射层由铝合金构成，用来反射光信号，其他起相同作用的材料同样可用；保护层由紫外光固化剂构成，起到对光盘的保护作用。
所述记录层相变材料初始态是晶态，激发光的作用是引起材料的相变，即从晶态转变为非晶态；而抑制光的作用是利用长的热效应，即相变材料达到溶化态后无法立即冷却，最终依然为晶态，使记录过程不能发生。
所述记录层用的可逆相变材料中掺杂了发光离子镍(Ni2+)或者铋(Bi+)，其他起相同作用的发光离子同样可用，不同的掺杂离子有不同的荧光效应，其对应的荧光强度和可逆相变材料的晶化程度有关，利用双光束超分辨技术可以实现数据的读出。
所述激发光和抑制光必须中心重合，否则会影响超分辨的效果从而降低存储密度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)突破了衍射极限的约束，通过采用双光束超分辨技术减小有效光斑的尺寸从而极大地提升了光盘的存储密度；
(2)由于双光束超分辨的记录光斑尺寸很小，通过利用晶态和非晶态的反射率差值来实现数据的读取变得更加困难，利用荧光读取会有更好的信噪比；
(3)操作简单，灵活方便，存储容量大。
附图说明
图1为本发明中光盘各层分布的结构示意图；
图2为本发明中双光束共同作用于光盘记录层的结构示意图；
图3为本发明中激发光和抑制光相应的脉宽结构示意图；
图4为本发明中不同荧光离子在不同状态下相应的结构示意图；
图5为本发明的基于双光束超分辨技术的可逆相变材料高密度存储装置的结构示意图；
标号说明
20 保护层(紫外光固化胶)
30 反射层(铝合金)
40 介电层2(ZnS-SiO2)
50 记录层(相变材料)
60 介电层1(ZnS-SiO2)
70 盘基(聚碳酸酯)
1 第一激光光源
2 第一聚焦透镜
3 第二聚焦透镜
4 第一二分之一波片
5 反光镜
6 第二激光光源
7 第三聚焦透镜
8 第四聚焦透镜
9 第二二分之一波片
10 涡旋相位板
11 锥棱镜
12 第五聚焦透镜
13 二相色透镜
14 偏振分束片
15 四分之一波片
16 物镜
17 光盘
18 第六聚焦透镜
19 CCD
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
STED(stimulated emission depletion，受激发射损耗)超分辨荧光显微镜需要两束严格共轴的激光，其中一束为激发光，另外一束为抑制光(也称STED光)。利用激发光使艾里斑范围内的荧光分子被激发，其电子从基态跃迁到激发态。随后，使用甜甜圈型的损耗光照射样品，使得处于激发光斑外围的激发态分子以受激辐射的方式释放能量回到基态，而位于激发光斑内部区域的激发态分子则不受损耗光的影响，继续以自发荧光的方式回到基态。这种照明方式的组合，将荧光发射区域限制在小于艾里斑的区域内，获得了一个小于衍射极限的荧光发光点。上述即为双光束超分辨技术。
因此，基于双光束超分辨技术在进行光盘的数据存储时，一束受衍射极限约束的高斯形激发光聚焦在光盘的记录层上用来引发光记录，另外一束中心光强为零的空心涡旋圆形聚焦光斑(也称为STED光)来抑制光记录，且这两束光的中心相互重合。此时，光记录现象只能发生在聚焦光斑的中心而边缘处被抑制，从而减小了有效记录光斑的尺寸，进而达到通过增加记录密度提升光盘存储容量的目的。
如图1所示，本发明的基于双光束超分辨技术的可逆相变材料高密度存储装置及方法中光盘组件中的光盘各层依次包括：保护层20、反射层30、第二介电层40、记录层50、第一介电层60、盘基70；保护层20由紫外光固化剂构成，起到对光盘的保护作用，其他起相同作用的材料同样可用；反射层30由铝合金构成，用来反射光信号，其他起相同作用的材料同样可用；第二介电层40是由ZnS-SiO2构成，起到保护记录层、控制记录层灵敏度和反射率变化以及控制冷却速率等作用，其他起相同作用的材料同样可用；记录层50用的光存储材料为掺杂发光离子的可逆相变Ge-Sb-Te存储材料，这类材料的写、读速度都非常快，重复利用率高，其他起相同作用的可逆相变材料和发光离子同样可用；第一介电层60是由ZnS-SiO2构成，起到保护记录层、控制记录层灵敏度和反射率变化以及控制冷却速率等作用，其他起相同作用的材料同样可用；盘基70是由透光性较好的聚碳酸酯构成，对光盘工作波长的激光透过率要达到90％以上，同时，盘基还必须具有较小的双折射率和较好的稳定性，其他起相同作用的材料同样可用。
如图2所示，本发明中激发光和抑制光与相变材料共同相互作用示意图，激发光光斑和抑制光光斑中心必须相互重合且所述记录层相变材料初始态为晶态，激发光的作用是引起材料的相变，即从晶态转变为非晶态；而抑制光的作用是利用长的热效应，即相变材料达到溶化态后无法立即冷却，最终依然保持为晶态，使记录过程不能发生。
如图3所示，本发明中激光脉冲宽度及功率调制方法示意图，激发光的作用是将相变材料从晶态转变为非晶态，需要较窄的光脉冲(峰值功率较高)；抑制光的作用是利用较长光脉冲(峰值功率较低)的长热效应，即相变材料达到溶化态后无法立即冷却，最终依然保持为晶态。在双光束超分辨相变材料高密度存储过程中，为了达到较好的实验结果，需不断调整激发光和抑制光的脉冲宽度及相对应的功率，找到最优解。
如图4所示，本发明中记录点和非记录点对应的光谱曲线示意图，掺杂发光离子镍(Ni2+)或者铋(Bi+)在合适波长激发光诱导下发出荧光，对于掺杂镍(Ni2+)离子的相变材料来说，其记录点(非晶态)的荧光强度明显低于非记录点(晶态)的荧光强度；对于掺杂铋(Bi+)离子的相变材料来说，其记录点(非晶态)的荧光强度明显高于非记录点(晶态)的荧光强度；说明在进行信号的读出时都会有非常高的信噪比，利用受激发射损耗超分辨显微成像原理的读出方法，对已记录的点进行超分辨读出。
下面通过实施例来进一步阐述本发明的基于双光束分辨的光盘存储装置。
如图5所示，所述激发光生成组件包括依次相连的第一激光光源1、第一聚焦透镜2、第二聚焦透镜3、第一二分之一波片4和反光镜5；所述第一激光光源1用于生成高斯激发光，所述第一聚焦透镜2和第二聚焦透镜3用于激光扩束；所述第一二分之一波片4用于将所述高斯光处理为第一线偏振光；而后通过反光镜5改变光束的方向。
所述抑制光生成组件包括依次相连的第二激光光源6、第三聚焦透镜7、第四聚焦透镜8、第二二分之一波片9、涡旋相位板10、锥棱镜11、第五聚焦透镜12；所述第二激光光源6用于生成抑制光；所述第三聚焦透镜7和第四聚焦透镜8用于激光扩束；所述第二二分之一波片9用于将所述抑制光处理为第二线偏振光；所述涡旋相位板10将抑制光处理为中心光强为零的空心涡旋偏振光；所述锥棱镜11用于产生贝塞尔光束；所述第五聚焦透镜12用于对贝塞尔光束进行准直。
所述二相色透镜13用于反射激发光透射抑制光；
所述光盘组件包括偏振分束片14、四分之一波片15、物镜16、光盘17、第六聚焦透镜18和CCD19；偏振分束片14只允许和入射面平行的偏振光通过；再通过四分之一波片15，使两束光都转变为圆偏振光；最后通过物镜16准确聚焦到光盘17的记录层进行数据的写入；在进行数据的读出时，反射回来的荧光经过偏振分束片14后被反射到第六聚焦透镜18，最后聚焦到CCD19上进行数据的收集。
光盘17中的记录层50是通过激发光和抑制光共同相互作用来实现数据的写入；相变材料的非晶化过程可通过器件的热力学设计来完成，而晶化过程则依赖材料本身的属性；从理论上讲，当相变材料的猝冷速率达到一定极值，其内部分子来不及进行有序的排列--结晶，从而变为非晶态，但是，如果让其冷却速率减慢，其内部分子结构会进行重新排序，相变材料最后的状态依旧为晶态。根据上述原理所述且如果光盘记录层40初始态为晶态，将激发光和抑制光同时作用于光盘17的相变记录层50，经过几个纳秒后停止激发光的辐射，因为介电层1 60和介电层2 40的导热作用记录光斑的中心部分快速冷却变为非晶态；而记录光斑外围部分因为有抑制光的继续辐射作用，相变记录层50不会快速冷却，最后还保持为晶态状态，实现超分辨的写入(非晶态)。相变材料从非晶态到晶态的转变是一个热积累的过程，只有温度达到才可能转变为晶态，可以通过合理控制激发光和抑制光的脉宽和功率来防止在写入下一个记录点时将前一个已经写入的数据点(非晶态)擦除。这样不仅在单点上实现了超分辨，更是在空间位置上实现了超分辨，极大地提升了存储密度。
光盘17中的记录层50当中还掺杂了发光离子镍(Ni2+)或铋(Bi+)，在合适波长激发下能发出荧光，利用双光束超分辨显微成像的方法进行记录点的读取。反射回来的荧光经第六聚焦透镜18聚焦到CCD19上进行数据的收集和后续处理。
综上所述，本发明的基于双光束超分辨技术的可逆相变材料高密度存储方法通过将双光束超分辨技术和掺杂发光离子的可逆相变材料结合使用实现了光盘超分辨，即超高密度的写入和读出，极大地提升了光盘的存储容量，是下一代光盘发展的重要方向之一。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。比如，基于相变材料的双光束超分辨光存储实际也可以用来做纳米光刻，其利用的是晶态和非晶态在洗涤溶剂中的溶解度不同而只保留晶态部分，可以做成纳米点阵列或者纳米线阵列等。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种可逆相变材料高密度存储装置，其特征在于：包括：
激发光生成组件，用于引发相变材料光记录；
抑制光生成组件，用于抑制相变材料光记录；
二相色透镜，用于反射激发光透射抑制光；
光盘组件，用于实现光盘相变材料上的超分辨写入和读出；
所述激发光生成组件包括第一激光光源，以及沿第一激光光源传输方向依次放置的第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一二分之一波片和反射镜；所述抑制光生成组件包括第二激光光源，以及沿第二激光光源传输方向依次放置的第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、第二二分之一波片、涡旋相位板、锥棱镜和第五聚焦透镜；所述光盘组件包括偏振分束片、四分之一波片、物镜、光盘、第六聚焦透镜和CCD；
所述的第一激光光源的输出光依次经第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和第一二分之一波片后，入射到所述的反射镜，经该反射镜反射；所述的第二激光光源的输出光依次经第三聚焦透镜、第四聚焦透镜、第二二分之一波片、涡旋相位板和锥棱镜后，入射到所述的第五聚焦透镜，经该第五聚焦透镜透射的透射光与经反射镜反射的反射光合束后，入射到所述的偏振分束片，经该偏振分束片透射后，依次经所述的四分之一波片和物镜后，入射到所述的光盘，经该光盘反射，原路返回依次经物镜和四分之一波片后入射到所述的偏振分束片，经该偏振分束片反射后经第六聚焦透镜被所述的CCD接收。
2.根据权利要求1所述的可逆相变材料高密度存储装置，其特征在于：所述第一激光光源用于生成平行激发光，所述第一聚焦透镜和第二聚焦透镜用于激光扩束；所述第一二分之一波片用于将所述平行光处理为第一线偏振光；所述反射镜用于改变光束的传输方向。
3.根据权利要求1所述的可逆相变材料高密度存储装置，其特征在于：所述第二激光光源用于生成抑制光，所述第三聚焦透镜和第四聚焦透镜用于激光扩束；所述第二二分之一波片用于将所述抑制光处理为第二线偏振光；所述涡旋相位板将抑制光处理为中心光强为零的空心涡旋光；所述锥棱镜用于产生贝塞尔光束；所述第五聚焦透镜用于对所述贝塞尔光束进行准直。
4.根据权利要求1所述的可逆相变材料高密度存储装置，其特征在于：所述光盘包括依次连接的盘基、第一介电层、记录层、第二介电层、反射层以及保护层；所述的盘基是由透光性较好的聚碳酸酯构成，对光盘工作波长的激光透过率要达到90％以上，两个介电层是由ZnS-SiO2构成，起到保护记录层、控制记录层灵敏度和反射率变化以及控制冷却速率作用；所述的记录层用的光存储材料为可逆相变Ge-Sb-Te存储材料；所述的反射层由铝合金构成，用来反射光信号；保护层由紫外光固化剂构成，起到对光盘的保护作用。
5.根据权利要求4所述的可逆相变材料高密度存储装置，其特征在于：所述记录层用的可逆相变材料初始态是晶态，激发光的作用是引起材料的相变，即从晶态转变为非晶态；而抑制光的作用是利用长的热效应，即相变材料达到溶化态后无法立即冷却，最终依然为晶态，使记录过程不能发生。
6.根据权利要求5所述的可逆相变材料高密度存储装置，其特征在于：所述记录层用的可逆相变材料中掺杂了发光离子镍(Ni2+)或者铋(Bi+)，不同的掺杂离子有不同的荧光效应，其对应的荧光强度和可逆相变材料的晶化程度有关，利用双光束超分辨技术可以实现数据的读出。
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