CN108899053B - 双光束超分辨光存储材料读写装置和读写方法 - Google Patents

双光束超分辨光存储材料读写装置和读写方法 Download PDF

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Abstract

一种双光束超分辨光存储材料读写装置包括光路和计算机，所述的光路由记录光路、读出光路和荧光收集光路组成，以及读写方法。本发明采用脉冲光诱导‑连续光抑制的淬灭记录方式，可以快速读取信息，在超分辨光存储领域第一次同时解决材料记录和读取的问题，可以克服光致变色材料在超分辨记录时的擦除效应，可以获得更小的记录光斑和提高光盘的存储密度。

Description

双光束超分辨光存储材料读写装置和读写方法
技术领域
本发明属于光存储技术领域，特别是一种具有光致变色特性材料的双光束超分辨光存储材料读写装置和读写方法。
背景技术
传统的存储技术，受限于材料本身的物理极限和技术限制，所读写的光斑尺寸大小多在衍射极限附近，存储密度无法进一步提高，另外，现有光存储技术所用于刻录的光波长大多在紫外范围，而这种波长的光源成本较高，并且也无法得到衍射极限之下的光斑。光盘存储的存储量受到很大的限制。
双光束超分辨光存储技术可以有效提高记录密度，因为其外围空心涡旋光的光抑制作用可以有效减少中心高斯光对材料的光诱导作用，进而增加记录点的分辨率。但是所采用的光致变色材料由于本身的两种状态的可逆转换，在超分辨记录中，由于亮态和暗态的分子级可逆转换，在记录第二个点的同时，外围抑制光会将第一个点的信息擦除，如图二所示。所以除了可逆的光诱导-光抑制转化之外，还需要将亮态信息淬灭，实现信息的永久存储。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有光致变色特性材料的双光束超分辨光存储材料读写装置和读写方法，该装置和方法解决了光致变色材料记录过程的擦除效应，提高了记录分辨率，在超分辨光存储和光刻领域有很大的应用价值。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种双光束超分辨光存储材料薄膜读写装置，其特点在于，包括光路和计算机，所述的光路由记录光路、读出光路和荧光收集光路组成：
所述的记录光路包括脉冲激光器，该脉冲激光器输出的激光经所述的第一光纤耦合器、倍频晶体输出倍频脉冲光，该倍频脉冲光经第一反射镜、第一声光调制器、第一扩束透镜组后作为中心诱导光；第一连续激光器输出的激光经第二光纤耦合器、第二声光调制器、第二扩束透镜组、第一涡旋相位片、第二反射镜、第一偏振分光棱镜、第一1/4波片后作为第一外围抑制光，该第一外围抑制光通过第一二向色镜与所述的中心诱导光合束形成记录光束，该记录光束经第二二向色镜、第三二向色镜、1/2波片、第三1/4波片和物镜后照射位于纳米位移台上的光存储材料薄膜,该光存储材料薄膜为光致变色材料薄膜，以下简称为样品；
所述的读出光路包括脉冲激光器，该脉冲激光器输出的激光经所述的第一光纤耦合器、倍频晶体输出倍频脉冲光，该倍频脉冲光经第一反射镜、第一声光调制器、第一扩束透镜组后作为中心读出光；第二连续激光器输出的激光经第三光纤耦合器、第三声光调制器、第三扩束透镜组、第二涡旋相位片、第三反射镜、第二偏振分光棱镜、第二1/4波片后作为第二外围抑制光，该第二外围抑制光经第二二向色镜与所述的中心读出光合束形成读出光束，该读出光束经第三二向色镜、1/2波片、第三1/4波片和物镜后照射位于纳米位移台上的样品；
荧光收集光路为：纳米位移台上的样品产生的荧光经所述的物镜、第三1/4波片、1/2波片、第三二向色镜、聚焦透镜、光纤，输入单光子计数器；
所述的第一扩束透镜组、第二扩束透镜组、第三扩束透镜组是由一对正负透镜组成对光束进行扩束；
所述的计算机与所述的纳米位移台、第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器和第一涡旋相位片、第二涡旋相位片的控制端相连，所述的单光子计数器的输出端与所述的计算机的输入端相连。
所述的光致变色材料薄膜，包括二芳基乙烯衍生物薄膜、俘精酸酐衍生物薄膜、偶氮类衍生物薄膜或螺吡喃材料薄膜。
利用上述双光束超分辨光存储材料薄膜读写装置的读写方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
记录步骤：
1)对二芳基乙烯衍生物薄膜进行预处理，保证薄膜单体均为亮态，即为可记录状态并称为样品；
2)将所述的样品置于所述的纳米位移台上，在计算机的控制下，所述的纳米位移台将所述的样品移位，使所述样品的第1记录点位于所述物镜的焦点位置方向，并令i＝1；
3)计算机判断：若第i记录点不需要记录，则进入步骤5)，需要记录则进入下一步；
4)所述的计算机控制开启第二声光调制器，使所述的第一连续激光器输出的激光通过记录光路，将样品的记录平面的第i记录点区域涡旋光中心d/2范围外的亮态保持，同时开启第一声光调制器，使所述的脉冲激光器输出的激光经第一光纤耦合器、倍频晶体输出倍频脉冲光，该倍频脉冲光经第一反射镜、第一声光调制器、第一扩束透镜组后形成中心诱导光并经记录光路将第i记录点区域涡旋光中心d/2范围内的亮态直接淬灭，而外围通过诱导的方式始终保持亮态；
5)所述的计算机关闭第一声光调制器、第二声光调制器，并控制纳米位移台，将所述样品移动至i＝i+1记录点，并返回步骤3)，当记录面的所有记录点全部扫描完，即进入下一步；
6)完成记录，结束；
读出步骤：
1)将待读出的样品安置在所述的纳米位移台上，在所述的计算机的控制下，所述的纳米位移台将所述的样品移位，使所述样品的第1记录点位于所述物镜的焦点位置方向，并令i＝1；
2)所述的计算机开启第三声光调制器,所述的第二连续激光输出的激光经第三光纤耦合器、第三声光调制器、第三扩束透镜组、第二涡旋相位片、第三反射镜、第二偏振分光棱镜、第二1/4波片后作为第二外围抑制光，该第二外围抑制光经读出光路对所述的样品上的记录点i扫描；所述的脉冲激光器输出的激光经第一光纤耦合器、倍频晶体输出倍频脉冲光，该倍频脉冲光经第一反射镜、第一声光调制器、第一扩束透镜组后作为中心读出光，该中心读出光经读出光路同时照射所述的样品上的记录点i，记录点i产生的荧光经所述的荧光收集光路输入所述的单光子计数器计数，若输出为亮点，则说明没有记录信息，若输出为暗点，则说明为记录信息，该单光子计数器将信息输入所述的计算机，完成记录点i的读出；
3)在所述的计算机的控制下，所述的纳米位移台将所述的样品移位到下一个记录点，并令i＝i+1，返回步骤2)；当样品的所有的记录点全部读出后，进入下一步；
4)完成读出后，所述的计算机根据所述的单光子计数器实时采集的信息经过图像处理后，产生记录信息图像。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1.本发明改进了二芳基乙烯的记录方式，在超分辨光存储领域第一次同时解决材料记录和读取的问题。Hell组所采用的GFP荧光蛋白作为记录介质，由于荧光蛋白寿命极短，保存时间短，保存条件要求高，严重限制了其成为光存储材料的可能性。顾敏等人采用双光束超分辨光刻的方式记录，只解决的写入的问题，只能通过SEM(电子显微镜)进行观测，没有解决读出的问题。采用脉冲光诱导-连续光抑制的淬灭记录方式，可以快速读取信息，在超分辨光存储领域第一次同时解决材料记录和读取的问题。
2.由于采用了淬灭记录，使得记录状态的稳定性大幅度提高，在超分辨写入时可以保证没有擦除效应，以及可以保持长时间的信息记录。
3.采用脉冲激光配合连续激光进行写入和读出，可以快速的将荧光态淬灭，实现超分辨数据的写入。
附图说明
图1为本发明超分辨光存储材料薄膜读写装置的光路图。
图2为光致变色材料在超分辨刻写中擦除效应效果图。
图3为光致变色材料淬灭诱导-抑制效应荧光发射峰效果图。
图4为本发明实施例二芳基乙烯衍生物新型读写方法原理图。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明超分辨光存储材料薄膜读写装置的光路图。由图可见，本发明双光束超分辨光存储材料薄膜读写装置，包括光路和计算机33，所述的光路由记录光路、读出光路和荧光收集光路组成：
所述的记录光路包括脉冲激光器1，该脉冲激光器1输出的激光经所述的第一光纤耦合器2、倍频晶体3输出倍频脉冲光，该倍频脉冲光经第一反射镜4、第一声光调制器5、第一扩束透镜组6后作为中心诱导光；第一连续激光器7输出的激光经第二光纤耦合器8、第二声光调制器9、第二扩束透镜组10、第一涡旋相位片11、第二反射镜12、第一偏振分光棱镜13、第一1/4波片14后作为第一外围抑制光，该第一外围抑制光通过第一二向色镜15与所述的中心诱导光合束形成记录光束，该记录光束经第二二向色镜24、第三二向色镜25、1/2波片26、第三1/4波片27、物镜28后照射位于纳米位移台29上的光存储材料薄膜,该光存储材料薄膜为光致变色材料薄膜，以下简称为样品；
所述的读出光路包括脉冲激光器1，该脉冲激光器1输出的激光经所述的第一光纤耦合器2、倍频晶体3输出倍频脉冲光，该倍频脉冲光经第一反射镜4、第一声光调制器5、第一扩束透镜组6后作为中心读出光；第二连续激光器16输出的激光经第三光纤耦合器17、第三声光调制器18、第三扩束透镜组19、第二涡旋相位片20、第三反射镜21、第二偏振分光棱镜22、第二1/4波片23后作为第二外围抑制光，该第二外围抑制光经第二二向色镜24与所述的中心读出光合束形成读出光束，该读出光束经第三二向色镜25、1/2波片26、第三1/4波片27、物镜28后照射位于纳米位移台29上的样品；
荧光收集光路为：纳米位移台29上的样品产生的荧光经所述的物镜28、第三1/4波片27、1/2波片26、第三二向色镜25、聚焦透镜30、光纤31，输入单光子计数器32；
所述的第一扩束透镜组6、第二扩束透镜组10、第三扩束透镜组19是由一对正负透镜组成对光束进行扩束；
所述的计算机33与所述的纳米位移台29、第一声光调制器5、第二声光调制器9、第三声光调制器18和第一涡旋相位片11、第二涡旋相位片20的控制端相连，所述的单光子计数器32的输出端与所述的计算机33的输入端相连。
所述的光致变色材料薄膜，包括二芳基乙烯衍生物薄膜、俘精酸酐衍生物薄膜、偶氮类衍生物薄膜或螺吡喃材料薄膜。不同的光致变色材料薄膜所选用的脉冲激光器1、第一连续激光器7、第二连续激光器16的参数将有所不同。
图2为光致变色材料在超分辨刻写中擦除效应效果图，以二芳基乙烯一个单体为例，如图所示，在双光束超分辨光存储中，存储间距为超分辨间距，即通常为100nm，由于光致变色材料是分子级开关转化，在记录第二个点的同时，外围抑制光通常选择为450nm抑制光，而450nm同时为亮态的荧光激发光，在作为外围抑制光时，会造成第一个点的信息被“擦除”，因此，需要另外一束激光对信息记录点的荧光永久淬灭，可实现信息的永久存储。
图3为光致变色材料淬灭诱导-抑制效应荧光发射峰效果图，当采用高重频波长可调脉冲激光器进行光开关测试中，当脉冲激发光达到一定功率的情况下，可以将二芳基乙烯的亮态荧光淬灭，而暗态由于在此波段没有吸收，所以在重新激发下，荧光会增强。应用于此特征，可以采用中心脉冲光诱导，外围空心光抑制的暗点记录方式，可以解决超分辨记录的擦除效应。
图4为本发明实施例二芳基乙烯衍生物新型读写方法原理图，该方法分为记录和读出两部分，由实施例1详细说明。
实施例1：
以一种二芳基乙烯衍生物1,2-双(2-甲基-6-苯基-1-1二氧-3-苯并噻吩)全氟环戊烯为参考，其开环态和闭环态的最大吸收峰分别为375nm和450nm，荧光激发波长为450nm，荧光发射波长为530nm。荧光光谱后延为650nm，在450nm激光和375nm激光交替照射下，二芳基乙烯可以保持良好的光诱导和光抑制特性。
当采用高重频波长可调脉冲激光器进行光开关测试中，当脉冲激发光达到一定功率的情况下，可以将二芳基乙烯亮态荧光淬灭。根据这个现象，可以实现超分辨的暗点读写。其步骤如下所示：
记录步骤
1)对二芳基乙烯衍生物薄膜进行预处理(通常选择375nm激光)，保证薄膜单体均为亮态，即为可记录状态，并称为样品。
2)将所述的样品置于所述的纳米位移台29上，在计算机33的控制下，所述的纳米位移台29将所述的样品移位，使所述样品的第1记录点位于所述物镜30的焦点位置方向，并令i＝1；
3)计算机判断：若第i记录点不需要记录，则进入步骤5)，需要记录则进入下一步；
4)所述的计算机33控制开启第二声光调制器9，使所述的375nm连续激光器7输出的激光通过记录光路，将样品的记录平面的第i记录点区域涡旋光中心d/2范围外的亮态保持，同时开启第一声光调制器5，使所述的900nm脉冲激光器1输出的激光经第一光纤耦合器2、倍频晶体3输出450nm倍频脉冲光，功率密度为2.89GW/cm2，该倍频脉冲光经第一反射镜4、第一声光调制器5、第一扩束透镜组6后形成中心诱导光并经记录光路将第i记录点区域涡旋光中心d/2范围内的亮态直接淬灭，而外围通过诱导的方式始终保持亮态；
5)所述的计算机33关闭所述的第一声光调制器5、第二声光调制器9，并控制纳米位移台32将所述样品移动至i＝i+1记录点，并返回步骤3)，当记录面的所有记录点全部扫描完，即进入下一步；
6)完成记录，结束；
读出步骤：
1)将待读出的样品安置在所述的纳米位移台29上，在所述的计算机33的控制下，所述的纳米位移台29将所述的样品移位，使所述样品的第1记录点位于所述物镜28的焦点位置方向，并令i＝1；
2)所述的计算机33开启第三声光调制器18,所述的650nm连续激光16输出的激光经第三光纤耦合器17、第三声光调制器18、第三扩束透镜组19、第二涡旋相位片20、第三反射镜21、第二偏振分光棱镜22、第二1/4波片23后作为第二外围抑制光，经读出光路对记录点i扫描；所述的900nm脉冲激光器1输出的激光经第一光纤耦合器2、倍频晶体3输出450nm倍频脉冲光，该脉冲光经第一反射镜4、第一声光调制器5、第一扩束透镜组6后作为中心读出光经读出光路同时照射所述的记录点i，记录点i产生的荧光经所述的荧光收集光路输入所述的单光子计数器32计数，若输出为亮点，则说明没有记录信息，若输出为暗点，则说明为记录信息，该单光子计数器32将信息输入所述的计算机33，完成记录点i的读出；
3)在所述的计算机33的控制下，所述的纳米位移台29将所述的样品移位到下一个记录点，并令i＝i+1，返回步骤2)；当样品的所有的记录点全部读出后，进入下一步；
4)完成读出，所述的计算机33根据所述的单光子计数器32实时采集的信息经过Matlab图像处理后，产生记录信息图像。

Claims (3)

1.一种双光束超分辨光存储材料读写装置，其特征在于包括光路和计算机(33)，所述光路由记录光路、读出光路和荧光收集光路组成：
所述的记录光路包括脉冲激光器(1)，该脉冲激光器(1)输出的激光经第一光纤耦合器(2)、倍频晶体(3)输出倍频脉冲光，该倍频脉冲光经过第一反射镜(4)、第一声光调制器(5)、第一扩束透镜组(6)后作为中心诱导光；第一连续激光器(7)输出的激光通过第二光纤耦合器(8)、第二声光调制器(9)、第二扩束透镜组(10)、第一涡旋相位片(11)、第二反射镜(12)、第一偏振分光棱镜(13)、第一1/4波片(14)后作为第一外围抑制光，该第一外围抑制光通过第一二向色镜(15)与所述的中心诱导光合束形成记录光束，该记录光束经第二二向色镜(24)、第三二向色镜(25)、1/2波片(26)、第三1/4波片(27)和物镜(28)后照射位于纳米位移台(29)上的光存储材料薄膜,该光存储材料薄膜为光致变色材料薄膜，以下简称为样品；
所述的读出光路包括脉冲激光器(1)，该脉冲激光器(1)输出的激光经所述的第一光纤耦合器(2)、倍频晶体(3)输出倍频脉冲光，该倍频脉冲光经第一反射镜(4)、第一声光调制器(5)、第一扩束透镜组(6)后作为中心读出光；第二连续激光器(16)输出的激光经第三光纤耦合器(17)、第三声光调制器(18)、第三扩束透镜组(19)、第二涡旋相位片(20)、第三反射镜(21)、第二偏振分光棱镜(22)、第二1/4波片(23)后作为第二外围抑制光，该第二外围抑制光经第二二向色镜(24)与所述的中心读出光合束形成读出光束，该读出光束经第三二向色镜(25)、1/2波片(26)、第三1/4波片(27)和物镜(28)后照射位于纳米位移台(29)上的样品；
荧光收集光路为：纳米位移台(29)上的材料薄膜产生的荧光通过物镜(28)、第三1/4波片(27)、1/2波片(26)、第三二向色镜(25)、聚焦透镜(30)、光纤(31)，输入单光子计数器(32)；
所述的第一扩束透镜组(6)、第二扩束透镜组(10)、第三扩束透镜组(19)由一对正负透镜组成对光束进行扩束；
所述的计算机(33)与所述的纳米位移台(32)、第一声光调制器(5)、第二声光调制器(9)、第三声光调制器(18)、第一涡旋相位片(11)、第二涡旋相位片(20)的控制端相连，所述的单光子计数器(32)的输出端与所述的计算机(33)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的双光束超分辨光存储材料读写装置，其特征在于所述的光致变色材料薄膜，包括二芳基乙烯衍生物薄膜、俘精酸酐衍生物薄膜、偶氮类衍生物薄膜或螺吡喃材料薄膜。
3.利用权利要求1所述的双光束超分辨光存储材料读写装置的读写方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
记录步骤：
1)对二芳基乙烯衍生物薄膜进行预处理，保证薄膜单体均为亮态，即为可记录状态，并称为样品；
2)将所述的样品置于所述的纳米位移台(29)上，在计算机(33)的控制下，所述的纳米位移台(29)将所述的样品移位，使所述样品的第1记录点位于所述物镜(30)的焦点位置方向，并令i＝1；
3)计算机判断：若第i记录点不需要记录，则进入步骤5)，需要记录则进入下一步；
4)所述的计算机(33)控制开启第二声光调制器(9)，使所述的第一连续激光器(7)输出的激光通过记录光路，将样品的记录平面的第i记录点区域涡旋光中心d/2范围外的亮态保持，同时开启第一声光调制器(5)，使所述的脉冲激光器(1)输出的激光经第一光纤耦合器(2)、倍频晶体(3)输出倍频脉冲光，该倍频脉冲光经第一反射镜(4)、第一声光调制器(5)、第一扩束透镜组(6)后形成中心诱导光并经记录光路将第i记录点区域涡旋光中心d/2范围内的亮态直接淬灭，而外围通过诱导的方式始终保持亮态；
5)所述的计算机(33)关闭所述的第一声光调制器(5)、第二声光调制器(9)，并控制纳米位移台(32)将所述样品移动至i＝i+1记录点，并返回步骤3)，当记录面的所有记录点全部扫描完，即进入下一步；
6)完成记录，结束；
读出步骤：
1)将待读出的样品安置在所述的纳米位移台(29)上，在所述的计算机(33)的控制下，所述的纳米位移台(29)将所述的样品移位，使所述样品的第1记录点位于所述物镜(28)的焦点位置方向，并令i＝1；
2)所述的计算机(33)开启第三声光调制器(18),所述的第二连续激光(16)输出的激光经第三光纤耦合器(17)、第三声光调制器(18)、第三扩束透镜组(19)、第二涡旋相位片(20)、第三反射镜(21)、第二偏振分光棱镜(22)、第二1/4波片(23)后作为第二外围抑制光，经读出光路对记录点i扫描；所述的脉冲激光器(1)输出的激光经第一光纤耦合器(2)、倍频晶体(3)输出倍频脉冲光，该脉冲光经第一反射镜(4)、第一声光调制器(5)、第一扩束透镜组(6)后作为中心读出光经读出光路同时照射所述的记录点i，记录点i产生的荧光经所述的荧光收集光路输入所述的单光子计数器(32)计数，若输出为亮点，则说明没有记录信息，若输出为暗点，则说明为记录信息，该单光子计数器(32)将信息输入所述的计算机(33)，完成记录点i的读出；
3)在所述的计算机(33)的控制下，所述的纳米位移台(29)将所述的样品移位到下一个记录点，并令i＝i+1，返回步骤2)；当样品的所有的记录点全部读出后，进入下一步；
4)完成读出，所述的计算机(33)根据所述的单光子计数器(32)实时采集的信息经过图像处理后，产生记录信息图像。
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