CN115394323A - 一种蓝光信息读写方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供的蓝光信息读写方法，用高功率密度的蓝光激光激发光存储介质，进行双光子信息写入，用低功率密度的蓝光激光激励光存储介质，进行单光子信息读取，其中，所述光存储介质包括Pr3+掺杂的储能型荧光材料，本申请提供的蓝光信息读写方法，克服了众多材料需要高能光子进行信息写入的局限性问题，且避免了传统的需要两种激光配合才能实现光信息读写导致的存储器结构复杂问题。

Description

一种蓝光信息读写方法
技术领域
本申请涉及光信息读写技术领域，特别涉及一种蓝光信息读写方法。
背景技术
目前，我们已经进入到“大数据”时代，这一时代面临的主要问题之一就是海量信息的存储问题。传统的存储技术(例如，固态硬盘、闪存、光盘(受光学衍射极限限制的二维平面存储模式)等，已经不堪重负。在这样的时代背景下，发展新的存储技术成为了重要的研究方向。近几年，基于储能型荧光粉的光信息存储技术因其低功耗、寿命长、体积小、存储维度多(容量大)等特点获得了广泛关注。这种光存储方式主要分三步：(1)用高能量的光子将材料基态的电子激发到离化态，然后电子进入材料的陷阱中—信息写入；(2)进入陷阱中的电子被陷阱束缚—信息存储；(3)用低能光子将存储在陷阱中的电子重新激励到离化态，然后迁移到发光中心，发射出特征光信号—信息读取。
对于第(1)步，大多数光存储材料(如，LiGa5O8:Mn2+、Ca4Ti3O10:Pr3+,Y3+、Y2GeO5:Pr3 +等)要紫外光作为信息写入光源，有些材料甚至需要用高能射线(如，NaYF4:Ln3+@NaYF4，Ln3 +表示三价镧系离子、LiLuSiO4:Ce3+,Tm3+等)。由于目前紫外激光器价格昂贵，高能射线存在安全性问题等原因，众多材料依然只能停留在实验室阶段，无法真正投入使用。目前，蓝光激光器已经成功商业化，且价格便宜，如果能将信息写入光源的能量降低到商用蓝光激光器的发射波段，则有助于这种光存储技术的实际使用。对于第(3)步，信息的写入和读取需要两种不同波长的激光器相互配合，这使得光存储器件的结构变得复杂，提高了成本。但目前还没有能够同时解决上述两个技术瓶颈的方案。
因此，在保证基于储能型荧光粉光信息存储技术原有优势的前提下，同时解决上述光信息读写过程中存在的问题，成为这种光存储技术迫切的要求。
发明内容
鉴于此，有必要针对现有技术中存在的缺陷，提供一种可以同时解决信息写入光子能量过高和光存储器件结构复杂的蓝光信息读写方法。
为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：
本申请目的之一提供了一种蓝光信息读写方法，包括下述步骤：
用高功率密度的蓝光激光激发光存储介质，进行双光子信息写入；
用低功率密度的蓝光激光激励光存储介质，进行单光子信息读取；
其中，所述光存储介质包括Pr3+掺杂的储能型荧光材料。
在其中一些实施例中，在用高功率密度的蓝光激光激发光存储介质，进行双光子信息写入的步骤中，所述的高功率密度为大于等于上转换发光的激发阈值功率密度。
在其中一些实施例中，在用低功率密度的蓝光激光激励光存储介质，进行单光子信息读取的步骤中，所述低功率密度为小于上转换发光的激发阈值功率密度。
在其中一些实施例中，所述高功率密度的蓝光激光与所述低功率密度的蓝光激光为同一激光器的发光。
在其中一些实施例中，通过改变所述激光器电流或电压实现功率密度的改变。
在其中一些实施例中，所述蓝光激光的波长为440-490nm。
在其中一些实施例中，所述蓝光激光的信息读取的特征光信号为Pr3+4f15d1→4f2的跃迁。
在其中一些实施例中，所述Pr3+掺杂的储能型荧光材料具有4f15d1的发射。
在其中一些实施例中，所述Pr3+掺杂的储能型荧光材料的制备方法如下：
将Y2O3、Pr6O11、Eu2O3、Al2O3和Ga2O3混合研磨后，将得到的混合物在1200℃-1500℃空气气氛下烧结3-10小时，自然冷却到室温后，得到所述Pr3+掺杂的储能型荧光材料。
本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：
本申请提供的蓝光信息读写方法，用高功率密度的蓝光激光激发光存储介质，进行双光子信息写入，用低功率密度的蓝光激光激励光存储介质，进行单光子信息读取，其中，所述光存储介质包括Pr3+掺杂的储能型荧光材料，本申请提供的蓝光信息读写方法，克服了众多材料需要高能光子进行信息写入的局限性问题，且避免了传统的需要两种激光配合才能实现光信息读写导致的存储器结构复杂问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例1设计的利用Pr3+掺杂到基质中的能级结构实现用高功率密度蓝光激光进行双光子信息写入、低功率密度蓝光激光进行单光子信息读取的原理图；
图2是本申请实施例1在YAGG:Pr3+,Eu3+光存储介质中Pr3+的(a)激发光谱和(b)发射光谱；
图3是本申请实施例1在不同激发功率密度下Pr3+的(a)上转换发射光谱和(b)激发功率密度与上转换发光强度的关系。
图4是本申请实施例1用450nm蓝光激光写入信息后，监测Pr3+4f15d1→4f2(300nm)跃迁测得的热释发光曲线。
图5是本申请实施例1在500mW/cm2蓝光激光写入信息后，用20mW/cm2蓝光激光脉冲式读取信息。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。
本实施例提供的一种蓝光信息读写方法，包括下述步骤：用高功率密度的蓝光激光激发光存储介质，进行双光子信息写入；用低功率密度的蓝光激光激励光存储介质，进行单光子信息读取；其中，所述光存储介质包括Pr3+掺杂的储能型荧光材料。
在其中一些实施例中，在用高功率密度的蓝光激光激发光存储介质，进行双光子信息写入的步骤中，所述的高功率密度为大于等于上转换发光的激发阈值功率密度。
可以理解，当蓝光激光器的功率密度超过Pr3+上转换的阈值时，基态电子可以吸收两个蓝光光子被激发到高能离域态，这些电子能被材料中的陷阱俘获，实现信息写入。当激发的功率密度低于上转换的阈值时，则不能进行信息写入。
在其中一些实施例中，在用低功率密度的蓝光激光激励光存储介质，进行单光子信息读取的步骤中，所述低功率密度为小于上转换发光的激发阈值功率密度。
可以理解，当陷阱中已经存有电子时，使用功率密度低于上转换阈值的蓝光激光进行激励时，可以将电子从陷阱中激励出来，并表现出4f15d1的发射，这些光信息则为信息读取的特征光信号。
需要注意的是，本申请提供的Pr3+能同时保证发光离子具有上转换的能级结构，并可以失电子，而且高能级具有辐射跃迁的特性。而例如，Tm3+具有合适的能级结构和发射能级，但不能失电子，所以不能用于这种信息读写方法；Mn2+和Cr3+具有合适的能级结构也能失电子，但是高能级不能发射特征光信号，所以也不能用于这种信息读写方法。此外，当用高功率密度写入信息后，如果使用大于上转换阈值的功率密度进行信息读取，则会出现上转换发光，干扰特征光信号，导致信号错误，不满足本发明的要求。因此，使用本申请的信息读写方法必须严格按Pr3+上转换的阈值进行信息写入与读取功率密度的划分。此外，作为光存储材料，必须保证掺Pr3+的存储荧光粉在写入信息后，室温下不会因热离化而释放电子(余辉现象)。在室温具有余辉现象的掺Pr3+荧光粉不满足本发明的要求。
在其中一些实施例中，所述高功率密度的蓝光激光与所述低功率密度的蓝光激光为同一激光器的发光，通过改变所述激光器电流或电压实现功率密度的改变。
可以理解，本申请将信息的读写使用同一蓝光激光器(只是激光功率密度上的差别)进行，所以可以克服传统的需要两种激光器配合才能实现信息读写导致的结构复杂问题。
在其中一些实施例中，所述蓝光激光的波长为440-490nm。
可理解，本申请以上信息读写方式的设计，将信息写入光子的能量降低到了商用蓝光激光器的发射波长，避免使用昂贵的紫外光源和危险的高能射线，有利于这类光存储技术的实际运用。
在其中一些实施例中，所述蓝光激光的信息读取的特征光信号为Pr3+4f15d1→4f2的跃迁。
在其中一些实施例中，所述Pr3+掺杂的储能型荧光材料的制备方法如下：
将Y2O3、Pr6O11、Eu2O3、Al2O3和Ga2O3混合研磨后，将得到的混合物在1200℃-1500℃空气气氛下烧结3-10小时，自然冷却到室温后，得到所述Pr3+掺杂的储能型荧光材料。
本申请利用Pr3+3P0,1,2和1I6能级(440-490nm)和商用蓝光激光器的发射波长相匹配的特点，以及Pr3+可以失电子的功能，设计了用高功率密度蓝光激光进行双光子信息写入，用低功率蓝光激光进行单光子信息读取的新型信息读写方法，克服了众多材料需要高能光子进行信息写入的局限性问题，且避免了传统的需要两种激光配合才能实现光信息读写导致的存储器结构复杂问题。
以下结合具体实施例对本申请上述技术方案进行详细说明。
合成掺Pr3+的光存储介质：(Y0.999Pr0.0005Eu0.0005)3(Al0.4Ga0.6)5O12(简称YAGG:Pr3+,Eu3+)的制备过程如下：按照化学组成：2.997Y2O3-0.0005Pr6O11-0.0015Eu2O3-2Al2O3-3Ga2O3的化学计量比称取Y2O3、Pr6O11、Eu2O3、Al2O3和Ga2O3，充分混合研磨均匀后，将得到的混合物压入长宽均为5cm厚为1mm的磨具中，然后在1500℃空气气氛下烧结3小时，自然冷却到室温后，得到YAGG:Pr3+，Eu3+光存储介质。烧结温度可选择的范围为1200℃-1500℃，烧结时间可选择的范围为3-8小时。需要强调的是，上述材料只是为演示本发明的一种蓝光信息读写方法的可行性而被列出，并不是限定本发明的信息读写方法只能用于YAGG:Pr3+，Eu3+光存储介质中。在满足权利要求书的前提下，众多Pr3+掺杂的储能型荧光粉都可以用本发明的方法进行信息读写。
图1是设计的利用Pr3+掺杂到基质中的能级结构实现用高功率蓝光激光进行信息写入、低功率蓝光激光进行信息读取的原理图。高功率密度蓝光激发Pr3+时基态电子吸收一个蓝光光子跃迁到3PJ(J＝0,1,2)和1I6态，这些电子可以再吸收一个蓝光光子进入更高的离化态，离化后的电子经过①过程被材料中的陷阱俘获(信息写入)，被深陷阱俘获的电子长时间受到束缚(过程②，信息存储)，用一束低功率密度的蓝光激光激励陷阱中的电子时，这些电子可以吸收一个蓝光光子，被重新激励到离化态(光激励发光，Optically-Stimulated Luminescence，OSL)，进而迁移到Pr3+的4f15d1态实现跃迁，发射特征光信号(过程③，信息读取)。
以YAGG:Pr3+，Eu3+作为信息存储介质，进一步说明本发明的可行性和创新性。图2(a)给出了Pr3+的激发光谱，该光谱体现了Pr3+的能级结构。440-490nm是商用蓝光激光器的发射波段与Pr3+的3PJ(J＝0,1,2)和1I6能级匹配良好，激发到这几个能级中的任意一个都能进行上转换发光。由于稀土元素特殊的电子结构，这些能级对应的波长在不同Pr3+掺杂的光存储介质中基本不变，因此，本发明中蓝光激光器波长为440-490nm。图2(b)中Pr3+的发射光谱表现出明显的4f15d1的跃迁，具有信息读取时发射特征光信号的能力。
选用450nm的蓝光激光作为激发光，测量Pr3+的上转换发光，如图3(a)所示。将上转换发光强度与激发功率密度的关系绘制在图3(b)中。当激发功率密度低于40mW/cm2时，没有上转换发光；大于等于40mW/cm2时，激发功率密度和发光强度呈现近二次方的函数关系I∝P1.76，说明了双光子上转换过程的发生，也证明了在这种材料中上转换阈值为40mW/cm2。选用功率密度为500mW/cm2的450nm蓝光激光器激发存储介质(信息写入)后，监测300nm的发射(4f15d1→4f2)，测量的热释发光曲线如图4所示。这一结果表明用大于上转换阈值的蓝光激光可以通过双光子上转换过程将电子存入陷阱中，实现信息写入。
图5是用500mW/cm2(大于上转换阈值)的450nm蓝光激光进行信息写入后，用20mW/cm2(小于上转换阈值)的450nm蓝光激光进行脉冲式信息读取(光激励发光)。上述的不同功率密度蓝光激光为同一激光器，通过调节电流或电压实现功率密度的变化。在信息读取过程中检测到Pr3+4f15d1向4f2跃迁(300nm)的特征光信号。“1”表示打开20mW/cm2的450nm蓝光激光器，“0”则表示关闭。在没有读取时，没有出现特征光信号，说明信息被稳定存储，没有信号损失；当进行读取时，表现出明显的特征光信号，并可反复多次读取。显然，本发明实现了使用高功率密度蓝光激光器进行双光子信息写入，使用低功率密度的同一激光器进行信息读取。本发明的信息读写方法克服了众多材料需要高能光子进行信息写入的局限性问题；同时克服了传统信息读写方案中需要两种激光配合才能实现信息读写导致的存储器结构复杂问题。
可以理解，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，仅具体描述了本申请的技术原理，这些描述只是为了解释本申请的原理，不能以任何方式解释为对本申请保护范围的限制。基于此处解释，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本申请的其他具体实施方式，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种蓝光信息读写方法，其特征在于，包括下述步骤：
用高功率密度的蓝光激光激发光存储介质，进行双光子信息写入；
用低功率密度的蓝光激光激励光存储介质，进行单光子信息读取；
其中，所述光存储介质包括Pr3+掺杂的储能型荧光材料。
2.如权利要求1所述的蓝光信息读写方法，其特征在于，用高功率密度的蓝光激光激发光存储介质，进行双光子信息写入的步骤中，所述的高功率密度为大于等于上转换发光的激发阈值功率密度。
3.如权利要求1所述的蓝光信息读写方法，其特征在于，在用低功率密度的蓝光激光激励光存储介质，进行单光子信息读取的步骤中，所述低功率密度为小于上转换发光的激发阈值功率密度。
4.如权利要求1所述的蓝光信息读写方法，其特征在于，所述高功率密度的蓝光激光与所述低功率密度的蓝光激光为同一激光器的发光。
5.如权利要求4所述的蓝光信息读写方法，其特征在于，通过改变所述激光器电流或电压实现功率密度的改变。
6.如权利要求1所述的蓝光信息读写方法，其特征在于，所述蓝光激光的波长为440-490nm。
7.如权利要求1所述的蓝光信息读写方法，其特征在于，所述蓝光激光的信息读取的特征光信号为Pr3+4f15d1→4f2的跃迁。
8.如权利要求6所述的蓝光信息读写方法，其特征在于，所述Pr3+掺杂的储能型荧光材料具有4f15d1的发射。
9.如权利要求8所述的蓝光信息读写方法，其特征在于，所述Pr3+掺杂的储能型荧光材料的制备方法如下：
将Y2O3、Pr6O11、Eu2O3、Al2O3和Ga2O3混合研磨后，将得到的混合物在1200℃-1500℃空气气氛下烧结3-10小时，自然冷却到室温后，得到所述Pr3+掺杂的储能型荧光材料。
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