CN1163872C - 对偶氮液晶聚合物进行数据记录、擦除和读取的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光信息存储技术，具体涉及通过双光子激发过程实现数据信息的记录、擦除和读取的方法。其关键之处是在偶氮液晶聚合物的第二吸收峰附近利用双光子激发从而产生光致双折射现象。它采用各向同性的偶氮液晶聚合物固体薄膜作为存储介质，采用绿色波长激光器作为记录和擦除光源、红色波长激光器作为读取光源，并采用角度复用方法实现灰阶存储。本发明所需激光器功率低、设备体积小，降低了存储成本，使得双光子存储的实际应用得以实现。
Description
技术领域
本发明属于光信息存储技术，具体涉及通过双光子激发过程实现数据信息的记录、擦除和读取的方法。
背景技术
基于双光子激发过程的光存储技术被认为是可以超越光学衍射分辨率极限的下一代超高密度数字记录的关键技术之一。双光子激发是指介质吸收两个低能光子从而被激发到高能态的过程，双光子存储则是指利用双光子吸收过程改变存储介质的局部物理特性(如：吸收率、折射率、荧光度等)、从而实现信息记录、擦除和读取的一种存储方法。由于双光子吸收是一种非线性光学效应，通常只局限在光强足够大的焦点或两束光的交点处。利用这一特点可以减少存储介质上数据符的空间体积，增加单位面积存储密度，同时为实现三维空间寻址的多层数据存储提供了可能性。
双光子存储的原理确立于八十年代末。由于大多数材料的双光子吸收几率很小，存储过程需要大功率的脉冲激光光源。目前双光子存储采用的记录介质包括光致聚合材料(如丙烯酸脂)、光致变色材料(如螺旋苯吡喃)和光致折变材料(如无机材料铌酸锂晶体)等。但上述技术中普遍存在的问题是只能采用结构复杂、体积庞大的大功率(约102W量级)脉冲激光光源(如Nd：YAG钇钕石榴石激光器)，存储过程成本昂贵，使双光子存储仍处于实验室研究阶段，难以得到实际应用。(见：D.Day，M.Gu and A.Smallridge，Optics Letters.Vol.24，1999年，第948页)
另一方面，侧链型偶氮液晶聚合物作为一种光致折变材料可以在光的诱导下产生双折射效应，并已被应用于图象存储(见：T.Ikeda and O.Tsutsumi，Science.Vol.268，1995年，第1873页，文献中采用紫外光源在偶氮液晶聚合物的第一吸收峰附近实现了单光子的图象存储)，但目前尚未见到偶氮液晶聚合物的双光子存储的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在偶氮液晶聚合物上采用双光子存储进行数据信息的记录、擦除和读取的方法，以降低激光器功率、减少设备体积，从而降低存储成本，使双光子存储技术能够得到实际应用。
本发明的关键之处是在偶氮液晶聚合物的第二吸收峰处利用双光子激发从而产生光致双折射现象。这种光致双折射激发过程的阈值很低(一般小于100mW/cm2)，可以通过小型激光器的照射得以实现，而且具有可擦重写的性质。本发明的另一关键之处是在光学各向同性的介质背景上记录各向异性的斑点(所记录的光学各向异性斑点称为数据符)。这样不仅可以实现“数据符有无”的比特存储，还可以采用角度复用方法实现“数据符光轴方向变化”的灰阶存储，以提高介质的单位面积信息容量。
本发明具体包含以下技术方案：
一种对偶氮液晶聚合物进行数据记录的方法，仍然是将激光器产生的光波对记录介质进行照射，但其原理基于线偏振双光子激发的光致双折射现象，其过程与现有技术中对偶氮液晶聚合物进行单光子图象存储及对其它材料进行双光子存储的均有所不同。具体过程如下：均匀涂敷于透明基片上的偶氮液晶聚合物在室温下(远低于材料的玻璃化温度)形成各向同性的固体薄膜，作为记录介质层；涂敷了记录介质的基片称为盘片，支承于机械移动装置上；将作为记录光源的激光器产生的能使介质产生双光子激发双折射的光波通过起偏振片变成线偏振光，再通过会聚透镜垂直聚焦于记录介质层；在焦点处记录介质通过双光子激发产生双折射，形成光轴垂直于记录光波偏振方向的光学各向异性的斑点，作为记录的数据符；通过旋转或移动盘片使焦点运动，将数据记录在介质层的不同部位；若记录时固定光波的偏振方向，则数据符的光轴方向与焦点运动轨迹的切线方向之间形成的夹角α保持不变，这时通过数据符的有无实现二进制的比特存储；若记录时改变光波的偏振方向，这可通过一些物理方法来实现，如：改变起偏振片极化方向的方法或磁光调制的方法，则数据符的光轴方向与焦点运动轨迹的切线方向之间形成的夹角α随着光波偏振方向的变化而相应变化为αi(i＝1，2，...N)，亦即通过改变光波的偏振方向(即角度复用方法)实现N进制的灰阶存储。也就是说，本发明的记录过程之特征体现在以下方面：所述的记录介质层为光学各向同性的固体薄膜，无须作预取向处理；所述的记录光源的波长必须能使介质产生双光子激发双折射，一般为500～560nm，以在绿色光的波长范围内为佳(便于选择激光器)；所述的作为记录光源的激光器以532nm波长的掺钕矾酸钇固体倍频激光器为佳；所述的聚焦于记录介质层的记录光波为线偏振光，记录的数据符为光学各向异性斑点；所述的改变光波偏振方向的角度复用方法实现了N进制的灰阶存储，用以提高数据存储容量。
一种对偶氮液晶聚合物进行数据擦除的方法，仍然是将激光器产生的光波对已记录了数据的介质进行照射，但其原理基于圆偏振双光子激发的双折射消除现象，其过程与现有技术中亦有所不同。具体过程如下：将作为擦除光源的激光器产生的能使介质产生双光子吸收的光波通过起偏振片变成线偏振光，再通过λ/4波片变成圆偏振光，然后通过会聚透镜垂直聚焦于已记录了数据的盘片介质层上；通过旋转或移动盘片使焦点运动，聚焦于数据符上的圆偏振光将使各向异性的光斑消失，从而擦除盘片上不同部位的数据。也就是说，本发明的擦除过程之特征体现在以下方面：所述的擦除光源的波长必须能使介质产生双光子吸收，一般亦为500～560nm，以与记录光源的波长相同为佳(这样可以将记录光源和擦除光源采用同一个激光器以减少设备成本，擦除效果亦较好)；所述的作为擦除光源的激光器也以532nm波长的掺钕矾酸钇固体倍频激光器为佳；所述的擦除光源为圆偏振光，能有效地消除数据符的光学各向异性。
一种对偶氮液晶聚合物进行数据读取的方法，仍然是将激光器产生的光波对已记录了数据的介质进行照射，但其原理基于双折射材料的偏振干涉效应，其过程亦有别于现有技术。具体过程如下：将作为读取光源的激光器产生的在介质双光子吸收带以外的光波通过起偏振片变成线偏振光，再通过会聚透镜垂直聚焦于已记录了数据的盘片介质层上；通过旋转或移动盘片使焦点运动，从而读取盘片上不同部位的数据；透过记录介质的发散光束由第二个会聚透镜收集聚焦于光电探测元件上，其光强将转变为电信号以作进一步处理；在第二会聚透镜与光电探测元件之间需放置检偏振片，使检偏振片的极化方向与起偏振片的极化方向互相垂直。由于到达光电探测元件表面的光强I与sin22α成正比，因此，在比特存储情况下，使读取时的光波偏振方向与记录时的光波偏振方向相差为一个定值45°，可通过一些物理方法来实现，如：改变起偏振片的极化方向的方法或磁光调制的方法，此时数据符的光轴方向与焦点运动轨迹的切线方向之间形成的夹角α即为45°，透过数据符而到达光电探测元件表面的光强I为最大，以得到最大反差，提高信噪比；在灰阶存储情况下，使读取时的光波偏振方向固定不动，此时即有α＝α1，α2，...αN，光电探测元件表面的光强即有N个不同值。也就是说，本发明的读取过程之特征体现在以下方面：所述的读取光源的波长应远离介质的吸收带，不致明显减弱数据符的各向异性，一般为630nm以上，以在红色光的波长范围内为佳(便于选择激光器)；所述的作为读取光源的激光器以650nm波长的半导体激光器为佳；所述的记录盘片处于一对正交偏振片之间，根据数据符的双折射特性，利用偏振干涉效应读取数据；所述的偏振干涉原理与角度复用方法相结合，实现灰阶存储的数据读取。
对于上述数据记录或擦除方法，可以采用绿色光波长的矾酸钇固体倍频激光器(其波长为532nm)作为光源，此光子能量与偶氮液晶聚合物的第二吸收峰处的双光子吸收特性相匹配，能使介质产生高效的双光子激发双折射。对于上述数据读取方法，则可以采用红色光波长的半导体激光器(其波长为650nm)作为光源，由于该波长远离记录介质的吸收带，使得读取过程不致对数据位上记录的信息产生破坏。上述绿色光及红色光波长的激光器已经具有小型化的商业产品。
根据以上叙述可知，本发明具有如下优点：
1)由于偶氮液晶聚合物在532nm附近具有很高的非线性光学系数和较低的双光子激发阈值，因此，可充分利用商业化小型激光器的优势来实现数据信息的存储，明显地降低了激光器的功率、减小了设备体积，从而降低了存储成本，使得双光子存储的实际应用得以实现；
2)利用偶氮液晶聚合物的光致双折射效应进行角度复用，可以实现N阶灰度存储，从而提高了介质的信息存储容量；
3)偶氮液晶聚合物的双光子存储具有可擦重写的特点，适用于更宽的数据存储应用领域；
4)选择在各向同性的背景上记录各向异性的数据符，并采用偏振干涉法读取，具有较高的对比度和信噪比。
附图说明
附图1为在偶氮液晶聚合物薄膜上进行双光子存储用的光存储器的主要结构以及存储光路示意图。它由一套装置实现记录、擦除、读取三种功能。
附图2为采用上述方法在偶氮液晶聚合物薄膜上记录的数据符示意图。在比特方法存储中，0位对应于无数据符的位置，1位对应于光轴方向固定的数据符；在灰阶方法存储中，每个数据符代表的信息由数据符的光轴方向决定。
附图3为.数据符的光轴方向与焦点运动轨迹的切线方向之间形成的夹角α的示意图。
具体实施方式
具体的操作步骤及信息存储过程的实施例如下：
参照附图1。进行数据记录时，由激光器1产生的记录光波透过选择反射镜2、起偏振片3和会聚透镜5以线偏振光的形式聚焦在记录介质薄膜6上，焦点中心处的介质经双光子吸收产生具有双折射的斑点，实现了一个数据符的记录，通过调整机械移动装置以旋转或移动盘片7，再通过调整起偏振片的角度以改变光束偏振方向从而实现比特存储或N进制的灰阶存储；进行数据擦除时，将λ/4波片4插入起偏振片3和会聚透镜5之间，擦除光波透过选择反射镜2、起偏振片3、λ/4波片4后变为圆偏振光，再经会聚透镜5聚焦于介质薄膜6上时，可以消除数据符的双折射，即实现了信息的擦除；读取数据时，由选择反射镜2将激光器11产生的读取光波反射而引入光路，再透过起偏振片3和会聚透镜5在介质薄膜6上聚焦，透过记录盘片的发散光束由会聚透镜8收集，并经过检偏振片9聚焦于光电探测元件10的接受面，透过这种起偏振片/记录盘片/检偏振片三明治结构的光强I与α有关(α即数据符的光轴方向与焦点运动轨迹的切线方向之间的夹角)，利用光电探测器检测透射光的强弱，即可读取记录的数据。上述所用的记录光波和擦除光波均由532nm的掺钕矾酸钇固体倍频激光器产生，所用的读取光波由650nm的半导体激光器产生，所用的选择反射镜2仅反射红色读取光，所用的偶氮液晶聚合物薄膜可为各向同性的“聚甲基丙烯酸(对-氰基偶氮苯氧基)乙基酯”薄膜，其制备方法可采用旋涂法：将选定的偶氮液晶聚合物溶于特定溶剂(例如四氢呋喃)后滴于透明基片上，然后高速旋转，溶液干燥后就在基片上形成厚度均匀的光学各向同性薄膜。
Claims (5)
1.一种对偶氮液晶聚合物进行数据记录的方法，将激光器产生的光波对记录介质进行照射，其特征在于如下具体过程：均匀涂敷于透明基片上的偶氮液晶聚合物在室温下形成各向同性的固体薄膜，作为记录介质层；涂敷了记录介质的基片称为盘片，支承于机械移动装置上；将作为记录光源的激光器产生的能使介质产生双光子激发双折射的光波通过起偏振片变成线偏振光，再通过会聚透镜垂直聚焦于记录介质层；在焦点处记录介质通过双光子激发产生双折射，形成光轴垂直于记录光波偏振方向的光学各向异性的斑点，作为记录的数据符；通过旋转或移动盘片使焦点运动，将数据记录在介质层的不同部位；所述的记录光波偏振方向固定不动；所述的作为记录光源的激光器为532nm波长的掺钕矾酸钇固体倍频绿色激光器。
2.如权利要求1所述的对偶氮液晶聚合物进行数据记录的方法，其特征在于通过物理方法改变所述的记录光波的偏振方向。
3.一种对偶氮液晶聚合物进行数据擦除的方法，将激光器产生的光波对已记录了数据的介质进行照射，其特征在于如下具体过程：将作为擦除光源的激光器产生的能使介质产生双光子吸收的光波通过起偏振片变成线偏振光，再通过λ/4波片变成圆偏振光，然后通过会聚透镜垂直聚焦于已根据权利要求1或2所述的方法记录了数据的盘片介质层上；通过旋转或移动盘片使焦点运动，从而擦除盘片上不同部位的数据；所述的作为擦除光源的激光器为532nm波长的掺钕矾酸钇固体倍频绿色激光器。
4.一种对偶氮液晶聚合物进行数据读取的方法，将激光器产生的光波对已记录了数据的介质进行照射，其特征在于如下具体过程：将作为读取光源的激光器产生的在介质吸收带以外的光波通过起偏振片变成线偏振光，再通过会聚透镜垂直聚焦于已根据权利要求1所述的方法记录了数据的盘片介质层上；通过旋转或移动盘片使焦点运动，从而读取盘片上不同部位的数据；透过记录介质的发散光束由第二个会聚透镜收集聚焦于光电探测元件上，在第二会聚透镜与光电探测元件之间需放置检偏振片，使检偏振片的极化方向与起偏振片的极化方向互相垂直；读取光波的偏振方向与记录时的光波偏振方向相差为一个定值45°；所述的作为读取光源的激光器为650nm波长的半导体红色激光器。
5.如权利要求4所述的对偶氮液晶聚合物进行数据读取的方法，其特征在于所述的读取光波通过会聚透镜垂直聚焦于已根据权利要求2所述的方法记录了数据的盘片介质层上；读取光波的偏振方向固定不动。
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