RO137721A2 - Mediu de rezonanţă plasmonică de suprafaţă pentru scrierea/ştergerea informaţiei optice - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un mediu cu rezonanţă plasmonică de suprafaţă pentru scrierea/ştergerea informaţiilor optice. Mediul conform invenţiei constă dintr-un strat (11) subţire realizat dintr-un material calcogenic amorf în care se manifestă anizotropie optică indusă de lumina polarizată, stratul (11) menţionat fiind depus peste un strat (12) subţire din aur pe baza unei prisme (3) realizată dintr-un material optic transparent, care împreună alcătuiesc o structură cu rezonanţă plasmonică, în care stratul (11) menţionat este seleniură de arsen, As2Se3, iar starea de scris/şters se induce cu ajutorul unui fascicul laser polarizat în planul, sau perpendicular cu planul, de incidenţă iar citirea se face cu ajutorul unui alt fascicul laser direcţionat pe faţa laterală a prismei (3) şi carese reflectă pe mediul de înregistrare propus.

Description

OFICIUL DE STAT PENTRU INVEMțll $1 MARO Cerere de brevet de Invenție

Nr...............

^! Data depozit .......

Mediu cu rezonanta plasmonica de suprafață pentru scrierea/ștergerea informației optice

Invenția se refera la un mediu de scriere a informației optice ce consta din mai multe straturi cu diferite proprietăți optice depuse pe un substrat transparent in forma de prisma care, împreuna constituie o structura cu rezonanta plasmonica de suprafață cu film subțire din material calcogenic amorf in care fascicul de scriere/ștergere este un laser polarizat se indice anizotropie optica.

Sunt cunoscute medii de stocare si procesare a informației in care fasciculul laser este focalizat intr-un spot mic pe suprafață mediului de înregistrare, ca regula sub forma de filme subțiri. Sub acțiunea unui fascicul laser de mare intensitate in acest mediu se produc modificări ale proprietăților fizice sau chimice care se manifesta in schimbarea constantelor optice (indicele de refracție si coeficientul de extincție (sau absorbție)). Modificările corespunzătoare unui bit de informație pot fi citite cu ajutorul unui laser de proba prin determinarea intensității luminii reflectate sau transmise. La etapa inițiala fasciculul laser de mare intensitate si focalizat intr-un spot mic conduce la evaporarea on acest loc a materialului. Metoda aceasta are un mare grad de stabilitate, fiabilitate si se folosești pentru arhivarea informației. , metoda aceasta nu permite corectarea sau ștergerea informației.

Sunt de asemenea cunoscute medii si metode de înregistrare reversibila si ștergere selectiva a informației optice, metoda folosita pe larg in sistemele cu disk optic CD-RW. Prin aceasta metoda filmul subțire alcătuit dintr-un material care suporta schimbări de faza amorfcristal se obține prin metoda evaporării termice pe un substrat corespunzător, de regula rășină acrilica. Inițial filmul este in stare amorfa. Prin încălzirea întregului substrat pana la anumite temperaturi specifice materialului, filmul se cristalizează, stare care corespunde la informație ștearsa. Reflectanta luminii este mare. Ulterior, temperatura filmului creste pana la câteva sute de grade, aceasta obținându-se prin absorbția energiei unui fascicul laser focalizat. In momentul când iradierea se întrerupe, filmul se răcește rapid într-o stare amorfa cu o reflectanta mica a luminii. Aceasta corespunde procesului de scriere a informației. Răcirea are loc printr-un proces natural guvernat de ecuația de difuzie a temperaturii. In acest caz viteza de răcire depinde de constantele termodinamice ale filmului si substratului cu care este in contact termic, si de dimensiunea spotului de înregistrare a informației.

Mai multe soluții tehnice au fost propuse atât prin folosirea de noi metode [US4710911, US4841514] cat si noi medii de înregistrare [US5278011, US5385806] in vederea micșorării timpului de ștergere/înscriere care sa asigure funcționarea cat mai rapida a sistemului. Durata timpului de înscriere este diferita de durata timpului de ștergere, fapt ce complica construcția per ansamblu a sistemului. La ziua de astăzi durata de timp necesara pentru o operațiune de scriere/ștergere este de ordinul a câteva sute de nanosecunde.

Neajunsurile metodelor bazate pe medii de înregistrare cu trecere din starea amorfa (vitroasă) în starea cristalină si invers sunt următoarele:

- timpul de înscriere este mare, dat fiind ca procesul este limitat în mod natural de conductibilitatea termică a structurii și de difuzia căldurii.

- timpul de ștergere este mare, dat fiind ca mediul de înregistrare trebuie menținut la temperatura de tranziție amorf/cristal (este aproape de temperatura de topire), necesara pentru formarea granulelor cristaline care depinde de material,

- timpul de ștergere nu este egal cu timpul de scriere, fapt ce complica sistemul,

- temperaturile necesare pentru tranziția de fază sunt mari, de câteva sute de grade.

ce limitează numărul de cicluri ștergere/înscriere și diminuează fiabilitatea dispozitivelor.

O soluție tehnica apropiata cererii actuale de invenție este realizarea unor medii de înscriere a informației optice pe baza de anizotropie a constantelor optice indusă de lumină. Autorii (1. Photoinduced Optical Anisotropy in Chalcogenide. Phys. stat. sol. (a) 52, 621 (1979); 2. Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, Voi. 3, No. 2, June 2001, p. 265 - 277; 3. New thin-film optical recording medium, SPIE Voi.200, (1979)) primii au depistat și studiat acest fenomen, specific pentru materialele calcogenice amorfe. Fenomenul constă în dezvoltarea, în urma iluminării cu lumină polarizată, a unei structuri anizotropice cu constantele optice modificate în filmele calcogenice amorfe care inițial sunt izotrope. S-a stabilit că modificările sunt maximale în planul de polarizare a luminii cu care se iradiază filmul. Principiul de funcționare a mediului de înregistrare pe baza de anizotropie optica sunt explicate in Fig. 1. Inițial, forma indicelui de refracție este o sfera (Fig. la). După iluminare indicele de refracție ia forma unui cilindru cu axa mare in planul de polarizare in planul de incidența (Fig. 1 b ) sau perpendicular pe planul de incidența (Fig. 1 c). Modificările indicelui de refracție specifice fenomenului de anizotropie optica sunt mici, de ordinul 1%, din care cauza n-a găsit aplicații practice. In patentul US6285652B1 se propune un mediu de înregistrare a informației cu rezonanta plasmonica de suprafața constituit din trei straturi care are ca scop obținerea de super rezoluție spațiala, sub limita de difracție a undelor.

Contrastul dintre stările scris/șters s-a putut mari considerabil prin plasarea filmului calcogenic amorf într-o structura cu rezonanta plasmonica de suprafață (Cererea de brevet a 2015/00962, publicata in buletinul OSIM BOPI nr.6/2017). Pentru funcționarea eficienta a structurii cu rezonanta plasmonica de suprafață lungimea de unda a fasciculului de scriere/ștergere este diferita de lungimea de unda de citire. Ca mediu pentru înregistrare/ștergere a informației s-a folosit compusul calcogenic amorf AS2S3.

Neajunsurile soluției tehnice propuse in cererea de brevet publicate a 2015/00962 constau in aceea ca filmul din sulfura de arsen (AS2S3) folosit pentru înregistrare necesita energii mari de scriere/ștergere (2.5 J/cm2) si timp mare de scriere/ștergere. caracteristici specifice materialului AS2S3. de asemenea modificările foto-induse ale indicelui de refracție de numai 0,05 in acest material, conduc la un contrast insuficient dintre valoarea semnalelor corespunzătoare stărilor scris/șters.

Mediul de înregistrare a informației optice propus înlătura aceste dezavantaje prin aceea ca se folosește un strat compus din seleniura de arsen (As2Se3) amorf, compus calcogenic in care modificările indicelui de refracție sunt de 4 ori mai mare, iar energiile de ștergere/scriere sunt mai mici, procesul de realizare a anizotropiei optice este unul mai rapid, lungimile de unda ale laserului de citire si laserului de scriere/ștergere (sunt diferite) si grosimea filmului As2Se3 sunt selectate astfel, încât asigura un contrast mai mare dintre reflectanta luminii corespunzătoare sterilor scris/șters. Stratul din film As2Se3 amorf al mediului de înregistrare este iluminat cu impulsuri cu densitatea de energie 1=1.2 J/cm². Cu cat este mai mare puterea impulsului, cu atât este mai mic timpul de înregistrare, întrucât E=P · t este o valoare constanta. La diametrul unui spot de înscriere egal cu lungimea de unda d=640 nm, se obține o energie de scriere/ștergere de 4·IO'⁹ J per pixel de informație. Sistemele optice moderne pot focaliza lumina coerenta a laserilor pana la diametrul spotului de semiunda, ce corespunde energiei de 1 - IO'⁹ J per pixel.

Problema tehnică pe care o rezolva mediul de înregistrare propus pentru scriere/ștergere a informației optice conform invenției înlătura dezavantajele de mai sus prin aceea ca folosește un strat din compus calcogenic amorf de tip seleniura de arsen (As2Se3) plasat într-o structura de rezonanta plasmonica in care prin iluminarea cu fascicul laser polarizat se induce o anizotropie optica.

Mediul de înregistrare si reproducere a informației optice propus consta dintr-un film din aur depus pe o lamela din sticla transparenta, peste care se depune un film subțire din As2Se3. Filmele se depun prin tehnologii de vid: Filmul din aur se depune prin împrăștiere cu tun fi electronic, iar filmul din As2Se3 amorf se depune prin evaporare termica. Grosimea filmului din aur se condiționează de obținerea unei reflectante optice egala cu zero si de regăsește in domeniul 40-50 nm, valoarea concreta depinzând de indicele de refracție al filmului As2Se3 si lungimea de unda al laserului de citire. Grosimea stratului din film calcogenic amorf rezulta din calcule numerice si este aleasa in așa fel încât sa asigure unghiul de rezonanta aproape de 45° si o forma ascuțita a curbei de rezonanta. Lamela plan-paralela cu structura compusa din filmul de aur si filmul din compus din As2Se3 se lipește cu partea opusa de baza unei prisme dreptunghiulare printr-un adeziv cu indice de refracție apropiat in vederea eliminării reflecțiilor luminii de citire. Structura poate fi depusa si direct pe baza prismei, dar este mai puțin convenabil din punct de vedere tehnologic.

In Fig. 2 sunt prezentate curbele de rezonanta plasmonica pentru doua valori ale indicelui de refracție As2Se3, care diferă cu un procent. înregistrarea informației are loc in condiții cu unghi de rezonanta fix, spre exemplu 41,51° (Fig. 2). In urma iluminării structurii fascicul laser polarizat si modificării indicelui de refracție, reflectanta luminii de pe structura creste de la zero inițial la 90% după iluminare.

Mediul de înregistrare optica reversibila funcționează in felul următor (Fig. 3):

- prin rotație se stabilește unghiul pentru care reflectanta pentru semnalul de citire (2) este aproape egala cu zero,

- in primul moment de timp suprafață mediului de înregistrare este iluminata cu lumina de scriere (1), polarizata in planul perpendicular planului de incidența, care majorează indicele de refracție in aceasta direcție, respectiv, micșorează indicele in planul de incidența,

- aceasta conduce conform Fig. 2 la majorarea reflectantei semnalului de citire (2) de la zero pana la 90%.

- reflectanta de 90% se menține mare pana la aplicarea in momentul t? a impulsului de ștergere (3), polarizat in planul de incidența,

- in urma aceasta, reflectanta se micșorează la valori aproape de zero, ce corespunde ștergerii informației.

Procesul este reversibil si se repeta cu frecventa de tact a impulsurilor de scriere/ștergere.

Invenția prezintă următoarele avantaje:

- permite realizarea unui mediu cu strat din As2Se3 amorf in condiții de rezonanta plasmonica de suprafață pentru înregistrarea si citirea optica a informației,

- mediul cu film As2Se3 se caracterizează prin anizotropie optica de 0.2 foto-indusa la iradierea cu lumina polarizata, ce este de patru ori mare comparativ cu filmele din AS2S3.

mediul de înregistrare este mai rapid si are contrast mare a reflectanței optice pentru semnalele de scriere si ștergere (Set/Reset).

Sumarul invenției: Obiectul acestei invenții consta in dezvoltarea unui mediu reversibil de înregistrare si citire a informației optice cu filme din As2Se3 in condiții de rezonanta plasmonica cu viteza mărite de scriere/ștergere, energii mici per pixel, si contrast bun exprimat prin diferența mare, de la 0 la 90%, dintre reflectantele luminii de citire corespunzătoare stării scris sau șters a mediului de înregistrare.

Descrierea succinta a figurilor:

Fig.l. Reprezintă schematic forma indicatricei indicelui de refracție al filmului As2Se3:

a) In starea inițiala, ne-iradiat, filmul este izotrop din punct de vedere optic.

b) După iluminarea cu lumina polarizata perpendicular pe planul de incidența (scriere), c) După iluminarea cu lumina polarizata in planul de incidența (ștergere).

Fig. 2. Reprezintă curbele de rezonanta plasmonica (doua) care exprima reflectanta funcție de unghiul de incidența, pentru doua valori ale indicelui de refracție care diferă cu 1% si care sunt obținute prin iradierea cu lumina polarizata a filmului amorf din As2Se3.

Fig. 3. Schimbarea reflectantei luminii laserului de proba (vezi curba 1) de la 0% la 90% in urma iluminării filmului As2Se3 cu un impuls de lumina polarizat perpendicular pe planul de incidența (2), si de la 90% la 0% in urma iluminării filmului As2Se3 cu un impuls polarizat in planul de incidența (3). De observat, ca reflectanta își păstrează valoarea după încetarea impulsurilor de scriere/ștergere.

Fig. 4. Reprezentare schematica a formei de realizare a dispozitivului de înregistrare si citire a informației optice cu mediu de înregistrare pe baza de anizotropie optica fotoindusa in filme amorfe din As2Se3 in condiții de rezonanta plasmonica de suprafața. Semnificația elementelor este specificata in secțiunea mod preferat de realizare.

O formă preferata de realizare a mediului de înregistrare consta in depunerea pe o lamela transparenta plan-paralela care se lipește cu fata din spate de baza prismei 3, sau prin depunerea directa pe baza prismei a unui film subțire 12 din aur cu grosimea aproape de 50 nm. Filmul poate fi obținut prin împrăștiere cu tun electronic in vid. Peste filmul din aur se depune un film calcogenic amorfii cu compoziția As2Se3, care poate fi obținut prin evaporare termica in vid. Grosimea filmului se calculează astfel ca unghiul de incidența a radiației laserului de citire 1 pe baza prismei sa asigure condițiile de rezonanta plasmonica de suprafața la unghiuri aproape de 45°. Polarizorul 2 asigura polarizarea laserului de citire in planul de incidența. Pentru citire se poate folosi o dioda laser continuu cu lungimea de unda 933 nm. Grosimea optimala a filmului pentru lungimea de unda de citire menționata aici este aproape de 700 nm. Pentru scriere/ ștergere se folosește o dioda laser 7 in impulsuri cu lungimea de unda 640 nm. Polarizorul 8 asigura o mai buna polarizare a fasciculului. Lamela semiunda cu schimb de faza λ/2 setează planul de polarizare a fasciculului scriere/ștergere in planul de incidența, respectiv perpendicular pe acesta. Schimbarea planului de polarizare la 90° se face prin rotirea lamelei semiunda la jumătatea unghiului, adică la 45°. Din considerente de comoditate a montajului, direcționarea fasciculului de scriere/ștergere pe baza prismei se asigura cu o oglinda 10. Lumina laserului de citire reflectata de mediul de înregistrare este recepționată de fotodioda 4, curentul generat de fotodioda este amplificat electronic 5 si măsurat de un ampermetru 6. Curentul măsurat este proporțional cu intensitatea luminii reflectate. Mediul de înregistrare funcționează in felul următor: Filmul amorf 11 este iluminat cu radiația laserului 7 polarizata in planul de incidența. Prisma se rotește atent pana când lumina reflectata pe fotodioda este zero. Aceasta corespunde stării „șters”. Apoi polarizarea laserului 7 se schimba cu 90°, perpendicular cu planul de incidența. Prin iluminarea cu impulsul laserului 7, care are deja o polarizare ortogonala, mediul de înregistrare se setează in starea „scris”. Intensitatea luminii incidente pe fotoreceptorul 4 creste si devine aproape egala cu intensitatea radiației laserului 1 incidența pe suprafața laterala a prismei 3.

Claims (1)

1. Revendicare

   Mediu de scriere/ștergere reversibila si citire a informației optice ce consta dintr-un strat subțire dintr-un material calcogenic amorf in care se manifesta anizotropie optica indusa de lumina polarizata, strat depus pe baza unei prisme din material optic transparent peste un strat subțire din aur care împreuna alcătuiesc o structura cu rezonanta plasmonica caracterizat prin aceea ca pentru a obține timpi de scriere/ștergere mai mici, energii mici de înregistrare si contrast bun dintre nivelurile scris/șters se folosește un film din As₂Se3 amorf in care starea de scris/șters se induce de un fascicul laser polarizat in planul sau perpendicular cu planul de incidența cu intensitatea 1,2 J/cm² si lungimea de unda in intervalul 600-700 nm, iar citirea se face cu un fascicul laser cu lungimea de unda in intervalul 900-1100 nm direcționat pe fata laterala a prismei si care se reflecta de pe mediul de înregistrare propus