RU2674402C1 - Способ записи оптической информации в стекле - Google Patents

Способ записи оптической информации в стекле Download PDF

Info

Publication number
RU2674402C1
RU2674402C1 RU2017146489A RU2017146489A RU2674402C1 RU 2674402 C1 RU2674402 C1 RU 2674402C1 RU 2017146489 A RU2017146489 A RU 2017146489A RU 2017146489 A RU2017146489 A RU 2017146489A RU 2674402 C1 RU2674402 C1 RU 2674402C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
glass
optical information
silver
luminescence
irradiated
Prior art date
Application number
RU2017146489A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Иванович Сидоров
Николай Валентинович Никоноров
Вероника Васильевна Горбяк
Олег Алексеевич Подсвиров
Ульяна Валерьевна Юрина
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО)
Priority to RU2017146489A priority Critical patent/RU2674402C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2674402C1 publication Critical patent/RU2674402C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11BINFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/24Record carriers characterised by shape, structure or physical properties, or by the selection of the material
    • G11B7/26Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of record carriers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
    • C03C23/0005Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
    • C03C23/0025Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation by a laser beam

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Non-Silver Salt Photosensitive Materials And Non-Silver Salt Photography (AREA)
  • Optical Recording Or Reproduction (AREA)

Abstract

Изобретение относится к оптике и фотонике и может быть использовано для записи в стекле оптической информации в цифровом или аналоговом форматах, а также для создания в стекле нано- и микроразмерных источников света. Способ записи оптической информации в стекле, содержащем ионы и заряженные молекулярные кластеры серебра, заключается в создании локальных областей путем его облучения ионизирующим излучением, при этом стекло облучают электронами с энергией 5-50 кэВ и дозой 5-40 мКл/см2. Изобретение решает задачу повышения плотности записи оптической информации в стекле, содержащем серебро, увеличения интенсивности люминесценции облученных участков стекла и уменьшения интенсивности люминесценции в объеме стекла. 4 ил.

Description

Изобретение относится к оптике и фотонике, и может быть использовано для записи в стекле оптической информации в цифровом или аналоговом форматах, а также для создания в стекле нано- и микроразмерных источников света.
Известен способ формирования металлических нанокластеров в стекле, содержащем ионы серебра или меди, центров окраски в виде наночастиц серебра или меди (Патент РФ №2394001, МПК С03 17/06, дата приоритета 05.11.2008, опубликовано 10.07.2010). Сущность способа заключается в том, что стекло, содержащее ионы серебра или меди, локально облучают электронами с энергией 2-50 кэВ и дозой 2-20 мКл/см2, после чего осуществляют термообработку стекла при температуре 400-600°С в течение 2-10 часов. При электронном облучении приповерхностный слой стекла приобретает отрицательный заряд за счет накопления электронов, потерявших энергию. Возникшее при этом электрическое поле приводит к полевой миграции положительных ионов серебра или меди в область отрицательного заряда и восстановлению ионов термализованными электронами до нейтрального состояния. В результате в облученной зоне возникает высокая концентрация нейтральных атомов металла. При последующей термообработке при температуре выше температуры стеклования (400-600°С) атомы металла формируют наночастицы, которые являются центрами окраски благодаря наличию у наночастиц плазмонного резонанса, приводящего к появлению плазмонной полосы оптического поглощения. Данный способ может быть использован для записи в стекле оптической информации путем создания локальных областей с повышенным поглощением. Недостатком способа является необходимость применения длительной термообработки стекла при высокой температуре.
Известен способ формирования в стекле, содержащем ионы серебра, люминесцентных центров в виде субнаноразмерных молекулярных кластеров серебра (Д.А. Клюкин, А.И. Сидоров, А.И. Игнатьев, Н.В. Никоноров, M. Silvennoinen, Ю.П. Свирко. Формирование люминесцентных центров и нелинейно-оптические эффекты в серебросодержащих стеклах при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов // Опт. и Спектр., 2015, Т. 119, №3, С. 122-126). Сущность способа заключается в том, что стекло, содержащее ионы и заряженные молекулярные кластеры серебра, локально облучают фемтосекундными лазерными импульсами ближнего ИК диапазона (λ=790 нм). При лазерном облучении происходит многофотонная ионизация дефектов сетки стекла. Образующиеся при этом свободные электроны захватываются заряженными молекулярными кластерами серебра, которые переходят в нейтральное состояние. Для нейтральных молекулярных кластеров серебра характерна интенсивная люминесценция в видимой области спектра при ее возбуждении непрерывным излучением УФ диапазона. Данный способ может быть использован для записи в стекле оптической информации путем создания локальных областей, обладающих люминесценцией. Недостатком способа является то, что лазерный луч невозможно сфокусировать в пятно диаметром менее 3-5 длин волн из-за дифракционных ограничений. Недостатком является также то, что при фокусировке лазерного луча перед фокусом находится сходящийся пучок излучения, а за фокусом - расходящийся пучок излучения. В этих пучках также образуются люминесцентные центры, и появляется паразитная люминесценция в объеме стекла. Это ограничивает плотность записи оптической информации и может привести к ошибкам при считывании информации. Недостатком является также то, что из-за высокой интенсивности лазерного излучения в стекле возникают нелинейно-оптические эффекты, приводящие, в частности, к самофокусировке и самодефокусировке луча. Это может приводить к искажению оптической информации. Недостатком является также то, что в облученной зоне находится малое количество молекулярных кластеров, которые образовались в ней при синтезе стекла. Поэтому интенсивность люминесценции после лазерного облучения не является максимально возможной.
Известен способ записи оптической информации в стекле, содержащем ионы серебра и субнаноразмерные молекулярные кластеры серебра (V.V. Gorbiak, A.I. Sidorov, V.N. Vasilyev, V.D. Dubrovin, N.V. Nikonorov. Multilevel optical information recording in silver-containing photosensitive glasses by UV laser pulses // Opt. Engineering, 2017, Vol. 56, No. 4, 047104), выбранный в качестве прототипа. Сущность способа заключается в том, что стекло, содержащее ионы и заряженные молекулярные кластеры серебра, локально облучают наносекундными лазерными импульсами УФ диапазона (λ=355 нм). При лазерном облучении происходит ионизация дефектов сетки стекла. Образующиеся при этом свободные электроны захватываются заряженными молекулярными кластерами серебра, которые переходят в нейтральное состояние. Для нейтральных молекулярных кластеров серебра характерна интенсивная люминесценция в видимой области спектра при ее возбуждении непрерывным излучением УФ диапазона. Данный способ использован для записи в стекле оптической информации путем создания локальных областей, обладающих люминесценцией. Недостатком способа является то, что лазерный луч невозможно сфокусировать в пятно диаметром менее 3-5 длин волн из-за дифракционных ограничений. Недостатком является также то, что при фокусировке лазерного луча перед фокусом находится сходящийся пучок излучения, а за фокусом - расходящийся пучок излучения. В этих пучках также образуются люминесцентные центры, и появляется паразитная люминесценция в объеме стекла. Это ограничивает плотность записи оптической информации и может привести к ошибкам при считывании информации. Недостатком является также то, что в облученной зоне находится малое количество молекулярных кластеров, которые образовались в ней при синтезе стекла. Поэтому интенсивность люминесценции после лазерного облучения не является максимально возможной.
Изобретение решает задачу повышения плотности записи оптической информации в стекле, увеличению интенсивности люминесценции облученных участков стекла и уменьшению интенсивности люминесценции в объеме стекла.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что стекло, содержащее ионы и заряженные молекулярные кластеры серебра, локально облучают электронами с энергией 5-50 кэВ и дозой 5-40 мКл/см2. Серебросодержащие стекла, синтезированные в окислительных условиях, содержат серебро в виде ионов Ag+и заряженных молекулярных кластеров Agn +(n=2-4). Ионы и заряженные молекулярные кластеры серебра обладают чрезвычайно слабой люминесценцией в видимой области спектра. При локальном облучении электронами с энергией 5-50 кэВ они тормозятся в приповерхностном слое стекла толщиной 0.1-20 мкм, накапливаются в нем, и образуют в этом слое область с отрицательным зарядом. Возникшее при этом электрическое поле приводит к полевой миграции подвижных положительных ионов серебра в область отрицательного заряда и восстановлению ионов термализованными электронами до нейтрального состояния. В результате в облученной зоне возникает высокая концентрация нейтральных атомов серебра. Заряженные молекулярные кластеры серебра, находящиеся в облученной зоне, захватывают свободные электроны, и переходят в нейтральное состояние. Благодаря высокой концентрации нейтральных атомов серебра в облученной зоне появляется возможность возникновения новых нейтральных молекулярных кластеров серебра, вследствие чего их концентрация в облученной зоне увеличивается. Известно, что нейтральные молекулярные кластеры серебра в стекле обладают интенсивной люминесценцией в видимой области спектра при возбуждении люминесценции УФ или фиолетовым излучением (V.D. Dubrovin, A.I. Ignatiev, N.V. Nikonorov, A.I. Sidorov, Т.A. Shakhverdov, D.S. Agafonova, Luminescence of silver molecular clusters in photo-thermo-refractive glasses // Opt. Mater., 2014, Vol. 36, P. 753-759). Поэтому в облученных участках стекла появляется интенсивная люминесценция в видимой области спектра при ее возбуждении УФ или фиолетовым излучением. Таким образом, оптическая информация может быть записана в стекле, содержащем ионы и молекулярные кластеры серебра путем создания люминесцентных участков при локальном электронном облучении. Запись может производиться точечным воздействием сфокусированного электронного луча либо путем сканирования электронного луча по поверхности стекла. Для считывания информации в качестве источника, возбуждающего люминесценцию, может быть использован УФ светодиод с длиной волны излучения 365 нм или фиолетовый светодиод или полупроводниковый лазер с длиной волны излучения 405 нм. Для регистрации люминесценции может быть использован кремниевый фотодиод.
Достоинствами предлагаемого способа является следующее. Так как электронный луч может быть сфокусирован в пятно диаметром менее 10 нм, то расстояние между соседними пикселями может составлять 20 нм, благодаря чему повышается плотность записи информации по сравнению с прототипом. Так как при локальном электронном облучении концентрация люминесцентных центров, нейтральных молекулярных кластеров серебра, в облученной зоне увеличивается, то увеличивается интенсивность люминесценции в облученной зоне, по сравнению с прототипом. При электронном облучении с энергией электронов 5-50 кэВ нейтральные молекулярные кластеры серебра формируются в приповерхностном слое стекла толщиной 0.1-20 мкм. Поэтому паразитная люминесценция в объеме стекла не возникает. Это также позволяет увеличить плотность записи оптической информации.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 показаны спектры оптической плотности стекла до электронного облучения (1) и после облучения электронами с энергией 50 кэВ и дозой 30 мКл/см2 (2).
На фиг. 2 показана фотография люминесценции стекла после облучения электронами с энергией 50 кэВ и дозой 30 мКл/см2. Длина волны возбуждения люминесценции 365 нм.
На фиг. 3 показаны спектры люминесценции стекла после облучения электронами с энергией 50 кэВ и дозами 5 мКл/см2 (3) и 30 мКл/см2 (4). Длина волны возбуждения люминесценции 405 нм.
На фиг. 1 показана зависимость интегральной интенсивности люминесценции стекла после электронного облучения от дозы облучения. Длина волны возбуждения люминесценции 405 нм. Энергия электронов 50 кэВ.
Сущность изобретения раскрывается на примере, который не должен рассматриваться экспертом как ограничивающий притязания изобретения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Пример
Для записи оптической информации используют силикатное стекло системы: SiO2-Na2O-Al2O3-ZnO-NaCl с добавкой Ag2O (0.12 мол. %). Серебро в шихту стекла вводят в виде AgNO3, а синтез стекла проводят в воздушной атмосфере. Это обеспечивает окислительные условия синтеза. После синтеза и отжига стекло содержит ионы серебра Ag+и заряженные молекулярные кластеры серебра Agn +(n=2-4). Стекло прозрачно, бесцветно и обладает очень слабой люминесценцией в видимой области спектра, которая может быть зарегистрирована только с помощью фотоэлектронного умножителя. Образец стекла представляет собой плоскопараллельную полированную пластину толщиной 1 мм. Перед электронным облучением на поверхность стекла наносят пленку А1 толщиной 100 нм для удаления поверхностного заряда. После электронного облучения пленку А1 удаляют травлением в водном растворе KOH. Облучение стекла электронами проводят в сканирующем электронном микроскопе с энергией электронов 50 кэВ и дозами 10-35 мКл/см2 при комнатной температуре. Облучение проводят неподвижным электронным лучом с диаметром на поверхности стекла равным 1.5 мм. Диаметр электронного луча выбран для удобства последующих оптических измерений. После облучения электронами облученные участки стекла приобретают бледно-желтую окраску, и происходит длинноволновый спектральный сдвиг края полосы поглощения стекла (Фиг. 1). Это указывает на переход заряженных молекулярных кластеров серебра в нейтральное состояние. В облученных участках стекла возникает интенсивная люминесценция в видимой области спектра при ее возбуждении УФ или фиолетовым излучением (Фиг. 2). Так как нейтральные молекулярные кластеры серебра формируются только в тонком приповерхностном слое стекла, в котором электроны теряют энергию, то паразитной люминесценции в объеме стекла не возникает. Спектры люминесценции для двух доз электронного облучения показаны на (Фиг. 3). Из рисунка видно, что полоса люминесценции занимает спектральный интервал 450-750 нм и имеет максимум на длине волны 550 нм. Вклад в люминесценцию при возбуждении длиной волны 405 нм вносят нейтральные молекулярные кластеры серебра Ag2, Ag3 и Ag4. На Фиг. 4 показана зависимость интегральной интенсивности люминесценции стекла после электронного облучения от дозы облучения. Длина волны возбуждения люминесценции равна 405 нм. Измерение интенсивности люминесценции проводилось с помощью кремниевого фотодиода. Из Фиг. 4 видно, что при увеличении дозы электронного облучения от 5 до 35 мКл/см2 интенсивность люминесценции увеличивается в 3.4 раза. Такого изменения интенсивности люминесценции достаточно для записи информации в восьмеричном коде счисления. При этом каждому уровню интенсивности люминесценции будет соответствовать определенный код числа системы счисления. Это дает возможность дополнительного увеличения плотности записи информации.
Эксперименты показали, что на качество записанной оптической информации не влияет нагрев до 350°С, а также облучение УФ ртутной лампой.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить плотность записи оптической информации в стекле, содержащем серебро, увеличить интенсивность люминесценции облученных участков стекла и уменьшить интенсивность люминесценции в объеме стекла. Дополнительным достоинством является возможность записи оптической информации в кодах высокого порядка, например, в восьмеричной системе счисления.

Claims (1)

  1. Способ записи оптической информации в стекле, содержащем ионы и заряженные молекулярные кластеры серебра, заключающийся в создании локальных областей путем его облучения ионизирующим излучением, отличающийся тем, что стекло облучают электронами с энергией 5-50 кэВ и дозой 5-40 мКл/см2.
RU2017146489A 2017-12-27 2017-12-27 Способ записи оптической информации в стекле RU2674402C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017146489A RU2674402C1 (ru) 2017-12-27 2017-12-27 Способ записи оптической информации в стекле

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017146489A RU2674402C1 (ru) 2017-12-27 2017-12-27 Способ записи оптической информации в стекле

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2674402C1 true RU2674402C1 (ru) 2018-12-07

Family

ID=64603848

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017146489A RU2674402C1 (ru) 2017-12-27 2017-12-27 Способ записи оптической информации в стекле

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2674402C1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0399577A1 (en) * 1983-06-24 1990-11-28 Canyon Materials Inc. A method for making high energy beam sensitive glasses
US20060138103A1 (en) * 2004-12-28 2006-06-29 Igor Troitski Method and system for production of laser-induced color images which change characteristics during observation
RU2543670C1 (ru) * 2013-10-16 2015-03-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО) Способ записи оптической информации в стекле

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0399577A1 (en) * 1983-06-24 1990-11-28 Canyon Materials Inc. A method for making high energy beam sensitive glasses
US20060138103A1 (en) * 2004-12-28 2006-06-29 Igor Troitski Method and system for production of laser-induced color images which change characteristics during observation
RU2543670C1 (ru) * 2013-10-16 2015-03-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО) Способ записи оптической информации в стекле

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zoubir et al. Laser-induced defects in fused silica by femtosecond IR irradiation
Maurel et al. Luminescence properties of silver zinc phosphate glasses following different irradiations
Bourhis et al. Formation and thermo-assisted stabilization of luminescent silver clusters in photosensitive glasses
Chen et al. Reversible control of silver nanoparticle generation and dissolution in soda-lime silicate glass through x-ray irradiation and heat treatment
RU2674402C1 (ru) Способ записи оптической информации в стекле
Day Irradiation-induced photoconductivity in magnesium oxide
US9034539B2 (en) Controllable transmission and phase compensation of transparent material
Zheng et al. Formation and assignment of silver defect centres in phosphate glass induced by femtosecond laser pulses
US8163632B2 (en) Irradiation with high energy ions for surface structuring and treatment of surface proximal sections of optical elements
CN108039646B (zh) 一种近红外量子点单光子源的制备方法
Kim et al. Nonlinear optical effects in glasses containing copper chloride nanocrystals
US9816925B2 (en) Method for writing and reading data by fluorescence on a light-sensitive substrate, and related substrate and devices
Baldacchini et al. Point defects in lithium fluoride by EUV and soft X-rays exposure for X-ray microscopy and optical applications
Sugioka et al. Advanced materials processing based on interaction of laser beam and a medium
He et al. Cancer cell death pathways caused by photothermal and photodynamic effects through gold nanoring induced surface plasmon resonance
Bourhis et al. Luminescence properties of micrometric structures induced by direct laser writing in silver containing phosphate glass
RU2543670C1 (ru) Способ записи оптической информации в стекле
Gatto et al. Simulation of the degradation of optical glass substrates caused by UV irradiation while coating
Sidorov et al. The effect of electron beam irradiation on silver–sodium ion exchange in silicate glasses
RU2411180C1 (ru) Подложка для биочипа и способ ее изготовления
CA3192631A1 (fr) Verre photosensible et procede d'inscription de structures de variation d'indice de refraction en volume dans un tel verre
RU2658114C1 (ru) Способ записи оптической информации в фототерморефрактивном стекле
Glebov et al. Interaction of photo-thermo-refractive glass with nanosecond pulses at 532 nm
RU2617662C1 (ru) Люминесцентное фосфатное стекло
Lucas et al. Comparison of photostructural changes induced by continuous and pulsed laser in chalcogenide glass