RU2710389C1 - Information recording method in nanoporous quartzic glass - Google Patents

Information recording method in nanoporous quartzic glass Download PDF

Info

Publication number
RU2710389C1
RU2710389C1 RU2019115515A RU2019115515A RU2710389C1 RU 2710389 C1 RU2710389 C1 RU 2710389C1 RU 2019115515 A RU2019115515 A RU 2019115515A RU 2019115515 A RU2019115515 A RU 2019115515A RU 2710389 C1 RU2710389 C1 RU 2710389C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
glass
nanoporous
pulses
information
recording
Prior art date
Application number
RU2019115515A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Сергеевич Липатьев
Сергей Сергеевич Федотов
Сергей Викторович Лотарев
Андрей Гордеевич Охримчук
Александр Александрович Степко
Георгий Юрьевич Шахгильдян
Иван Сергеевич Глебов
Владимир Николаевич Сигаев
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
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 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Priority to RU2019115515A priority Critical patent/RU2710389C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2710389C1 publication Critical patent/RU2710389C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • 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
    • G11B7/004Recording, reproducing or erasing methods; Read, write or erase circuits therefor
    • G11B7/0045Recording
    • 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
    • G11B7/12Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/125Optical beam sources therefor, e.g. laser control circuitry specially adapted for optical storage devices; Modulators, e.g. means for controlling the size or intensity of optical spots or optical traces
    • G11B7/126Circuits, methods or arrangements for laser control or stabilisation

Abstract

FIELD: optics.
SUBSTANCE: invention relates to optical material science, particularly to a method of recording information on a nanoporous quartzoid glass carrier under laser radiation. This is achieved by a method of recording information by directing polarization-dependent birefringence by modifying nanoporous quartzoid glass with a focused low-range-range laser beam with a reduced number of pulses from 100 to 3, high repetition frequency of pulses of up to 10 MHz at pulse duration of 150–220 fs using a lens with a numerical aperture in range of 0.65–0.9.
EFFECT: invention increases recording speed of information carried out by directing polarization-dependent birefringence in nanoporous quartzide glass.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к способу записи информации на носитель из нанопористого кварцоидного стекла под действием лазерного излучения. Полученный результат может быть использован для создания устройств долговечной многомерной оптической памяти на стекле со сверхплотной емкостью хранения информации.The invention relates to the field of optical material science, in particular to a method for recording information on a carrier made of nanoporous quartzoid glass under the influence of laser radiation. The obtained result can be used to create devices of durable multidimensional optical memory on glass with an ultra-dense information storage capacity.

Процесс записи информации лазерным пучком на оптический носитель заключается в формировании области с измененными под воздействием лазерного излучения свойствами и, обладающей контрастом по отношению к исходной среде. Создаваемый контраст, определяемый условиями лазерного модифицирования, в котором закодированы данные, представляет впоследствии источник сигнала при считывании информации.The process of recording information with a laser beam on an optical medium consists in the formation of a region with properties changed under the influence of laser radiation and having a contrast with respect to the initial medium. The created contrast, determined by the conditions of laser modification, in which the data is encoded, subsequently represents the signal source when reading information.

Известен способ многослойной записи информации в прозрачном пластике - полиметилметакрилате [Kallepalli, Deepak LN, et al. "Ultra-high density optical data storage in common transparent plastics." Scientific reports 6 (2016)]. С помощью сфокусированного фемтосекундного пучка титан-сапфирового лазера была продемонстрирована запись за счет двухфотонного поглощения двадцати слоев, состоящих из точек, которые обладали люминесценцией вследствие образования флуорофоров. В уровне люминесценции каждой точки было закодировано 5 бит информации. Основным недостатком способа записи является термическая стабильность оптического носителя на основе полиметилметакрилата, не превышающая 200°С, что существенно ниже в сравнении с оксидными стеклами.A known method of multilayer information recording in transparent plastic - polymethyl methacrylate [Kallepalli, Deepak LN, et al. "Ultra-high density optical data storage in common transparent plastics." Scientific reports 6 (2016)]. Using a focused femtosecond beam of a titanium-sapphire laser, recording was recorded by two-photon absorption of twenty layers consisting of points that had luminescence due to the formation of fluorophores. At the luminescence level of each point, 5 bits of information were encoded. The main disadvantage of the recording method is the thermal stability of the optical carrier based on polymethyl methacrylate, not exceeding 200 ° C, which is significantly lower in comparison with oxide glasses.

Известен способ записи информации в фоточувствительном стекле, легированном ионами серебра [Способ записи оптической информации в стекле (RU 2543670)], с помощью фемтосекундного лазерного пучка с длиной волны в ближнем ИК диапазоне 0,8-1,1 мкм. Способ заключается в том, что при локальном воздействии фемтосекундных лазерных импульсов с длительностью 200 фс, энергией 1,67-10 мкДж и частотой следования 300 кГц на стекло, происходит восстановление ионов Ag+ за счет многофотонного поглощения и фотоионизации, что увеличивает интенсивность люминесценции облученной области. Плотность хранения данных в приведенном способе ограничена возможностью записи 1 бит информации в одной точке. Недостатком данного способа является также низкая термическая стабильность (ниже 400°С) оптического носителя по сравнению с нанопористым кварцоидным стеклом.A known method of recording information in a photosensitive glass doped with silver ions [Method for recording optical information in glass (RU 2543670)] using a femtosecond laser beam with a wavelength in the near infrared range of 0.8-1.1 μm. The method consists in the fact that under local exposure to femtosecond laser pulses with a duration of 200 fs, an energy of 1.67-10 μJ and a repetition rate of 300 kHz on the glass, Ag + ions are reduced due to multiphoton absorption and photoionization, which increases the luminescence intensity of the irradiated region . The density of data storage in the above method is limited by the ability to record 1 bit of information at one point. The disadvantage of this method is also the low thermal stability (below 400 ° C) of the optical carrier in comparison with nanoporous quartzoid glass.

Известен способ трехмерной записи информации лазерным пучком в кварцевом стекле за счет контраста показателя преломления [Imai, Ryo, et al. "100-Layer recording in fused silica for semi permanent data storage." Japanese Journal of Applied Physics 54.9S (2015): 09МС02]. Для записи использовался титан-сапфировый лазер, генерирующий на длине волны 800 нм импульсы энергии 300 нДж и длительностью 120 фс с частотой следования 1 кГц. Фокусировка в объем стекла осуществлялась с помощью объектива с числовой апертурой 0,55, и производилась запись 50 слоев на каждой из сторон оптического диска с расстоянием 60 мкм между ними. Для одновременной записи нескольких точек применялся пространственный модулятор света. Слои включали в себя точки, отличающиеся по яркости при наблюдении под микроскопом; их минимальная глубина составляла 4 мкм при коррекции аберраций. При этом показана термическая стабильность оптического носителя с записанной информацией при 1000°С в течение 2 ч [Shiozawa, Manabu, et al. Simultaneous multi-bit recording in fused silica for permanent storage // Japanese Journal of Applied Physics - 52.9S2 (2013). 09LA01]]. Основными недостатками способа является ограничение плотности записи информации одним битом в одной пространственной точке записи (пите), лазерного источника с низкой частотой следования импульсов и дорогостоящего пространственного модулятора света, который также обладает медленной скоростью работы.A known method of three-dimensional recording of information by a laser beam in quartz glass due to the contrast of the refractive index [Imai, Ryo, et al. "100-Layer recording in fused silica for semi permanent data storage." Japanese Journal of Applied Physics 54.9S (2015): 09MS02]. For recording, a titanium-sapphire laser was used, which generates 300 nJ energy pulses at a wavelength of 800 nm and a duration of 120 fs with a repetition rate of 1 kHz. Focusing into the glass volume was carried out using a lens with a numerical aperture of 0.55, and 50 layers were recorded on each side of the optical disk with a distance of 60 μm between them. To record several points simultaneously, a spatial light modulator was used. The layers included points that differ in brightness when observed under a microscope; their minimum depth was 4 μm when correcting aberrations. In this case, the thermal stability of the optical medium with the recorded information at 1000 ° C for 2 hours is shown [Shiozawa, Manabu, et al. Simultaneous multi-bit recording in fused silica for permanent storage // Japanese Journal of Applied Physics - 52.9S2 (2013). 09LA01]]. The main disadvantages of the method is the limitation of the recording density of information by one bit in one spatial recording point (pita), a laser source with a low pulse repetition rate and an expensive spatial light modulator, which also has a slow speed.

Наиболее близкими к сути изобретения являются работы, где описан способ многомерной записи информации фемтосекундным лазерным пучком в объеме кварцевого стекла за счет двулучепреломления формы, величина которого зависит от условий облучения [Zhang, Jingyu, et al. "Seemingly unlimited lifetime data storage in nanostructured glass." Physical review letters 112.3 (2014): 033901], принимаемые за прототип. Кодирование информации осуществлялось в фазовый сдвиг и медленную ось двулучепреломления нанорешетки - анизотропной нанопериодической структуры, формируемой при воздействии на стекло линейно поляризованного света. Ранее в предыдущих работах [Shimotsuma, Yasuhiko, et al. "Self-organized nanogratings in glass irradiated by ultrashort light pulses." Physical review letters 91.24 (2003): 247405, Beresna, Martynas, et al. "Exciton mediated self-organization in glass driven by ultrashort light pulses." Applied Physics Letters 101.5 (2012): 053120.] авторами прототипа было установлено, что ориентация медленной оси двулучепреломления нанорешетки перпендикулярна плоскости поляризации пучка лазера. Считывание данных проводилось путем анализа параметров двулучепреломления записанных нанорешеток. Фазовый сдвиг нанорешетки возрастает при увеличении количества или энергии лазерных импульсов. Таким образом, кодирование информации возможно не только в трех пространственных измерениях, но и в нескольких направлениях медленной оси и уровнях фазового сдвига, что позволяет закодировать в одной пространственной точке более одного бита информации (т.е., реализуется принцип многоуровневой памяти). Это позволяет увеличить плотность записи информации на оптический носитель пропорционально числу бит, записанных в одной точке. Для записи нанорешеток применялась фемтосекундная лазерная система на кристалле калий-гадолиниевого вольфрамата, допированного иттербием. Лазерные импульсы длиной волны 1030 нм, длительностью 280 фс с частотой следования 200 кГц фокусировались с помощью водно-иммерсионного объектива с числовой апертурой 1,2 в кварцевое стекло.Closest to the essence of the invention are works that describe a method for multidimensional recording of information by a femtosecond laser beam in the volume of quartz glass due to birefringence of a shape, the magnitude of which depends on the irradiation conditions [Zhang, Jingyu, et al. "Seemingly unlimited lifetime data storage in nanostructured glass." Physical review letters 112.3 (2014): 033901], taken as a prototype. The information was encoded into a phase shift and a slow birefringence axis of the nanogrid, an anisotropic nanoperiodic structure formed when linearly polarized light is exposed to glass. Earlier in previous papers [Shimotsuma, Yasuhiko, et al. "Self-organized nanogratings in glass irradiated by ultrashort light pulses." Physical review letters 91.24 (2003): 247405, Beresna, Martynas, et al. "Exciton mediated self-organization in glass driven by ultrashort light pulses." Applied Physics Letters 101.5 (2012): 053120.] the authors of the prototype found that the orientation of the slow axis of the birefringence of the nanogrid is perpendicular to the plane of polarization of the laser beam. The data were read out by analyzing the birefringence parameters of the recorded nanogratings. The phase shift of the nanogrid increases with increasing number or energy of laser pulses. Thus, coding of information is possible not only in three spatial dimensions, but also in several directions of the slow axis and phase shift levels, which allows you to encode more than one bit of information in one spatial point (i.e., the principle of multilevel memory is implemented). This allows you to increase the density of recording information on an optical medium in proportion to the number of bits recorded at one point. To write nanogrids, a femtosecond laser system based on a potassium gadolinium tungstate doped with ytterbium was used. Laser pulses with a wavelength of 1030 nm and a duration of 280 fs with a repetition rate of 200 kHz were focused using a water-immersion lens with a numerical aperture of 1.2 into quartz glass.

Для кварцевого стекла была показана запись трех слоев информации с плотностью записи 26,75 КБ/мм2 и продемонстрировано считывание с них, причем нанорешетки, в каждой из которых было закодировано 3 бита информации, записывались на глубине 130-170 мкм через каждые 3,7 мкм послойно с расстоянием между слоями 20 мкм. Для ускорения записи в прототипе пучок лазера с исходной энергией импульсов 6,3 мкДж разбивался с помощью пространственного модулятора света на максимум 100 лазерных пучков, т.е. минимальная энергия импульса для формирования пита составляла 63 нДж. Скорость записи при таких условиях составляла 6,3 КБ/с. Механизм образования анизотропной структуры под действием фемтосекундного лазерного пучка до настоящего времени находится под вопросом [Beresna, Martynas, et al. "Exciton mediated self-organization in glass driven by ultrashort light pulses." Applied Physics Letters 101.5 (2012): 053120.]. Поэтому для ускорения процесса записи информации с помощью двулучепреломляющих нанорешеток требуется экспериментальная оптимизация не только параметров лазерного излучения, но, как оказалось, и структуры оптического носителя. Для нанопористого кварцоидного стекла с размером пор менее 5 нм было установлено, что для образования двулучепреломления формы необходимо всего 2-3 лазерных импульса, что в 4 раза меньше количества импульсов, необходимых для образования нанорешетки в кварцевом стекле [Cerkauskaite, Ausra, et al. "Ultrafast laser-induced birefringence in various porosity silica glasses: from fused silica to aerogel." Optics Express 25.7 (2017): 8011-8021], и позволяет пропорционально увеличить скорость записи информации. Стоит отметить, что в прототипе используется пошаговое формирование нанорешеток, которое в свою очередь значительно лимитирует скорость записи информации, и очевидно, что при использовании непрерывной трансляции оптического носителя, например, его вращения, скорость записи можно повысить. Однако для дальнейшего повышения скорости записи информации на оптический носитель из нанопористого кварцевого стекла требуется экспериментальная оптимизация таких параметров лазерного облучения, которые определяют физические основы взаимодействия лазерного излучения с нанопористой структурой кварцоидного стекла, а именно длительности лазерных импульсов и максимальной частоты следования импульсов, которые позволяют локально сформировать двулучепреломление формы и до настоящего времени не определена. Значение длительности определяет пиковую интенсивность лазерного излучения, а частота следования импульсов - эффект накопления тепла, который в свою очередь существенно влияет на размер модифицируемой лазерным пучком области [Eaton, Shane М., et al. "Heat accumulation effects in femtosecond laser-written waveguides with variable repetition rate." Optics Express 13.12 (2005): 4708-4716.]. В то же время для повышения плотности записи необходимо добиться минимального размера двулучепреломляющей области с целью минимизации расстояния между нанорешетками в нанопористом кварцоидном стекле, обеспечивающей последующую возможность их считывания с минимальным количеством ошибок.For quartz glass, a record of three layers of information with a recording density of 26.75 KB / mm 2 was shown and read from them was demonstrated, and the nanogratings, in each of which 3 bits of information were encoded, were recorded at a depth of 130-170 μm every 3.7 microns in layers with a distance between the layers of 20 microns. To accelerate the recording in the prototype, a laser beam with an initial pulse energy of 6.3 μJ was split using a spatial light modulator into a maximum of 100 laser beams, i.e. the minimum pulse energy for pit formation was 63 nJ. The write speed under these conditions was 6.3 KB / s. The mechanism of the formation of an anisotropic structure under the action of a femtosecond laser beam is still in question [Beresna, Martynas, et al. "Exciton mediated self-organization in glass driven by ultrashort light pulses." Applied Physics Letters 101.5 (2012): 053120.]. Therefore, to accelerate the process of recording information using birefringent nanogratings, experimental optimization of not only the parameters of laser radiation, but, as it turned out, the structure of the optical carrier is required. For nanoporous quartzoid glass with a pore size of less than 5 nm, it was found that for the formation of birefringence, only 2-3 laser pulses are needed, which is 4 times less than the number of pulses required for the formation of a nanogrid in quartz glass [Cerkauskaite, Ausra, et al. "Ultrafast laser-induced birefringence in various porosity silica glasses: from fused silica to aerogel." Optics Express 25.7 (2017): 8011-8021], and allows you to proportionally increase the speed of recording information. It is worth noting that the prototype uses the step-by-step formation of nanogrids, which in turn significantly limits the recording speed of information, and it is obvious that by using continuous broadcasting of an optical medium, for example, its rotation, the recording speed can be increased. However, to further increase the speed of recording information on an optical carrier made of nanoporous silica glass, experimental optimization of such parameters of laser irradiation is required that determine the physical basis for the interaction of laser radiation with the nanoporous structure of quartzoid glass, namely, the duration of laser pulses and the maximum pulse repetition rate, which allow locally forming birefringence of the form has not yet been determined. The value of the duration determines the peak intensity of the laser radiation, and the pulse repetition rate determines the effect of heat accumulation, which in turn significantly affects the size of the region modified by the laser beam [Eaton, M. Shane, et al. "Heat accumulation effects in femtosecond laser-written waveguides with variable repetition rate." Optics Express 13.12 (2005): 4708-4716.]. At the same time, to increase the recording density, it is necessary to achieve a minimum size of the birefringent region in order to minimize the distance between the nanogratings in nanoporous quartzoid glass, which provides the subsequent possibility of reading them with a minimum number of errors.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, состоит в многократном увеличении скорости записи информации и емкости оптического носителя из нанопористого кварцевого стекла.The problem to which this invention is directed is to repeatedly increase the speed of recording information and the capacity of an optical carrier made of nanoporous silica glass.

Поставленная задача решается таким способом записи информации, при котором микрообласти, обладающие двулучепреломлением формы, образуются путем модифицирования стекла пучком лазера, излучающего на длине волны ближнего ИК диапазона фемтосекундные импульсы с частотой следования до 10 МГц и длительностью от 150 до 220 фс, причем лазерный луч фокусируется с помощью объектива с числовой апертурой от 0,65 до 0,9 для записи нанорешеток с расстоянием друг от друга 1,4 мкм в нанопористом кварцоидном стекле, которое имеет состав 97-99 мол. % SiO2, 0,2-0,6 мол. % Na2O, 1,4-1,8 мол. % В2О3 и средний размер пор 1-10 нм.The problem is solved in this way of recording information in which microregions with birefringence are formed by modifying glass with a laser beam emitting femtosecond pulses with a repetition rate of up to 10 MHz and a duration of 150 to 220 fs, and the laser beam is focused using a lens with a numerical aperture from 0.65 to 0.9 to record nanogratings with a distance of 1.4 μm from each other in nanoporous quartzoid glass, which has a composition of 97-99 mol. % SiO 2 , 0.2-0.6 mol. % Na 2 O, 1.4-1.8 mol. % B 2 About 3 and an average pore size of 1-10 nm.

Обнаружено, что снижение длительности импульсов в интервале 600-150 фс на частоте 1 МГц приводит к увеличению фазового сдвига микрообластей. Чем выше уровень фазового сдвига, тем меньше количество ошибок при считывании данных. Экспериментально установлен порог в 10 МГц по максимальной частоте следования импульсов длительностью 180 фс, при которой наблюдается эффект образования двулучепреломления формы в модифицируемых лазерным пучком областях.It was found that a decrease in the pulse duration in the range of 600–150 fs at a frequency of 1 MHz leads to an increase in the phase shift of microregions. The higher the level of the phase shift, the lower the number of errors when reading data. The threshold was experimentally set at 10 MHz for the maximum pulse repetition rate of 180 fs, at which the effect of the formation of birefringence of the shape in the regions modified by the laser beam is observed.

Таким образом, основным отличием от прототипа является оптимизация частоты следования лазерных импульсов и их длительности, которые позволяют формировать двулучепреломление формы в нанопористом кварцоидном стекле и обеспечивать стабильное считывание информации. В свою очередь, использование нанопористого кварцоидного стекла состава 97-99 мол. % SiO2, 0,2-0,6 мол. % Na2O, 1,4-1,8 мол. % B2O3 и средним размером пор 1-10 нм, структура которого минимизирует напряжения, возникающие при лазерном облучении, и объективов с числовой апертурой от 0,65 до 0,9 обеспечивают размер двулучепреломляющих микрообластей, который позволяет расположить их на расстоянии 1,4 мкм друг от друга и определяет значение уверенно регистрируемого фазового сдвига - более 20 нм, при многослойной записи информации - не менее 7 записанных слоев с каждой стороны образца.Thus, the main difference from the prototype is to optimize the repetition rate of laser pulses and their duration, which allow the formation of birefringence in nanoporous quartzoid glass and ensure stable reading of information. In turn, the use of nanoporous quartzoid glass composition 97-99 mol. % SiO 2 , 0.2-0.6 mol. % Na 2 O, 1.4-1.8 mol. % B 2 O 3 and an average pore size of 1-10 nm, the structure of which minimizes the stresses arising from laser irradiation, and lenses with a numerical aperture of 0.65 to 0.9 provide a birefringent microregion size that allows them to be placed at a distance of 1, 4 μm from each other and determines the value of a confidently detected phase shift - more than 20 nm, with multilayer information recording - at least 7 recorded layers on each side of the sample.

Для формирования микрообластей с двулучепреломлением формы в объеме полированного с двух сторон оптического носителя из нанопористого кварцоидного стекла применялась установка, в которой излучение ближнего ИК диапазона длиной волны 1030 нм с фемтосекундного регенеративного усилителя ослабляется до требуемого значения энергии импульса с помощью оптического аттенюатора, состоящего из вращающейся полуволновой пластины и призмы Глана, проходит через систему зеркал и еще одну полуволновую пластину, угол поворота которой определяет ориентацию линейной поляризации лазерного пучка, попадает на объектив с числовой апертурой в диапазоне 0,45-0,9 и фокусируется в объеме стекла. Величина энергии импульса лазерного излучения измерялась после оптического аттенюатора. Оптический носитель располагался на моторизованном вращающемся столе с точностью радиальной и угловой координат 0,1 мкм и 0,0002 градуса соответственно. Минимальная глубина фокусировки лазерного пучка составляла 20 мкм во избежание возможности образования трещин. При воздействии на нанопористое кварцоидное стекло 3-х лазерных импульсов образовывались локальные области - нанорешетки размером менее 1,2 мкм, обладающие двулучепреломлением формы. В ориентации медленной оси двулучепреломления каждой области было закодировано 3 бита информации. Для анализа двулучепреломления, а именно ориентации медленной оси облученных областей применялась система Abrio Microbirefringence [Retardance measurement system and method US 7372567 B2] на базе оптического поляризационного микроскопа Olympus ВХ51.In order to form birefringent microregions in the volume of an optical carrier made of nanoporous quartzoid glass polished on both sides, a setup was used in which the near-infrared radiation of a wavelength of 1030 nm from a femtosecond regenerative amplifier is attenuated to the desired pulse energy using an optical attenuator consisting of a rotating half-wave Glan plates and prisms passes through a system of mirrors and another half-wave plate, the rotation angle of which determines the orientation tatsiyu linear polarization of the laser beam into the lens with a numerical aperture in the range of 0,45-0,9 and focused in the volume window. The magnitude of the laser pulse energy was measured after the optical attenuator. The optical carrier was located on a motorized rotating table with an accuracy of radial and angular coordinates of 0.1 μm and 0.0002 degrees, respectively. The minimum focusing depth of the laser beam was 20 μm to avoid the possibility of cracking. When 3 laser pulses are exposed to nanoporous quartzoid glass, local regions are formed - nanolattices less than 1.2 microns in size, having birefringence. In the orientation of the slow birefringence axis of each region, 3 bits of information were encoded. To analyze the birefringence, namely the orientation of the slow axis of the irradiated regions, the Abrio Microbirefringence system [Retardance measurement system and method US 7372567 B2] was used based on an Olympus BX51 optical polarizing microscope.

Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.The achievement of the claimed technical result is confirmed by the following examples.

Пример 1Example 1

Нанопористое кварцоидное стекло состава 97-99 мол. % SiO2, 0,2-0,6 мол. % Na2O, 1,4-1,8 мол. % В2О3 со средним размером пор 10 нм облучают сфокусированными объективом с числовой апертурой 0,9 на глубине 100 мкм в пятно диаметром 1,0 мкм фемтосекундными лазерными импульсами с длиной волны 1,03 мкм, длительностью импульсов 150 фс, частотой повторения импульсов 10 МГц и средней мощностью 0,5 Вт (энергия импульса 50 нДж). Число импульсов варьируется от 3 до 6 импульса на пит.В результате облучения получены массивы питов с ориентацией «медленной» оси в интервале 0-157,5° с шагом 22,2° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, фазовым сдвигом в диапазоне 15-25 нм. На записанную информацию не влияет термообработка при 600°С в течение 2 ч.Nanoporous quartzoid glass composition 97-99 mol. % SiO 2 , 0.2-0.6 mol. % Na 2 O, 1.4-1.8 mol. % В 2 О 3 with an average pore size of 10 nm is irradiated with a focused lens with a numerical aperture of 0.9 at a depth of 100 μm into a spot with a diameter of 1.0 μm by femtosecond laser pulses with a wavelength of 1.03 μm, a pulse duration of 150 fs, and a pulse repetition rate 10 MHz and an average power of 0.5 W (pulse energy 50 nJ). The number of pulses varies from 3 to 6 pulses per pit. As a result of irradiation, pit arrays were obtained with a “slow” axis orientation in the interval 0-157.5 ° in increments of 22.2 ° relative to the initial direction of laser radiation polarization, with a phase shift in the range of 15 25 nm. The recorded information is not affected by heat treatment at 600 ° C for 2 hours.

Пример 2Example 2

В объеме нанопористого кварцоидного стекла состава 97-99 мол. % SiO2, 0,2-0,6 мол. % Na2O, 1,4-1,8 мол. % В2О3 со средним размером пор 10 нм записывают массив питов с различной ориентацией «медленной» оси, в которую кодируется 3 бита информации (фиг. 1), с помощью фемтосекундного лазера, излучающего на длине волны 1,03 мкм импульсы длительностью 220 фс, энергией 60 нДж и частотой следования в интервале 0,01-1000 кГц (фиг. 2). Фокусировка лазерного излучения производилась объективом с числовой апертурой 0,65 в пятно диаметром около 12 мкм Получены 7 слоев, включающими записанные массивы питов с фазовым сдвигом 20-30 нм, с каждой стороны образца нанопористого стекла. Расстояние между записанными питами составляло 1,4 мкм при количестве импульсов на пит, равном 3. Запись массивов питов происходила послойно, начиная с нижнего слоя на глубине 200 мкм, причем расстояние между слоями было равным 20 мкм. После записи 7 слоев образец стекла переворачивался на другую сторону. Снижение числа импульсов и использование частоты следования 1000 кГц в приведенном примере обеспечивает увеличение скорости записи до 1050 КБ/с.In the volume of nanoporous quartzoid glass composition 97-99 mol. % SiO 2 , 0.2-0.6 mol. % Na 2 O, 1.4-1.8 mol. % В 2 О 3 with an average pore size of 10 nm, an array of pits is recorded with different orientations of the “slow” axis, into which 3 bits of information are encoded (Fig. 1), using a femtosecond laser emitting pulses of a duration of 220 at a wavelength of 1.03 μm fs, an energy of 60 nJ and a repetition rate in the range of 0.01-1000 kHz (Fig. 2). The laser radiation was focused with a 0.65 numerical aperture lens into a spot with a diameter of about 12 μm. 7 layers were obtained, including recorded arrays of pits with a phase shift of 20–30 nm, on each side of the nanoporous glass sample. The distance between the recorded pits was 1.4 μm with the number of pulses per pit equal to 3. The recording of pit arrays was carried out in layers, starting from the lower layer at a depth of 200 μm, and the distance between the layers was 20 μm. After recording 7 layers, the glass sample was turned over to the other side. The reduction in the number of pulses and the use of a repetition rate of 1000 kHz in the above example provides an increase in the write speed up to 1050 KB / s.

Claims (1)

Способ записи информации в нанопористом кварцоидном стекле за счет наведения поляризационно-зависимого двулучепреломления путем модифицирования стекла сфокусированным пучком лазера, который излучает на длине волны ближнего ИК диапазона фемтосекундные импульсы, отличающийся тем, что снижают число импульсов со 100 до 3 и повышают частоту следования импульсов до 10 МГц при длительности импульсов 150-220 фс с использованием объектива с числовой апертурой в диапазоне 0,65-0,9.A method of recording information in nanoporous quartzoid glass by inducing polarization-dependent birefringence by modifying the glass with a focused laser beam that emits femtosecond pulses at a near infrared wavelength, characterized in that they reduce the number of pulses from 100 to 3 and increase the pulse repetition rate to 10 MHz with a pulse duration of 150-220 fs using a lens with a numerical aperture in the range of 0.65-0.9.
RU2019115515A 2019-05-21 2019-05-21 Information recording method in nanoporous quartzic glass RU2710389C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019115515A RU2710389C1 (en) 2019-05-21 2019-05-21 Information recording method in nanoporous quartzic glass

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019115515A RU2710389C1 (en) 2019-05-21 2019-05-21 Information recording method in nanoporous quartzic glass

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2710389C1 true RU2710389C1 (en) 2019-12-26

Family

ID=69022926

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019115515A RU2710389C1 (en) 2019-05-21 2019-05-21 Information recording method in nanoporous quartzic glass

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2710389C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020076655A1 (en) * 1999-07-29 2002-06-20 Borrelli Nicholas F. Direct writing of optical devices in silica-based glass using femtosecond pulse lasers
US20030174552A1 (en) * 2000-05-18 2003-09-18 Kazuyoshi Itoh Method for rewriting data in three-dimensional optical memory device fabricated in glass by ultra-short light pulse
WO2019032206A1 (en) * 2017-08-08 2019-02-14 Microsoft Technology Licensing, Llc Multi-beam optical system for fast writing of data on glass

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020076655A1 (en) * 1999-07-29 2002-06-20 Borrelli Nicholas F. Direct writing of optical devices in silica-based glass using femtosecond pulse lasers
US20030174552A1 (en) * 2000-05-18 2003-09-18 Kazuyoshi Itoh Method for rewriting data in three-dimensional optical memory device fabricated in glass by ultra-short light pulse
WO2019032206A1 (en) * 2017-08-08 2019-02-14 Microsoft Technology Licensing, Llc Multi-beam optical system for fast writing of data on glass

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. 100‐Layer error‐free 5D optical data storage by ultrafast laser nanostructuring in glass
Ramirez et al. Tuning the structural properties of femtosecond-laser-induced nanogratings
US6867408B1 (en) Erasable/rewritable optical data storage with photorefractive polymers
US11802993B2 (en) Nanostructured optical element, method for fabrication and uses thereof
LT6250B (en) Wavefront preserving laser beam shaper
US20080254372A1 (en) PDR and PBR glasses for holographic data storage and/or computer generated holograms
US20220009028A1 (en) Method for fabricating nanostructured optical elements using polarised light
US20220111470A1 (en) Method for fabricating nanostructured optical elements
WO2014097467A1 (en) Optical recording device, optical recording method, and information recording medium
JP5120909B2 (en) Method for producing colloidal crystal gel, colloidal crystal gel, and optical element
Lei et al. Efficient ultrafast laser writing with elliptical polarization
JPH08220688A (en) Three-dimensional optical memory glass element and its recording method
US20080254373A1 (en) Method of making PDR and PBR glasses for holographic data storage and/or computer generated holograms
JP4804177B2 (en) Optical element and manufacturing method thereof
KR20030005362A (en) Method for rewriting data in three-dimensional optical memory device fabricated in glass by ultra-short light pulse
RU2710389C1 (en) Information recording method in nanoporous quartzic glass
US9816925B2 (en) Method for writing and reading data by fluorescence on a light-sensitive substrate, and related substrate and devices
RU2710387C1 (en) Information recording method in quartz glass
JP2009536419A (en) Optical memory, method for reading and writing optical memory, and apparatus for reading and writing optical memory
US20220268983A1 (en) Method of forming birefringent structures in an optical element
JP2013530480A5 (en)
RU2640836C1 (en) Method of laser glass modifying
CN111540384B (en) Optical storage method and system for introducing fluorescent signal into anisotropic structure
Lu et al. Space variant fiber nanogratings induced by femtosecond laser direct writing
RU2682971C1 (en) Random phase plate

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210310

Effective date: 20210310