RU2713044C1 - Оптический носитель информации на основе оксидных стекол - Google Patents
Оптический носитель информации на основе оксидных стекол Download PDFInfo
- Publication number
- RU2713044C1 RU2713044C1 RU2019115509A RU2019115509A RU2713044C1 RU 2713044 C1 RU2713044 C1 RU 2713044C1 RU 2019115509 A RU2019115509 A RU 2019115509A RU 2019115509 A RU2019115509 A RU 2019115509A RU 2713044 C1 RU2713044 C1 RU 2713044C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amount
- glass
- information
- composition
- optical
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL 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
- C03C3/00—Glass compositions
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B7/00—Recording 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
- G11B7/24—Record carriers characterised by shape, structure or physical properties, or by the selection of the material
- G11B7/241—Record carriers characterised by shape, structure or physical properties, or by the selection of the material characterised by the selection of the material
- G11B7/242—Record carriers characterised by shape, structure or physical properties, or by the selection of the material characterised by the selection of the material of recording layers
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Glass Compositions (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к оптическому носителю информации на основе оксидных стекол, и может быть использовано для записи и хранения информации. Изобретение позволяет упростить и удешевить технологический процесс изготовления оптического носителя информации при сохранении скорости записи информации. Это достигается применением оптического носителя информации на основе многокомпонентных оксидных стекол составов, мол. %: Me2O (Me=Li, Na, K) в количестве 12-30, SiO2 в количестве 70-88; или состава: Me2O (Me=Li, Na, K) в количестве 5-30, Al2O3 в количестве 0,1-5, SiO2 в количестве 65-87,9; или состава: Me2O (Me=Li, Na, K) в количестве 4-25, Al2O3 в количестве 2-5, В2О3 в количестве 5-13, SiO2 в количестве 65-81.
Description
Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности, к оптическому носителю информации на основе оксидных стекол и может быть использовано для записи и хранения информации.
Известен носитель на основе натриевоборатного стекла с очувствляющей примесью цинком или кадмием в количестве 0,1-5 мас. %. Запись на оптический носитель осуществляется воздействием мощного ультрафиолетового (УФ) излучения. При этом в облученных областях изменяются спектрально-люминесцентные характеристики, которые отвечают за процесс считывания информации. Недостатком данного оптического носителя является необходимость применения мощных источников УФ излучения, термическая стабильность до 400°С, длительность хранения записанных данных не менее 1,5 лет [патент SU 1714675 А1 Носитель оптической записи].
Известен способ трехмерной записи-считывания и оптический носитель - фоточувствительное цинкфосфатное стекло, допированное серебром [патент WO 2011148113 A3]. За счет облучения стекла импульсным источником лазерного излучения в объеме оптического носителя формируются нанокластеры серебра, изменяя спектр люминесценции модифицированной области. Недостатком изобретения является невысокая плотность записи и хранения информации, ограниченная 1 битом информации в одном пите, а также низкая термическая стабильность (ниже 450°С) оптического носителя по сравнению с многокомпонентными силикатными и боросиликатными стеклами.
Дальнейшее развитие технологии оптической записи информации привело к появлению работы [Zhang, Jingyu, et al. "Seemingly unlimited lifetime data storage in nanostructured glass." Physical review letters 112.3 (2014): 03390], где был продемонстрирован способ многоуровневой записи информации на оптическом носителе из кварцевого стекла с помощью фемтосекундного лазерного пучка и который тесно связаны с данным изобретением.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является оптический носитель информации, представляющий собой оксидное кварцевое стекло (SiO2). Запись информации состоит в облучении кварцевого стекла сфокусированным пучком фемтосекундного лазера, которое приводит к образованию периодических наноструктур, называемых «нанорешетками». Нанорешетки обладают анизотропными свойствами, их двулучепреломление зависит от параметров лазерного пучка. При прохождении через нанорешетку луч света разделяется на две взаимно ортогонально-поляризованных компоненты - обыкновенную и необыкновенную, между которыми возникает фазовый сдвиг, выражаемый в нм. Нанорешетка имеет «медленную» ось, т.е. направление, вдоль которого показатель преломления для необыкновенного луча максимален. В 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 L 101.5 (2012): 053120.] отмечено, что ориентация «медленной» оси пита перпендикулярна плоскости поляризации пучка лазера, т.е. двулучепреломление поляризационно-зависимо. Также установлено, что фазовый сдвиг пита можно повысить путем увеличения количества или энергии лазерных импульсов. Таким образом, запись информации возможна в нескольких направлениях «медленной» оси и уровнях фазового сдвига дополнительно к трем пространственным измерениям оптического носителя. Это позволяет закодировать в пите более одного бита информации (т.е. реализуется принцип многоуровневой памяти) и увеличить плотность записи информации оптического носителя пропорционально числу записанных бит. Тем не менее, энергия импульса - один из параметров лазерного пучка, критический для формирования нанорешетки, лимитирует скорость записи информации. Механизм образования нанорешеток до сих пор не выяснен, а образование периодических наноструктур в объеме материала, обладающих значительным и достаточным для считывания пита фазовым сдвигом (более 10 нм), было показано только для кварцевого стекла. В прототипе минимальная энергия импульса, применяемая для формирования пита в объеме кварцевого стекла, составляла от 30 нДж, при этом скорость записи данных составляет 6 КБ/сек. Показано, что кварцевое стекло благодаря своим уникальным свойствам, в частности, высокой температуре стеклования (около 1200°С) обеспечивает высокую термическую стабильность оптической памяти - двулучепреломление нанорешеток при термообработке при 1000°С в течение 1 часа ослабевает не более, чем на 2%, что фактически означает сохранность данных и возможность их считывания после такой термообработки. Экстраполяция температурной зависимости времени жизни данных на низкие температуры показала, что при температуре 200°С информация может храниться в течение миллиардов лет, а при комнатной температуре - практически вечно. Однако производство кварцевого стекла является более дорогостоящим и технически сложным по сравнению с производством многокомпонентных стекол силикатной и боросиликатной систем, так как синтез проводится при температурах более 2000°С при использовании специального дорогостоящего оборудования, а также в силу сложности механической обработки готового стекла: шлифовки и полировки. Температура стеклования многокомпонентных стекол силикатной и боросиликатной систем лежит в диапазоне 500-800°С, что также обеспечивает достаточную для архивного хранения информации термическую стабильность и долговечность оптического носителя. Совокупность термических и физико-механических свойств силикатных и боросиликатных стекол существенно упрощает и удешевляет в сравнении с кварцевым стеклом технологический процесс изготовления оптического носителя информации. Так температура варки таких стекол лежит в диапазоне от 1400 до 1620°С, а сама варка проводится с использованием стандартных электрических печей. Микротвердость многокомпонентных стекол, напрямую связанная с процессом шлифовки и полировки носителя информации, значительно ниже в сравнении с микротвердостью кварцевого стекла. В то же время энергия лазерного импульса для записи информации в заявляемых многокомпонентных стеклах обеспечивает сравнимую с прототипом скорость процесса записи данных.
Задачей настоящего изобретения является удешевление и упрощение процесса изготовления оптического носителя при сохранении скорости записи информации.
Поставленная задача решается использованием для изготовления оптического носителя многокомпонентных стекол составов:
Микротвердость синтезированных стекол определялась по методу Виккерса.
Для создания питов в объеме полированного с двух сторон оптического носителя из многокомпонентного стекла применялась установка, в которой излучение ближнего ИК диапазона длиной волны 1030 нм с фемтосекундного лазера ослабляется до значений 30-60 нДж энергии импульса с помощью оптического аттенюатора, проходит через фазовую пластину λ/2, угол поворота которой определяет ориентацию линейной поляризации лазерного пучка, и систему зеркал, попадает на объектив или линзу и фокусируется в объеме стекла. Величина энергии импульса лазерного излучения измерялась после фокусирующего объектива. Для записи питов применялось от 256 до 262144 импульсов.
Перемещение оптического носителя осуществлялось с помощью моторизованного трехкоординатного стола. Минимальная глубина фокусировки лазерного пучка составляла 20 мкм во избежание возможности образования трещин. При лазерном воздействии на кварцевое стекло образовывались питы - локальные области диаметром около 1,5 мкм, обладающие локальным поляризационно-зависимым двулучепреломлением. Для регистрации фазового сдвига и ориентации «медленной» оси двулучепреломляющих питов применялась система Abrio Microbirefringence [Retardance measurement system and method US 7372567 B2] на базе оптического поляризационного микроскопа Olympus ВХ51.
В приведенных далее примерах применялся оксид натрия. Правомерность обобщения на оксиды лития и калия следует из полного сходства используемых для достижения заявляемого технического результата свойств этих соединений.
Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.
Пример 1
В многокомпонентном стекле состава 15Na2O-85SiO2 на глубине 30 мкм сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 600 фс с частотой повторения 200 кГц и энергией от 30 до 60 нДж формируются массивы питов с ориентацией «медленной» оси 0° и 90° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, с фазовым сдвигом в диапазоне 10-45 нм. Число импульсов варьируется от 512 до 256144 импульса на пит. На двулучепреломление записанных нанорешеток не влияет термообработка при 400°С в течение 2 ч. Температура стеклования стекла данного состава 485°С, варка стекла осуществляется в электрической печи в платиновом тигле при температуре 1560°С. Введение 15 мол. % щелочного оксида в состав кварцевого стекла позволяет снизить микротвердость с 10,5 до 4,5 ГПа. Максимальная скорость записи информации составляет 12 КБ/сек.
Пример 2
В многокомпонентном стекле состава 12Na2O-88SiO2 на глубине 30 мкм сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 600 фс с частотой повторения 200 кГц и энергией от 30 до 60 нДж формируются массивы питов с ориентацией «медленной» оси 0 и 90° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, с фазовым сдвигом в диапазоне 10-45 нм. Число импульсов варьируется от 512 до 256144 импульса на пит. На двулучепреломление записанных нанорешеток не влияет термообработка при 400°С в течение 2 ч. Температура стеклования стекла данного состава 528°С, варка стекла осуществляется в электрической печи в платиновом тигле при температуре 1620°С. Введение 12 мол. % щелочного оксида в состав кварцевого стекла позволяет снизить микротвердость с 10,5 до 5,0 ГПа. Максимальная скорость записи информации составляет 12 КБ/сек.
Пример 3
В многокомпонентном стекле состава 30Na2O-70SiO2 на глубине 30 мкм сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 600 фс с частотой повторения 200 кГц и энергией 45 нДж формируются массивы питов с ориентацией «медленной» оси 0° и 90° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, с фазовым сдвигом в диапазоне 10-25 нм. Число импульсов варьируется от 1024 до 256144 импульса на пит. Температура стеклования стекла данного состава 460°С, варка стекла осуществляется в электрической печи в платиновом тигле при температуре 1400°С. Увеличение содержания оксида натрия до 30% в составе кварцевого стекла снижает микротвердость до 3,9 ГПа. Максимальная скорость записи информации составляет 9 КБ/сек.
Пример 4
В многокомпонентном стекле состава 30Na2O-5Al2O3-65SiO2 на глубине 50 мкм сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 600 фс с частотой повторения 100 кГц и энергией 45 нДж формируются массивы питов с ориентацией «медленной» оси 0°, 45° и 90° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, фазовым сдвигом в диапазоне 25 нм. Число импульсов пит составляло 128072 импульса на пит. Температура стеклования данного стекла составляет 480°С, а варка проводится в электрической печи при температуре 1490°С. Микротвердость стекла данного состава составляет 4,1-5,0 ГПа, что в 2,5 раза меньше, чем в кварцевом стекле. Скорость записи информации составляет 9 КБ/сек.
Пример 5
В многокомпонентном стекле состава 4Na2O-2Al2O3-13B2O3-81SiO2 на глубине 50 мкм сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 600 фс с частотой повторения 100 кГц и энергией 45 нДж формируются массивы питов с ориентацией «медленной» оси 0°, 45° и 90° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, фазовым сдвигом в диапазоне 25 нм. Число импульсов пит составляло 128072 импульса на пит. Температура стеклования данного стекла составляет 535°С, варка стекла осуществляется в электрической печи в платиновом тигле при температуре 1600°С. Микротвердость синтезированного стекла составляет 5,2-6,1 ГПа. Скорость записи составляет 9 КБ/сек.
Пример 6
В многокомпонентном стекле состава 25Na2O-5Al2O3-5B2O3-65SiO2 на глубине 50 мкм сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 600 фс с частотой повторения 100 кГц и энергией 45 нДж формируются массивы питов с ориентацией «медленной» оси 0°, 45° и 90° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения, фазовым сдвигом в диапазоне 25 нм. Число импульсов пит составляло 64036 импульса на пит. Температура стеклования данного стекла составляет 510°С, варка стекла осуществляется в электрической печи в платиновом тигле при температуре 1510°С. Введение в состав стекла оксидов натрия, алюминия, бора в указанных количествах в состав кварцевого стекла позволяет снизить микротвердость с 10,5 ГПа до 5,4 ГПа. Скорость записи составляет 9 КБ/сек.
Выводы
Из приведенных выше примеров следует, что используя патентуемые составы возможно значительное упрощение технологического процесса изготовления носителя за счет снижения температур синтеза, которые в случае прототипа составляют порядка 2000°С, а для носителей на основе заявляемых многокомпонентных стекол лежат в диапазоне от 1400 до 1620°С и за счет использования электрических печей вместо специальных установок синтеза кварцевого стекла, а также упрощение процессов шлифовки и полировки поверхности носителя, обусловленное снижением микротвердости материала, при сохранении скорости записи информации, которая указана в прототипе.
Claims (12)
- Оптический носитель информации на основе оксидных стекол для трехмерной многоуровневой записи и хранения информации, отличающийся тем, что используют оксидные стекла следующих составов, мол. %:
- Me2O (Me=Li, Na, K) в количестве 12-30,
- SiO2 в количестве 70-88;
- или состава:
- Me2O (Me=Li, Na, K) в количестве 12-30,
- Al2O3 в количестве 0,1-5,
- SiO2 в количестве 65-87,9;
- или состава:
- Me2O (Me=Li, Na, K) в количестве 4-25,
- Al2O3 в количестве 2-5,
- В2О3 в количестве 5-13,
- SiO2 в количестве 65-81.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019115509A RU2713044C1 (ru) | 2019-05-21 | 2019-05-21 | Оптический носитель информации на основе оксидных стекол |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019115509A RU2713044C1 (ru) | 2019-05-21 | 2019-05-21 | Оптический носитель информации на основе оксидных стекол |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2713044C1 true RU2713044C1 (ru) | 2020-02-03 |
Family
ID=69624999
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019115509A RU2713044C1 (ru) | 2019-05-21 | 2019-05-21 | Оптический носитель информации на основе оксидных стекол |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2713044C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4818648A (en) * | 1985-11-27 | 1989-04-04 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical memory element |
US5008176A (en) * | 1987-09-29 | 1991-04-16 | Victor Company Of Japan, Ltd. | Information recording medium having a glass substrate |
US6970414B1 (en) * | 1998-11-25 | 2005-11-29 | Eugen Pavel | Three-dimensional optical memory with fluorescent photosensitive material |
-
2019
- 2019-05-21 RU RU2019115509A patent/RU2713044C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4818648A (en) * | 1985-11-27 | 1989-04-04 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical memory element |
US5008176A (en) * | 1987-09-29 | 1991-04-16 | Victor Company Of Japan, Ltd. | Information recording medium having a glass substrate |
US6970414B1 (en) * | 1998-11-25 | 2005-11-29 | Eugen Pavel | Three-dimensional optical memory with fluorescent photosensitive material |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Royon et al. | Silver clusters embedded in glass as a perennial high capacity optical recording medium | |
US7262144B2 (en) | Photostructurable body and process for treating a glass and/or a glass-ceramic | |
JP2012128460A (ja) | 構造体及びその製造方法 | |
JP2006522367A (ja) | 光学素子および光学素子を作る方法 | |
US20090056379A1 (en) | Optical elements and methods of making optical elements | |
JP2012003282A (ja) | フォトリフラクティブ・ガラスおよびそれから製造された光学素子 | |
Lipatiev et al. | Single-pulse laser-induced Ag nanoclustering in silver-doped glass for high-density 3D-rewritable optical data storage | |
Fedotov et al. | Femtosecond laser‐induced birefringent microdomains in sodium‐borate glass for highly secure data storage | |
RU2713044C1 (ru) | Оптический носитель информации на основе оксидных стекол | |
Lipat’ev et al. | Formation of luminescent and birefringent microregions in phosphate glass containing silver | |
Yao et al. | Materials roadmap for inscription of nanogratings inside transparent dielectrics using ultrafast lasers | |
JPH0337132A (ja) | 安定なイメージを形成する高エネルギー書込み可能なガラス組成物 | |
Gorbiak et al. | Multilevel optical information recording in silver-containing photosensitive glasses by UV laser pulses | |
Veiko et al. | Laser-induced modification of glass–ceramics microstructure and applications | |
RU2640836C1 (ru) | Способ лазерного модифицирования стекла | |
Nikonorov et al. | Design and fabrication of optical devices based on new polyfunctional photo-thermo-refractive glasses | |
JP3558855B2 (ja) | 三次元光メモリー媒体及びその製造方法 | |
JP2023543434A (ja) | 感光性ガラスおよびそのようなガラスの体積における屈折率を変調することによって形成される構造を書き込むためのプロセス | |
Lumeau et al. | Spontaneous and photo-induced crystallisation of photo-thermo-refractive glass | |
RU2783108C1 (ru) | Способ лазерного модифицирования стекла для записи информации | |
Huang et al. | Characterization of erasable inorganic photochromic media for optical disk data storage | |
Shimotsuma et al. | Photosensitivity in glasses | |
RU2710387C1 (ru) | Способ записи информации в кварцевом стекле | |
Fedotov et al. | Polarization-dependent birefringence in sodium aluminoborate glasses | |
Ignatiev et al. | Influence of 532 and 355 nm nanosecond laser pulses on photodestruction of silver nanoparticles in photo-thermo-refractive glasses |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210310 Effective date: 20210310 |