SE453024B - Forfarande och anordning for uppteckning av information - Google Patents

Description

453 Û24 2 upphettningseffekt tillfälligt smälta en volym, vars djup i typiska fallet är större jämfört med diametern hos den fläck som smälts vid ytan av materialet.

En betydelsefull fördel med föreliggande förfarande är att vid uppspelning eller reproduktion av den upptecknade in- formationen ett stort signalbrusförhållande kan erhållas.

Då en ljusfläck med en diameter jämförbar med bredden av om- rådet med förändrad ytkurvatur, dvs. upphöjningen eller för- djupningen, sveps över ytan av uppteckningsmaterialet erhålles god reflexion från de icke markerade, plana eller jämna om- rådena av uppteckningsmaterialet, men då ljusfläcken träffar en fördjupning eller en upphöjning med ett rektangelförhållande iav minst 1:10, kommer ljuset att spridas på grund av ytans kur- vatur, så att en signal i form av en kraftigt markerad ned- gång i intensiteten hos det reflekterade ljuset, t.ex. mätt med en lämplig optisk sensor, kan detekteras. Genom att an- vända en ny form av optiskt filter, som kommer att beskrivas mera i detalj nedan, som skär bort mängden reflekterat ljus, som uppsamlas från ytan av materialet, så att allt eller huvud- delen av det av sensorn mottagna ljuset väljes ur en del av det återreflekterade ljuset som är kraftigare modulerat än åter- stoden av ljuset kan man uppnå en tydlig ökning av den detek- terade signalens amplitud, som svarar mot en ökad kontrast mellan intensiteten hos strålar som reflekteras från mediets jämna yta respektive från uppöjningen eller fördjupningen. Även om man vid de fördelaktigaste tillämpningarna av föreliggande uppfinning använder en lasernål för att smälta den skarpt definierade lokaliserade volymen av upptecknings- materialet finns det alternativa, men mindre lämpliga anordningar för att snabbt och tillfälligt upphetta en lokaliserad volym av ett smältbart medium, t.ex. elektron- eller icke-laser- elektro-magnetiska strålknippen. Användning av fina upphett- ningstrådar inbäddade i materialet liksom även användning av alla sådana anordningar ligger inom ramen för föreliggande uppfinning.

Uppfinningen skall i det följande beskrivas mera i detalj - under hänvisning till medföljande ritningar, där 3 453 024 Fig. 1 är ett'transmissionselektronmikroskopfotografi med stor upplösning av en tunn vertikal sektion genom ett skikt av uppteckningsmaterial bildat genom en lokaliserad förändring i fråga om ytkurvaturen i form av ett upphöjt parti, Fig. 2 visar schematiskt ett exempel på en apparat för uppteckning och avspelning enligt uppfinningen, och Pig. 3 är ett diagram som visar förhållandet mellan tem- peratur och specifik volym för olika morfologiska tillstånd hos ett typiskt fast uppteckningsmaterial. _ Under hänvisning till fig. 1 omfattar ett skikt 11 ett uppteckningsmaterial, som utgöres av en fast substans med ett första och ett andra tillstånd förbundna med i varje särskilt fall olika specifik volym (det skall framhållas att ett mate- rials specifika volym är detsamma som omvända tätheten).

Mediet 11 kan framställas selektivt i vart och ett av de båda tillstânden genom smältning av mediet och kylning av detta från det smälta tillståndet vid en vald kylhastighet. Siff- ran 12 visar gränsen för ett laserstrâlknippe, som är fokuse- rat pâ den optiskt jämna och likformiga ytan 13 av uppteck- ningsmaterialet 11. Med "optiskt jämn och likformig" menas att ytan 13 icke uppvisar några oregelbundenheter i fråga om konturen på ytan eller några partiklar eller andra inneslut- ningar, t.ex. korn av pigment etc., som är fördelade inom själva materialet, t.ex. av det slag som skulle ge upphov till skillnader optiskt mellan den jämna icke upptecknade ytan 13 av materialet och de upphöjda eller nedsänkta upptecknande fördjupningarna och upphöjda partierna som skapas på ytan genom tekniken enligt föreliggande uppfinning.

Laserstrålknippet 12 fokuseras till en ljusfläck av minsta möjliga diameter som sammanfaller med ytan 13 av upptecknings- materialet 11. För ett laserstrålknippe med given våglängd är den minsta storlek hos fläcken som kan uppnås begränsad genom lagarna om Spridning till en viss storlek, som beror på denna våglängd. Denna fläck med minsta möjliga storlek kallas alltså i det följanåe för den "spridningsbegränsade fläcken". Det skall noteras att i praktiken sidorna 12 av ...4-1. 453 024 4 laserstrålknippet nära omrâdet för minsta diametern vid ytan 13 icke är raka, utan har en krökt midjeliknande konfiguration.

I delen 14 av knippet under ytan 13 är på liknande sätt laser~ strålknippet också böjt i enlighet med vad som visas i fig. 1.

Vid drift pulseras skiktet med jämn yta hos upptecknings- materialet 11 med det fokuserade laserstrålknippet 12 för att. införa en mängd laserstrålning av tillräcklig intensitet, för att den li1la_materialvolymen inom materialet 11 som be- strålas av knippet skall upphettas till smälttemperaturen.

Den volym 15 av materialet 11 som upphettas av laserstrålen definierat av knippet 14, då det passerar genom materialet 11, kan göras mycket liten. Typiskt nog är diametern hos den fläck som smälts vid ytan 13 mindre än ca. 0,65 um (0,65 mikron) och värmningspulsen varar en tidsperiod av storleksordningen 100 nanosekunder. Pâ grund av den bestrålade volymens liten- het och laserknippets skarpt definierade egenskaper blir det lätt att reglera den mängd värme som införes i den smälta volymen 15 och den temperatur som denna uppnår. Sedan strål- ningspulsen en gång är avslutad, börjar den smälta volymen att svalna med en kylningshàstighet som är nära beroende av den temperatur till vilken det smälta materialet upphettas.

Om materialet°upphettas endast till ovanför smältpunkten, förblir det omgivande uppteckningsmaterialet i skiktet 11 relativt kallt och den'smälta volymen 15 kyles snabbt, då laserstrålningen avlägsnas, medan det omgivande mediet upp- hettas i motsvarande grad om den smälta volymen 15 upphettas till en högre temperatur, så att resultatet blir en lägre kyl- hastighet, då Iaserstrålningen avlägsnas. På detta sätt kan kylningshastigheten från det smälta tillståndet kontrolleras, så att det är möjligt att vid den smälta volymens solidifie- ring selektivt uppnå antingen det första eller det andra av de olika specifika volymtillstånd i vilka materialet 11 kan förekomma. .

Det skall dessutom framhållas att i fråga om material som är i stånd att undergâ den ovan beskrivna termiskt inducerade omvandlingen den regeln gäller att sedan en gång en markering, 453 024 t.eâ. en fördjupning eller en upphöjning, bildats på uppteck- ningsmaterialets yta, markeringen eventuellt kan utraderas genom att den utsätts för strålning med sådan intensitet att 1 den tidigare smälta volymen åter smältes och upphettas till en temperatur från vilken på grund av den temperatur till vilken det omgivande mediet upphettas, materialet svalnar med en sådan rate att det åtminstone i huvudsak återföres till den ursprungliga specifika volymen, varefter icke längre före- kommer någon lika stor skillnad mellan den âtersolidifierade volymens specifika volym och uppteckningsmaterialets omgi- vande massa och det därför icke längre förekommer någon lika uttalad diskontinuitet som tidigare vid uppteckningsmaterialets yta.

För det fall att materialet under loppet av en upptecknings- operation överföres från ett tillstånd med lägre specifik volym till ett tillstånd maa högre specifik volym, gäller, eftersonlden smälta volymen 15 är begränsad på båda sidorna och vid bottnen av den osmälta återstoden av upptecknings- materialet 11, att ökningen i volym resulterar i att en mängd av det smälta materialet extruderas uppåt genom öppningen, som är smält vid ytan 13 av uppteckningsmaterialet, så att det bildas ett upphöjt, krökt parti 16, som förblir uppåt- stâende ovanför ytans 13 generalplan, då materialet svalnar.

Kanterna av upphöjningen 16 åstadkommer en markerad diskonti- nuitet från planet av ytan 13. Sättet att bilda upphöjningen 16 liknar något det sätt på vilket ett uppåtstående utsprång av frusen mjölk erhålles ovanför flaskhalsen i en mjölkflaska då innehållet är fruset. Det skall framhållas att denna "mjölkflaskeeffekt" ökas och höjden hos förhöjningen ökas, då diametern hos den fläck som smältes vid ytan av materialet 13 och följaktligen diametern hos den hals genom vilken det smälta materialet strängsprutas uppåt göres så kort som möj- ligt i förhållande till volymen av det material som smälts inom skiktet av uppteckningsmaterialet 11.

Det är därför fördelaktigt om knippet bringas att fokuse- ra vid en spridningsbegränsad fläck, som sammanfaller med -och V 455 024- ytan 13 av uppteckningsmaterialet 11, så att en fläck med minimal diameter smältes vid ytan 13.

I syfte att göra det möjligt att skilja den upptecknade markeringen från den plana bakgrundsytan 13 med optiska medel är det önskvärt att upphöjningens 16 rektangelförhâllande är minst 1:10, dvs. upphöjningens sträckning i vertikal led jäm- förd med bredden bör vara minst 1:10, företrädesvis minst ca. 1.5, helst ca. 1:2. _ För det ideala tillstånd vid vilket den SPríÖflifi9Sbe' gränsade fläcken överensstämmer med skiktets 11 yta 13, kom- mer rektangelförhållandet hos den upphöjning som erhålles att bero på tre faktorer. För det första ökar rektangelförhâl- landet allteftersom det ingående strålknippets 12 konverge- ringsvinkel ökar. Det finns emellertid praktiska gränser för det största siffervärdet på öppningen som kan användas i fråga om en laserupptecknare. I praktiken utgör det högsta värdet på öppningen som kan användas ca. 0,85 svarande mot en konvergeringsvinkel a enligt fig. 1~av ca. 116°.

För det andra ökar upphöjningens rektangelförhållande med ökningen i fråga om ändringen i specifik volym som inträf- far vid överföring mellan uppteckningsmaterialets ursprungli- ga tillstånd och det ändrade tillståndet. Det är användbart att ange ändringen i specifik volym som procentuell ändring i specifik volym dv, vilken definieras med formeln V1 dv = V- x 100 2 där V1 är skillnaden i specifik volym mellan det första och det andra tillståndet som utgör skillnaden i specifik volym 2 utgör materialets 11 ursprungliga specifika volym.

För det tredje ökar upphöjningens rektangelförhållande med ökningen hos volymen 15 av det smälta mediet och detta beror på djupet hos den volym 15, som smälts av laserstrål- knippet. Det djup till vilket mediet kan smältas dikteras av mediets genomsynlighet elleröverföringsförmåga med hänsyn till den speciellt använda laserstrålningen. Det skall noteras att , 453 024 genomsynligheten eller överföringsförmågan varierar med änd- ringar i våglängd, men för strålning av en given våglängd be- stämmes mediets överföringsförmåga i fråga om laserstrålning av formeln P(x) = Po' e_x/L där Po utgör effekten eller intensiteten hos laserstrålningen vid ytan 13, P(x) effekten vid djupet x under ytan och L det avstånd vid vilket knippets effekt sjunkit till å (36,8%) av värdet vid ytan. Värdet L, som kallas materialets å - dämp- ningslängd, är en konstant för varje givet uppteckningsmaterial och för laserstrålning av en given våglängd. I praktiken har det befunnits att det ungefär anger det djup till vilket ett givet uppteckningsmaterial kan smältas genom strålning av en given våglängd.

För att erhålla en upphöjning med bildkvoten minst 1:10 genom användning av ett fokuserat laserstrålknippe bör man använda ett medium som kännetecknas av att produkten dV-L får minst ett visst värde. Genom att betrakta geometrin hos den päronformade volymen 15 av smält material enligt fig. 1 kan man räkna ut att produkten dv-L mäste ha ett värde av minst ca. 2 um, där L mätes i mikron. Även om det teoretiskt icke behövs en övre gräns till maximumvärdet av produkten dV-L, är det osannolikt att den högsta procentuella förändringen i spe- cifik volym som kan förekomma i praktiken överstiger ca. 50%.

Av skäl som komer att diskuteras mera i detalj nedan, är det icke önskvärt att dämpningslängden L överstiger ca. 3um.

I praktiken bör alltså maximumvärdet av dv-L icke överstiga ca. 150 um. Det är önskvärt att produkten dv-L är minst ca. 4 pm. Enligt den för närvarande lämpliga utföringsformen av uppfinningen är produkten ca. 7 um.

Ovanstående diskussion har i huvudsak handlat om skikt av uppteckningsmaterial som kan undergå ökning av specifika volymen, dvs. en minskning av tätheten. 'Föreliggande uppteck- ningsförfarande kan dock även tillämpas i fråga om skikt av uppteckningsmaterial som kan undergâ minskning i specifik volym vid smältning och svalning med vald hastighet. I detta fall 453 024 införes den erforderliga mängden energi i den smälta volymen '15 så, att vid avslutande av laserstrâlningspulsen den smälta volymen svalnar med en sådan hastighet, att en övergång till det anara fysikaliska riilsrånaer äger rum. Därpå erhålles en motsvarande minskning av den smälta zonens 15 volym, så att en fördjupning i enlighet med vad som antydes med strecka- de linjer med siffran 17 uppnås. Liksom i fråga om förfaran- det för åstadkommande av upphöjningar enligt diskussion ovan kan man genom inställande av intensiteten hos den i uppteck- ningsmaterialet införda laserstrålningens puls återsmälta för- djupningsområdet och höja dettas temperatur till ett sådant värde att en kylningshastighet uppnås som resulterar i att den återsmälta volymen solidifierar tillbaka till det ursprungliga specifika volym-tillståndet, så att fördjupningen raderas bort och mediets yta återfår sitt ursprungliga jämna tillstånd.

Vid val av material för användning som uppteckningsmate- rial vid förfarandet enligt uppfinningen kan man tillämpa vanlig teknik för att mäta å - dämpningslängden'för uppmätning av de önskade minsta värdena på E - dämpningslängden, L um.

Exempelvis kan tunna filmer göras av de material som skall pro- vas, varvid desama minskar i tjocklek mot den ena kanten, så att variationen hos materialets överföringsförmåga med varia- tioner i tjocklek hos filmen kan mätas direkt. I fråga om föreslagna uppteckningsmaterial, som kan bringas i lösning i ett lämpligt lösningsmedel, kan laserstrålningens absorption medelst lösningar av varierande koncentration uppmätas, så att ett värde svarande mot å - dämpningslängden hos den rena fasta substansen kan erhållas genom extrapolering.

De uppteckningsmaterial som uppfyller kraven på relativt kort dämpningslängd med avseende på laserljuset och på att uppvisa en optiskt jämn och homogen yta har normalt sett ett svart, glansigt utseende och alla dylika material kan i första ögonblicket anses användbara som uppteckningsmaterial för förfarandet enligt uppfinningen.

Egenskapen hos ett givet material att förekomma i två olika specifika volym-tillstånd, mellan vilka materialet kan kopplas genom smältning och kylning med en utvald hastighet, är lätt att undersöka genom provning av materialet med en laserknippe-nål, t.ex. under användande av ett laserknippe 453 G24 som pulseras med pulser som varar en tid av storleksordningen 100 nanosekunder och med kontrollerbar intensitet, varvid laser- knippet fokuseras på en spridningsbegränsad fläck på ytan av det föreslagna uppteckningsmediet, eller genom någon annan metod som är i stånd att smälta en liten volym av det medium som skall testas och tillåter detta att svalna under sådana betingelser, att det smälta materialet störtkyles snabbt eller kyles lång- sammare. Det är t.ex. möjligt att undersöka termiskt inducer- bara förändringar i specifik volym på små prover av det före- slagna uppteckningsmaterialet genom smältning och genom att ut- sätta dessa för olika kylningshastigheter, t.ex. genom att låta det smälta materialet svalna långsamt genom att utsättas för omgivningens temperatur eller genom att störtkyla det smälta provet genom att doppa ned detta i ett bad av ett lämpligt inert kylmedel, t.ex. kallt vatten, och därpå iakttaga even- tuella förändringar i fråga om specifik volym.

Exempel på uppteckningsmaterialet är högsmältande bitumi- nösa substanserf t.ex. nativa asfalter, t.ex. gilsonit, alber- tit och trinidadbeck samt petroleumasfaltemer och återstoder från petroleumraffinering och fraktioner av alla dessa sub- stanser, t.ex. fraktioner som erhållits kromatografiskt eller genom lösningsmedelsfraktionering.

Det lämpligaste uppteckningsmaterialet bland dem som hit- tills undersökts är en film av ett kommersiellt tillgängligt tätningsvax, som utgöres av ett glansigt svart fast material erhållet som en destillationsåterstod från petroleumraffine- ring (materialet saluföres av Shell International Chemicals Co. Ltd., London, England SE1 7PG, under varumärket APIEZON W).

Materialets fysikaliska egenskaper i den mån desamma anges av tillverkaren framgår av nedanstående tabell. Filmer av mate- rialet framställes lämpligen genom knivbeläggning eller dopp- beläggning av ett substrat med en lösning av materialet (APIEZON W) i ett organiskt lösningsmedel, t.ex. toluen eller trikloretan,> varpå lösningsmedlet bringas att avdunsta, eftersom filmer fram- ställda på detta sätt ger bättre uppteckningsegenskaper än själva grundmaterialet (APIEZON W). Det är önskvärt att lös- ningen beredes som en höggradigt viskös, koncentrerad lösning av materialet (APIEZON W) i lösningsmedlet, företrädesvis med 453 024 w en viskositet av minst ca. 700 centipois, eftersom dessa koncen- trerade lösningar ger filmer med bättre uppteckningsegenskaper.

Filmer framställda ur dessa koncentrerade lösningar ger ett utmärkt uppteckningsmedium, varav små volymer lätt kan smältas och överföras till ett tillstånd av ökad specifik volym vid applicering av en pulserad lasernål. Materialet kan sålunda Dessutom kan förhöjningar i smältas snabbt och kylas snabbt. form av ett reliefmönster erhållas på ytan av uppteckningsmate- rialet.

Tabell Ungefärlig mjukningspunkt, °C 85 Användningstemperatur, OC 100 . os -8 Ångtryck vid 20 C, torr 10 Ångtryck vid 100°C, torr 5'x 10-6_ specifik vikt vid 2o°c/15,5°c 1,055 Specifik.vikt vid 30°C/15,5°C ' 1,048 Medelmolekylvikt 1214 Volymutvidgningkoefficient per OC, 6,2 X 10-4 över 2o°c - 3o°c Termisk ledningsförmåga, w/m OC 0,189 specifikt värme vid 2s°c, kalorier/g 0,43 Joule/g 1,8 sTangentförlust 0,015 Dielektricitetskonstant 2,8 Volymresistivitet, ohm cm 6,31 x 1015 453 024 11 Vid återsmältning av uppteckningsmaterialets upphöjda partier i reliefmönster under användande av en laserstråle med hög intensitet kan upphöjningarna snabbt bringas att plana ut så att uppteckningen alltså raderas ut, medan det smälta materialet därpå svalnar med en långsammare hastighet. Härige- nom återföres materialet till sitt ursprungliga tillstånd med lägre specifik volym.

Man antar att dessa förändringar i specifik volym är för- bundna med ändringar från det kristallina tillståndet svarande mot en lägre specifik volym till ett amorft tillstånd svarande å mot en högre specifik volym och att vid smältning och snabb kyl- ning eller störtkylning det amorfa tillståndet åstadkommas, medan vid långsammare kylning det smälta materialet åter kristalliserar och den ursprungliga högre tätheten med lägre specifik volym och kristalliniskt tillstånd uppnås.

I varje fall har det befunnits att då uppteckning görs på en film av det ovan angivna materialet (APIEZON W) efter utfäll- ning ur en lösning i enlighet med vad som framgår av fig. 1 den päronformade smälta volymen 15 i samma figur på ett överförings- elektronmikrofotografi får ett lättare utseende än de omgivande mörka icke smälta områdena. Detta tyder på lägre täthet och ett tillstånd med högre specifik volym. Även om vaxets kristallini- tet icke synes ha blivit känd tidigare antyder transmissionselek- tronmikrofotografier genom tunna sektioner av materialet ett ut- seende som tyder på närvaron av korn i form av fina mikrokristal- ler, varvid kornstorlekarna är små jämfört med ljusets våglängd och sålunda icke stör den optiska jämnheten hos materialets yta.

Dessutom är de zoner av materialet som icke utsatts för uppteck- ningen och som överförts till ett tillstånd med högre specifik volym fysikaliskt sett mindre sköra än de icke förändrade zonerna, vilket tyder på överföring till ett böjligare tillstånd, som hänger samman med det amorfa tillståndet.

Provningar utförda på det ovan angivna materialet (APIEZON W) visar att i fråga om laserljus som kan erhållas från en typisk laserkälla, t.ex. en emission i blått vid en våglängd av 4880 ångström i enlighet med vad som erhålles från en argonjonlaser, ger materialet (APIEZON W) en å - dämpningslängd av ca. 1,0 um.

Vid överföring från tillståndet med lägre specifik volym till det med högre specifik volym förändras den procentuella specifika volymen dv definierad ovan med ca. 7%, så att den ovan diskuterade dv-L får ett värde av ca. 7 um. x 453 024 12 Ytterligare exempel på uppteckningsmaterial är organiska material som kan mörkna vid upphettning och som överförts till det mörka tillståndet genom lämplig värmebehandling.

Ett ytterligare exempel på ett uppteckningsmaterial som kan bilda upphöjda uppteckningsmarkeringar i form av bullfor- miga partier, då de utsättes för en laserstrålenål, är den blanka svarta återstod från karamelliserat socker, som erhål- les vid upphettning av sackaros under längre tidsperioder.

Liksom är fallet i fråga om det ovan angivna materialet (APIEZÖN W) kan man, då materialet utsättes för en puls av laserljus med relativt låg intensitet, erhålla en bulliknande markering. Då bullen utsättes för en puls med högre intensitet kan den bringas att plana ut, så att uppteckningen därigenom raderas ut. Karamelliserat socker lämnar emellertid sämre svar, eftersom höjden av de bullar som kan åstadkommas är mycket lägre, vilket gör att materialet ej är att betrakta som lämpligt.

Ytterligare exempel på uppteckningsmaterial är impregne- rade polymera hàrtsmaterial, lämpligen ett härdat epoxiharts- material, som är framställt genom impregnering av ett polymert material med ett ljusabsorberande medel, tills uppnående av en förutbestämd grad av ljusabsorption bibringats materialet.

Ett exempel på ett material som är i stånd att undergâ minskning i specifik volym vid upphettning med en laserstråle- nål, så att fördjupningar i enlighet med vad som framgår av den brutna linjen 17 i fig. 1 erhålles, är ett härdat epoxi- harts, som svärtats genom impregnering med jod. Detta material erhålles genom att blanda ett konventionellt limsystem i två komponenter, varav den ena är ett epoxiharts, t.ex. femrminuters epoxiharts i två komponenter (LEPAGE) för att erhålla en härdad film av epoxiharts.. Filmen får därefter vara i beröring med jodånga, t.ex. genom att den förvaras i ett slutet rum, i vilket kristaller av jod placerats, tills filmen absorberar tillräck- ligt med ånga för att bli svart. Då ytan av filmen utsätts för pulser (varaktighet 100 - 200 nanosekunder) med blått laserljus (våglängd 4880 ångström) fokuserat på en diffraktionsbegränsad fläck på ytan av filmen, med en intensitet av ca. 2-3 mW vid ytan av filmen, kan man erhålla en uppteckning i form av krater- 453 G24 13 liknande fördjupningar pâ ytan. Den upptecknade informationen kan reproduceras genom att föra ljusfläcken längs ytan av filmen över fördjupningarna, varvid lasern drivs kontinuerligt vid en lägre intensitetsnivå (t.ex. ca 300 uw). Pulserad reflexion från ytan av filmen erhålles. Uppteckningen kan raderas ut genom att den diffraktionsbegränsade ljusfläcken föres längs uppteckningen, varvid lasern kontinuerligt drives med en inten- sitet hos fläcken med ca. 3mW. Efter utradering erhålles icke längre någon pulserad reflexion, då en fläck med laserljus av låg intensitet föres längs spåret av den tidigare uppteckningen.

Förutom uppteckningsmedier, som kan kopplas selektivt mellan det amorfa och det kristallina tillståndet, finns det andra material som.kan undergå förändring i specifik volym, då dessa utsätts för ett utvalt upphettningsprogram. Vissa material kan t.ex. bringas att undergå förändringar i täthet vid snabbkylning och vid värmning till utlöpningstemperaturer, även om materialet förblir i sitt amorfa tillstånd och sådana material som kan selektivt kopplas mellan olika tillstånd av täthet eller specifik volym genom införande av reglerade mängder av värmeenergi i en begränsad volym av materialet under användande av en lasernål kan användas för uppteckningsförfaran- det enligt uppfinningen. För ytterligare beskrivning av den mångfald av amorfa material med varierande täthet som kan an- vändas hänvisas till Turnbull et al (”Structure of Amorphous Semiconductors" J. Non-Crystalline Solids vol 8-10, sid. 19-35, 1972).

De för närvarande lämpligaste uppteckningsmaterialen är emellertid material som förändras mellan kristalliniskt och amorft tillstånd, samtidigt som den specifika volymen ökar kraftigt. De önskvärda egenskaperna hos de lämpliga uppteck- ningsmaterialen för användning vid föreliggande uppfinning kom- mer nu att diskuteras under hänvisning till material som ur- sprungligen befinner sig i ett tillstånd med låg specifik volym (hög täthet) och som kan kopplas till ett tillstånd med högre specifik volym, vilket leder till bildning av en upphöjning, men det inses lätt att liknande principer även gäller material använda vid uppteckningsförfaranden, där det förekommer en 453 024 14 minskning i specifik volym som leder till bildning av en för- djupning på ytan av uppteckningsmaterialet.

Hos de lämpliga materialen bör glasövergångstemperaturen, Tg, befinna sig ovanför rumstemperaturen, så att det amorfa tillståndet med låg täthet blir stabilt och permanent under hela området för omgivande temperaturer. Företrädesvis bör Tg icke vara lägre än ca 50°C.

Dessutom bör den termiska ledningsförmågan (eller vad som på engelska benämnes "the thermal diffusivity") vara låg av ett antal betydelsefulla skäl: den hindrar spridning i sid- led av termisk energi under bildningen av upphöjningar, vilket möjliggör uppteckning med hög upplösningsförmåga; den minskar till ekonomiskt godtagbara nivåer tröskeleffektnivåerna för skrivning och radering och den gör den lokala kyltiden känslig för mängden infört värme, så att antingen störtkylning (upp- teckning) eller utlöpning (radering) kan initieras termiskt.

Det är önskvärt att den termiska ledningsförmågan är mindre än da 5 mw/cm°K, företrädesvis mindre än 3 mW/cm°K.

Den karakteristiska utlöpningstiden bör vara så kort, att en volym av smält material mindre än en kubikmikron i storlek närmar sig sin maximumtäthet inom loppet av några få mikrosekun- der. Detta är ett krav på snabb termisk reversibilitet. För att uppnå god känslighet bör vidare smältningsoperationen för- bruka så ringa mängd värme som möjligt från uppteckningslasern.

I fråga om den termiska verkningsgraden måste ett antal fordring- ar vara uppfyllda. I fråga om ett kristallint material är det nödvändigt att värma substansen över glasövergångstemperaturen i den amorfa fasen till den sanna termodynamiska smälttemperatu- ren, Tm, i syfte att uppnå fullständig överföring till amorft tillstånd vid snabbkylning. Det förhåller sig på detta sätt, eftersom de sista spåren av kristallinitet icke försvinner förrän smälttemperaturen uppnåtts. Smälttemperaturen bör därför icke vara överdrivet hög. I syfte att gynna kristallisationen kine- tiskt under utlöpningsförfarandet bör emellertid Tg och Tm skilja sig med många 10-tal graaer. om därför 'rg är ca. 1oo°c bör Tm vara minst 1500. De båda huvudfaktorer som bestämmer hur mycket värme som krävs för att uppnå smältning är specifika 453 024 värmekapaciteten och det latenta smältvärmet. Det är sålunda önskvärt att använda material, för vilka dessa båda värden är låga. Materialet bör också ha en skarpt definierad smältpunkt i det kristallina tillståndet och en relativt väldefinierad mjukningstemperatur i det glansiga eller amorfa tillståndet.

Den optiska dämpningslängden hos materialet för den givna laservåglängden bör vara så stor att ett tillräckligt penetre- ringsdjup uppnås för att åstadkomma den nettovolymexpansion som krävs för att ge en lätt detekterbar upphöjning med ett rek- tangelförhållande av åtminstone 1:10 vid ytan. För att åstad- komma en avspelningssignal med hög kontrast under användande av ett av en avspelningsstråle fokuserad mot ett diffraktionsbe- gränsat (dvs. våglängdsdimensionerat) område bör upphöjningens höjd och bredd kunna jämföras med avspelningsstrålens våglängd.

Om, som tidigare diskuterats, materialet undergår en relativt stor procentuell ändring i specifik volym eller utvidgning vid snabbkylning blir det penetrationsdjup som krävs för att åstad- komma den önskade totala utvidgningen proportionellt sett mindre.

För effektiv höggradig reliefupptagning med blått ljus vid en våglängd Å = 4880 ångström bör t.ex. dämpningslängden företrä- desvis vara ca. en mikrometer, då den procentuella ändringen i specifik volym är ca. 5-10%. Vid den lämpliga utföringsformen, då laserstrålen fokuseras på ett diffraktionsbegränsat område vid ytan av uppteckningsmaterialet, skall normalt sett å -I dämpningslängden befinna sig mellan ca. 1/10 och ca. två gånger bredden av det område som smälts vid ytan av uppteckningsmate- rialet. Vid lägre dämpningslängder är det icke troligt att tillräckligt med material smälts för att åstadkomma en upphöj- ning med adekvat uttalat rektangelförhållande och vid lägre dämpningslängder upphettas en för stor volym av materialet och det krävs en ljuspuls med mycket hög intensitet för att smälta uppteckningsmaterialet. På grund av de höga kostnaderna för lasereffekt ökar detta kostnaderna för uppteckningsförfarandet till icke godtagbara nivåer. Företrädesvis bör å - dämpnings- längden vara ca. 1/2 - två gånger bredden av det på ytan smälta området och vid den för närvarande föredragna utföringsformen är.š - dämpningslängden ca. två gånger värdet av bredden. 453 v24 16 Utöver de ovan angivna termiska, morfologiska och optiska egenskaperna bör de lämpliga materialen underlätta tillverkning av uppteckningsmaterial med stor yta och med optisk jämnhet samt_likformighet utan att dyrbara operationer, t.ex. vakuum- påläggning blir nödvändiga.

Laseruppteckningsförfarandet och den för uppteckning och avspelning använda apparaten framgår mera i detalj av fig. 2.

Ett mål 21 omfattar speciellt ett lämpligt styvt eller böjligt substrat 22, på vilket är anbragt ett skikt 11 av upp- teckningsmaterial, ett genomsynligt elastiskt kompressibelt skikt 23, t.ex. av luft eller ett fast kompressibelt skikt t.ex. av klart silikongummi och ett hårt genomsynligt dammlager 24, t.ex. en täckskiva av glas. Apparaten för in- och utgång av laserstrâlar omfattar en källa 26 för polariserat ljus med sammanhängande vågor eller i form av pulser med variabel inten- sitet, en expanderkollimator 27, en polariserande ljusspaltare 28, en kvartsvågskiva 29, en mikroskop-objektivlins 31 med stor öppning (t.ex. 0,65), ett rörligt irismembran 32 med variabel öppning och som tjänstgör som filter och en optisk detektor 33.

Dessa organ tjänar till att alstra och fokusera strålen av laser- ljus 12 vid målet 21 och att uppsamla olika mängder av åter- reflekterat ljus i enlighet med vad som framgår av pilar 34 och rikta detta mot detekteringssystemet 32, 33. Polarisations- tillstânden hos laserstrålningen från källan 26 och hos det infallande och de reflekterade strålarna framgår av fig. 2.

De infallande fokuserade laserstrålarna tränger in i uppteckningsmaterialets 11 ytskikt och absorberas inom ett djup, som i det typiska fallet utgör två optiska våglängder.

Det_genomträngande laserljuset överföres till värme, som höjer temperaturen hos materialet 11 och kan åstadkomma lokal smält- ning, om effekttätheten är högre än ett tröskelvärde.

Under en första skrivoperation pulseras laserstrålarnas 12 intensitet kort (t.ex. för 100 nanosekunder) ovanför den angiv- na smälttröskeln för âstadkommande av lokaliserad smältning på utvalda bitställen av målets 21 uppteckningsmaterial 11. Genom den lokaliserade smältningen amorfiseras små fickor av skiktet 11 till bildning av mindre täta amorfa områden i händelse av reliefbildning. På grund av den mekaniska spänning som intro- 453 024 17 duceras av det omgivande osmälta materialet 11 uttryckes minsk- ningen i täthet i det amorfa området 15 som en markerat definie- rad upphöjning 16 vid ytan av skiktet 11 eller som en markerad fördjupning i fråga om material som undergår en minskning i specifik volym. i Under avläsningen minskas laserstrålningens intensitet under uppteckningsmaterialets smälttröskel och förflyttas an- tingen strålknippet eller målet 21 så, att ytan av skiktet av- sökes av det fokuserade laserljusets fläck. Medan avspelar- fläcken rör sig över uppteckningsytan reflekteras ca. 7% av det infallande ljuset tillbaka till linsen och riktas av strål- ningsspaltaren 28 mot den optiska detektorn 33, som mäter inten- siteten hos det återreflekterade ljuset. Om ljuset faller på ett plant område samlas allt reflekterat ljus av linsen 31 och riktas mot detektorn 33, som mäter en relativt hög intensitet.

Men om strålarna faller på en upphöjning 16 eller på en för- djupning med nedåt urtagen böjd yta, kommer den höglokalise- rade kurvaturen hos förhöjningens kupolliknande yta eller för- djupningens kraterliknande yta att verka så, att det återreflek- terade ljuset 34 sprids över en mycket större vinkel än den vinkel som linsens 31 öppning bildar. Det mesta av det åter- reflekterade ljuset faller sålunda utanför linsöppningen_och detektorn 33 mäter en mycket minskad intensitet. Medan av- spelarfläcken sveps över upptekningsytan, signalerar en plöts- lig nedgång i den âterreflekterade intensiteten närvaron av en upphöjning eller fördjupning som svarar mot en bit information.

Man kan avsevärt öka dessa nedgångars amplituder genom att använda en variabel öppningsbländare 32 placerad mellan linsen 31 och detektorn 33. Kännetecknande för det svar som erhålles genom reflexionen av ljus från upphöjningarna eller fördjup- ningarna är att det finns en liten del av det återreflekterade ljusmönstret 34 som undergâr större intensitetsförändring än resten av mönstret då en upphöjning eller fördjupning rör sig in i svepningsfläcken. Genom att anbringa en bländaröppning 32 med variabel storlek i ett mekaniskt arrangemang som till- låter justering av läget i ett plan vinkelrätt mot det åter- reflekterade ljuset och genom att inställa öppningens läge och 4-53 024- 18 storlek är det möjligt att välja den del av ljuset som är mest modulerad, medan svepningsfläcken rör sig över upphöjningen eller fördjupningen. Genom denna metod uppnås en förbättring, som i det typiska fallet uppgår till en faktor av två eller tre i utgângssignalkontrasten, och då uppteckningseffektnivån in- ställes avsevärt över uppteckningströskeln kan denna teknik lätt ge en utgångssignal, vars moduleringsdjup närmar sig 100%.

Då öppningen 32 inställes på lämpligt sätt minskar sålunda när- varon av en upphöjning den intensitet som detektorn É3 ser till den nivå som den skulle se om laserljuset kopplades bort. An- vändning av ett inställbart rymdfilter som bländare 32 antas vara ny och leder till att man får en hittills oöverträffad nivå hos avspelningssignalkontrasten. I I fråga om material som bildar en upphöjning under upp- teckning åstadkomes utraderingen genom att öka intensiteten hos laserstrålen 12'med en faktor av tvâ ovanför tröskeln för upp- teckning och genom att låta fläcken svepa över de utvalda dragen.

Genom denna åtgärd omkristalliseras de amorfa smälta och solidi- fierade volymerna 15, varigenom de tillhörande upphöjningarna planar ut. I det fall att en uppteckningsyta av APIEZON W bringas att röra sig med en hastighet som är tillräckligt lång- sam för att ytan icke skall röra sig mycket under en expose- ringspuls, blir uppteckningströskeln i det typiska fallet ca. 1,5 mwatt för en fläck av blått ljus med en diameter av 0,5 um (Ä = 4880 Å) från en argonjonlaser. Tröskeln för utradering under liknande förhållanden blir ca. 3 mwatt.

Under hänvisning på nytt till fig. 1 representeras det konvergerade laserljuset av de båda böjda linjerna CD och EF, som beskriver ytan av en rotationshyperboloid, inom vilken ljusets intensitet befinner sig över uppteckningsmaterialets 11 smälttröskel. Den med en spets försedda kurvan 36 utgör det sk. Airy-mönstret och indikerar ljusets relativa radiella inten- sitetsfördelning i närheten av uppteckningsytan 13. Det radiella läge, vid vilket effektintensiteten nedgått till hälften av maximumvärdet, är markerat med halveffektpunkten 37, som definie- rar halveffektdiametern hos laserljuset vid uppteckningsytan.

På grund av uppteckningsmaterialets skarpa smälttröskel finns 453 024 19 det en radie utanför, där smältning icke äger rum genom att intensitetsfördelningen bortfaller på en höjd som svarar mot uppteckningsmaterialets smälttemperatur. Allteftersom laser- ljusets totala intensitet minskar eller ökar kommer denna hori- sontella linje att flytta upp respektive ned på fördelningskurvai_ varvid linjens skärningspunkter med fördelningskurvan markerar den bildade upphöjningens radiella gräns. Genom att sålunda sänka ljusets intensitet till lämplig nivå jämfört med smält- tröskeln är det möjligt att åstadkomma en förhöjning som är smalare än storleken på halveffektfläcken, och på liknande sätt kan man åstadkomma en större upphöjning genom att öka ljus- intensiteten. Fig. 1 visar det specialfallet, vid vilket smält- tröskeln svarar mot halveffektpunkten, varvid resultatet blir en upphöjning vars diameter är exakt lika med ljusets halveffekt- bredd.

Det är användbart att definiera "effektiva fläckstorleken" hos ljuset som diametern (vid ytan 13) hos den smälta zonen 15.

För ett givet material med given smälttemperatur ökar den effek- tiva fläckstorleken, medan ljusets totalintensitet ökar. Detta inverkar i stor utsträckning på uppteckningsförfarandet på följande sätt. Av geometriska skäl svalnar en mindre, smält volym snabbare än en större. Eftersom amorfiseringsprocessen som leder till bildning av en upphöjning 16, beror på en hög kyl- hastighet för att åstadkomma snabbkylning i zonen 15, följer härav att den effektiva fläckstorleken bör hållas så liten som möjligt under uppteckning. Detta är givetvis i överens- stämmelse med målet att maximera bitpackningstätheten. Laser- ljusets totalintensitet bör hållas under ett visst kritiskt värde för att bästa resultat skall uppnås under uppteckningen.

Denna kritiska nivå är tröskeln för utradering.

I fråga om uppteckningsmaterial med mycket ringa termisk ledningsförmåga är det, som tidigare sagts, möjligt att kontrol- lera kylhastigheten hos en typisk upptecknings-"cell" 15 genom att variera mängden av det värme som införes av laserljuset un- der smältningen. Materialet tenderar att kondensera med hög has- tlghet mot ett etebilt tillstånd med lägre specifik volym, om det icke snabbkyles med en högre hastighet, i vilket fall det ,ningsoperationen. 45% v24 20 fryser i ett permanent metastabilt tillstånd med högre specifik volym. Det sistnämnda villkoret, som svarar mot upptecknings- förfarandet, erhålles först om den minsta möjliga volymen ex- poneras (svarande mot en liten effektiv fläckstorlek) och ges just tillräckligt med värme för att smälta materialet i voly- men 15. I detta fall sprider sig smältenergin snabbt, varvid snabbkylning till ett tillstånd med hög specifik volym äger rum med åtföljande bildning av en upphöjning. Det förra tillståndet som svarar mot utraderingsprocessen inträffar emellertid om en smält cells kylperiod utsträcks genom att införa en över- drivet stor mängd värme under smältningen. Genom överskotts- värmet ändras cellens termiska gränsbetingelser, varigenom kylperioden utsträcks till den punkt där materialet kan kon- densera till den lägre specifika volymen, varigenom cellens yta återgår till att vara plan. En större mängd värme kan införas genom att ljusets intensitet ökas över nivån för uppteckning, vilket får den ytterligare effekten att den effektiva fläck- storleken ökar en del; Om det smälta områdets volym ökar på grund av den större fläckstorleken, minskas kylhastigheten med denna faktor.

I fråga om material som kan anbringas som optiskt jämna skikt i amorft tillstånd äger exakt den omvända upptecknings- och utraderingsmekanismen rum vid införande av en större mängd värme resulterande i överföring till ett kristallint tillstånd med lägre specifik volym under bildning av en uppteckningsmarke- ring i form av en fördjupning och införandet av en mindre mängd, som tjänar till att återföra materialet till ett amorft till- stånd med högre specifik volym, varigenom uppteckningen utrade- ras. _ Det förfarande, vid vilket lokaliserade volymer av upp- teckningsmaterialet överföres från det kristallina till det amorfa tillståndet under uppteckningen föredrages framför det förfarande vid vilket överföring äger rum från det amorfa till det kristallina tillståndet, eftersom det är överlägset ur datasäkerhetssynpunkt i ett arkivminnesystem, eftersom det i sin tur uufifi:ettxaderürm-omskrivningssystem, i vilket utraderings- operationen kräver minst lika mycket effekttäthet som uppteck- Detta ger största möjliga marginal av säker- m 453 024 het mot icke avsedd utradering genom den röda strålningen med lägre effekt. I motsats härtill âstadkommes i fråga om upp- teckningsförfaranden, som innebär överföring från det amorfa till det kristallina tillståndet, utradering genom att man ut- sätter upptecknade områden för kontinuerlig laserstrålning med intensitet över den nivå som användes för avspelning, men väsent- ligen under den som fordras för uppteckning. I många minnes- system baserade på detta senare förfarande föreligger alltså möjligheten att avspelarljusets intensitet på grund av för lång termdrift eller systemfel kan vandra uppåt till raderings- tröskeln och förorsaka katastrofal förlust av data-"filer".

De föredragna utföringsformerna av föreliggande uppfin- ning vid vilka uppteckningsmaterialet utgöres av-APIEZON W eller impregnerat epoximaterial har den fördelen att utradering måste göras vid en effektnivå som är högre än den som krävs för bara tröskeluppteckning och är lika med den för uppteckning med spetsamplitud. Utraderingsprocessen är helt termisk, så att ut- raderingshastigheten endast begränsas av den effekt som är till- gänglig från lasern.

Fig. 3 visar variationen av specifik volym med temperatu- ren för ett lämpligt uppteckningsmaterial som överföras från * kristallint till amorft tillstånd. Punkt A utgör uppteck- ningsmaterialets punkt för föruppteckning i tillståndet med låg specifik volym (hög täthet) &.ex. kristallint) vid omgivnings- temperaturen Ta. Vid uppteckning åstadkommer en ljuspuls just tillräckligt med värme för att förskjuta operationspunkten längs smältkurvan 38 till punkten B eller till en punkt längre upp på segmentet 39, som indikerar flytande tillstånd. Härigenom åstad- kommes en snabb smältning i den valda uppteckningscellen 15. vid slutet av ljuspulsen bringar snabb kylning eller stört- kylning operationspunkten att förflytta sig längs kurvan 41 från B till C vid glasomvandlingstemperaturen Tg och längs kurvan A2 till punkten D. Medan cellens temperatur faller under Tg fryser materialet till ett metastabilt tillstånd vid punkten D. Detta metastabila tillstånd blir permanent vid omgivningstemperaturen Ta (rumstemperatur) förutsatt att glasomvandlingstemperaturen Tg är långt över Ta, där materialet är hårt och stabilt vid Ta. Det framgår klart av fig. 3 att då cellens 15 material ....._..-....i...... .. ..- -4s3.n24 22 överföras från det kristallina tillståndet vid A till det amorfa tillståndet vid D, det inträffar en permanent nettovolymexpan- sion. Genom denna expansion, som ackumuleras i hela den utsatta volymen 15, erhålles upphöjningen 16 såsom framgår av fig. 1.

Raderingsförfarandet åstadkommas genom att utsätta den expande- rade cellen för en större värmepuls, som bringar operationspunk- ten att förflytta sig från D upp till någon punkt E förbi punk- ten B på likviduskurvan 39. Vid slutet av pulsen glider opera- tionspunkten långsamt ned till B och därefter ned längs kristal- lisationskurvan 38 tillbaka till det ursprungliga tillståndet A.

Den resulterande nettovolymförlusten i cellen 15 åstadkommer att upphöjningen återgår, så att överdelen av cellen lämnas unge- fär i nivå med det omgivande materialet. Den proçentuella volymändringen från högtäthetstillstândet vid A till lågtät- hetstillständet vid D varierar avsevärt från material till mate- rial, men i frâga om uppteckningsmaterial som utgöres av mikro- kristallina polymerer kommer variationen i det typiska fallet att ligga_mel1an 5 och 10%. ' Det bör framhållas att vitsen med den föredragna utförings- formen av uppteckningsförfarandet är den termiskt inducerade kopplingen från ett stabilt tillstånd med hög täthet till ett stabilt tillstånd med låg täthet under åtföljande ökning av netto- volymen, vilken uttryckes som en upphöjning. Den omvända omvand- lingen, som också är termiskt inducerad, ligger till grund för. utraderingsförfarandet. Exemplet i fig. 1 utgör en utförings- form vid vilken en dylik bistabil densitetsändring induceras i ett höggradigt kristallint meterial. Den volymökning som allt- så krävs för uppteckningsförfarandet är förbunden med en omvand- ling från ett höggradigt ordnat kristallint tillstånd till ett oordnat eller amorft tillstånd. Som tidigare framhållits finns det emellertid även material utan strukturell ordning, vilka även ger en dylik bistabil täthetsförändring. De höggradigt kristal- lina materialen föredrages emellertid, eftersom de kan förväntas ge mera skarpt definierade upphöjningar på grund av den mera skarpt definierade smältomvandlingen av ett kristallint material.

Så länge uppteckningsskiktets 11 tjocklek är större än den erforderliga tjockleken hos det för smältning avsedda materialet 455 Q24 23 för att åstadkomma en detekterbar upphöjning med ett rektangel- förhållande av minst 1:10 är skiktets tjocklek icke betydelse- full om det inte är önskvärt att öka den smälta volymens 15 kylhastighet genom att använda ett substrat med hög termisk ledningsförmåga som värmeavlopp. En sådan åtgärd skulle krävas om det är önskvärt att uppteckna under användande av en stor fläck (t.ex. en fläck med storleken 1 pm från en diodlaser) på ett material, t.ex. APIEZON W, som ger bästa svar för en fläck- storlek mindre än 0,7 um. I detta fall bör det aktiva skiktet 11 icke vara tjockare än tjockleken hos uppteckningscellen 15, så att cellernas 15 nederdelar befinner sig i god termisk be- röring med substratet. Eftersom ju emellertid tjockleken hos en cell kan variera med ca. 20 eller 30% från den föredragna tjockleken av ca. 1 um utan att svaret påverkas mera avsevärt behöver tjockleken hos detta tunnare skikt icke nödvändigtvis kontrolleras noggrant.

'Det bör framhållas att en betydelsefull fördel med före- liggande minnestanke gemensam med de flesta andra på strålning baserade laseruppteckningssystem är, att den aktiva delen av uppteckningsmaterialet är utan struktur i den meningen, att bit- ställen icke definieras på förhand av nâgra konstprodukter i filmens struktur. Härigenom blir minnet mycket mera ekonomiskt i fråga om kostnader per bit än elektroniska system i fast till- stånd, t.ex. magnetiska blåsminnen.

Minnessystem baserade på föreliggande uppteckningsförfarande måste liksom alla kända på strålning baserade minnen innefatta ett organ för att åstadkomma relativ rörelse mellan den fokuse- rade fläcken av laserljuset, vilken verkar som ingångs-utgångs- organ och ytan av uppteckningsmaterialet. Laserstrålningen kan sålunda lämnas relativt fixerad och mediet kan förflyttas liksom i skiv-, trum- eller bandsystem eller också kan materialet lämnas relativt orörligt och bitställena åtkommas genom att laserfläcken svepes över ytan.

Lämpliga anordningar för att svepa laserfläcken relativt uppteckningsmaterialets yta ligger inom ramen för vad fackmannen kan åstadkomma och bildar ingen del av föreliggande uppfinning. ..._........._...-_-..-_-.- - - - .-----------_--~ > - 453 024 24 Även om ovanstående innebär avsevärda upplysningar till fackmannen för att han skall kunna utföra uppteckningsförfaran- det enligt uppfinningen kommer i det följande ett detaljerat exempel på hur uppfinningsförfarandet utföres och en därför lämpe lig apparatur att beskrivas närmare för undvikande av varje tvivel. f Vid detta exemplet utgöres lasern 26 av en argonjonlaser (modell 165/265 från Spectra-Physics) som ger en kraftig blå emission vid A = 4880Å och med följande egenskaper: _ Utgångspolarisation: vertikal Strålningsdiameter vid 1/e2 punkter: 1,5 mm vid 5145Å Stråldivergensz 0,5 milliradianer Brusklassificering (nominell): med effektstabilisator på Hz till 2 MHz - 0,2% rms typisk Maximieffekt tillgänglig vid A = 4880: "1,5 watt.

Lasern drivs vid en typisk utgångseffektnivå av 10 mW, så att, om man tar i betraktande förlusterna mellan lasern och upp- teckningsytan, effekten där kommer att ligga i närheten av 3 mW.

Från lasern 26 går ljuset till en modulator som vid dessa exem- pel är en elektrooptisk modulator (modell 20) (erhållen från Coherent Associates). Denna anordning är en modulator (Pockels- Effekt) med ingångs- och utgångspolarisatorer som är korsade så att utgående ljus har det elektriska fältet orienterat i horisontalplanet. Detta tillåter det modulerade laserljuset att kopplas effektivt till uppteckningsytan och även att effek- tivt återrikta det tillbakareflekterade ljuset till detektorn under användande av en polariserad ljusspaltare i enlighet med vad som beskrivits. Modulatorn drivs av sk. Coherent Associates model 30 Driver som har en normal bandbredd som_sträcker sig från DC till 10 MHz. rator med snabba pulser, nämligen en pulsgenerator modell 2101 från Tektronix (nominal pulsökningstid från 10-90%, 5 nsek).

Anordningen kan inställas för att åstadkomma pulser från 40 nsek till 40 msek i bredd.

En flipp-floppsmanipulator JK, nämligen CD 4027AE CMOS flipp-flopp från RCA) används som "en och endast en"-avtryckar- källa för pulsgeneratorn och en monostabil multivibrator (CD 4047AE CMOS) (från RCA) utlöses av vipparmen (JK flipp-flopp) Modulatorns drivrör regleras av en gene- 453 G24 för att åstadkomma pulsen, som antingen öppnar eller utlöser pulsgeneratorn. Utgângen frân lasern 26 kan sålunda åstadkom- _mas med pulser av en varaktighet reglerad av pulsgeneratorns pulsvaraktighet.

Från modulatorn passerar ljuset till en expanderkollimator 27. Denna vidgar strålarna till en diameter som är något större än diametern av en lins 31, dvs. till ca. 0,7 cm. Expander- kollimatorn består av två mikroskåpobjektivlinser, av vilka den ena fokuserar strâlknippet från modulatorn till en öppning i ett rymdfilter (“spatial filter). Filtret utgöres av en öpp- ning med 10 p kopparkrater (Optimation Ltd). Det är något mindre än strâlknippet, som fokuseras mot öppningen. Den andra - mikroskåpobjektivlinsen samlar ljuset som utgår från koppar- kratern och återkonvergerar detta till ett avskärmat strål- knippe med diametern ca. 0,7 cm. Effekten av expanderkollima- torn 27 är att de högre Fourier-komponenterna i strålknippets profil elimineras med en förlust av ca, 40%, så att en jämnare fördelning uppnås.

Från expanderkollimatorn 27 passerar ljuset till en pole- riserande ljusspaltarkuh 28 (från Perkin-Elmer): Ljusspaltaren har följande egenskaper: Maximal överföringsförmåga T till “P"-tillståndspolarisa- tion: 95 i 5% Maximal reflexionsförmåga R till "S"-tillståndspolari- sation: 99 1 1% (ingångs- och utgångsytor överdragna för minsta R) Våglängdsområde: 4880Å - 5145Å Mottagningsvinkel: Normal infallsvinkel :1° öppning: Central 12 mm.

Anordningens ljusspaltande plan har en speciell flerskikts- beläggning, så att ljus som polariseras med det elektriska fäl- tet parallellt med detta plans vertikala axel (i "S“-tillstån- det) reflekteras 99% (r1%), medan ljus med polarisationsplanet vinkelrätt mot denna axel (i "P"-tillståndet) transmitteras 95% (15%).

Ljuset passerar till en kvartsvågskiva 29, som utgöres av ett romboidiskt glasstycke med parallella ingângs- och ut- gângsytor (Fresnels romb). I denna anordning överföres genom två inre reflexioner planpolariserat ljus vid ingången till cirkulärt polariserat ljus vid utgången.

Linsen 31 är en lins av typen fi#462097 L.D. Epiplan 40/0,60 från Carl Zeiss Canada Ltd. med följande egenskaper: ' Numerisk öppning a : 0,60 Arbetsavstând: 4,4 mm Förstoring: 40 gånger Återupplösning: "0,5 um vid A = 4880A Eftersom lasern 26 effektivt sett är en källa vid oändligt avstånd är det nödvändigt att i förbindelse med linsen 31 an- vända en negativ kompensationslins för att skapa en virtuell källa vid "160 mm. Den negativa linsen är en linsav typen fi%95,425 (diameter: 12 mm; brännvidd 148 mm) (från Edmund Scientific Products).

Linsen 31 fokuserar ljuset till en spridningsbegränsad ~ fläck på ytan av ett vaxskikt 11 (APIEZON W) som anbragts på en glasslid ur en koncentrerad, viskös lösning därav i toluen och som tillâtits torka till en tjocklek som är större än 1 mikron.

Den grova fokuskontrollen i form av ett mikrometersteg användes förlatt förflytta linsen 31 längs axelnwför att på lämpligt sätt placera fokalplanet på uppteckningsytan och en fin brännviddkontroll användes också. Detta är en sk. piezo- elektrisk translator modell ED-25 från Jodon Engineering Associates, Inc., Ann Arbor, Michigan (1,3 pm förlängning per 100 V, 32 um total förlängning), som användes för ultrafin reglering av läget för linsens 31 linsfokalplan, så att ljuset 12 fokuseras exakt vid ytan 13 av skiktet 11. En högspännings- effektkälla (Kepco modell ABC425M, 500 V programmerbar effekt- tillförsel) användes för att åstadkomma den piezoelektriska- finkokus-kontrollen. Effektillförseln ordnades enligt princi- pen “programmerbar över motståndet" och en flervarvspotentio- meter (Bourns 109k) användes för att variera programmerings- motståndet för att därigenom reglefiaden fina brännpunkten.

Målet 21 innefattande filmen av uppteckningsmateriaal 11 är monterat på ett vridbart bord i stånd att förflytta det- samma relativt det stationära laserljuset 12 med en ythastighet av ca. 2 meter per sek., så att laserljuset 12 sveper över en 453 0024 27 bana på filmen 11. Detta är ungefär minimiythastigheten, som krävs för att uppteckna vid 2 megabits per sekund med en serie av 200 nsek pulser, som inträffar en gång varje halv mikro- sekund. Under de 300 nsek mellan pulserna har målet förflyt- tats något mer än den 0,5 um spridningsbegränsade bredden av den upptecknande fläcken, som âterplacerats över en ny, icke upptecknad zon.

Under dessa betingelser kommer fina uppteckningsmarkeringar i form av upphöjningar med en höjd av ca. 0,25 um och en bredd av ca. 0,5 um att bildas nära intill varandra längs upptecknings- banan med ringa eller ingen samsortering. Effektnivån hos det ljus som krävs vid den spridningsbegränsade fläcken vid upp- teckningsytan för att åstadkomma uppteckning med hög amplitud vid denna yta vid denna ythastighet är ca. 3mW (svarande mot en intensitet av ca. 15 mW per kvadratmikron).

Om lasern drives kontinuerligt och den spridningsbegränsade fläcken svepes längs uppteckningsbanan samtidigt som effektnivån hâlles vid ca. 3 mw (svarande mot ca. 15 mW per kvadratmikron) raderas upphöjningarna ut och ersättas med en låg rygg med en höjd av ca. 0,1 um och en bredd av ca. 0,5 um. Information kan återupptecknas på den utraderade banan genom pulsering av lasern liksom tidigare, så att upphöjningar med en elevation av ca 0,2 um relativt ytan av ryggen kan bildas ännu en gång.

Cykeln av utradering och återuppteckning kan upprepas ett stort antal gånger.

Detektorsystemet för att använda en utgångssignal omfattar den polariserande strålspaltaren 28, från vilken ljuset 34, som reflekterats från ytan, passerar till ett utgångs-rymd-filter, vilket utgöres av en variabel bländaröppning 32 (från Edmund Scientific) (öppning: 1 mm till 1 cm). Anordningen 32 är mon- terad med öppningen i ett vertikalplan på två ortogonalt an- ordnade translationssteg, så att både öppningens storlek och dess läge i det återreflekterade ljuset 34 kan finjusteras.

Som optisk detektor användes en sådan av typen 8644/2B stage Special-Line photomultiplier tube från RCA med följan- de egenskaper: Spektral svarssignal: S-20 Våglängd för max. svar 4200A 453 024 M Känslighet (@ 1500 V katod-anod): katod 65 mA/W 1 anod 5,1 X 103 A/w Strömvinst (G 1500 V) ' 8 X 104 Strömstyrka vid mörk anod (0 1380 V): 1,5 nA Kvantumutnyttjande (@ 1500 V, Å = 4880Å): 14% Stigningstid (0 1500 V): 10 nsek Bandbredd: " 35 MHz Denna högeffektiva optiska sensor överför intensitetsför- ändringar i det svaga ljuset från utgångsrymdfiltret 32 (i det typiska fallet 1 pw under avspelning) i en serie strömpulser, som därpå kan överföras till spänningspulser med hjälp av en snabb videoförstärkare kopplad som en strömstyrka-till-spännings- överförare. Då detektorsystemet befinner sig i drift (dvs. den upptecknade informationen avläsas), kan lasern drivas kon- tinuerligt vid effektnivåer som är sådana, att den spridnings- begränsande fläckens intensitet vid filmens yta är minst 300 pW, så att ett högt förhållande mellan utgångssignal och brus kan erhållas.

Den använda videoförstärkaren är av Modell 1430 FET opera- tional amplifier (från Teledyne Philbrick) och har följande egenskaper: ökning i bandbredd produkt 100 MHz Avsättningstid till 1% för ett volts steg 70 nsek Svängningshastighet 500 V/usek Utgående strömstyrkeområde : 50 mA Ingående för spänningsström- styrka (@ 2s°c) -soo pA Ingående impedans (G dc) 10“Q 3pG Brus (hänfört till ingång): Strömstyrka mittband (1,6 till 160 Hz) 2pA Spänning brett band (1,6 Hz till 16 MHz) 9pV Utgångssignalen erhålles som en nedgång i uteffekt från videoförstärkaren, då laserljuset träffar en förhöjning 16 453 024 29 jämfört med uteffekten, då ljuset reflekteras från skiktets 11 jämna yta 13. Ett modulerat djup hos utgångssignalen i området 25-100% erhålles.

Som tidigare angetts kan uppteckningsmarkeringar i form av kraterliknande fördjupningar erhållas på ytan av ett mate- rial av jodimpregnerat epoxihart under användande av den apparat och det förfarande som ovan beskrivits i detalj under hänvisning till fig. 2 på medföljande ritningar, varvid man använder ett skikt av härdat epoxiharts, som är svärtat genom behandling med jodånga, i stället för APIEZON W. Dessa kra- terliknande fördjupningar kan erhållas under användande av en pulserad ljusstråle, som fokuseras till en spridningsbegränsad ljusfläck med en effektnivâ vid ytan av epoxihartset av ca. 3 mw, med en pulsvaraktighet av ca. 100-200 nanosekunder och kan raderas ut genom att fläcken svepes längs uppteckningsbanan med lasern under kontinuerlig drift på samma effektnivå.

De ovan angivna uppteckningsmaterialen, t.ex. högsmältande bituminösa ämnen, impregnerade polymera hartser och karamelli- serat socker, kännetecknas av hög färgintensitet och lämpar sig också för användning som nya uppteckningsmaterial i kända typer av lasertermiska uppteckningsförfaranden, t.ex. sådana vid vilka fördjupningar bildas irreversibelt på ytan av ett upp- teckningsmaterial genom ablation eller under inverkan av yt- spänning och vid vilka zoner med förändrat brytningsindex bildas.

Claims (21)

10 15 20 25 30 35 453 024 P A T E N T K R A V

1. Förfarande för uppteckning av information under användning av ett uppteckningsmedium, som kan omvandlas reversibelt mellan två stabila, fasta fysikaliska tillstånd förbundna med olika specifika volymer, varvid man under kort tid värmer en lokali- serad volym av mediet intill ytan för att överföra det fasta materialet från det ena tillståndet till det andra,4 k ä n n e - t e c k n a t av att volymen i förhållande till arean av den yta, som upphettas, är tillräckligt stor för att vid övergång mellan de båda tillstånden en förändring i kurvaturen hos den yta, som omspänner nämnda area, erhålles, som räcker till för att direkt och omedelbart särskilja nämnda area från det om- givande mediet.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att överföringen från det ena tillståndet till det andra äger rum genom att en upphettad volym bringas att svalna med en lämplig kylhastighet.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att upphettningen utföres under användning av strålning som fokuseras på uppteckningsmediet.

4. Förfarande enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att strålningen utgöres av laserstrålning.

5. Förfarande enligt krav 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a t av att strålningen fokuseras till en fläck med minsta diameter i huvudsak sammanfallande med materialets yta och bringas att sprida sig inom materialet under fläcken, så att en volym med nedåt ökande tvärsektion upphettas i mediet under fläcken.

6. Förfarandeenhgt något av kraven 3-5, k ä n n e_t e c k n a t av att uppteckningsmediet har ett karakteristiskt värde dV'L från ca. 2 /um till ca 150 /um (där L är å - dämnningslängden 10 G zà 2: 30 3% 31 453 024 hos strålningen i uppteckningsmediet uttryckt i mikron) och (där V1 är storleken av skillnaden i specifik volym mellan upp-_ teckningsmediets första och andra tillstånd och V2 är materia- lets ursprungliga specifika volym).

7. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att dämpningslängden L är ca 1/10 - ca 2 gånger bredden av arean hos den medieyta som upphettas.

8. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att den procentuella ändringen i specifik volym dv är åtminstone ca 4 %.

9. Förfarande enligt något av föregående krav, -k ä n n e - t e c k n a t av att den termiska ledningsförmågan hos mediet är mindre än ca 5 mW/cm°K.

10. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att de båda tillstånden är kristallina och amorfa tillstånd. _

11. Förfarande enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t av att mediet har en övergångstemperatur mellan de amorfa och kristalli- na tillstånden av åtminstone ca 50°C.

12. Förfarande enligt krav 10 eller 11, k ä n n e t e c k n a t av att mediet omfattar en beläggning av vax (APIEZON W) anbringad på ett substrat ur en koncentrerad lösning därav.

13. Förfarande enligt något av krav 1-12, k ä n n e t e c k - n a t av att mediet är ett behandlat polymert hartsmaterial framställt genom impregnering av ett polymert hartsmateiral med ett ljusabsorberande medel, varvid man tillåtit tillräckligt med medel att absorberas ihartset för att bibringa detta en 1:5 29 25 453 024 sz, förutbestämd grad av ljusabsorption.*

14., Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t av att mediet övergår till smält tillstånd vid överföring mellan de båda fasta tillstånden.

15. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a-t av att man dessutom raderar ut den upptecknade informationen genom att utsätta ytan av uppteckningsmediet 'för ett kontinuerligt påverkat strålknippe av fokuserad strål- ning med en effektiv nivå för att radera ut den förändrade ytreliefen.

16. Anordning för uppteckning av information och för användning vid ett förfarande enligt krav 1, omfattande ett uppteckninga- medium med ett första och ett andra tillstånd förbundna med olika respektive specifika volymer, vilket medium kan selektivt överföras i nämnda tillstånd genom tillförsel av värme till mediet på sådant sätt, att det svalnar från det upphettade till- ståndet med valda svalningshastigheter så att vid upphettning av en lokaliserad volym av mediet intill ytan nämnda volym kan kopplas mellan det första och det andra tillståndet för bild- ningen eller utplåningen av en ändrad ytkurvatur.

17. Apparat för uppteckning och reproduktion av information, omfattande en uppteckningsanordning enligt krav 16, och en upphettningsanordning för att införa.tillräck1igt med energi för att kortvarigt upphetta en lokaliserad volym av uppteck- ningsmediet intill ytan och en detektor för att avkänna den erhållna förändrade ytkurvaturen. '

18. Apparat för uppteckning och reproduktion av information enligt krav 17, k ä n n e t e c k n a d av att upphettnings- anordningen omfattar organ för att avsöka en fokuserad ljus- fläck över ytan av nämnda medium, och att detektorn omfattar en optisk sensor för att detektera förändringar hos intensi- teten av ljus, som reflekterats.frân eller transmitterats genom ytan, medan nämnda fläck avsöker en area.av ytrelief, 10 15 453 024 33 och ett filter anordnat mellan sensorn och nämnda yta, var- vid filtret tillåter genomgång till sensorn av en utvald del av tvärsektionsarean av ljusknippet, som reflekterats eller transmitterats genom ytan, som visar större modulering än aggregatet av det reflekterade eller transmitterade ljus, som uppsamlas från ytan.

19. Uppteckningsanordning enligt krav 16, k ä n a d av att uppteckningsmediet utgöres av ett en bituminös fraktion därav.

20. Uppteckningsanordning enligt krav 16, k ä n a d av att uppteckningsmediet utgöres av ett meriskt.material.

21. Uppteckningsanordning enligt krav 16, k ä n a dn av att uppteckningsmediet utgöres av ett terial som mörknar vid användning av värme. ' n n e t e c'k - bitumen eller n n e t e c k - dopat poly- n n e t e c k - organiskt ma-