CN1155948C - 近场双光子存储的信息记录、擦除和读取的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学信息存储技术。它通过在一种低阈值的双光子存储介质偶氮液晶聚合物上使用固体浸没透镜对数据信息进行记录、擦除和读取，将近场存储和双光子存储两方面的原理和优点相结合，从而提出了一种全新的近场双光子存储方法。它能得到远小于瑞利极限的信息位，目前最小已做到120nm；光源可使用小型化的激光器，使其实际应用易于实现。

Description

近场双光子存储的信息记录、擦除和读取的方法

一.技术领域

本发明属于光学信息存储技术，具体涉及近场光学存储与双光子存储两种技术。

二.背景技术

超高密度的光学信息存储技术有着诱人的应用前景。目前，实现超高密度存储的主要途径有两种：一种是开发短波长的激光光源；另一种就是实现超光学衍射极限技术。在后者中，近场光学存储与双光子存储是目前研究的热点。

衍射光学原理表明，经透镜聚焦后的光束焦点的尺寸不可能小于0.61λ/(nx sinθ)(通常称之为瑞利极限)，其中λ是光在真空中波长，n是介质的折射率(在空气中n＝1)，θ是光线的最大偏角。近场光学存储是控制光学存储头和存储介质之间的距离在100nm(约λ/4)以内，充分利用倏逝光场的作用实现比瑞利极限更小的信息位的存储。利用固体浸没透镜进行的近场光学存储被研究者认为是最接近现实的方案。固体浸没透镜是一种等于或略大于半球状的透镜，光束被聚焦到它的平端面上，其折射率n＞1(目前已采用的固体浸没透镜折射率通常都在2～3之间)，所以利用固体浸没透镜可以突破瑞利极限、得到较小的聚焦点光斑从而减小信息位的大小。例如，B.D.Terris等人曾利用固体浸没透镜实现了350nm的信息位的存储(见：B.D.Terris etc.“Near-field optical data storage using solid immersionlens”，Appl.Phy.Lett.Vol.65，388-390，1994年)。但由于其存储密度依赖于固体浸没透镜的材料折射率的大小以及固体浸没透镜与存储介质之间的距离的大小(材料折射率越大、与存储介质的距离越小，则信息位越小)，对于通常所用的可见光或激光光源而言(λ约为500～800nm，下同)，利用固体浸没透镜所得到的信息位的大小难以突破200nm。

双光子激发是指介质吸收两个低能光子从而被激发到高能态的过程；双光子存储则是指利用双光子吸收过程改变存储介质的局部物理特性(如：吸收率、折射率、荧光度等)，从而实现光学信息的记录、擦除和读取。由于双光子是一种三阶非线性光学效应，通常其吸收点只局限在光强足够大的焦点或两束光的交点处，从而使信息位的尺寸减小、增加了单位面积/体积的存储密度。在线性吸收的情况下，由于介质的吸收率正比于光强，即 $I=I_0{e}^{-\frac{r^2}{w^2}},$ 所以信息位的大小正比于光斑的半径w(光斑半径w在极限情况下就等于瑞利半径)；而双光子吸收的情况下，介质的吸收率正比于光强的平方，即 $I^2=I_0^2{e}^{-\frac{r^2}{{(w/\sqrt{2})}^2}},$ 从而使信息位的大小正比于

亦即双光子存储的信息位的大小也能突破瑞利极限(见：James H.S.，Watt W.W“Three-dimensional optical data storage in refractive media by two-photonpoint excitation”Opt.Lett.Vol.16，No.22，P1780，1991)。但对于通常所用的可见光或激光光源而言，同样不能突破200nm。

从以上简述的近场存储和双光子存储的原理可以看出，它们是分别从光束质量和存储介质两方面设法获取更高的存储密度的。如果将两者结合起来、同时减小聚焦点的光斑尺寸和双光子吸收点的光斑尺寸，则应得到更好的效果，对于通常所用的可见光或激光光源而言，有望使信息位的尺寸突破200nm。但是，由于能够进行双光子吸收的物质其激发阈值均很高(通常在10⁴mw/cm²)，亦即现有的双光子存储介质对存储光源的能量要求较高(只有这样才能产生有效的双光子吸收)；而近场存储时的有效光强透过率又很低，不能满足双光子吸收的能量要求：在用固体浸没透镜进行近场存储的过程中，被聚焦到固体浸没透镜平端面上的光束在离开其平端面后迅速衰减，所以存储介质与固体浸没透镜之间的距离必须足够近(通常要小于λ/6)才能确保有足够的光透过率。因此，近场存储和双光子存储的两者结合存在很大的障碍，被认为是不可能实现的。

三.发明内容

本发明的目的在于提供一种能够使信息位的尺寸小于200nm的近场双光子存储的信息记录、擦除和读取的方法。

本发明的解决方案如下：

一种近场双光子存储的信息记录方法，其过程为：将采用偶氮液晶聚合物作为存储介质而制作的存储盘片置于工作平台上，将作为记录光源的激光器所产生的光波通过透射镜、起偏振片、会聚透镜和固体浸没透镜所组成的光路对存储盘片上的偶氮液晶聚合物薄膜进行照射、使光波聚焦于薄膜上，通过工作平台的移动调整薄膜的位置；记录光波的偏振方向固定不动或通过物理方法进行改变；所述的存储盘片制作成双向透光结构，其自上而下的基本层次结构为：电介质薄膜/存储介质薄膜/电介质薄膜/基片。

一种近场双光子存储的信息擦除方法，其过程为：将根据上述记录方法已记录了信息的存储盘片置于工作平台上，将作为擦除光源的激光器所产生的光波通过透射镜、起偏振片、λ/4波片、会聚透镜和固体浸没透镜所组成的光路对偶氮液晶聚合物薄膜进行照射、使光波聚焦于薄膜上，通过工作平台的移动调整薄膜的位置。

一种近场双光子存储的信息读取方法，其过程为：将根据上述记录方法已记录了信息的存储盘片置于工作平台上，将作为读取光源的激光器所产生的光波通过反射镜、起偏振片、会聚透镜和固体浸没透镜所组成的光路对偶氮液晶聚合物薄膜进行照射、使光波聚焦于薄膜上，然后再通过第二会聚透镜和检偏振片所组成的另一组光路使光波聚焦于光电探测器上，检偏振片的透振方向与起偏振片的透振方向垂直，通过工作平台的移动调整薄膜的位置，读取光波的偏振方向与记录时的光波偏振方向相差为一个定值45°或固定不动。

对于上述信息记录或擦除方法，采用绿色光波长的掺钕矾酸钇固体倍频激光器作为光源；对于上述信息读取方法，采用红色光波长的半导体激光器作为光源。

本发明是通过采用固体浸没透镜对一种新找到的、具有低双光子激发阈值的物质——偶氮液晶聚合物进行信息存储，从而实现了近场双光子存储。偶氮液晶聚合物是一种光致折变材料，可以在光的诱导下产生双折射效应。但是以往只发现了它的单光子吸收特性，即在偶氮液晶聚合物的第一吸收峰附近可出现单光子吸收所致的双折射效应。本发明则指出，在偶氮液晶聚合物的第二吸收峰处可由于双光子激发而产生光致双折射现象，而且这种光致双折射激发过程的阈值很低(一般小于40mW/cm²)，因此，使得其与近场存储方法的结合具备了可能性。同时，这种双光子激发也具有可擦重写的性质：通过记录光源或擦除光源的照射，可以使信息位处发生双折射的产生或消失，从而实现数据的记录和擦除；通过读取光源的照射，则可以使信息位处记录的信息得到反映。由于所需激发阈值很低，还可以通过小型激光器的照射得以实现，使存储设备的体积大大减小，有利于该方案的实用化。

对于记录过程而言，其原理基于线偏振光的双光子激发导致双折射产生现象：将在室温下(远低于材料的玻璃化温度)均匀涂敷于透明基片的偶氮液晶聚合物所形成的各向同性固体薄膜作为存储介质层，无须作预取向处理；基片材料可采用玻璃或塑料；涂敷了存储介质的基片称为存储盘片，支承于可作机械移动的工作平台上。将记录光源所产生的能使存储介质产生双光子吸收而激发双折射的光波通过起偏振片变成线偏振光，再通过会聚透镜和固体浸没透镜聚焦于存储介质层上，记录信号通过固体浸没透镜进行近场聚焦。在焦点处存储介质通过双光子激发产生双折射，形成光轴垂直于记录光波偏振方向的光学各向异性的斑点，作为记录的信息位。通过工作平台的机械移动可以旋转或移动盘片，以调整薄膜与固体浸没透镜之间的距离、还可使焦点位置改变以将数据记录在存储介质层的不同部位。若记录时使光波的偏振方向固定不动，则信息位的光轴方向与焦点运动轨迹的切线方向之间形成的夹角α保持不变，这时通过信息位的有无实现二进制的比特存储；若记录时改变光波的偏振方向，这可通过一些物理方法来实现，如：改变起偏振片透振方向的方法或磁光调制的方法，则信息位的光轴方向与焦点运动轨迹的切线方向之间形成的夹角α随着光波偏振方向的变化而相应变化为α_i(i＝1，2，…N)，亦即通过改变光波的偏振方向(即角度复用方法)可实现N进制的灰阶存储。记录光源的波长必须能使存储介质偶氮液晶聚合物产生双光子激发双折射，一般为500～560nm，以在绿色光的波长范围内为佳(便于选择激光器)；固体浸没透镜是采用折射率高的玻璃(如氟化钡，磷化钾等)制成的、半球状或厚度为r+(r/n)的超半球状透镜(其中n为材料的折射率，r为球半径)。

为了实现近场存储，本发明还特意设计了一种双向透光的光盘结构，即存储盘片自上而下的基本层次结构为：电介质薄膜/存储介质薄膜/电介质薄膜/基片(如附图所示)，而取消了现有光盘中起强化反射效果的金属薄膜层。其中，电介质薄膜起保护层的作用，可采用氮化硅(SiN)、二氧化硅(SiO₂)等材料制作。按以上结构制作的存储盘片可使记录、擦除和读取光源通过下层的基片和电介质保护层等或直接通过上层的电介质保护层照射到存储介质上，而不是象现有光盘那样必须经过下层的基片等再照射到存储介质上(该结构既不利于固体浸没透镜接近存储介质，又不能双向透光)。在进行信息存储时，固体浸没透镜要置于离开基片的那一面，即固体浸没透镜位于靠近上层电介质薄膜的那一面，这样固体浸没透镜就可非常接近或直接接触到电介质薄膜保护层，以便更好地满足近场存储的要求，而不必顾虑其会划伤存储介质薄膜。处于最上层(即外层)的那层电介质薄膜的厚度要小于100nm，可在20nm到100nm之间，以使固体浸没透镜与存储介质之间的距离足够小。电介质薄膜可通过磁控溅射法制备，存储介质的制备则可采用旋涂法。

对于擦除过程而言，其原理基于圆偏振光的双光子激发导致双折射消除现象：将根据上述记录方法已记录了信息的存储盘片置于工作平台上，将擦除光源所产生的能使存储介质产生双光子吸收而激发双折射的光波通过起偏振片变成线偏振光，再通过λ/4波片变成圆偏振光，然后通过会聚透镜和固体浸没透镜聚焦于已记录了信息的存储介质层上，擦除信号通过固体浸没透镜进行近场聚焦；通过工作平台的机械移动可以旋转或移动盘片，以调整薄膜与固体浸没透镜之间的距离并可使焦点位置改变；当光波聚焦于信息位上时，圆偏振光将使其各向异性的光斑消失，从而擦除盘片上不同部位的数据；擦除光源的波长必须能使介质产生双光子吸收，一般亦为500～560nm，以与记录光源的波长相同为佳(这样可以将记录光源和擦除光源采用同一个激光器以减少设备成本，擦除效果亦较好)。

对于读取过程而言，其原理基于双折射材料的偏振干涉效应：将根据上述记录方法已记录了信息的存储盘片置于工作平台上，将读取光源所产生的在存储介质双光子吸收带以外的光波通过起偏振片变成线偏振光，再通过会聚透镜和固体浸没透镜聚焦于已记录了信息的存储介质层上，读取信号通过固体浸没透镜进行近场聚焦；通过工作平台的机械移动可以旋转或移动盘片，以调整薄膜与固体浸没透镜之间的距离并可使焦点位置改变，从而读取盘片上不同部位的数据；透过存储介质的发散光束由位于存储盘片另一侧的第二会聚透镜收集并聚焦于光电探测器上，其光强将转变为电信号以作进一步处理；在第二会聚透镜与光电探测器之间需放置检偏振片，使检偏振片的透振方向与起偏振片的透振方向互相垂直。由于到达光电探测器表面的光强I与sin²2α成正比，因此，在比特存储情况下，使读取时的光波偏振方向与记录时的光波偏振方向相差为一个定值45°，这可通过一些物理方法来实现，如：改变起偏振片的透振方向的方法或磁光调制的方法，此时信息位的光轴方向与焦点运动轨迹的切线方向之间形成的夹角α即为45°，透过信息位而到达光电探测器表面的光强I为最大，以得到最大反差，提高信噪比；在灰阶存储情况下，使读取时的光波偏振方向固定不动，此时即有α＝α₁，α₂，…α_N，光电探测器表面的光强即有N个不同值，以显示出不同灰度值的信息位，即实现灰阶的数据读取；读取光源的波长应远离介质的吸收带，不致明显减弱信息位的各向异性，一般为630nm以上，以在红色光的波长范围内为佳(便于选择激光器)。

另外，对于读取过程而言，其光路亦可反向设计(所得到的效果是同样的)：即作为读取光源的激光器位于存储盘片的下方、而光电探测器则位于存储盘片的上方(将附图所示的光路结构反之)。读取光波通过检偏振片(此时它起到起偏振片的作用)变成线偏振光，再通过第二会聚透镜聚焦于已记录了信息的存储介质层上；透过存储介质的发散光束由位于存储盘片另一侧的固体浸没透镜和会聚透镜收集、并经反射镜的反射而聚焦于光电探测器上，在会聚透镜与反射镜之间放置的起偏振片此时作为检偏振片使用。

对于上述数据记录或擦除方法，可以采用绿色光波长的掺钕矾酸钇固体倍频激光器(其波长为532nm)作为光源，此光子能量与偶氮液晶聚合物的第二吸收峰处的双光子吸收特性相匹配，能使介质产生高效的双光子激发双折射。对于上述数据读取方法，则可以采用红色光波长的半导体激光器(其波长为650nm)作为光源，由于该波长远离记录介质的吸收带，使得读取过程不致对信息位上记录的信息产生破坏。上述绿色光及红色光波长的激光器已经具有小型化的商业产品。

综上所述，本发明的特征体现在以下方面：将近场存储和双光子存储的原理相结合，使用了一种低阈值的双光子存储介质，并且通过固体浸没透镜对欲存储的数据信息进行近场的记录、擦除和读取，光源使用小型化的激光器，存储盘片设计为双向透光结构。

本发明结合近场存储和双光子存储两者的优点，采用偶氮液晶聚合物作为存储介质，并且记录、擦除和读取信号均通过固体浸没透镜进行近场聚焦，实现了一种全新的近场双光子的存储方法，以获得更高的存储密度。它的关键之处是在偶氮液晶聚合物的第二吸收峰处利用双光子激发从而产生光致取向现象。而这种光致双折射激发过程的阈值很低(一般小于40mW/cm²)，不仅可以在近场存储时有效光强透过率很低的情况下，满足双光子吸收的能量要求，从而使近场存储和双光子存储两者的结合得以实现；而且明显地降低了激光器的功率，可充分利用商业化的小型激光器来实现数据信息的存储。

根据以上叙述可知，本发明具有如下优点：

1)利用固体浸没透镜在偶氮液晶聚合物上进行近场双光子存储，可以同时从两方面来减小存储光斑的大小，是一种比单独的近场存储或双光子存储更有效的方法。它能得到远小于瑞利极限的信息位，目前最小已做到120nm。

2)由于采用商业化的小型激光器来实现数据信息的存储，明显地降低了激光器的功率、减小了设备体积，从而大大降低了存储成本，使得本发明的实际应用易于实现。

3)由于使用固体浸没透镜时聚焦点的大小极大的依赖于固体浸没透镜的材料折射率，所以若使用大折射率的材料做固体浸没透镜，还可以进一步提高存储密度。

四.附图说明

附图1为主要光路结构示意图。它由一套***实现记录、擦除、读取三种功能。其中光波走向的实线表示记录和擦除光波，虚线表示读取光波；而点划线表示的λ/4波片4仅在擦除时***光路，记录和读取时则撤走。

附图2为存储盘片的基本结构示意图。

五.具体实施方式

具体的操作步骤及信息存储过程的实施例如下(参照附图)：

在进行数据记录时，激光器6发出的532nm绿光透过选择反射镜5、起偏振片11、会聚透镜3和固体浸没透镜2在存储盘片1的存储介质薄膜上聚焦，焦点中心处的介质经双光子吸收产生具有双折射特性的斑点，成为一个记录信息位。为使聚焦点尽量小，固体浸没透镜和存储介质薄膜之间的距离要保持在100nm以下。通过调整机械移动装置以旋转或移动盘片，再通过调整起偏振片的透振方向以改变光束偏振方向、从而实现比特存储或N进制的灰阶存储；擦除时，在起偏振片的后面***λ/4波片4，使入射到薄膜上的光波变为圆偏振光，这时信息位在圆偏振光的照射下变成各向同性，双折射特性消失，从而达到擦除的目的。读取数据时，另一激光器7发出的650nm红光经选择反射镜5、起偏振片11、会聚透镜3和固体浸没透镜2照射到薄膜上，其透射光被会聚透镜8和检偏振片10聚焦到光电探测器9上，检偏振片和起偏振片透振方向互相垂直，透过这种起偏振片/存储盘片/检偏振片的“三明治”结构的光强I与α有关(α即信息位的光轴方向与焦点运动轨迹的切线方向之间的夹角)，利用光电探测器检测透射光的强弱，即可读取记录的数据。上述所用的选择反射镜仅反射红色光，但能透过绿色光，亦即其一物两用：既作反射镜、又作透射镜；所用的存储盘片中，偶氮液晶聚合物薄膜13为各向同性的“聚甲基丙烯酸(对-氰基偶氮苯氧基)乙基酯”薄膜，厚度为30nm，电介质薄膜12为SiN膜，外层和中间层的厚度分别为20nm和150nm，基片14的材质为玻璃，厚度为1.2mm；所用的固体浸没透镜为采用BaF7制作的半球型(半径1mm，折射率为1.687)；会聚透镜为100倍的显微物镜(数值孔径0.8)；光电探测器为半导体光电管；记录光源和擦除光源为功率15mw的掺钕矾酸钇(Nd:YVO₅)固体倍频激光器(波长532nm)，读取光源是功率为10mw的半导体激光器(波长为650nm)。

Claims (7)

1.一种近场双光子存储的信息记录方法，将激光器产生的光波对存储介质进行照射，其特征在于具体过程为：将采用偶氮液晶聚合物作为存储介质而制作的存储盘片(1)置于工作平台上，将作为记录光源的激光器(6)所产生的光波通过透射镜(5)、起偏振片(11)、会聚透镜(3)和固体浸没透镜(2)所组成的光路对存储盘片上的偶氮液晶聚合物薄膜进行照射、使光波聚焦于薄膜上，通过工作平台的移动调整薄膜的位置；记录光波的偏振方向固定不动；所述的存储盘片制作成双向透光结构，其自上而下的基本层次结构为：电介质薄膜(12)/存储介质薄膜(13)/电介质薄膜/基片(14)；所述的偶氮液晶聚合物为聚甲基丙烯酸(对-氰基偶氮苯氧基)乙基酯。

2.如权利要求1所述的近场双光子存储的信息记录方法，其特征在于通过物理方法改变所述的记录光波的偏振方向；所述的物理方法为改变起偏振片的透振方向或磁光调制的方法。

3.一种近场双光子存储的信息擦除方法，将激光器产生的光波对已记录了信息的存储介质进行照射，其特征在于具体过程为：将已记录了信息的存储盘片(1)置于工作平台上，将作为擦除光源的激光器(6)所产生的光波通过透射镜(5)、起偏振片(11)、λ/4波片(4)、会聚透镜(3)和固体浸没透镜(2)所组成的光路对存储盘片上的偶氮液晶聚合物薄膜进行照射、使光波聚焦于薄膜上，通过工作平台的移动调整薄膜的位置。

4.一种近场双光子存储的信息读取方法，将激光器产生的光波对已记录了信息的存储介质进行照射，其特征在于具体过程为：将已记录了信息的存储盘片(1)置于工作平台上，将作为读取光源的激光器(7)所产生的光波通过反射镜(5)、起偏振片(11)、会聚透镜(3)和固体浸没透镜(2)所组成的光路对存储盘片上的偶氮液晶聚合物薄膜进行照射、使光波聚焦于薄膜上，然后再通过第二会聚透镜(8)和检偏振片(10)所组成的另一组光路使光波聚焦于光电探测器(9)上，检偏振片的透振方向与起偏振片的透振方向垂直，通过工作平台的移动调整薄膜的位置，读取光波的偏振方向与记录时的光波偏振方向相差为一个定值45°。

5.如权利要求4所述的近场双光子存储的信息读取方法，其特征在于所述的读取光波的偏振方向固定不动。

6.如权利要求1～3所述的近场双光子存储的信息记录或擦除方法，其特征在于所述的记录光源或擦除光源为532nm波长的掺钕矾酸钇固体倍频绿色激光器。

7.如权利要求4～5所述的近场双光子存储的信息读取方法，其特征在于所述的读取光源为650nm波长的的半导体红色激光器。

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