專利名稱：對偶氮液晶聚合物進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、擦除和讀取的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光信息存儲(chǔ)技術(shù)，具體涉及通過雙光子激發(fā)過程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的記錄、擦除和讀取的方法。
基于雙光子激發(fā)過程的光存儲(chǔ)技術(shù)被認(rèn)為是可以超越光學(xué)衍射分辨率極限的下一代超高密度數(shù)字記錄的關(guān)鍵技術(shù)之一。雙光子激發(fā)是指介質(zhì)吸收兩個(gè)低能光子從而被激發(fā)到高能態(tài)的過程，雙光子存儲(chǔ)則是指利用雙光子吸收過程改變存儲(chǔ)介質(zhì)的局部物理特性(如吸收率、折射率、熒光度等)、從而實(shí)現(xiàn)信息記錄、擦除和讀取的一種存儲(chǔ)方法。由于雙光子吸收是一種非線性光學(xué)效應(yīng)，通常只局限在光強(qiáng)足夠大的焦點(diǎn)或兩束光的交點(diǎn)處。利用這一特點(diǎn)可以減少存儲(chǔ)介質(zhì)上數(shù)據(jù)符的空間體積，增加單位面積存儲(chǔ)密度，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)三維空間尋址的多層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了可能性。
雙光子存儲(chǔ)的原理確立于八十年代末。由于大多數(shù)材料的雙光子吸收幾率很小，存儲(chǔ)過程需要大功率的脈沖激光光源。目前雙光子存儲(chǔ)采用的記錄介質(zhì)包括光致聚合材料(如丙烯酸脂)、光致變色材料(如螺旋苯吡喃)和光致折變材料(如無機(jī)材料鈮酸鋰晶體)等。但上述技術(shù)中普遍存在的問題是只能采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大的大功率(約102W量級(jí))脈沖激光光源(如NdYAG釔釹石榴石激光器)，存儲(chǔ)過程成本昂貴，使雙光子存儲(chǔ)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，難以得到實(shí)際應(yīng)用。(見D.Day，M.Gu and A.Smallridge，Optics Letters.Vol.24，1999年，第948頁)另一方面，側(cè)鏈型偶氮液晶聚合物作為一種光致折變材料可以在光的誘導(dǎo)下產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，并已被應(yīng)用于圖象存儲(chǔ)(見T.Ikeda and O.Tsutsumi，Science.Vol.268，1995年，第1873頁，文獻(xiàn)中采用紫外光源在偶氮液晶聚合物的第一吸收峰附近實(shí)現(xiàn)了單光子的圖象存儲(chǔ))，但目前尚未見到偶氮液晶聚合物的雙光子存儲(chǔ)的報(bào)道。
本發(fā)明的目的在于提供一種在偶氮液晶聚合物上采用雙光子存儲(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的記錄、擦除和讀取的方法，以降低激光器功率、減少設(shè)備體積，從而降低存儲(chǔ)成本，使雙光子存儲(chǔ)技術(shù)能夠得到實(shí)際應(yīng)用。
本發(fā)明的關(guān)鍵之處是在偶氮液晶聚合物的第二吸收峰處利用雙光子激發(fā)從而產(chǎn)生光致雙折射現(xiàn)象。這種光致雙折射激發(fā)過程的閾值很低(一般小于100W/cm2)，可以通過小型激光器的照射得以實(shí)現(xiàn)，而且具有可擦重寫的性質(zhì)。本發(fā)明的另一關(guān)鍵之處是在光學(xué)各向同性的介質(zhì)背景上記錄各向異性的斑點(diǎn)(所記錄的光學(xué)各向異性斑點(diǎn)稱為數(shù)據(jù)符)。這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)符有無”的比特存儲(chǔ)，還可以采用角度復(fù)用方法實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)符光軸方向變化”的灰階存儲(chǔ)，以提高介質(zhì)的單位面積信息容量。
本發(fā)明具體包含以下技術(shù)方案一種對偶氮液晶聚合物進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄的方法，仍然是將激光器產(chǎn)生的光波對記錄介質(zhì)進(jìn)行照射，但其原理基于線偏振雙光子激發(fā)的光致雙折射現(xiàn)象，其過程與現(xiàn)有技術(shù)中對偶氮液晶聚合物進(jìn)行單光子圖象存儲(chǔ)及對其它材料進(jìn)行雙光子存儲(chǔ)的均有所不同。具體過程如下均勻涂敷于透明基片上的偶氮液晶聚合物在室溫下(遠(yuǎn)低于材料的玻璃化溫度)形成各向同性的固體薄膜，作為記錄介質(zhì)層；涂敷了記錄介質(zhì)的基片稱為盤片，支承于機(jī)械移動(dòng)裝置上；將作為記錄光源的激光器產(chǎn)生的能使介質(zhì)產(chǎn)生雙光子激發(fā)雙折射的光波通過起偏振片變成線偏振光，再通過會(huì)聚透鏡垂直聚焦于記錄介質(zhì)層；在焦點(diǎn)處記錄介質(zhì)通過雙光子激發(fā)產(chǎn)生雙折射，形成光軸垂直于記錄光波偏振方向的光學(xué)各向異性的斑點(diǎn)，作為記錄的數(shù)據(jù)符；通過旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)盤片使焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，將數(shù)據(jù)記錄在介質(zhì)層的不同部位；若記錄時(shí)固定光波的偏振方向，則數(shù)據(jù)符的光軸方向與焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的切線方向之間形成的夾角α保持不變，這時(shí)通過數(shù)據(jù)符的有無實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制的比特存儲(chǔ)；若記錄時(shí)改變光波的偏振方向，這可通過一些物理方法來實(shí)現(xiàn)，如改變起偏振片極化方向的方法或磁光調(diào)制的方法，則數(shù)據(jù)符的光軸方向與焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的切線方向之間形成的夾角α隨著光波偏振方向的變化而相應(yīng)變化為αi(i＝1，2，...N)，亦即通過改變光波的偏振方向(即角度復(fù)用方法)實(shí)現(xiàn)N進(jìn)制的灰階存儲(chǔ)。也就是說，本發(fā)明的記錄過程之特征體現(xiàn)在以下方面所述的記錄介質(zhì)層為光學(xué)各向同性的固體薄膜，無須作預(yù)取向處理；所述的記錄光源的波長必須能使介質(zhì)產(chǎn)生雙光子激發(fā)雙折射，一般為500～560nm，以在綠色光的波長范圍內(nèi)為佳(便于選擇激光器)；所述的聚焦于記錄介質(zhì)層的記錄光波為線偏振光，記錄的數(shù)據(jù)符為光學(xué)各向異性斑點(diǎn)；所述的改變光波偏振方向的角度復(fù)用方法實(shí)現(xiàn)了N進(jìn)制的灰階存儲(chǔ)，用以提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。
一種對偶氮液晶聚合物進(jìn)行數(shù)據(jù)擦除的方法，仍然是將激光器產(chǎn)生的光波對已記錄了數(shù)據(jù)的介質(zhì)進(jìn)行照射，但其原理基于圓偏振雙光子激發(fā)的雙折射消除現(xiàn)象，其過程與現(xiàn)有技術(shù)中亦有所不同。具體過程如下將作為擦除光源的激光器產(chǎn)生的能使介質(zhì)產(chǎn)生雙光子吸收的光波通過起偏振片變成線偏振光，再通過λ/4波片變成圓偏振光，然后通過會(huì)聚透鏡垂直聚焦于已記錄了數(shù)據(jù)的盤片介質(zhì)層上；通過旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)盤片使焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，聚焦于數(shù)據(jù)符上的圓偏振光將使各向異性的光斑消失，從而擦除盤片上不同部位的數(shù)據(jù)。也就是說，本發(fā)明的擦除過程之特征體現(xiàn)在以下方面所述的擦除光源的波長必須能使介質(zhì)產(chǎn)生雙光子吸收，一般亦為500～560nm，以與記錄光源的波長相同為佳(這樣可以將記錄光源和擦除光源采用同一個(gè)激光器以減少設(shè)備成本，擦除效果亦較好)；所述的擦除光源為圓偏振光，能有效地消除數(shù)據(jù)符的光學(xué)各向異性。
一種對偶氮液晶聚合物進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取的方法，仍然是將激光器產(chǎn)生的光波對已記錄了數(shù)據(jù)的介質(zhì)進(jìn)行照射，但其原理基于雙折射材料的偏振干涉效應(yīng)，其過程亦有別于現(xiàn)有技術(shù)。具體過程如下將作為讀取光源的激光器產(chǎn)生的在介質(zhì)雙光子吸收帶以外的光波通過起偏振片變成線偏振光，再通過會(huì)聚透鏡垂直聚焦于已記錄了數(shù)據(jù)的盤片介質(zhì)層上；通過旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)盤片使焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，從而讀取盤片上不同部位的數(shù)據(jù)；透過記錄介質(zhì)的發(fā)散光束由第二個(gè)會(huì)聚透鏡收集聚焦于光電探測元件上，其光強(qiáng)將轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)以作進(jìn)一步處理；在第二會(huì)聚透鏡與光電探測元件之間需放置檢偏振片，使檢偏振片的極化方向與起偏振片的極化方向互相垂直。由于到達(dá)光電探測元件表面的光強(qiáng)I與sin22α成正比，因此，在比特存儲(chǔ)情況下，使讀取時(shí)的光波偏振方向與記錄時(shí)的光波偏振方向相差為一個(gè)定值45°，可通過一些物理方法來實(shí)現(xiàn)，如改變起偏振片的極化方向的方法或磁光調(diào)制的方法，此時(shí)數(shù)據(jù)符的光軸方向與焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的切線方向之間形成的夾角α即為45°，透過數(shù)據(jù)符而到達(dá)光電探測元件表面的光強(qiáng)I為最大，以得到最大反差，提高信噪比；在灰階存儲(chǔ)情況下，使讀取時(shí)的光波偏振方向固定不動(dòng)，此時(shí)即有α＝α1，α2，...αN，光電探測元件表面的光強(qiáng)即有N個(gè)不同值。也就是說，本發(fā)明的讀取過程之特征體現(xiàn)在以下方面所述的讀取光源的波長應(yīng)遠(yuǎn)離介質(zhì)的吸收帶，不致明顯減弱數(shù)據(jù)符的各向異性，一般為630nm以上，以在紅色光的波長范圍內(nèi)為佳(便于選擇激光器)；所述的記錄盤片處于一對正交偏振片之間，根據(jù)數(shù)據(jù)符的雙折射特性，利用偏振干涉效應(yīng)讀取數(shù)據(jù)；所述的偏振干涉原理與角度復(fù)用方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)灰階存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀取。
對于上述數(shù)據(jù)記錄或擦除方法，可以采用綠色光波長的礬酸釔固體倍頻激光器(其波長為532nm)作為光源，此光子能量與偶氮液晶聚合物的第二吸收峰處的雙光子吸收特性相匹配，能使介質(zhì)產(chǎn)生高效的雙光子激發(fā)雙折射。對于上述數(shù)據(jù)讀取方法，則可以采用紅色光波長的半導(dǎo)體激光器(其波長為650nm)作為光源，由于該波長遠(yuǎn)離記錄介質(zhì)的吸收帶，使得讀取過程不致對數(shù)據(jù)位上記錄的信息產(chǎn)生破壞。上述綠色光及紅色光波長的激光器已經(jīng)具有小型化的商業(yè)產(chǎn)品。
根據(jù)以上敘述可知，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1)由于偶氮液晶聚合物在532nm附近具有很高的非線性光學(xué)系數(shù)和較低的雙光子激發(fā)閾值，因此，可充分利用商業(yè)化小型激光器的優(yōu)勢來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)，明顯地降低了激光器的功率、減小了設(shè)備體積，從而降低了存儲(chǔ)成本，使得雙光子存儲(chǔ)的實(shí)際應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)；2)利用偶氮液晶聚合物的光致雙折射效應(yīng)進(jìn)行角度復(fù)用，可以實(shí)現(xiàn)N階灰度存儲(chǔ)，從而提高了介質(zhì)的信息存儲(chǔ)容量；3)偶氮液晶聚合物的雙光子存儲(chǔ)具有可擦重寫的特點(diǎn)，適用于更寬的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域；4)選擇在各向同性的背景上記錄各向異性的數(shù)據(jù)符，并采用偏振干涉法讀取，具有較高的對比度和信噪比。
附

圖1為在偶氮液晶聚合物薄膜上進(jìn)行雙光子存儲(chǔ)用的光存儲(chǔ)器的主要結(jié)構(gòu)以及存儲(chǔ)光路示意圖。它由一套裝置實(shí)現(xiàn)記錄、擦除、讀取三種功能。
附圖2為采用上述方法在偶氮液晶聚合物薄膜上記錄的數(shù)據(jù)符示意圖。在比特方法存儲(chǔ)中，0位對應(yīng)于無數(shù)據(jù)符的位置，1位對應(yīng)于光軸方向固定的數(shù)據(jù)符；在灰階方法存儲(chǔ)中，每個(gè)數(shù)據(jù)符代表的信息由數(shù)據(jù)符的光軸方向決定。
附圖3為.數(shù)據(jù)符的光軸方向與焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的切線方向之間形成的夾角α的示意圖。
具體的操作步驟及信息存儲(chǔ)過程的實(shí)施例如下參照附圖1。進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄時(shí)，由激光器1產(chǎn)生的記錄光波透過選擇反射鏡2、起偏振片3和會(huì)聚透鏡5以線偏振光的形式聚焦在記錄介質(zhì)薄膜6上，焦點(diǎn)中心處的介質(zhì)經(jīng)雙光子吸收產(chǎn)生具有雙折射的斑點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)據(jù)符的記錄，通過調(diào)整機(jī)械移動(dòng)裝置以旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)盤片7，再通過調(diào)整起偏振片的角度以改變光束偏振方向從而實(shí)現(xiàn)比特存儲(chǔ)或N進(jìn)制的灰階存儲(chǔ)；進(jìn)行數(shù)據(jù)擦除時(shí)，將λ/4波片4插入起偏振片3和會(huì)聚透鏡5之間，擦除光波透過選擇反射鏡2、起偏振片3、λ/4波片4后變?yōu)閳A偏振光，再經(jīng)會(huì)聚透鏡5聚焦于介質(zhì)薄膜6上時(shí)，可以消除數(shù)據(jù)符的雙折射，即實(shí)現(xiàn)了信息的擦除；讀取數(shù)據(jù)時(shí)，由選擇反射鏡2將激光器11產(chǎn)生的讀取光波反射而引入光路，再透過起偏振片3和會(huì)聚透鏡5在介質(zhì)薄膜6上聚焦，透過記錄盤片的發(fā)散光束由會(huì)聚透鏡8收集，并經(jīng)過檢偏振片9聚焦于光電探測元件10的接受面，透過這種起偏振片/記錄盤片/檢偏振片三明治結(jié)構(gòu)的光強(qiáng)I與α有關(guān)(α即數(shù)據(jù)符的光軸方向與焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的切線方向之間的夾角)，利用光電探測器檢測透射光的強(qiáng)弱，即可讀取記錄的數(shù)據(jù)。上述所用的記錄光波和擦除光波均由532nm的摻釹礬酸釔固體倍頻激光器產(chǎn)生，所用的讀取光波由650nm的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生，所用的選擇反射鏡2僅反射紅色讀取光，所用的偶氮液晶聚合物薄膜可為各向同性的“聚甲基丙烯酸(對-氰基偶氮苯氧基)乙基酯”薄膜，其制備方法可采用旋涂法將選定的偶氮液晶聚合物溶于特定溶劑(例如四氫呋喃)后滴于透明基片上，然后高速旋轉(zhuǎn)，溶液干燥后就在基片上形成厚度均勻的光學(xué)各向同性薄膜。
權(quán)利要求
1.一種對偶氮液晶聚合物進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄的方法，將激光器產(chǎn)生的光波對記錄介質(zhì)進(jìn)行照射，其特征在于如下具體過程均勻涂敷于透明基片上的偶氮液晶聚合物在室溫下形成各向同性的固體薄膜，作為記錄介質(zhì)層；涂敷了記錄介質(zhì)的基片稱為盤片，支承于機(jī)械移動(dòng)裝置上；將作為記錄光源的激光器產(chǎn)生的能使介質(zhì)產(chǎn)生雙光子激發(fā)雙折射的光波通過起偏振片變成線偏振光，再通過會(huì)聚透鏡垂直聚焦于記錄介質(zhì)層；在焦點(diǎn)處記錄介質(zhì)通過雙光子激發(fā)產(chǎn)生雙折射，形成光軸垂直于記錄光波偏振方向的光學(xué)各向異性的斑點(diǎn)，作為記錄的數(shù)據(jù)符；通過旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)盤片使焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，將數(shù)據(jù)記錄在介質(zhì)層的不同部位；所述的記錄光波偏振方向固定不動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的對偶氮液晶聚合物進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄的方法，其特征在于通過物理方法改變所述的記錄光波的偏振方向。
3.一種對偶氮液晶聚合物進(jìn)行數(shù)據(jù)擦除的方法，將激光器產(chǎn)生的光波對已記錄了數(shù)據(jù)的介質(zhì)進(jìn)行照射，其特征在于如下具體過程將作為擦除光源的激光器產(chǎn)生的能使介質(zhì)產(chǎn)生雙光子吸收的光波通過起偏振片變成線偏振光，再通過λ/4波片變成圓偏振光，然后通過會(huì)聚透鏡垂直聚焦于已根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法記錄了數(shù)據(jù)的盤片介質(zhì)層上；通過旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)盤片使焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，從而擦除盤片上不同部位的數(shù)據(jù)。
4.一種對偶氮液晶聚合物進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取的方法，將激光器產(chǎn)生的光波對已記錄了數(shù)據(jù)的介質(zhì)進(jìn)行照射，其特征在于如下具體過程將作為讀取光源的激光器產(chǎn)生的在介質(zhì)吸收帶以外的光波通過起偏振片變成線偏振光，再通過會(huì)聚透鏡垂直聚焦于已根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法記錄了數(shù)據(jù)的盤片介質(zhì)層上；通過旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)盤片使焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，從而讀取盤片上不同部位的數(shù)據(jù)；透過記錄介質(zhì)的發(fā)散光束由第二個(gè)會(huì)聚透鏡收集聚焦于光電探測元件上，在第二會(huì)聚透鏡與光電探測元件之間需放置檢偏振片，使檢偏振片的極化方向與起偏振片的極化方向互相垂直；讀取光波的偏振方向與記錄時(shí)的光波偏振方向相差為一個(gè)定值45°。
5.如權(quán)利要求4所述的對偶氮液晶聚合物進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取的方法，其特征在于所述的讀取光波通過會(huì)聚透鏡垂直聚焦于已根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法記錄了數(shù)據(jù)的盤片介質(zhì)層上；讀取光波的偏振方向固定不動(dòng)。
6.如權(quán)利要求1～3所述的對偶氮液晶聚合物進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄或擦除的方法，其特征在于所述的記錄或擦除光源為532nm波長的摻釹礬酸釔固體倍頻綠色激光器。
7.如權(quán)利要求4～5所述的對偶氮液晶聚合物進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取的方法，其特征在于所述的讀取光源為650nm波長的的半導(dǎo)體紅色激光器。
全文摘要
本發(fā)明屬于光信息存儲(chǔ)技術(shù),具體涉及通過雙光子激發(fā)過程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的記錄、擦除和讀取的方法。其關(guān)鍵之處是在偶氮液晶聚合物的第二吸收峰附近利用雙光子激發(fā)從而產(chǎn)生光致雙折射現(xiàn)象。它采用各向同性的偶氮液晶聚合物固體薄膜作為存儲(chǔ)介質(zhì),采用綠色波長激光器作為記錄和擦除光源、紅色波長激光器作為讀取光源,并采用角度復(fù)用方法實(shí)現(xiàn)灰階存儲(chǔ)。本發(fā)明所需激光器功率低、設(shè)備體積小,降低了存儲(chǔ)成本,使得雙光子存儲(chǔ)的實(shí)際應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G11B7/00GK1343972SQ0011254
公開日2002年4月10日 申請日期2000年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月15日
發(fā)明者梁忠誠, 明海, 章江英, 張其錦, 龍?jiān)茲? 夏勇, 吳云霞, 謝建平 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)