專利名稱：光折射全息記錄介質(zhì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及用于形成光折射全息記錄介質(zhì)的材料。本發(fā)明尤其涉及但不專門涉及一組用做永久性的重寫全息介質(zhì)的材料。
我們現(xiàn)在生活在一個信息驅(qū)動的時代，關(guān)鍵性限制難題之一涉及有關(guān)數(shù)據(jù)的存儲和快速檢索。永久記錄的CD由一系列蝕刻在表面內(nèi)的凹坑和凹槽組成，可重寫CD采用一薄的非晶形層的表面結(jié)晶化/非結(jié)晶化，其中的信息以數(shù)字編碼并可光學(xué)讀取。磁盤同樣以在磁性介質(zhì)表面上不同排列的磁疇的方式存儲數(shù)字信息。數(shù)據(jù)存儲業(yè)務(wù)巨大2002年磁盤驅(qū)動器的年銷售額預(yù)測將超過500億美元。
基于二維(2D)存儲器的數(shù)據(jù)存儲如光學(xué)讀/寫凹坑、凹槽或磁疇正在達到給定材料的理論極限。現(xiàn)在正在尋找新的技術(shù)，以便在不久的將來成幾倍數(shù)量級地降低每兆字節(jié)的價格，提高磁盤驅(qū)動器的數(shù)據(jù)存儲能力以及數(shù)據(jù)記錄和檢索的速度。該問題的技術(shù)解決方案實質(zhì)上是三重的。首先，將凹坑和凹槽的尺寸減小到幾個納米可能會達到1010-1012bits/mm2的極限。但是這樣一種解決方案不可避免地受到成本高昂的精密機械的限制，需要特殊的環(huán)境(高真空或純液態(tài))，最重要的是由于2D技術(shù)的固有缺陷-連續(xù)閱讀非常慢，導(dǎo)致存儲數(shù)據(jù)的存取時間特別長。
滿足數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)日益增加的需求的第二種技術(shù)解決方案，是在凹坑和凹槽三維光學(xué)寫入的基礎(chǔ)上發(fā)展成一多層系列。代替現(xiàn)在的一層CD或現(xiàn)在的兩層DVD，使用例如光折射聚合物或熒光材料的多層盤的正在被考慮中。這種針對數(shù)據(jù)存儲問題的技術(shù)解決方案也有嚴重的缺陷，例如由于重疊問題(由于干涉和散射的干擾)造成感光層數(shù)量受限，最重要的是降低了串行數(shù)據(jù)處理速度。
針對未來磁盤驅(qū)動器數(shù)據(jù)存儲問題的第三種技術(shù)解決方案在于全息數(shù)據(jù)記錄和檢索。因此本發(fā)明的一個目的是至少部分減輕上述問題。
這樣，整個信息“頁”可以被存儲在一種介質(zhì)內(nèi)儲存的單張全息圖中，很多全息圖可以被同時存儲在一3D區(qū)域中。使用這種方法的數(shù)據(jù)存儲理論極限接近1010bits/mm3(與一N-層CD用的N×4×106bits/mm3相比)，因此提供的前景是數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)能夠存儲千兆字節(jié)的信息，數(shù)量級遠遠大于采用現(xiàn)在技術(shù)的數(shù)量級。同等(或更加)重要的是，由于整個全息圖(頁)一次讀取，而不是逐位讀取信息，因此存儲數(shù)據(jù)的檢索速度也相應(yīng)大大提高(具有Gbit/sec的數(shù)量級)。
通?？梢越邮艿囊环N適合的記錄在商業(yè)一直是不可行的。實際上任何感光材料都可以用于全息記錄；但是長期數(shù)據(jù)存儲、靈敏度、成本、記錄速度、全息圖顯影只是限制可用材料中只有少數(shù)能夠潛在應(yīng)用于全息數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域的問題中的一些問題。用于如藝術(shù)全息照相的常規(guī)材料如鹵化銀材料、重鉻酸鹽明膠、 細菌視紫紅質(zhì)(bacteriorhodospin)等通常不適于數(shù)據(jù)存儲，因為它們通常需要濕處理并且是不可逆的。因此，實際上目前正廣泛研究的有兩組主要材料。
其中第一組，摻雜離子的鐵電氧化物如鈮酸鋰在實驗室中已經(jīng)使用很多年了。記錄在這些材料內(nèi)的全息圖由大量空間電荷圖案構(gòu)成。缺點包括價格昂貴、靈敏度差(需要非常高的照明功率密度)和由于讀取期間遭到破壞而造成的干擾危險。此外，為了達到該材料的理論極限，在精密排列的晶體中對波長和/或角度倍增法的需求需要使用非常昂貴的裝置等。
其中的第二組即聚合物記錄很有前途，并且由于其制備方法簡單和成本較低而日益受到歡迎。在聚合物記錄中使用了幾個物理規(guī)則。用于這種用途的材料必須依賴照明區(qū)內(nèi)聚合產(chǎn)生的折射率變化(基本上是一種不可逆過程，一種由于聚合期間聚合物收縮引起全息圖明顯變形的一次型寫入存儲器)，或依賴通過引導(dǎo)空間電荷場形成的干涉激光束造成的光自由俘獲電荷的圖像重疊以及因此產(chǎn)生的折射率調(diào)制；這些是光折射聚合物(可逆，但是具有非?？斓陌祬^(qū)張馳，及需要一外部電場)。
在雙光子吸收之后在異構(gòu)體狀態(tài)經(jīng)歷變化的光致變色材料和光二向色聚合物也是廣泛研究的主題。這些材料是可逆的，感光較快(msec)；但是缺點通常包括非?？斓陌祬^(qū)張馳，短的暗區(qū)存儲時間及要求相干UV光源。有機聚合物由于可能過熱(導(dǎo)致化學(xué)分解)也受較低光強度閾值的限制。
直到現(xiàn)在，已經(jīng)用于現(xiàn)在的CD和DVD技術(shù)的2D數(shù)據(jù)存儲材料硫?qū)倩锊Ａ?，作為全息?shù)據(jù)存儲的潛在材料，只引起了很少的注意，并且一直主要是學(xué)術(shù)界的注意。
硫?qū)倩锊Ａб辉~限定了由金屬(如As，Ge，Sb)與氧族(即硫族S，Se，Te)內(nèi)的重元素結(jié)合而制成的一大族各種材料。有很多這種玻璃形成的硫族化物組合物。一般而言，硫?qū)倩锊ＡУ牟ＡмD(zhuǎn)變溫度低(通常為1800℃-300℃)，折射率高(通常為2.5)。雖然依賴組成，但是這些玻璃的透明度范圍(大約)為0.8-15微米的區(qū)域。
硫?qū)倩锊ＡУ莫毺靥攸c之一是它們的光學(xué)性能中在帶隙照明作用下經(jīng)受可逆變化的能力，如物理學(xué)進展44(1995)，475中K.Shimakawa，A.Kolobov和S.R Elliott的文章非晶形半導(dǎo)體和絕緣體內(nèi)的光致效應(yīng)和亞穩(wěn)性所述。用于全息記錄的硫?qū)倩锊ＡЮ昧宋鍌€基本原理光致變暗，折射率變化和吸收非偏振光時的吸收系數(shù)；光致各向異性，吸收偏振光時折射率和吸收系數(shù)的變化；弛豫結(jié)構(gòu)的變化，玻璃基質(zhì)的光致膨脹和收縮；硫?qū)倩锊Ａ饴秴^(qū)域在溶劑中的濕浸蝕；及硫族化物與直接接觸樣品(如銀，銅等)照明區(qū)域內(nèi)材料的光摻雜。
標量光致變暗(即不依賴誘導(dǎo)光的偏振的光學(xué)性能中的光致變化)是硫?qū)倩锊Ａе械囊粋€被很好研究了的光學(xué)性能，并且在相關(guān)技術(shù)中被認為是由下面一或多個過程引起造成原子鍵裂開，原子距離或鍵角分布變化，或光致化學(xué)反應(yīng)如非晶形-As2S3<->結(jié)晶體As2S3。
由于光致變暗伴隨的折射率變化通常大于在光折射晶體或聚合物中的變化，并且能夠達到n-0.1-0.2(作為對比，摻雜鐵的LiNbO3鐵電晶體為n-10-4)。早在19世紀70年代，玻璃質(zhì)的As2S3薄膜的光學(xué)吸收的可逆光致變化(shift)曾經(jīng)被報道和用于在這些材料中進行全息存儲。曾報道過As2S3薄膜在采用15mW的激光功率(Ar-離子激光器)曝光10秒，常規(guī)衍射效率為百分之幾時，穩(wěn)定暗數(shù)據(jù)存儲超過2500小時?；诹?qū)倩锊Ａ?nèi)的光致變暗原理的全息寫入光柵或其它全息元件的衍射效率的類似參數(shù)，由不同的研究者報道過。到目前為止一個重要的研究已經(jīng)被給出[A.Singh，R.A.Lessard和M.Samson，溫度對三硫化砷薄膜內(nèi)記錄的全息圖的衍射效率的影響，OpticaActa 31(1984)116]，其中表示的全息光柵的衍射效率在溫度達到150℃時戲劇性地降低。該結(jié)論是在溫度高于100℃時As2S3不適合于光學(xué)存儲。將樣品加熱到玻璃軟化溫度現(xiàn)在被用來消除光致變暗[Shimakawa等人]。
光致各向異性，在偏振光照明下的光學(xué)變化(即光致雙折射和二色性)是用于全息圖寫入的硫?qū)倩锊ＡУ牡诙M光學(xué)性能。光學(xué)性能如光致二色性(吸收的各向異性)或雙折射性(折射的各向異性)已經(jīng)在很多種硫?qū)俨牧弦苑蔷伪∧ず痛髩K玻璃形式進行了研究。這些研究導(dǎo)致發(fā)明了適合用做全息數(shù)據(jù)存儲的一種新介質(zhì)材料。As2S3薄膜內(nèi)約～3.10-3的折射率變化在1977年首先由Zhdanov和Malinovsky觀察到，從那時起發(fā)表的有關(guān)該主題的論文幾乎有100篇之多。與光致各向異性有關(guān)的結(jié)構(gòu)變化是探索的主題；但是人們通常已經(jīng)承認光致各向異性的結(jié)構(gòu)性起源在本質(zhì)上不同于標量光致變暗的起源。帶電原子缺陷的再定向，玻璃基質(zhì)內(nèi)結(jié)晶體單元的定向和鍵角分布的改變同樣全部被認為是光致各向異性的起源。利用光致各向異性的硫?qū)倩锊Ａ?nèi)的第一次全息記錄[見Ozols等的非晶形半導(dǎo)體膜內(nèi)的全息記錄，SPIE 2968(1997)282]由Kwak等完成。采用Ar-離子激光束(514nm)和50mW/cm2的光強度時，在幾十秒的數(shù)量級內(nèi)，達到最大衍射效率(～0.2％)[C.H.Kwak，J.T.Kim和S.S.Lee，在光致各向異性非晶形As2S3薄膜內(nèi)記錄的標量和矢量全息光柵，Optics Lett.13(1988)437]。通過將線性偏振光的方向變換到與誘導(dǎo)光束正交的方向，該效果基本是可逆的。采用偏振光時衍射元件的全息寫入的類似特征性能同樣也被報道了；但是硫?qū)倩锊Ａе惺噶抗庵赂飨虍愋匝芯款I(lǐng)域仍然處于較不發(fā)達狀態(tài)。與標量變化相同，全息數(shù)據(jù)記錄的矢量各向異性的潛在用途受到硫?qū)倩锊Ａ崃W(xué)不穩(wěn)定性的影響，其中在環(huán)境溫度或高溫下長期存儲的弛豫變化，或讀出期間遭受的損壞，通常把全息圖的效率降低到不能夠接受的水平。
弛豫結(jié)構(gòu)變化，玻璃基質(zhì)的粘性和容積(膨脹)的巨大變化已經(jīng)被觀察到，并用于全息記錄中作為玻璃基質(zhì)上的表面浮雕圖案。所產(chǎn)生的表面浮雕圖案是穩(wěn)定的，能夠被存儲很長的時間。這種全息元件的衍射效率可以達到百分之幾(表面浮雕圖案的振幅是幾十納米)；但是，由于觀察到的變化通常是關(guān)于表面的變化，并且只是部分可逆的(最大衍射效率利用未摻雜過的、以前照明的樣品獲得)，因此該方法通常不適合全息數(shù)據(jù)記錄。
為完備起見，硫?qū)倩锊Ａ?nèi)的光致全息圖的濕蝕刻，利用硫?qū)倩锊ＡС洚斢行У臒o機光致抗蝕劑的特性，其中樣品上被照明和未被照明的區(qū)域易受溶劑破壞(正和負作用溶劑都可使用)。這些效果有可能用于制造聚合物應(yīng)允的全息主元件；但是它通常不適合全息數(shù)據(jù)存儲，因為它要求很長時間的記錄數(shù)據(jù)顯影。硫?qū)倩锊ＡУ墓鈸诫s利用了硫?qū)倩锊ＡУ囊环N公知特性，能夠有效溶解與樣品照明區(qū)域物理接觸的材料。盡管這對一次型的存儲器可能有吸引力，但是這種效果通常既慢且又不可逆，并且也不會考慮將其優(yōu)選用于全息數(shù)據(jù)存儲。
盡管上述被記錄的全息元件通常被認為在室溫下是穩(wěn)定的，但是一些硫?qū)倩锊ＡУ拈L時間熱力學(xué)不穩(wěn)定性顯然妨礙了這些材料的商業(yè)化。如同大多數(shù)有機聚合物材料一樣，在硫?qū)倩锊Ａе羞€有一個主要問題實際上是誘導(dǎo)全息圖在材料內(nèi)的臨時固定。如果這個問題已經(jīng)被克服了，那么硫?qū)僭鼗飳⒖赡鼙挥糜谖磥砉獗P的光學(xué)數(shù)據(jù)存儲。
因此本發(fā)明的一個目的是至少部分減少上述問題。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種全息記錄介質(zhì)，包括一種非晶形基質(zhì)材料，它隨著溫度上升到高于一預(yù)定轉(zhuǎn)變溫度，經(jīng)受一從第一熱力學(xué)相到第二熱力學(xué)相的相變；多個嵌入該基質(zhì)材料內(nèi)的光敏分子單元，它們能夠根據(jù)來自光源的照明進行定向；從而可以使所述分子單元在所述基質(zhì)材料處在等于或高于所述轉(zhuǎn)變溫度時進行這種定向，但是在溫度低于所述轉(zhuǎn)變溫度時保持基本固定的方向。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種形成全息元件的方法，包括步驟將一非晶形基質(zhì)材料加熱到一預(yù)定轉(zhuǎn)變溫度以上，在該轉(zhuǎn)變溫度下所述材料經(jīng)受一從第一熱力學(xué)狀態(tài)到第二熱力學(xué)狀態(tài)的熱力學(xué)相變；通過光源有選擇性地照明所述基質(zhì)材料，從而根據(jù)照明光定向嵌入所述基質(zhì)材料內(nèi)的光敏分子單元的方向；以及接著將所述基質(zhì)材料冷卻到所述轉(zhuǎn)變溫度以下，達到使所述基質(zhì)材料處于第一熱力學(xué)狀態(tài)的溫度，從而基本固定所述分子單元的方向。
下面將參照附圖和僅通過下述實例描述本發(fā)明的實施例，其中

圖1表示衍射圖案的比較。
圖2表示As4Se3薄膜受到線性偏振光照射時的典型性能。
圖3表示光致各向異性的詳細情況。
圖4表示一光學(xué)系統(tǒng)。
圖5表示一套干涉圖案。
在這些附圖中相同的附圖標記表示相同的部件。
本發(fā)明的實施例用于提供幾種全息記錄的新型光折射材料，它們沒有現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，例如易失讀取(讀取易消除)，短的暗存儲時間，不可逆性或需要昂貴的光源。
按照本發(fā)明的一方面，一種全息存儲介質(zhì)，包括一種熱介質(zhì)，該介質(zhì)含有嵌入基質(zhì)材料內(nèi)的A4B3或A4B4(A＝P，As和B＝S，Se，Te)類型的分子簇化合物。對可該基質(zhì)材料的要求是為該分子單元提供一種適當?shù)沫h(huán)境，并可由任何一種非晶形無機固體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(network)組成，該固體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由具有與分子單元相同的組成原子或不同原子的組合構(gòu)成，形成一種非晶形無機結(jié)構(gòu)和/或一種有機聚合物相。
當通過相干線性偏振光照明而在該介質(zhì)內(nèi)形成一種干涉圖案時，在該干涉圖案的亮區(qū)內(nèi)，分子單元相對于線性偏振光的電場矢量定向，從而引起被照明區(qū)域內(nèi)折射率的優(yōu)選整個重新分布，在該介質(zhì)內(nèi)形成一體相位全息圖和其它全息元件。
如在全息技術(shù)中所公知和清楚的那樣，體相位全息圖將信息記錄為能被有效進行記錄的介質(zhì)內(nèi)的折射率調(diào)制。在實施本發(fā)明時，能夠在一種含有A4B3或A4B4(A＝P，As和B＝S，Se，Te)類型的分子化合物玻璃基質(zhì)結(jié)晶體材料內(nèi)引起分子折射率的大量調(diào)制。這些材料可以利用固態(tài)物理和化學(xué)領(lǐng)域中各種公知的方法制備。在我們的實例中，無機玻璃基質(zhì)結(jié)晶體能夠通過摩爾比率為4∶3的熔融As和Se的熱蒸發(fā)來制備。硅襯底上的熔融物以每秒1-3nm的蒸發(fā)速度高真空蒸發(fā)，使由嵌入有As4Se3分子單元的非晶形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的材料得以制備。分子單元相的濃度取決于幾種條件，如熔融溫度，襯底溫度，熔融物內(nèi)元素的摩爾比率，蒸發(fā)比率，形成的膜的溫度處理等，并且不必再進一步限定。據(jù)測，為了制備該全息介質(zhì)，能夠采用各種制備方法，例如化學(xué)汽相淀積法(CVD)的旋涂；或提取分子單元接著混入聚合物相內(nèi)。同樣，玻璃基質(zhì)結(jié)晶體組合物也可以通過非砷和硒的不同元素的結(jié)合來制備，如砷和硫，磷光物質(zhì)和硫，或磷光物質(zhì)和硒來形成類似As4Se3和As4Se4的分子單元。
研究已經(jīng)表明，如果必要，能夠在線性偏振光的照射下重復(fù)地和可逆地或永久地再定向和對準這些分子單元。光學(xué)性能/全息性能方面的必要變化可以以這種方式產(chǎn)生，因為在對組合光學(xué)性能的作用上，只具有對準的分子單元的和具有對準分子單元以及基質(zhì)介質(zhì)的區(qū)域內(nèi)的折射率或光密度之間的小差別被放大了。
根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例，一種組合物As4Se3的全息元件的制備方法包括熱蒸發(fā)摩爾比率為4∶3的熔融As和Se。有關(guān)這些A4B3籠式分子(A＝P，As和B＝S，Se，Te)熱性能的描述見[R.Blachnik andU.Wickel，A4B3籠式分子(A＝P，As；B＝S，Se)的熱性能，Thermochimica Acta 81(1984)185]。蒸發(fā)速度是每秒1-3nm，得到的膜1μm厚。圖1(a)中As4Se3膜的X射線衍射光譜基本與通過用CS2產(chǎn)品的真空升華和提取處理的同樣材料的衍射光譜相同，它被認為代表圖1(b)所示的α-As2S3分子晶體(Blachnik R.and Wickel U.，Thermochimica Acta，81(1984)，185-196)。圖1所示詳細數(shù)據(jù)在下面將更詳細地提出。圖1表示X射線(CuKα)衍射圖案的比較(a)蒸發(fā)的1μm厚的As4Se3膜；(b)通過真空升華和在CS2內(nèi)提取從而制備的結(jié)晶體α-As4Se3〔從X射線照片估算峰值強度Blachnik andWickel(1984)〕；(c)在溫度約350K下，1μm厚的As4Se3膜退火幾個小時的衍射圖案；(d)單斜晶c-As4Se3的X射線衍射圖〔afterSmail E.J.and Sheldrick G.M.，(1973)Acta Crystallogr.B29，2014〕。
使所述全息圖元件暴露于線性偏振光的處理，可調(diào)制相對于誘導(dǎo)線性偏振光的電矢量的折射率。He-Ne激光(633nm，100mW/cm2)是這種偏振光的一種光源，盡管也可以采用本領(lǐng)域中公知的其它形式。圖2表示幾個連續(xù)循環(huán)中未摻雜過的As4Se3薄膜內(nèi)吸收系數(shù)αII和α⊥的調(diào)制，其中試驗過程中誘導(dǎo)光的電矢量定向于兩個相互正交的方向(由圖2中的箭頭表示)。αII和α⊥分別是被照明樣品在與誘導(dǎo)線性偏振光電矢量平行方向(II)和正交方向(⊥)的吸收系數(shù)。吸收系數(shù)的誘導(dǎo)調(diào)制被表示為透射光強度之比X＝2(III-I⊥)/(III+I⊥)～(III+I⊥)III是用于對準和再定向分子單元的原始的線性偏振He-Ne激光的透射光強度，I⊥是偏振矢量與所述分子單元的對準和再定向線性偏振He-Ne激光正交的該線性偏振He-Ne激光的透射光強度。這用于探索不連續(xù)的短時間間隔的全息元件，即探索該分子單元的對準和再定向量。在光學(xué)領(lǐng)域中已經(jīng)公知和理解，透射光強度測量直接涉及Kramers-Kronig相對關(guān)系的折射率變化。因此，圖2直接表示該材料內(nèi)的折射率調(diào)制。該結(jié)果表明未摻雜過的1μm厚的As4Se3膜用線性偏光照明時的典型性能。偏振變化之間的時間間隔是30分鐘。
當所述對準和再定向激光的電矢量方向變化到正交方向時(由圖2中網(wǎng)格線之間的箭頭代表)，由比率X給定的分子單元相對于以前的激光照明的對準和定向量可能變化到零，即使分子單元的再定向能夠進一步繼續(xù)到與前一個正交的方向。這種定向和擦除的循環(huán)能夠在環(huán)境溫度下重復(fù)幾次。
上面使用的全息元件承受溫度升高。在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中已經(jīng)知道，在由外部加熱或直接通過吸收光升高溫度下，全部由所述A4B3或A4B4分子組成的晶體轉(zhuǎn)變成塑化晶體狀態(tài)。塑化相內(nèi)分子之間的作用力減弱，減弱的方式被認為是在外部典型熱源或機械源場的影響下A4B3或A4B4分子能夠在介質(zhì)內(nèi)較自由地定向。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果必要能夠通過用偏振光照明重復(fù)地、可逆地或永久地定向和對準這種塑化相內(nèi)的分子的方向。在將全息介質(zhì)的溫度冷卻到低于分子的塑相變化溫度之后，在玻璃內(nèi)保持分子單元的這種優(yōu)先再定向。因此，由于分子在塑相形成溫度下的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致一特定的折射率，故光軸的優(yōu)選方向在所述的全息元件內(nèi)被保留。圖3(a)表示在塑相轉(zhuǎn)變溫度下As4Se3樣品在He-Ne線性偏振激光(λ＝632.8nm，及誘導(dǎo)光的強度～50-100mW/cm2)照射下光致各向異性的典型標準。利用樣品的外部加熱，溫度從環(huán)境溫度(303K)增加到塑相轉(zhuǎn)變溫度〔見(a)中虛線給出的溫度曲線圖〕。圖3(b)表示塑相轉(zhuǎn)變溫度下光致各向異性的詳細情況。在該網(wǎng)格線上偏振被改變。誘導(dǎo)光電矢量的相對定向由箭頭表示。注意，與圖2中相比，響應(yīng)時間顯著增加。圖3(a)詳細表示當從環(huán)境溫度加熱到As4Se3轉(zhuǎn)變成塑化結(jié)晶體變形溫度443K附近時，在1μm厚的As4Se3膜內(nèi)所述透射光強度比的典型標準。光致各向異性(X)振幅的顯著增加以及分子再定向和對準所需的更短時間能夠從圖3(b)和圖2的比較中確定。在約400K的溫度下經(jīng)過幾個小時退火之后，As4Se3材料X射線衍射圖案〔見圖1(c)〕與由分子單元As4Se3組成的單斜晶c-As4Se3的X射線衍射圖〔圖1(d)〕的比較表明，如此制備的As4Se3膜內(nèi)由原始占優(yōu)勢的As4Se3分子單元〔圖1(a)〕變成As4Se3分子的巨大變化。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明一實施例的一種以在記錄介質(zhì)內(nèi)的全息圖形式提供記錄數(shù)據(jù)能力的光學(xué)裝置的布置。圖5a，5b和5c將有助于說明怎樣能夠形成各種形式的全息圖案。
全息術(shù)的原理在于兩個相干光束的干涉，一束稱為參考光束，另一束稱為物光束。如果兩束光都是線性偏振的、振幅(強度)和相位(偏振)相等，并且在給定角度下對樣品有相同的入射角，那么它們形成所謂的全息光柵。這種光柵內(nèi)的光強分布51依賴光的波長和入射角度，并且是圖5a所示交替暗區(qū)52和亮區(qū)53的正弦函數(shù)。
但是如果一束線性偏振光的相位相對于另一束發(fā)生移動，從而使例如一束光的偏振角度正交于第二束，那么這兩束一旦在襯底上干涉仍然形成衍射光柵，但是這不是第一實例中的強度光柵，而是相位光柵54。即，干涉光將不存在更亮和更暗的線。事實上，強度分布將是一個常值；但是變化的是相位分布。如果兩個線性偏振光束的偏振軸彼此正交，那么它們在該襯底上相互干涉；所得到的圖案將由圖5b所示圓形偏振光55的區(qū)域和線性偏振光56的區(qū)域的交替區(qū)域構(gòu)成。圓形偏振光的區(qū)域從左手圓形偏振區(qū)域改變到右手圓形偏振區(qū)域(如箭頭所示)。該圖表示極端情況；當然，在邊界處通常有橢圓形偏振光。
但是，在兩束干涉光束都是圓形偏振的情況下，一個右手和第二左手，干涉圖案將再次具有相同的強度，但是該圖案的相位看來象圖5c的相位，該相位表示干涉圖案57由兩種類型的線性偏振光區(qū)域形成。
上兩個實例54和57在全息技術(shù)中被稱為“偏振全息術(shù)”。為了能夠記錄相位圖案，需要一種對光的相位敏感的介質(zhì)。大多數(shù)介質(zhì)只對振幅敏感〔例如鹵化銀(感光乳劑)，鈮酸鋰或大多數(shù)聚合物〕。但是，一些也對相位(偏振)敏感，例如一些光折射聚合物或硫?qū)倩锊Ａ?重要的材料)。相位全息圖與振幅全息圖相比更有效(即對光強度敏感)。本發(fā)明的實施例能夠使用上述任何類型的全息圖。
如果一束光到達一個物體，那么它將被反射；來自物體的光的振幅以及相位通常已經(jīng)被改變了。常規(guī)照相乳劑只記錄振幅變化，因此以一種非?！捌教埂钡男畔?nèi)容結(jié)束。但是如果該光束(物光束)被允許干涉第二“參考”光束，那么它以在樣品上的總光強變化結(jié)束。如果該樣品能夠記錄強度變化，那么只通過采用參考光束對物體的照明就能夠記錄和再現(xiàn)非常真實的物體圖象。這是支持全息數(shù)據(jù)存儲和全息術(shù)的廣泛原理。
圖4表示一種能夠建立全息記錄或閱讀的裝置。該裝置60使用一空間光調(diào)制器(SLM)61，它可以是一個物體，通過亮點和暗點(例如透光液晶顯示器或微反鏡裝置)而具有很好確定的數(shù)據(jù)流。圖4表示兩光束，參考光束62和物光束63。這些被形成為來自被分束的相干光源64(例如激光)第一光束。來自光源64的光通過分束器66被分成兩個相等的部分。這些光束部分沒有被偏離，接著被反射鏡67反射，形成參考光束62，而其它部分被旁路反射到波片68上，形成物光束63，之后兩束被分別對待。同樣有另一個波片69。當光到達這些波片時，光的相位相應(yīng)變化。在兩個波片都是λ/2波片和被適當對準的情況下，能夠在這些λ/2波片的一定方向上終結(jié)，其中偏振矢量線性偏振的光束上部與光束底部正交-這將給出圖5a所示的干涉圖案。在兩個波片都是λ/4波片并被適當對準的情況下，可以在λ/4波片的一定方向上終結(jié)，其中偏振矢量即左手圓形偏振的光束上部正交于該光束底部。原始線性偏振光束的底部可以由λ/4波片對準，以給出一右手圓形偏振光束-這將給出圖5b所示的干涉圖案。
由此在光束底部通過SLM61并被透鏡70“傅立葉變換”即被聚焦到襯底或樣品71上之后，能夠?qū)懭敫缮鎴D案，該圖案隨后能夠由透鏡73適當聚焦并在CCD或CMOS攝影機72上由參考束來讀出。現(xiàn)在可以移動該樣品和記錄另一點。這可以通過移動到一個完全不同的點或通過使用一個相位屏蔽來做到。通常能夠?qū)讉€全息圖記錄在“幾乎”相同的點-所謂的相位多路復(fù)用。
這樣，能夠在樣品71內(nèi)形成一種干涉圖案。如果該樣品的溫度如這里所述受到控制，則嵌入樣品內(nèi)的分子單元能夠被選擇性地定向。如果該樣品接著受到冷卻，那么能夠進行移動，但是將保留干涉信息，因為分子單元將有一個較固定的方向。這將通過SLM保持信息記錄，并能夠接著經(jīng)相同的裝置讀出。
環(huán)境溫度下對準分子單元的重新取向機動性更慢，允許在該材料內(nèi)長時間或永久性地存儲數(shù)據(jù)。這種高溫誘導(dǎo)的各向異性的長時間存儲已經(jīng)在室穩(wěn)下進行了幾個星期的觀察，且在所需時限(數(shù)據(jù)存儲2年以上)內(nèi)其效果是穩(wěn)定的。
本發(fā)明實施例因此提供了一種全息記錄介質(zhì)和形成該介質(zhì)的方法，包括(a)能夠在偏振激光的作用下對準和定向的分子單元和(b)一種非晶形無機玻璃基質(zhì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或有機聚合物形式的基質(zhì)介質(zhì)，其中被嵌入該分子單元。應(yīng)當理解，本發(fā)明不限于這些實施例。
當利用偏振光照明在該介質(zhì)內(nèi)形成一干涉圖案時，在該干涉圖案的亮區(qū)內(nèi)此分子單元相對于線性偏振光的電場矢量定向，從而引起分子單元在前面均勻的介質(zhì)內(nèi)的優(yōu)選空間定向的重新分布，和在該介質(zhì)內(nèi)形成體全息圖。通過在升高溫度下照明硫族化物薄膜，可使對偏振光響應(yīng)的振幅和速度大大提高；接著冷卻到環(huán)境溫度穩(wěn)定此巨大反應(yīng)，從而在方向上固定分子單元。
本發(fā)明的某些實施例提供了比全息存儲介質(zhì)更好的附加優(yōu)點，它能夠存儲偏振全息圖。在一個最佳實施例中，該材料是一種含有分子簇的硫?qū)倩锊Ａ?，在一定處理條件下例如在升高溫度下照明，接著迅速冷卻到環(huán)境溫度，在用偏振光照明之后已經(jīng)能夠形成很大的二色性和雙折射。
已經(jīng)被確定為一種全息存儲介質(zhì)的材料是在玻璃基體內(nèi)分散有As4Se3分子的As-Se硫?qū)倩锖辖?。在引起二色性或雙折射中，偏振光的作用被認為是在由偏振光的電矢量確定的方向上旋轉(zhuǎn)這些基質(zhì)內(nèi)的偶極分子。這種看法的理由之一是含有小濃度的As4Se3分子的材料的飽和二色性值較小。
對簇分子例如As4Se3非常靈敏的探索是喇曼光譜，其中窄帶振動光譜比寬帶典型主非晶形基質(zhì)具有更高的分辨率，因此可被用于研究含存儲全息圖的硫?qū)倩锉∧さ木植拷Y(jié)構(gòu)(為簡單起見，例如由不共線的兩束相干激光形成光柵)。喇曼光譜可以在存儲干涉圖中的材料的空間區(qū)域內(nèi)進行研究。所存儲的“全息圖”的偏振性質(zhì)可以用于區(qū)分對準和非對準區(qū)域。多種材料還可以包括光活性的可轉(zhuǎn)動簇分子?？梢詫χ鞣蔷位|(zhì)的偏振(HH，HV)寬喇曼帶特性的變化進行研究，以便檢測其中被誘導(dǎo)的任何光學(xué)各向異性變化。也可以對溫度的影響進行檢查。
現(xiàn)在(但不限于)認為，在As-Se玻璃的情況下，As4Se3分子可提供優(yōu)化光學(xué)元件。在薄膜通過熱蒸發(fā)制成的情況下，光學(xué)活性As4Se3分子的濃度取決于幾個參數(shù)，如蒸發(fā)皿的溫度，蒸發(fā)速度，襯底溫度等。薄膜性能的優(yōu)化可以通過改變蒸發(fā)條件和/或其它制備條件得到。
另一種新方法是從大塊玻璃中例如通過溶解在適當?shù)娜軇┲刑崛『头蛛x光活性簇分子。這種分子然后能夠以選定濃度擴散到適當?shù)墓腆w基質(zhì)中。這種基質(zhì)可以是具有相同(或不同)組成的硫?qū)倩锊ＡЩ蛏踔潦且环N聚合物材料。這種簇基質(zhì)組合物薄膜接著可以通過例如旋涂制造。另一種方法可能是合成也許擴散在一種有機基質(zhì)內(nèi)的偶極有機簇分子，作為可再寫入的、偏振全息存儲介質(zhì)的基礎(chǔ)。
可以封裝該存儲介質(zhì)。光學(xué)活性封裝膜最優(yōu)選為透明層，用于防止儲存介質(zhì)被加熱處理時由于硫族化物(或其它)活性層氧化或蒸發(fā)造成的不可逆損害。此外，該封裝膜能夠形成一層不反射涂層，用于讀寫激光波長，從而提高衍射效率。不同種的封裝材料可以給出優(yōu)選的性能，包括惰性和膜完整性。
含硫族化物(或其它)材料的簇內(nèi)全息數(shù)據(jù)存儲的進一步優(yōu)化可以包括寫入速度，所存儲的全息圖的熱和瞬時穩(wěn)定性，擦除效率，存儲密度干擾源和誤碼率。
這種新分子簇全息存儲介質(zhì)的另一個方面是它們能夠使用偏振光源存儲偏振全息圖，而不象更具有競爭性的材料那樣，如LiNbO3，或只能夠存儲標量(非偏振)全息圖。此外，至少在已經(jīng)研究了其效果的室溫下，該光致各向異性可以循環(huán)多次地以正交偏振進行擦除和重新寫入，也不會疲勞。對于高溫照明可以觀察到相同的可逆性和不疲勞性，特別是如果對樣品進行了很好的封裝，那么能夠防止不可逆損害(例如蒸發(fā)，氧化等)。已經(jīng)注意到在高溫下該各向異性可以以正交偏振被重新寫入。存儲偏振全息圖的能力打開了一個新的研究領(lǐng)域。例如，通常會允許存儲密度在整個標量全息存儲中顯著增加。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，該技術(shù)將大大增加數(shù)據(jù)存儲密度和信息檢索速度。因此，可以設(shè)想現(xiàn)有的IT技術(shù)將特別涉及具有采用全息數(shù)據(jù)存儲的足夠帶寬處理Gbit-sec數(shù)據(jù)檢索速度的光纜數(shù)據(jù)通訊。這樣的一個實例也許是視頻要求。
可以理解，通過一個從外部吸收偏振光(或不同波長的電磁輻射)的步驟或通過任何其它適當途徑，也能夠?qū)⒔橘|(zhì)加熱到接近或高于塑化相變溫度。
同樣可以理解，本發(fā)明的全息圖也可通過具有很寬能量范圍的不同光能的激光形成，范圍從紫外到接近紅外光，這取決于該材料的帶隙。同樣也可以使用脈沖和連續(xù)功率的激光器。
同樣可以理解，本發(fā)明的全息圖可以組合其它光學(xué)結(jié)構(gòu)。此外，該全息圖可以是涂敷干凈透明的聚合物或相同有機和無機保護性材料的表面，這些材料將機械地保護和防止全息元件的表面惡化。
還可以理解的是，可以通過提高線性偏振誘導(dǎo)束的光功率度，在材料進行塑性相變的溫度下大大降低時間響應(yīng)現(xiàn)象。
還可以理解的是，通過用高聚焦的非相干線性偏振光束照明含As4Se3的介質(zhì)，分子單元的再定向以及折射率的調(diào)制也能夠用于二維型光學(xué)存儲器(即CD和DVD)，以在給定層內(nèi)給出2D記錄位陣列。
雖然已經(jīng)參照特定實施例詳細描述了本發(fā)明，但是顯然本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠進行各種改變，而不脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種全息記錄介質(zhì)，包括一種非晶形基質(zhì)材料，它隨著溫度上升到高于一預(yù)定轉(zhuǎn)變溫度，經(jīng)受一從第一熱力學(xué)相到第二熱力學(xué)相的相變；多個嵌入該基質(zhì)材料內(nèi)的光敏分子單元，它們能夠根據(jù)來自光源的照明進行定向；從而可以使所述分子單元在所述基質(zhì)材料處在等于或高于所述轉(zhuǎn)變溫度時進行這種定向，但是在溫度低于所述轉(zhuǎn)變溫度時保持基本固定的方向。
2.如權(quán)利要求1的記錄介質(zhì)，其中所述分子單元包括A4B3型分子化合物，其中A是磷光物質(zhì)或砷，B是硫、硒或碲。
3.如權(quán)利要求1的記錄介質(zhì)，其中所述分子單元包括A4S4型分子化合物，其中A是磷光物質(zhì)或砷，B是硫、硒或碲。
4.如權(quán)利要求1-3中任一的記錄介質(zhì)，其中所述基質(zhì)材料包括一種無機玻璃基質(zhì)材料。
5.如權(quán)利要求1-3中任一的記錄介質(zhì)，其中所述基質(zhì)材料包括一種無機結(jié)晶體基質(zhì)材料。
6.如權(quán)利要求1-3中任一的記錄介質(zhì)，其中所述基質(zhì)材料包括一種硫?qū)倩锊ＡА?br> 7.如權(quán)利要求1-6中任一的記錄介質(zhì)，其中所述光源包括一線性偏振光源。
8.如權(quán)利要求7的記錄介質(zhì)，其中所述光源包括激光。
9.如權(quán)利要求1-6中任一的記錄介質(zhì)，其中所述光源包括一圓形偏振光。
10.如上述任何一項權(quán)利要求的記錄介質(zhì)，其中所述每個分子單元包括一種具有偶極矩的大體為球形的分子。
11.如權(quán)利要求10的記錄介質(zhì)，其中所述偶極矩可以與和所述光源有關(guān)的電場矢量相互作用，以導(dǎo)致相應(yīng)分子單元的定向。
12.如上述任何一項權(quán)利要求的記錄介質(zhì)，其中分子單元在所述基質(zhì)材料選定區(qū)域內(nèi)的定向，提供一光致各向異性響應(yīng)。
13.如上述任何一項權(quán)利要求的記錄介質(zhì)，其中在所述基質(zhì)材料內(nèi)所述分子單元被共同定向的區(qū)域的折射率，不同于在所述基質(zhì)材料內(nèi)所述分子單元未被共同定向的區(qū)域的折射率。
14.如權(quán)利要求1-12中任一的記錄介質(zhì)，其中在所述基質(zhì)材料內(nèi)所述分子單元被共同定向的區(qū)域的吸收率，不同于在所述基質(zhì)材料內(nèi)所述分子單元未被共同定向的區(qū)域的吸收率。
15.如上述任何一項權(quán)利要求的記錄介質(zhì)，其中所述分子單元包括一種半導(dǎo)體材料。
16.如上述任何一項權(quán)利要求的記錄介質(zhì)，其中所述分子單元包括一淀積在所述基質(zhì)材料上的薄膜。
17.如上述任何一項權(quán)利要求的記錄介質(zhì)，進一步包括一種具有基本覆蓋所述記錄介質(zhì)表面的透明保護層的密封劑。
18.一種形成全息元件的方法，包括步驟將一非晶形基質(zhì)材料加熱到一預(yù)定轉(zhuǎn)變溫度以上，在該轉(zhuǎn)變溫度下所述材料經(jīng)受一從第一熱力學(xué)狀態(tài)到第二熱力學(xué)狀態(tài)的熱力學(xué)相變；通過光源有選擇性地照明所述基質(zhì)材料，從而根據(jù)照明光定向嵌入所述基質(zhì)材料內(nèi)的光敏分子單元的方向；以及接著將所述基質(zhì)材料冷卻到所述轉(zhuǎn)變溫度以下，達到使所述基質(zhì)材料處于第一熱力學(xué)狀態(tài)的溫度，從而基本固定所述分子單元的方向。
19.如權(quán)利要求18的方法，其中所述分子單元包括A4B3型分子化合物，其中A是磷光物質(zhì)或砷，B是硫、硒或碲。
20.如權(quán)利要求18的方法，其中所述分子單元包括A4B4型分子化合物，其中A是磷光物質(zhì)或砷，B是硫、硒或碲。
21.如權(quán)利要求18-20中任一的方法，其中所述基質(zhì)材料包括一種無機玻璃基質(zhì)材料。
22.如權(quán)利要求18-20中任一的方法，其中所述基質(zhì)材料包括一種無機結(jié)晶體基質(zhì)材料。
23.如權(quán)利要求18-20中任一的方法，其中所述基質(zhì)材料包括一種硫?qū)倩锊ＡА?br> 24.如權(quán)利要求18-23中任一的方法，其中所述定向步驟包括用偏振光照射基質(zhì)材料。
25.如權(quán)利要求18-24中任一的方法，進一步包括步驟與所述基質(zhì)材料內(nèi)所述分子單元未被共同定向的區(qū)域的折射率相比，改變所述基質(zhì)材料內(nèi)所述分子單元被共同定向的區(qū)域的折射率。
26.如權(quán)利要求18-24中任一的方法，進一步包括步驟與所述基質(zhì)材料內(nèi)所述分子單元未被共同定向的區(qū)域的吸收率相比，改變所述基質(zhì)材料內(nèi)所述分子單元被共同定向的區(qū)域的吸收率。
27.如權(quán)利要求18-26中任一的方法，其中所述基質(zhì)材料由外部供熱加熱。
28.如權(quán)利要求18-26中任一的方法，其中所述基質(zhì)材料通過吸收偏振激光被加熱。
29.如權(quán)利要求18-28中任一的方法，其中所述第一熱力學(xué)狀態(tài)包括固態(tài)。
30.如權(quán)利要求18-29中任一的方法，其中所述第二熱力學(xué)狀態(tài)包括塑性狀態(tài)。
31.如權(quán)利要求18-30中任一的方法，其中所述基質(zhì)材料在室溫下基本上是固體。
32.如權(quán)利要求18-31中任一的方法，其中所述定向分子單元的步驟包括，對于每個單元，使與該分子單元相關(guān)的偶極矩和與照明光相關(guān)的電矢量對齊。
33.如上述任何一項權(quán)利要求的方法，進一步包括步驟可逆地定向所述分子單元的方向。
34.如權(quán)利要求18-23中任一的方法，進一步包括步驟將該基質(zhì)材料再次加熱到所述預(yù)定轉(zhuǎn)變溫度之上；通過一光源重新定向分子單元的方向；以及將所述基質(zhì)材料冷卻到所述預(yù)定轉(zhuǎn)變溫度以下。
全文摘要
一種全息記錄介質(zhì)，包括一種非晶形基質(zhì)材料，它隨著溫度上升到高于一預(yù)定轉(zhuǎn)變溫度，經(jīng)受一從第一熱力學(xué)相到第二熱力學(xué)相的相變；多個嵌入該基質(zhì)材料內(nèi)的光敏分子單元，它們能夠根據(jù)來自光源的照明進行定向；從而可以使所述分子單元在所述基質(zhì)材料處在等于或高于所述轉(zhuǎn)變溫度時被定向，但是在溫度低于所述轉(zhuǎn)變溫度時保持基本固定的方向。
文檔編號G11B7/24044GK1409861SQ0081713
公開日2003年4月9日 申請日期2000年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月17日
發(fā)明者斯蒂芬·艾略特, 帕維爾·克萊克默 申請人:波萊特技術(shù)有限公司