Лазерный двухпучковый метод многослойной записи/считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах

Штейнберг, Илья Шнеерович

Лазерный двухпучковый метод многослойной записи/считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Штейнберг, Илья Шнеерович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Лазерный двухпучковый метод многослойной записи/считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах»

Автореферат диссертации на тему "Лазерный двухпучковый метод многослойной записи/считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах"

На правах рукописи

ШТЕЙНБЕРГ Илья Шнеерович

ЛАЗЕРНЫЙ ДВУХПУЧКОВЫЙ МЕТОД МНОГОСЛОЙНОЙ ЗАПИСИ/СЧИТЫВАНИЯ МИКРОГОЛОГРАММ В ОБЪЕМНЫХ РЕГИСТРИРУЮЩИХ СРЕДАХ

01.04.05 «Оптика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

19 нол

Новосибирск - 2009

003483898

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки РФ Твердохлеб Петр Емельянович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Мешалкин Юрий Петрович

кандидат физико-математических наук Пугачев Алексей Маркович

Ведущая организация

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики (ИТМО)

Защита состоится " 6 " декабря 2009 г. в {( часов на заседании

диссертационного совета Д 003.005.01 при Институте автоматики и

электрометрии СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАиЭ СО РАН.

Автореферат разослан "ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

Насыров К. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Наиболее распространенные в настоящее время системы дисковой памяти с записью данных на поверхности оптического носителя подошли к пределу плотности записи, обусловленному как техническими и технологическими причинами, так и фундаментальными. Дальнейшее развитие технологии оптической памяти возможно за счет использования толстых регистрирующих сред. Это направление реализуется путем наложенной записи объемных голограмм, а также путем многослойной записи информации. Технология наложенной голографической записи страниц информации достигла значительных успехов и близка к выходу на потребительский рынок. Однако для эффективного использования при этом страничного формата данных необходимо разрабатывать новые параллельные системы связи с компьютером. В то же время в многослойных технологиях записи информации, являющихся трехмерным аналогом технологий CD/DVD, можно применять существующие последовательные интерфейсы. Предложенные в Германии и США методы многослойной записи информации находятся в стадии исследований и не лишены существенных недостатков, связанных с неоднородностью записи информации по глубине среды и неэффективным использованием ее динамического диапазона. Также в должной мере не решена проблема компенсации изменяющейся при переходе от слоя к слою сферической аберрации.

Таким образом, несмотря на то, что технология многослойной записи информации имеет значительную перспективу для увеличения плотности записи и, соответственно, емкости памяти, указанные недостатки препятствуют ее развитию и достижению предельных параметров. Поэтому задача разработки новых методов многослойной записи/считывания информации, лишенных упомянутых недостатков, остается по-прежнему актуальной.

В настоящей диссертации показано, что указанная задача может быть решена путем двухфотонной записи микроголограмм во многих глубинных слоях регистрирующей среды, применения при этом многоуровневого фазового кодирования информации и последующего фазочувствительного гетеродинного считывания таких микроголограмм.

Цели и задачи диссертации

Разработка и исследование нового лазерного двухпучкового метода многослойной записи/считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах, позволяющего в отличие от известных локализовать при записи элементарный микрообъем среды, зарегистрировать интерференционную микроструктуру (микроголограмму) с дискретно изменяемой фазой и провести последующее гетеродинное детектирование такой микроструктуры с определением ее амплитуды и фазы.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Предложить, обосновать и разработать метод многослойной записи/считывания микроголограмм в объемной регистрирующей среде. Показать возможности повышения плотности и скорости записи информации при многоуровневом фазовом кодировании информации в микроголограмме. Определить предельную плотность записи информации.

• Исследовать особенности коллинеарного фазочувствигельного гетеродинного считывания микроголограмм при их импульсном освещении.

• Создать автоматизированную установку для экспериментального исследования предложенного метода записи/считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах в режимах линейного и двухфотонного поглощения. Установка должна обеспечить прецизионное перемещение среды по трем координатам, возможность выбора экспозиции и фазы для каждой из микроголограмм при записи и их гетеродинное считывание с определением амплитуды и фазы.

• Определить основные характеристики установки: чувствительность гетеродинного фотодетектирования, размеры сформированной в глубине среды микроголограммы и размер области пространственной селекции, характеризующий разрешающую способность разрабатываемого метода по глубине.

• Провести исследование метода многослойной записи микроголограмм в режиме двухфотонной инициации локальных фотопревращений в кристаллах ниобата и танталата лития, а также в толстых слоях фотополимерных материалов. Определить размеры микроголограмм, величину амплитуды модуляции показателя преломления и характерное время их записи. Изучить возможности осуществления неразрушающего считывания.

Научная новизна:

Новыми результатами диссертации являются:

1. Лазерный двухпучковый метод многослойной записи и гетеродинного фазочувствительного считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах. Метод защищен авторским свидетельством и патентом РФ.

2. Обнаруженная и экспериментально подтвержденная возможность восстановления при гетеродинном считывании размера отклика1, близкого к дифракционно-ограниченному значению, несмотря на наличие сферической аберрации, увеличивающей размер микроголограмм при их многослойной записи.

3. Двухфотонная запись микроголограмм в нелегированном конгруэнтном танталате лития с их последующим неразрушающим гетеродинным считыванием на длине волны Х0 = 0,66 мкм. Значительное сокращение характерного времени записи микроголограммы по сравнению с традиционным случаем, когда возбуждение происходит с примесного уровня. Получение насыщенного значения амплитуды модуляции показателя преломления на уровне Дп5 = 10,7x10"4.

1 Отклик - сигнал на выходе фотоприемника, полученный при считывании микроголограммы.

4. Обнаруженное влияние стехиометрии нелегированного танталата лития при двухфотонном возбуждении на амплитуду модуляции показателя преломления, голографическую чувствительность и характерное время записи микроголограмм, что позволяет вести целенаправленный с точки зрения указанных параметров поиск оптимальной концентрации лития. Получение при концентрации лития 48,38 мол.% насыщенного значения амплитуды модуляции показателя преломления Аи3 = 2,1 *10'3, характерного времени записи микроголограмм т = 24 не и значения голографической чувствительности Б = 1,3 см/Дж (в три раза превышает значение, полученное с легированным железом тантапатом лития).

5. Двухфотонная запись микроголограмм в фотополимерных материалах на основе новых тиоксантоновых хромофоров со значениями амплитуды модуляции показателя преломления Ап = 4,8х Ю"3 и голографической чувствительностью 5 = 1,2 см/Дж. Автору неизвестны сообщения о получении таких значений Ап при двухфотонной фотополимеризации.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Физико-технические решения и методики, принятые при проведении многослойной записи/считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах, включающие методику селективной глубинной модификации среды и гетеродинного считывания модифицированного состояния, методику измерения распределения шумов рассеяния и чувствительности по глубине среды, а также методику исследования собственной фоторефракции нелегированных кристаллов танталата и ниобата лития в условиях двухфотонного межзонного фотовозбуждения, являются основой для развития новых информационных технологий 30 оптической памяти, защитной голографии и научного эксперимента.

Результаты, полученные в диссертации, использованы в следующих организациях:

- ИАиЭ СО РАН при проведении инициативных НИР, проектов РФФИ, интеграционных проектов СО РАН и научных программ РАН (1993-2009 гг);

- Новосибирском институте органической химии СО РАН при создании фотополимерной композиции с низким уровнем шумов рассеяния, а также фотополимерного материала для двухфотонной записи;

- Институте физики полупроводников СО РАН при определении уровня фоторефрактивной чувствительности кристаллов танталата лития с неизвестной предысторией и определении диапазона концентрации лития, обеспечивающего минимальное оптическое повреждение кристаллов;

- Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН при определении влияния уровня индуцированных двухфотонных оптических потерь на эффективность процессов параметрического преобразования частоты в нелинейных кристаллах твердых растворов на основе танталата лития.

Основные положения, выносимые на защиту: 1. Предложенный двухпучковый метод позволяет осуществить

многослойную запись микроголограмм в объемных фоторефрактивных

средах (кристаллы ниобата и танталата лития, фотополимерные материалы), их последующее селективное по глубине гетеродинное считывание, а также увеличить плотность и скорость записи путем применения многоуровневого фазового кодирования информации (в три раза при реализованном восьмиуровневом кодировании).

2. С помощью гетеродинного фазочувствительного считывания можно восстанавливать размер отклика, близкого к дифракционно-ограниченному значению, несмотря на наличие сферической аберрации, увеличивающей размер микроголограмм при их многослойной записи.

3. При записи микроголограмм в нелегированных фоторефрактивных кристаллах ниобата и танталата лития двухфотонное межзонное фотовозбуждение обеспечивает значения амплитуды модуляции показателя преломления, близкие к предельным, полученным для этих же материалов, но с оптимальным уровнем легирования. При этом также происходит сокращение характерного времени записи по сравнению с традиционным случаем, когда возбуждение происходит с примесного уровня.

4. Использование двухфотонного поглощения в толстых регистрирующих средах позволяет решить основные проблемы многослойной записи: обеспечить однородную запись микроголограмм во всем объеме среды и их неразрушающее детектирование с восстановлением амплитуды и фазы. В этом случае (в отличие от линейного поглощения) в каждом слое может быть достигнуто предельное для таких сред значение амплитуды модуляции показателя преломления.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации рассматривались на следующих конференциях: Second International Conference on "Optical Information Processing" Saint-Petersburg, Russia, 1996; International Conference on "Optical Information Science and Technology" Moscow, Russia, 1997; XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Moscow, Russia 1998; 101 Tagung "Deutsche Gesellschaft fur angewandte Optik" Jena, Germany, 2000; Ninth International Conference on "Photorefractive Effects, Materials, and Devices" Nice, France, 2003; Tenth International Conference on "Photorefractive Effects, Materials, and Devices" Sanya, P. R. China, 2005; Topical meeting "Controlling Light with Light: Photorefractive Effects, Photosensitivity, Fiber Gratings, Photonic Materials" Olympic Valley, California, USA, 2007; Topical Meeting on Optoinformatics, Saint-Petersburg, Russia, 2008; Topical meeting "Photorefractive Materials, Effects, and Devices" Bad Honnef, Germany, 2009.

Личный вклад автора. Постановка и решение задач исследования по теме диссертации, разработка необходимых методик и оптико-механической части экспериментальной установки, проведение экспериментальных исследований выполнены автором.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 21 научной работе, в том числе в 1 авторском свидетельстве, 1 патенте РФ, 7 научных статьях, 1 монографии (две главы) и 10 трудах международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы из 93 наименований, изложенных на 147 страницах, содержит 50 иллюстраций, 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, определены ее цель и задачи, новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе, имеющей обзорный характер, изложены современные оптические методы записи и хранения информации.

Проведен анализ наиболее распространенных в настоящее время систем дисковой памяти с записью данных на поверхности оптического носителя типа CD, DVD и Blue Ray. Показано, что подобные системы подошли к пределу плотности записи. Дальнейшее увеличение емкости памяти оптических запоминающих устройств возможно за счет использования объемных или многослойных сред и новых методов записи информации. Так, при использовании объемных сред плотность оптической записи информации пропорциональна 1Л,3, что составляет величину ~ 1013 бит/см3 (для X ~ 0,5 мкм) в отличие от записи информации на поверхности среды, где предельная величина плотности примерно равна 1А.2, что соответствует 108-=-109 бит/см2.

Трехмерная запись информации в толстых регистрирующих средах может проводиться двумя методами. Первый - это наложенная запись объемных голограмм, распределенных по всей толщине среды, второй - многослойная запись, в которой информация записывается во многих последовательно расположенных слоях регистрирующей среды. Эти методы отличаются своими возможностями и требованиями к регистрирующей среде.

Проведен обзор методов топографической наложенной и многослойной памяти. Отмечены их достоинства и недостатки. Показано также, что в настоящее время ни голографическая странично-ориентированная, ни многогослойная память не достигли предела плотности записи на уровне 1Л.3 и имеют в связи с этим перспективу дальнейшего развития.

В главе 2 изложены основы предложенного двухпучкового метода записи микроголограмм, который позволяет провести локальную запись микроголограммы в произвольном слое объемной регистрирующей среды и ее последующее гетеродинное фазочувствительное считывание с возможностью определения амплитуды и фазы. Это означает, что при применении этого метода в оптических информационных технологиях можно использовать многоуровневое относительное фазовое кодирование и тем самым увеличить плотность и скорость записи информации. Суть метода проиллюстрирована с помощью рис. 1. При записи микроголограмм используются два когерентных сфокусированных пучков света: опорного 3 и гетеродинного 4. Эти пучки пространственно совмещаются в произвольном слое 11 объемной регистрирующей среды 1, и в области их пересечения записывается

микроголограмма 2. Микроголограммы в других слоях записываются путем перемещения зоны пересечения пучков по глубине объемной среды 1. В случае использования излучения с длиной волны X = 0,66 мкм, фокусирующего объектива с числовой апертурой ИА = 0,65 и среды с показателем преломления п= 1,5 размер микроголограммы по уровню Уг максимальной интенсивности

составляет по осям X, У и Ъ соответственно 1x1,4x7 мкм3, а ее пространственная частота равна ~ 1000 л/мм.

Для считывания записанных

микроголограмм в объеме регистрирующего материала 1 используется метод коллинеарного гетеродинирования. В этом случае частота света гетеродинного пучка 4 сдвигается на сог относительно частоты опорного пучка 3 и бегущая интерференционная решетка, образовавшаяся в зоне пересечения пучков 3 и 4, совмещается с микроголограммой 2, записанной в адресуемом слое 11. Световой пучок 7 образуется в результате дифракции на микроголограмме 2 пучка 3. Вследствие точного совпадения пространственных частот бегущей и записанной интерференционных решеток пучок 7 будет распространяться в одном направлении (коллинеарно) с пучком 4. В результате взаимодействия двух коллинеарных пучков с различными частотами света на выходе фотоприемника 5 появляется фототок с разностной частотой сог, несущий информацию об амплитуде и фазе микроголограммы. Причем фотоприемник 5 детектирует только то рассеянное на микроголограмме световое поле 7 опорного пучка 3, которое совпадает по направлению (угловому спектру пространственных гармоник) с прошедшей без дифракции частью 8 гетеродинного пучка 4. Гетеродинное считывание обеспечивает высокую помехозащищенность по отношению к шумам рассеяния оптических элементов и материала диска, поскольку происходит только в зоне пересечения опорного и гетеродинного пучков света, где формируется бегущая интерференционная решетка.

Гетеродинное детектирование позволяет восстановить не только амплитуду, но и, что важно для информационных технологий, фазу микроголограммы. Это позволяет применять фазовый способ кодирования информации, обеспечивающий более высокую помехозащищенность, чем амплитудное кодирование. Информационным параметром в предлагаемом методе кодирования является разность фаз пространственных решеток двух следующих друг за другом микроголограмм. Такое фазовое представление информации позволяет относительно просто реализовать многоуровневое кодирование и тем самым осуществить (при малом уровне шумов) запись

Рис. 1. Схема, иллюстрирующая метод многослойной оптической записи и коллинеарного гетеродинного считывания микроголограмм

данных с плотностью, превышающей дифракционное разрешение оптической системы. Так, использование восьмиуровневого фазового кодирования обеспечивает утроение плотности и скорости записи.

Изучены особенности гетеродинного детектирования микроголограмм в условиях импульсного освещения. Показана возможность применения в этом случае фотоприемников с относительно невысоким быстродействием и, следовательно, с большой площадью светочувствительной поверхности, что дает возможность практически полностью собрать свет гетеродинного и информационного пучков. Последнее условие является важным, позволяя учесть влияние рассогласования волновых фронтов пучков на результат селекции по глубине среды. В дальнейшем оптическое гетеродинирование импульсных световых полей применялось при проведении всех экспериментов по многослойной оптической записи и считыванию информации.

Рассмотрен процесс формирования объемной микрорешетки в области пересечения двух сфокусированных гауссовых пучков. Показано, что составляющая, несущая информацию о высокочастотной пространственной вариации интенсивности, описывается выражением

2(д-2 + у2 cos2 igj + z-2 sin2 )"

g(x,y,z) ce exp

cos(-2fcsm0,,y)> (1)

где - радиус перетяжки гауссова пучка, а 01 - половинный угол схождения пучков в среде. Формула (1) имеет вид трехмерного гауссова распределения, а пространственная частота решетки V = 2з1п01/Я.. Размеры микрорешетки по осям X, У, Ъ, определенные по уровню 1/е2 максимальной интенсивности, соответственно равны

гх = и'о, гу = м!о!совО], гг = иУзтОь (2)

При условии оптимального заполнения апертуры фокусирующего микрообъектива и соответственно получения минимального размера микрорешетки выражения (2) можно представить в виде

к N.А' """ Л- I /дмV ж ЛИ' г,Ып п(ЫА)1' ()

где МА - числовая апертура микрообъектива, а Ко • длина волны излучения в воздухе. Исходя из (3), можно записать выражения для продольной, поперечной и объемной плотностей записи

! Ч» я-г^гу^ (2Л)2 2 п

Для Хо = 0,66 мкм, N4 = 0,65 и среды с показателем преломления п = 1,5 из (4) получим значение ожидаемой предельной объемной плотности записи

I,Зх10пбит/см3, а с учетом восьмиуровневого фазового кодирования плотность записи можно увеличить до З,9х10пбит/см3. Эта величина всего в 9 раз меньше предельной плотности записи в объемных средах, получаемой согласно соотношению 1/Х3 (3,5х1012 бит/см3 для = 0,66 мкм).

Глава 3 посвящена экспериментальному исследованию двухпучкового метода записи микроголограмм в фоторефрактивных регистрирующих средах в режиме линейного поглощения.

На рис. 2 приведена схема созданной экспериментальной установки.

Пучок света полупроводникового лазера 1 оптической схемой 2, 3 формируется в виде перетяжки в зоне акустооптического взаимодействия модулятора (АОМ) 4. Полученные в результате дифракции световые пучки с помощью телескопической

системы 5, 6 совмещаются в адресуемом слое объемной регистрирующей среды 8, где записывается образовавшаяся в зоне пересечения пучков 11, 12 микроголограмма. Для записи информации в других слоях среду 8 перемещают с помощью пьезопозиционера по глубине относительно зоны пересечения световых пучков

II, 12. При проведении экспериментов применено восьмиуровневое фазовое кодирование информации. Наличие восьми градаций фазы позволяет в каждой микроголограмме записать трехразрядное двоичное слово, что приводит к утроению скорости и плотности записи.

Электронное устройство позволяет производить управление экспозицией и фазой записываемых микроголограмм, осуществлять прецизионное трехкоординатное перемещение регистрирующей среды, коллинеарное гетеродинное считывание записанных на различной глубине микроголограмм. Такое устройство в сочетании с разработанным программным обеспечением позволяет автоматизировать эксперимент.

Важнейшими характеристиками экспериментальной установки являются: порог чувствительности при коллинеарном гетеродинном детектировании, размер формируемой оптической схемой объемной микрорешетки, ее контраст и разрешающая способность метода записи по глубине.

Порог чувствительности, связанный как с чувствительностью самого гетеродинного метода считывания, так и с влиянием шумов электронных схем, определяется минимально измеряемым уровнем шумов рассеяния. Уровень шумов рассеяния характеризуется спектральной плотностью Фш (отношение интенсивности шума, рассеянного в единичной полосе пространственных частот, к интенсивности света, падающего на регистрирующую среду) и может

установки.

быть записан как Фш = т]ш/ДВ, где т|ш - дифракционная эффективность шумовых решеток, ДВ - эффективная двумерная полоса пространственных частот оптической системы установки. Показано, что для разработанной установки спектральная плотность шума рассеяния составляет величину Фш = 5,1 х10~12 мм2. Учитывая, что спектральная плотность шумов рассеяния топографических фотоэмульсий и фотополимеров находится на уровне (5-И 0)х10"10 мм2, можно сделать вывод о том, что оптическая схема гетеродинного детектирования сконструирована оптимально и чувствительность установки достаточна для уверенного обнаружения шумов рассеяния основных регистрирующих сред.

Проведенные измерения показали, что размеры микрорешетки в плоскости X, У (по уровню 0,5 максимального значения интенсивности) составляют 1,0x1,4 мкм2 (ко = 0,66 мкм, ЫА = 0,65), ее пространственная частота -1030 л/мм, а контраст - 0,82. Размер микрорешетки по Ъ, определяющий разрешение по глубине, зависит от показателя преломления среды и может меняться в пределах 5-12 мкм.

Рассмотрены особенности использования для многослойной записи объемных регистрирующих сред с линейным механизмом поглощения и показано, что в этом случае наличие связи между чувствительностью слоя и числом слоев приводит к необходимости поиска компромисса между ними и, как следствие, к ограничению числа слоев. Рассмотрение ведется на примере двух фоторефрактивных материалов: фотополимера и легированного железом ниобата лития (НЛ).

В экспериментах по записи/считыванию микроголограмм использовался конгруэнтный легированный железом кристалл НЛ. Импульсная мощность излучения лазера 1 (А. = 0,66 мкм) на поверхности образца составляла 2 мВт, а максимальная интенсивность света в плоскости регистрации - 1,6х105 Вт/см2. Многослойная запись проводилась путем последовательного перемещения зоны пересечения сфокусированных световых пучков по координате Ъ (толщине) материала 8. Характер распределения амплитуды сигнала на выходе фотоприемника при считывании последовательности, состоящей из 9 микроголограмм, показан на рис. 3. Голограммы зарегистрированы с одной и той же экспозицией, а расстояние между ними в среде составляет 55 мкм.

Измерения размеров откликов на уровне '/г максимального значения амплитуды показали, что они находятся в диапазоне 13,6+15,1 мкм. Максимальная ширина отклика лишь в 1,1 раза больше дифракционно ограниченного размера. В то же время расчет показывает, что для использованного стандартного микрообъектива 40х с числовой

Направление сканирования по глубине

Рис. 3. Сигнал считывания при сканировании по глубине кристалла НЛ, в котором десять микроголограмм были зарегистрированы на различной глубине.

апертурой ИА = 0,65 влияние сферической аберрации приводит к уширению сфокусированного светового пучка. На глубине 510 мкм, где проводилась запись последней микроголограммы, поперечный размер пятна увеличивается вдвое. При увеличении поперечного размера пучка следует ожидать также и увеличения продольного размера микроголограммы (по оси Ъ), а, следовательно, и уширения отклика. Однако, как видно из рис. 3, этого не происходит. На наш взгляд, этот весьма важный эффект можно объяснить особенностями гетеродинного детектирования. Поскольку при записи и считывании используются одни и те же световые пучки, то оба пучка, поступающие на фотоприемник 9, имеют одинаковые фазовые искажения. Если световые пучки попадают на фотоприемник полностью, то результат фотосмешения не зависит от фазовых искажений пучков. Вторая особенность гетеродинного считывания заключается в селекции углов, в пределах которых эффективно детектируется излучение сигнальной волны. Влияние сферической аберрации приводит к нарушению фазировки пространственных гармоник исходного сфазированного (сфокусированного) пучка в глубине материала, в результате чего он значительно расширяется. Учет угловой селекции при гетеродинном считывании приводит к тому, что каждая пространственная гармоника интерференционного поля образует сигнал только от взаимодействия с той же решеткой при записи и вследствие этого электрические сигналы на выходе фотоприемника оказываются сфазированными.

Особенность разработанного метода гетеродинного считывания восстанавливать размер отклика, близкий к дифракционно-ограниченному значению, является важной и отличает его от известных методов, например, конфокального считывания, применяемого в побитовой и микроголографической системах многослойной записи. Учитывая, что восстановление происходит несмотря на наличие значительной сферической аберрации, требование к точности ее компенсации становится меньше.

Также реализовано селективное стирание микроголограммы в выбранном слое и возможность записи/считывания микроголограмм с восемью уровнями фазы. Для демонстрации предельных (с точки зрения разрешения по глубине) возможностей двухпучкового метода записи/детектирования микроголограмм была проведена запись в 50 последовательно расположенных по глубине объемных микроголограмм (размер микроголограмм по глубине равен 9,6 мкм, расстояние между ними - 12 мкм). Максимальное значение дифракционной эффективности зарегистрированных микроголограмм составляло 1,5%. Достигнута амплитуда модуляции показателя преломления, равная 3 х 10"3, предельная величина для легированного железом ниобата лития. Однородность записи по глубине была обусловлена выбором низкого коэффициента поглощения (низкой чувствительности).

Фотополимерный материал (ФПМ) для проведения многослойной записи был разработан в НИОХ СО РАН. Толщина фотополимерной светочувствительной композиции составляла 120+180 мкм.

Размер микроголограммы в ФПМ для длины волны лазера Я = 0,66 мкм и числовой апертуры фокусирующего объектива NA = 0,65 составляет 1x1,4x6 мкм3 по осям X, Y, Z соответственно. В ФПМ толщиной 150 мкм проведена однородная глубинная запись 10 последовательно расположенных микроголограмм (время записи 20 мс, экспозиция — 200 мДж/см2). Достигнута амплитуда модуляции показателя преломления, равная З,7х10"3. При минимальной экспозиции 20 мДж/см2 (время записи 50 мкс) многослойная запись неоднородна по глубине, что является следствием сильного линейного поглощения.

Установлены недостатки применяемых материалов. Для ниобата лития -это стирание микроголограмм в процессе считывания, для ФПМ - низкая скорость записи, связанная с диффузионным характером формирования голограмм, и низкая чувствительность при экспонировании наносекундными импульсами света с высокой интенсивностью, используемыми в исследуемом методе записи.

Глава 4 посвящена исследованию двухпучкового метода многослойной записи в толстых регистрирующих средах в режиме двухфотонного поглощения (ДФП).

Показано, что при использовании пересекающихся сфокусированных лазерных пучков возможно пространственно локализовать область записи микроголограммы, обеспечить в ней требуемую интенсивность излучения и провести двухфотонную фотомодификацию свойств среды. Учитывая отсутствие поглощения в других слоях, метод ДФП позволяет обеспечить однородность записи по глубине регистрирующей среды.

Оптическая схема установки, созданной для проведения многослойной двухфотонной записи и считывания микроголограмм, приведена на рис. 4.

Рис. 4. Оптическая схема установки для многослойной двухфотонной записи и гетеродинного считывания микроголограмм.

На схеме можно выделить три основных канала. Канал 1 предназначен для гетеродинного считывания микроголограмм (описан выше). Канал 2 предназначен для формирования объемной микроголограммы с помощью излучения на длине волны X = 0,53 мкм с высокой интенсивностью. Твердотельный лазер генерирует излучение на длинах волн X = 0,53 мкм (длительность Т = 1,7 не) и X = 1,06 мкм (длительность Т = 3 не). Зеленое излучение направляется на дихроичное зеркало М4 (канал 2) и вводится в

оптическую схему первого канала таким образом, чтобы обеспечить дифракцию на акустооптическом модуляторе (АОМ) без дополнительной подстройки. Проходя линзы Л8 и Л9, световые пучки с длиной волны X = 0,53 мкм формируют микроголограмму диаметром 1,5 мкм в заданном по глубине слое регистрирующей среды. Максимальная интенсивность излучения в области регистрации составляет 5,8 ГВт/см2. Канал 3 предназначен для формирования остросфокусированного излучения на длине волны X = 1,06 мкм, что обеспечивает дополнительную подсветку микрорешетки, сформированной излучением на длине волны А. = 0,53 мкм.

Проведено исследование двухфотонной записи микроголограмм в нелегированных кристаллах ниобата и танталата лития (ТЛ), а также в ФПМ на основе новых и эффективных тиоксантоновых хромофоров.

В нелегированном кристалле НЛ показана возможность двухфотонной записи микроголограмм одним импульсом, что является чрезвычайно важным фактором на пути увеличения скорости записи в возможных практических приложениях. Получено увеличение 1,6 раза амплитуды модуляции показателя преломления нелегированного НЛ в присутствии дополнительного пучка с длиной волны X = 1,06 мкм. Недостатком этого материала является отсутствие неразрушающего считывания на длине волны X = 0,66 мкм, что связанно с образованием центров окраски в кристалле НЛ при действии излучения высокой мощности.

Важной характеристикой материала является скорость записи. На рис. 5 приведены кривые, характеризующие скорость изменения амплитуды модуляции показателя преломления для трех значений интенсивности излучения. Все три подгоночные кривые хорошо описываются моноэкспоненциальной функцией вида: Ди = Ди8[1-ехр(-?/т)], где Апь -насыщенное значение амплитуды модуляции показателя преломления, т -характерное время записи. Результаты исследования свидетельствуют о том, что двухфотонное межзонное фотовозбуждение позволяет обеспечить значение амплитуды модуляции показателя преломления на уровне Ап% = 10,7x10'4 (при I = 4,1 ГВт/см2). Следует отметить, что такое значение Дп может быть достигнуто в каждом слое записи в отличие от случая, когда используется механизм линейного поглощения. Исходя из данных, приведенных на рис. 5, можно вычислить голографическую чувствительность танталата лития при двухфотонной записи, которая определяется следующим образом

5 _ 1 ^ | ^ ^ где I _ интенсивность света, Аг - размер голограммы по Ж

глубине, 1] - дифракционная эффективность голограммы. Наблюдаемое

2 2 2 о « ч

,1: 1 ДпДЧО^ 1 1

> / 1 .

ГВт/сш1

- У ' /г u/s 3

ж, ла в•'* 1 1 1

Рис. 5. Изменение амплитуды модуляции показателя преломления в процессе записи для трех значений интенсивности излучения 1 - I = 4,1 ГВт/см2,

значении записывающих пучков:

пучк

2-7 = 3,1 ГВт/см , 3 - / = 2,1 ГВт/см2. На вставке Дns преломления от

значение голографической чувствительности S = 0,45 см/Дж (/ = 4,1 ГВт/см2, Аг = 10 мкм) не уступает лучшим результатам, полученным с легированным железом танталатом лития, а характерное время записи т = 32 не значительно меньше характерного времени, полученного при традиционном возбуждении с примесных центров.

Исследовано влияние

стехиометрии нелегированного танталата лития на амплитуду

11>|— ;—______—~ ~ -| модуляции показателя

преломления и голографическую чувствительность. Были выбраны 4 образца с молярной концентрацией лития CLi: 47,95; 48,38; 48,75 и 49,6 мол.%. 30 so «о 120 Концентрация железа во всех Время (не) образцах меньше 1018 см"3 и

образцы можно считать условно чистыми. Показано, что результаты записи сильно зависят от молярной концентрации лития в кристалле. При концентрации лития 48,38 мол.% амплитуда модуляции показателя преломления равна Дns - 2,1x10"3, а характерное время записи составляет т = 24 не. При этом значение голографической чувствительности TJI такого состава составляет 5 = 1,3 см/Дж, что в три раза превышает значения, полученные для легированного железом ТЛ.

Исследованы процессы двухфотонной записи микроголограмм в толстых (100-200 мкм) ФПМ, созданных на основе тиоксантоновых хромофоров. Максимальное значение сечения двухфотонного поглощения этих хромофоров составило 252хЮ"50 см4-с. Помимо высокого значения сечения двухфотонного поглощения хромофор должен иметь хорошую растворимость в полимерной матрице и обладать высокой фотоинициирующей способностью, т.е. свойством эффективного образования свободных радикалов при действии света для инициирования роста полимерной цепи. Этими факторами определялся выбор исследованных хромофоров-фотоинициаторов. Образцы ФПМ с новыми и высокоэффективными хромофорами были изготовлены в НИОХ СО РАН. Проведена двухфотонная запись последовательности микроголограмм в произвольном по глубине слое. Глубина записи варьировалась в диапазоне 50 -150 мкм. Размер микроголограммы составлял 1x1,4x6,4 мкм3. На рис. 6 приведены значения амплитуды модуляции показателя преломления как функции интенсивности записывающих пучков для ФПМ, содержащих хромофоры ТЗ и Т4. Линейная зависимость амплитуды модуляции показателя преломления от интенсивности подтверждает двухфотонный механизм формирования микроголограмм для ФПМ со свободно-радикальной

приведена зависимость интенсивности.

инициацией. Из рис. 6 видно, что запись носит явно выраженный пороговый характер.

Пороговая характеристика среды ■ Ут* является достоинством при

/ проведении многослойной записи.

тз В этом случае улучшается степень локализации микроголограммы при записи и уменьшается 3 /У'' влияние перекрестных шумов при

считывании. Порог записи .....у ........................................................ микроголограмм по интенсив-

. _. _, ности находится на уровне

2 3 4 5 6 1,2 ГВт/см2. Значение гологра-Интеисивность света, ГВт/см2 фичеСКОЙ Чувствительности

Рис. 6. Зависимость двухфотонно-инду- составило 51 = 1,2 см/Дж (с! = цированного изменения показателя Дп от 54 мкм, 1 = 4,9ТВт/см2), а суммарной интенсивности записывающих пучков зшчение' амплитуды модуляции для двух ФПМ, содержащих хромофоры ТЗ и Т4. ,

показателя преломления - Ап =

4,8-10"3. Считывание для этого класса материалов носит неразрушающий характер.

В заключении сформулированы следующие основные результаты диссертации:

1. Предложен новый лазерный двухпучковый метод записи/считывания микроголограмм, позволяющий в отличие от известных локализовать элементарный микрообъем в X, У, Ъ — пространстве среды, зарегистрировать интерференционную микроструктуру (микроголограмму) с дискретно изменяемой фазой, а также провести гетеродинное детектирование такой микроструктуры с определением ее амплитуды и фазы. Метод защищен авторским свидетельством и патентом РФ. Показано, что путем многоуровневого фазового кодирования плотность записи информации можно довести до уровня 3,9х 1011 бит/см3 (при Хо = 0,66 мкм, ИА = 0,65, п = 1,5).

2. Исследован процесс коллинеарного гетеродинного детектирования микроголограмм при их импульсном освещении. Показано, что в этом случае реализуется режим гетеродинирования со смещенной частотой, с подавлением несущей и с переносом спектра сигнала в сторону нижних частот, что позволяет определять амплитуду и фазу высокочастотных световых полей с помощью фотоприемника с большой площадью светочувствительной поверхности и малым быстродействием.

3. Создана автоматизированная оптико-электронная установка для

многослойной записи микроголограмм в толстых регистрирующих средах в

режимах линейного и двухфотонного поглощения. Диапазон перемещения

среды по трем координатам — 0,8 мм, а точность позиционирования не хуже

0,2 мкм. Размеры микрорешетки в плоскости X, У (по уровню 0,5

максимального значения интенсивности) - 1,0x1,4 мкм2 (Хо = 0,66 мкм, Ш =

0,65), а размер по Ъ, определяющий разрешение по глубине, зависит от показателя преломления среды и может меняться в пределах 5-12 мкм. Порог чувствительности гетеродинного фотодетектирования составляет 5,1х10"12 мм2, что достаточно для обнаружения шумов рассеяния основных регистрирующих сред.

4. Обнаружена и экспериментально подтверждена возможность восстановления размера отклика, полученного при гетеродинном детектировании микроголограммы, близкого к дифракционно-ограниченному значению, несмотря на наличие сферической аберрации, приводящей к увеличению размеров микроголограммы более чем в два раза на глубине ~ 500 мкм. Продемонстрированы возможности записи/детектирования микроголограмм с восемью уровнями фазы и их селективного стирания (в кристаллах ниобата лития) в произвольном по глубине слое.

5. Впервые реализована многослойная двухфотонная запись микроголограмм (1x1,4x10 мкм3) в нелегированном кристалле танталата лития (состав близкий к конгруэнтному) и их последующее неразрушающее детектирования на длине волны Х0 = 0,66 мкм. Показано, что двухфотонное межзонное фотовозбуждение электрона приводит к значительному сокращению характерного времени записи по сравнению с традиционным случаем, когда возбуждение происходит с примесного уровня, и позволяет получить насыщенное значение амплитуды модуляции показателя преломления на уровне Ап% = 10,7х10"4 (при 1 = 4,1 ГВт/см2).

6. Обнаружено значительное влияние стехиометрии нелегированного танталата лития при двухфотонном возбуждении на амплитуду модуляции показателя преломления, голографическую чувствительность и характерное время записи. Установлено, что при концентрации лития 48,38 мол.% насыщенное значение амплитуды модуляции показателя преломления равно Апв = 2,1 хЮ"3, а характерное время записи составляет т = 24 не. При этом значение голографической чувствительности (Б = 1,3 см/Дж) в три раза превышает значения, полученные с легированным железом танталатом лития.

7. Исследованы процессы двухфотонной записи микроголограмм в толстых (100-200 мкм) фотополимерных материалах на основе тиоксантоновых хромофоров. Проведена двухфотонная запись последовательности микроголограмм размера 1x1,4x6,4 мкм3 в произвольном по глубине слое. Показано, что хромофоры обеспечивают высокие значения голографической чувствительность фотополимерного материала (5 = 1,2 см/Дж) и амплитуды модуляции показателя преломления (Ап = 4,8x10"3). Запись носит пороговый характер, что позволяет повысить степень локализации микроголограммы при записи. Определено, что порог записи микроголограмм по интенсивности находится на уровне 1,2 ГВт/см2.

гетеродинного детектирования их информационного содержания: амплитуды и фазы. Полученные результаты составляют научную основу для развития новых технологий 3D оптической памяти с многослойной пословной организацией данных, защитной голографии, физического эксперимента и других приложений. Предложенные в диссертации методики двухфотонной модификации регистрирующих сред и селективного гетеродинного детектирования модифицированных состояний нашли применение при проведении научных исследований в НИОХ СО РАН (разработка фотополимерного материала для двухфотонной записи на основе тиоксантоновых хромофоров), ИФП СО РАН (определение значения фоторефрактивной чувствительности кристаллов танталата лития с неизвестной предысторией и концентрации лития, обеспечивающей минимальное оптическое повреждение), а также в ИМКЭС СО РАН (определение влияния уровня индуцированных двухфотонных оптических потерь на эффективность процессов параметрического преобразования частоты в нелинейных кристаллах твердых растворов на основе танталата лития).

Список основных работ, опубликованных автором по теме диссертации:

1. Штейнберг И.Ш., Щепеткин Ю.А. Авторское свидетельство № 1769233 с приоритетом от 15 ноября 1989 г.

2. Рудаков И.Б., Штейнберг И.Ш., Щепеткин Ю.А. Метод многослойной оптической записи информации // Автометрия. -1991. - № 3. — стр. 76-80

3. Штейнберг И.Ш., Щепеткин Ю.А. Особенности 3-D оптической записи двоичной информации // Автометрия. - 1993. - №3. - с. 89-93

4. Штейнберг И.Ш., Щепеткин Ю.А. Способ многослойной оптической записи двоичной информации // Патент России. - № 2017237. - бюл. 14. -1994

5. Steinberg I.Sh., Shepetkin. Ju. A. Multilayer three-dimensional optical recording // Proc. SPIE 1996. - V. 2969. - pp. 232-236

6. Tverdokhleb P.E. Trubetskoy A.V., Steinberg I.Sh., Shepetkin Ju. A. Acousto-optical scanners for systems of high-speed recording. - processing. - and displaying of information // Proc. SPIE. - 1998. - V. 3402. - p. 184-186

7. Твердохлеб П.Е., И.Ш. Штейнберг, Щепеткин Ю.А. Метод гетеродинного детектирования импульсных световых сигналов // Автометрия. - 1999. -№ 5. - стр.41-52

8. Tverdokhleb Р.Е., Trubetskoi A.V., Steinberg I.Sh., Shchepetkin Yu.A. Highspeed 3-D recording-readout of the information in the volume media with usage of optical heterodyne and multilevel phase data coding (optical system and its components) // Proc. SPIE. - 1999. - v. 3733. - pp. 334-338

9. Tverdokhleb P.E., Steinberg I.Sh., and Shepetkin Ju.A. Multilayer Recording of the Microholograms in Lithium Niobate // OSA Trends in Optics and Photonics 2003. - v. 87. - pp. 649-654

Ю.Герасимова Т.Н., Пен Е.Ф. Твердохлеб П.Е., Шелковников В.В., Штейнберг И.Ш. Органические светочувствительные материалы для трехмерной оптической памяти // Монография «3D лазерные информационные технологии». - Новосибирск. - 2003. - глава 2. - с. 53 -109

11.Твердохлеб П.Е., Трубецкой А.В., Щепеткин Ю.А., Штейнберг И.Ш. Многослойная оптическая память // Монография «3D лазерные информационные технологии». - Новосибирск. - 2003. - гл. 3. - с. 110 -167

12. Steinberg I.Sh. Use of two-photon recording of microholograms in pure lithium niobate for three-dimensional optical memory // OSA Trends in Optics and Photonics. - 2005. - v. 99. - pp. 610 - 615

13.Штейнберг И.Ш. Двухфотонная запись микроголограмм в чистом ниобате лития // Труды 3-й международной научно-практической конференции. - Часть 1. - Томск. - 2005. - с. 234 - 237

14.Belikov A.Yu., Vyukhina N.N., Zatolokin V.N., Tverdokhleb P.E., Trubetskoy A.V., Steinberg I.Sh., Shepetkin Ju.A. Computer control system for 3D laser recording and detection of microstructures in volume media // Proceedings of the Second IASTED International Conference on Novosibirsk. - 2005. - pp. 201-206

15.Твердохлеб П.Е., Беликов А.Ю., Вьюхина H.H., Штейнберг И.Ш., Щепеткин Ю.А. Новые возможности для совершенствования защитных лазерных технологий // Официальные материалы второго международного форума «ГОЛОГРАФИЯ ЭКСПО -2005». - Москва. -2005. - с. 83-84

16.Беликов А.Ю., Вьюхина Н.Н., Затолокин В.Н., Твердохлеб П.Е., Трубецкой А.В., Штейнберг И.Ш., Щепеткин Ю.А. Экспериментальные исследования процессов лазерной записи и гетеродинного детектирования микроструктур в объеме регистрирующих сред // Автометрия. - 2007. - т. 43. - № 1. - с. 76 - 90

17.Steinberg I.Sh., Kalabin I.E. Two-photon recording of the microholograms in undoped lithium tantalate crystals with different compositions // Controlling Light with Light: Photorefractive Effects. - Photosensitivity. - Fiber Gratings, Photonic Materials on CD-ROM. OSA. - Washington. - 2007. - MB6

18. Steinberg I.Sh., Shepetkin Y. A. Two-photon recording of microholograms in undoped lithium tantalate // Applied Optics. - 2008. - v. 47. - pp. 9-14

19.Steinberg I.Sh., Loskutov V.A., Shelkovnikov V.V., Shepetkin Yu.A. Two-photon recording of microholograms in photopolymer materials with new cationic thioxanthone photoinitiators // Optics Communications. - 2008. - v. 281.-pp. 4297-4301

20.Steinberg I.Sh., Loskutov V.A., Shelkovnikov V.V., Tverdokhleb P. E. New photopolymer materials for two-photon recording of microholograms // Proceedings of the Topical Meeting on 0ptoinformatics'2008 - СПб.: СПб ГУИТМО. - 2008. - с. 87-90

21.Steinberg I.Sh., Kalabin I.E., Tverdokhleb P. E. Two-photon induced photorefraction in undoped lithium tantalate crystals with different compositions // Appl. Phys. B. - 2009. - v. 95. - pp. 407-411

Подписано к печати 02.11.2009 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Объём 1,2 печ. л. Тираж 100. Заказ №985

Отпечатано «Документ-сервис», 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Штейнберг, Илья Шнеерович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗАПИСИ И

ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ.

1.1 Побитовая запись информации на плоских носителях.

1.2. Оптические методы записи на основе объемных носителей.

1.2.1. Голографическая наложенная запись со страничной организацией данных.

1.2.2. Многослойная запись.

1.2.2.1. Многослойная побитовая запись.

1.2.2.2. Голографическая пословно-ориентированная запись информации.

1.3. Выводы по главе

ГЛАВА 2. ЛАЗЕРНЫЙ ДВУХПУЧКОВЫЙ МЕТОД МНОГОСЛОЙНОЙ ЗАПИСИ И ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ МИКРОГОЛОГРАММ.

2.1 Суть, особенности и преимущества метода.

2.2 Метод фазового кодирования информации в микроголограммах.

2.3 Гетеродинное детектирование в режиме импульсного освещения.

2.4 Предельная плотность многослойной записи.

2.5 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. МНОГОСЛОЙНАЯ ЗАПИСЬ МИКРОГОЛОГРАММ В РЕЖИМЕ ЛИНЕЙНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ.

3.1. Установка для исследования двухпучкового метода записи микроголограмм в объемных регистрирующих сред в режиме линейного поглощения.

3.1.1. Оптико-механическая часть установки.

3.1.2. Электронное устройство управления установки.

3.1.3. Расчетные и экспериментальные параметры установки.

3.2. Исследование процессов многослойной записи/считывания микроголограмм в фоторефрактивных регистрирующих средах.

3.2.1. Особенности использования регистрирующих сред при многослойной записи.

3.2.2. Эффект фоторефракции в кристаллах ниобата лития.

3.2.2.1. Запись/считывание микроголограмм в легированном железом ниобате лития.

3.2.3. Фотополимерный материал.

3.2.3.1. Экспериментальное исследование процессов записи/считывания микроголограмм в фотополимерном материале.

3.3. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАПИСИ МИКРОГОЛОГРАММ В РЕЖИМЕ ДВУХФОТОННОГО

ПОГЛОЩЕНИЯ.

4.1. Основы теории двухфотонного поглощения.

4.2.Особенности использования двухфотонных регистрирующих сред при многослойной записи.

4.3. Экспериментальная установка.

4.4. Исследование процессов многослойной двухфотонной записи и считывания в объемных регистрирующих материалах.

4.4.1. Запись/считывание в нелегированном ниобате лития.

4.4.2. Запись/считывание в нелегированном танталате лития.

4.4.3. Двухфотонная запись микроголограмм в нелегированных кристаллах танталата лития с разной стехиометрией.

4.4.4. Запись/считывание в фотополимерных материалах на основе тиоксантоновых хромофоров.

4.5. Выводы по главе 4.

Введение диссертация по физике, на тему "Лазерный двухпучковый метод многослойной записи/считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах"

Актуальность работы

Хранение и накопление информации в аналоговом и цифровом виде является фундаментальной основой человеческой культуры и цивилизации. Информационные технологии становятся, и будут оставаться важнейшей потребностью общества, что подтверждается стремительным развитием электронных и фотонных технологий записи и хранения данных.

Оптические технологии записи и хранения данных являются одной из наиболее развивающихся областей современной оптики и представляют как научный, так и коммерческий интерес.

Оптическая память, представленная в виде компакт-дисков (CD) стала основным средством распространения музыки и компьютерного программного обеспечения. Появление дисков в стандарте DVD (Digital Versatile Disc), обладающих в семь раз большей поверхностной плотностью записи, позволило осуществить запись нескольких часов видео высокого качества в стандарте MPEG-2.

Увеличение скорости вычислений, развитие новых Интернет и мультимедийных приложений, таких как аудио и видео по требованию, создание электронных библиотек, медицинских архивов приводит к необходимости дальнейшего повышения плотности записи и емкости памяти. Даже последний стандарт оптических дисковых запоминающих устройств - "Blue Ray," поддерживающий видео высокой четкости, этим требованиям не удовлетворяет. Следует отметить, что стандарт "Blue Ray," обладает практически предельной поверхностной плотностью записи. Дальнейшее развитие технологии оптической памяти возможно за счет использования, толстых регистрирующих сред. Это направление реализуется путем наложенной записи объемных голограмм, а также путем записи информации в ряде разделенных по глубине слоях [1]. Такую технологию принято называть многослойной.

Технология наложенной голографической записи информации достигла значительных успехов и близка к выходу на потребительский рынок [2]. Однако для эффективного использования при этом страничного формата данных необходимо разрабатывать новые параллельные системы связи с компьютером. В то же время в многослойных (побитовой и микроголографической) технологиях записи информации, являющихся своеобразным трехмерным аналогом технологии CD/DVD, можно применять существующие последовательные интерфейсы. Разработанные в Германии и США методы многослойной записи информации находятся на стадии НИР и не лишены существенных недостатков. Так, в методе записи отражательных микроголограмм [3], вследствие использования механизма линейного поглощения, запись по глубине среды происходит неоднородно, а ее динамический диапазон используется неэффективно, что приводит к ограничению количества возможных слоев записи. В методе многослойной побитовой записи, использующем флуоресцентное считывание [4], не удалось решить проблему стабильности флуоресцентного материала. Запись также неоднородна по глубине. Общей проблемой методов многослойной записи является необходимость компенсации сферической аберрации, изменяющейся при переходе от одного слоя записи к другому. В полной мере эта проблема не решена до сих пор.

Таким образом, несмотря на то, что методы многослойной записи информации имеют значительную перспективу увеличения плотности записи и емкости памяти, указанные недостатки препятствуют их развитию и применению. Поэтому задача разработки новых методов многослойной записи/считывания информации, лишенных упомянутых недостатков, остается по-прежнему актуальной.

Указанная задача как показано в настоящей диссертации может быть-решена путем а) глубинной записи интерференционных микроструктур (микроголограмм), применения многоуровневого фазового кодирования при записи таких структур и фазочувствительного гетеродинного детектирования (считывания) и б) применения механизма двухфотонного поглощения при записи микроголограмм.

Цель диссертации

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Предложить, обосновать и разработать метод многослойной записи/считывания микроголограмм в объемной регистрирующей среде. Показать возможности повышения плотности и скорости записи информации при многоуровневом фазовом кодировании информации в микроголограмме. Определить предельную плотность записи информации.

2. Исследовать особенности коллинеарного фазочувствительного гетеродинного считывания микроголограмм при их импульсном освещении.

3. Создать автоматизированную установку для экспериментального исследования предложенного метода записи/считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах в режимах линейного и двухфотонного поглощения. Установка должна обеспечить прецизионное перемещение среды по трем координатам, возможность выбора экспозиции и фазы для каждой из микроголограмм при записи и их гетеродинное считывание с определением амплитуды и фазы.

4. Определить основные характеристики установки: чувствительность гетеродинного фотодетектирования, размеры сформированной в глубине среды микроголограммы, а также размер области пространственной селекции, характеризующий разрешающую способность разрабатываемого метода по глубине.

5. Провести исследование метода многослойной записи микроголограмм в режиме двухфотонной инициации локальных фотопревращений в кристаллах ниобата и танталата лития, а также в толстых слоях фотополимерных материалов. Определить размеры микроголограмм, величину амплитуды модуляции показателя преломления и характерное время их записи. Изучить возможности осуществления неразрушающего считывания.

Научная новизна

Новыми результатами диссертации являются:

3. Двухфотонная запись микроголограмм в нелегированном конгруэнтном танталате лития с их последующим неразрушающим гетеродинным считыванием на длине волны А.о = 0,66 мкм. Значительное сокращение характерного времени записи микроголограммы по сравнению с традиционным случаем, когда возбуждение происходит с примесного

1 Отклик - сигнал на выходе фотоприемника, полученный при считывании микроголограммы. уровня. Получение насыщенного значения амплитуды модуляции показателя преломления на уровне Ans = 10,7х 10"4.

4. Обнаруженное влияние стехиометрии нелегированного танталата лития при двухфотонном возбуждении на амплитуду модуляции показателя преломления, голографическую чувствительность и характерное время записи микроголограмм, что позволяет вести целенаправленный с точки зрения указанных параметров поиск оптимальной концентрации лития. Получение при концентрации лития 48,38 мол.% насыщенного значения о амплитуды модуляции показателя преломления Аns = 2,1x10" , характерного времени записи микроголограмм т = 24 не и значения голографической чувствительности S = 1,3 см/Дж (в три раза превышает значения, полученные с легированным железом танталатом лития).

5. Двухфотонная запись микроголограмм в фотополимерных материалах на основе новых тиоксантоновых хромофоров со значениями амплитуды модуляции показателя преломления Ап = 4,8x10"3 и голографической чувствительностью S = 1,2 см/Дж. Сообщения о получении таких значений Ап при двухфотонной фотополимеризации автору неизвестны.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Физико-технические решения и методики, принятые при проведении многослойной записи/считывания микроголограмм в объемных регистрирующих средах, включающие методику селективной глубинной модификации среды и гетеродинного считывания модифицированного состояния, методику измерения распределения, шумов рассеяния и чувствительности по глубине среды, а также методику исследования собственной фоторефракции нелегированных кристаллов, танталата и ниобата лития в условиях двухфотонного межзонного фотовозбуждения, являются основой для развития новых информационных технологий 3D оптической памяти, защитной голографии и научного эксперимента.

Результаты, полученные в диссертации, использованы в следующих организациях:

• ИАиЭ СО РАН при проведении инициативных НИР, проектов РФФИ и РФТР, интеграционных проектов СО РАН и научных программ РАН (1993-2009 гг);

• Новосибирском институте органической химии СО РАН при создании фотополимерной композиции с низким уровнем шумов рассеяния, а также фотополимерного материала для двухфотонной записи;

• Институте физики полупроводников СО РАН при определении уровня фоторефрактивной чувствительности кристаллов танталата лития с неизвестной предысторией и определении диапазона концентрации лития, обеспечивающего минимальное оптическое повреждение кристаллов;

• Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН при определении влияния уровня индуцированных двухфотонных оптических потерь на эффективность процессов параметрического преобразования частоты в нелинейных кристаллах твердых растворов на основе танталата лития.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Предложенный двухпучковый метод позволяет осуществить многослойную запись микроголограмм в объемных фоторефрактивных средах (кристаллы ниобата и танталата лития, фотополимерные материалы), их последующее селективное по глубине гетеродинное считывание, а также увеличить плотность и скорость записи путем применения многоуровневого фазового кодирования информации (в три раза при реализованном восьмиуровневом кодировании).

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертации рассматривались на следующих конференциях: Second International Conference on "Optical Information Processing," Saint-Petersburg, Russia, 1996; International Conference on "Optical Information Science and Technology," Moscow, Russia, 1997; XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Moscow, Russia 1998; 101 Tagung "Deutsche Gesellschaft f!ir angewandte Optik," Jena, Germany, 2000; Ninth International Conference on "Photorefractive Effects, Materials, and Devices," Nice, France, 2003; Tenth International Conference on "Photorefractive Effects, Materials, and Devices," Sanya, P. R. China, 2005; Topical meeting "Controlling Light with Light: Photorefractive Effects, Photosensitivity, Fiber Gratings, Photonic Materials and More," Olympic Valley, California, USA, 2007; Topical Meeting on Optoinformatics, Saint-Petersburg, Russia, 2008; Topical meeting "Photorefractive Materials, Effects, and Devices," Bad Honnef, Germany, 2009.

Личный вклад

Постановка и решение задач исследования по теме диссертации, разработка необходимых методик и оптико-механической части экспериментальной установки, проведение экспериментальных исследований выполнены автором.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 21 научной работе, в том числе в 1 авторском свидетельстве, 1 патенте РФ, 7 научных статьях, одной монографии (две главы) и 10 трудах международных конференций.

Исследования по теме диссертации выполнялись в Институте автоматики и электрометрии СО РАН г. Новосибирск в рамках следующих НИР:

Проект «Разработка лазерной микротехнологии 3-D записи высокоскоростных потоков цифровых данных на оптический диск» (шифр «Супердиск»), договор с РФТР при Миннауки России № 118-370-2, 1996 -1998 гг. - исполнитель;

Проект «Разработка и исследование трехмерных (ЗО)лазерных методов инициации фотохимических превращений в объемных регистрирующих средах для создания перспективных дисковых накопителей данных сверхбольшой емкости» (Заказчик - СПП при Президиуме РАН), 2001 - 2003 гг. — ответственный исполнитель;

Проект «Исследование двухфотонных лазерных методов инициации локальных фотохимических превращений в объемных средах и разработка на их основе новых информационных технологий (Программа РАН «Фемтосекундная оптика и физика сверхсильных лазерных полей»), 2003 -2005 гг. — ответственный исполнитель;

НИР «3D лазерные микротехнологии, системы и элементы» (Программа СО РАН «Оптика, лазерная физика», № гос. per. 0120.0 405434), 2004 — 2006 гг. - ответственный исполнитель;

Проект «Фемтосекундные лазерные методы записи и детектирования микроструктур в 3D оптических регистрирующих средах» (Программа Президиума РАН «Фемтосекундная оптика и новые оптические материалы»), 2006 - 2008 гг. — ответственный исполнитель;

Междисциплинарный интеграционный проект СО РАН № 17 «Новые технологии трехмерной голографической памяти», 2006 — 2008 гг. — ответственный исполнитель;

Проект «Фотонно-кристаллические элементы и структуры на основе толстых однородных и слоистых оптических сред» (Программа СО РАН «Оптика, лазерная физика», № гос. per. 01.2.007 04683), 2007 - 2009 гг. -ответственный исполнитель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы, изложенных на 147 страницах, содержит 50 иллюстраций, 5 таблиц. Список литературы состоит из 93 наименований. Рисунки имеют сквозную нумерацию внутри каждой из глав. Этот же принцип нумерации по главам принят и для формул.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

4.5. Выводы.

Проведено исследование двухфотонной записи микроголограмм в нелегированных образцах кристаллов ниобата и танталата лития, а также в фотополимерных материалах на основе новых и эффективных тиоксантоновых хромофоров.

В нелегированном кристалле ниобате лития показана возможность двухфотонной записи микроголограмм одним импульсом, что является чрезвычайно важным фактором на пути увеличения скорости записи в возможных практических приложениях. Получено увеличение 1,6 раза амплитуды модуляции показателя преломления нелегированного ниобата лития в присутствии дополнительного пучка с длиной волны X = 1,06 мкм. При экспозиции одним импульсом (IGr = 0,9 ГВт/см2, Im = 1 ГВт/см2) амплитуда модуляции показателя преломления составляет An = 5,4x10"4, а дифракционная эффективность микроголограммы - 0,07%. Дальнейшее увеличение значения An ограничено явлением катастрофической деградации материала при повышении интенсивности до 1-й ,2 ГВт/см2. Недостатком этого материала является отсутствие неразрушающего считывания на длине волны X = 0,66 мкм, что связанно с образованием центров окраски в кристалле HJT при действии излучения высокой мощности.

Впервые проведена двухфотонная запись микроголограмм в нелегированном кристалле танталата лития (состав близкий к конгруэнтному), где в отличие от ниобата лития осуществлено неразрушающее считывание на длине волны X = 0,66 мкм. Размер о микроголограммы составляет 1x1,4x10 мкм . Результаты исследования свидетельствуют о том, что двухфотонное межзонное фотовозбуждение позволяет обеспечить высокое значение амплитуды модуляции показателя преломления Аns = 10,7x10 (при I = 4,1 ГВт/см ). В то же время следует отметить, что механизм лежащий в основе фоторефракции еще не ясен. Наблюдаемое значение голографической чувствительности S =

0,45 см/Дж не уступает лучшим результатам, полученным в экспериментах с легированным железом TJI. Показано, что двухфотонное межзонное фотовозбуждение электрона приводит к значительно более быстрому отклику по сравнению с традиционным случаем, когда возбуждение происходит с примесного уровня. Анализ распределения амплитуд сигналов считывания, проведенный для трех слоев, расположенных на глубинах 100, 122 и 144 мкм показал, что значения амплитуд, считанных с различных слоев, близки и запись происходит однородно по глубине. Измеренное значение уровня перекрестных помех говорит о его малом влиянии, поскольку фотоиндуцированное изменение свойств среды происходит лишь в малой области пересечения двух сфокусированных пучков.

Исследовано влияния стехиометрии нелегированного танталата лития на результаты двухфотонной записи (амплитуда модуляции показателя преломления и голографическая чувствительность). Показано, что результаты записи сильно зависят от молярной концентрации лития в кристалле. При концентрации лития 48,38 мол.% амплитуда модуляции показателя преломления равна Ans = 21 хЮ"4, а характерное время записи составляет т = 24 не. При этом значение голографической чувствительности TJI такого состава составляет S = 1,3 см/Дж, что в три раза превышает значения, полученные для легированного железом TJI.

Исследованы процессы двухфотонной записи микроголограмм в толстых (100-200 мкм) фотополимерных материалах, созданных на основе тиоксантоновых хромофоров. Максимальное значение сечения двухфотонного поглощения этих хромофоров составило 252x10"50 сш4*с. Проведена двухфотонная запись последовательности микроголограмм в произвольном по глубине слое. Глубина записи варьировалась в диапазоне 50— 150 мкм. Размер микроголограммы составлял о

1x1,4x6,4 мкм . Полученные результаты свидетельствуют о том, что хромофоры обеспечивают высокие значения голографической чувствительность ФПМ (S= 1,2 см/Дж) и изменения показателя преломления о

Ап = 4,8-10" ). Запись носит пороговый характер. Пороговая характеристика среды является достоинством при проведении многослойной записи. В этом случае улучшается степень локализации микроголограммы при записи и уменьшается влияние перекрестных шумов при считывании. Определен порог записи микроголограмм по интенсивности, равный для материала с хромофором ТЗ 1,2 ГВт/см". Считывание для этого класса материалов носит неразрушающий характер.

Показано, что коэффициент, характеризующий эффективность двухфотонного поглощения в ФПМ, равен 5x10-4 , что в 4 раза превосходит значение соответствующего коэффициента для ниобата лития. Основным ресурсом повышения значения коэффициента К является увеличение сечения ДФП хромофоров. Учитывая успехи современной квантовой химии и оценки для предельной величины коэффициента 8 ~ 106 ГМ [93], такой ресурс является значительным. Кроме того, поскольку коэффициент К зависит от интенсивности излучения, то при сокращении длительности импульса интенсивность записывающих пучков может быть повышена. Использование лазеров с фемтосекундными (100 - 200 фс) импульсами позволит увеличить интенсивность экспонирующих пучков на два порядка, поскольку при таких длительностях также растет порог разрушения материала.

Таким образом, использование ДФП в толстых регистрирующих средах позволит решить основные проблемы многослойной записи: обеспечить однородную запись во всем объеме среды и неразрушающее считывание. Важной особенностью применения ДФП является то, что в отличие от случая линейного поглощения в каждом слое может быть достигнуто максимальное значение амплитуды модуляции показателя преломления.

Заключение

В заключении приведем основные результаты диссертации.

1. Предложен новый двухпучковый лазерный метод записи/считывания микроголограмм, позволяющий в отличие от известных локализовать элементарный микрообъем в X, У, Ъ - пространстве среды, зарегистрировать интерференционную микроструктуру (микроголограмму) с дискретно изменяемой фазой, а также провести гетеродинное детектирование такой микроструктуры с определением ее амплитуды и фазы. Метод защищен авторским свидетельством и патентом РФ. Показано, что путем многоуровневого фазового кодирования плотность записи информации

11 3 можно довести до уровня 3,9x10 бит/см (при Х0 = 0,66 мкм, ЫА = 0,65, п = 1,5).

3. Создана автоматизированная оптико-электронная установка для многослойной записи микроголограмм в толстых регистрирующих средах в режимах линейного и двухфотонного поглощения. Диапазон перемещения среды по трем координатам — 0,8 мм, а точность позиционирования не хуже 0,2 мкм. Размеры микрорешетки в плоскости X, У (по уровню 0,5 л максимального значения интенсивности) - 1,0x1,4 мкм (А-о — 0,66 мкм, ЫА — 0,65), а размер по Ъ, определяющий разрешение по глубине, зависит от показателя преломления среды и может меняться в пределах 5-12 мкм. Порог чувствительности гетеродинного фотодетектирования составляет р

5,1x10" ~ мм", что достаточно для обнаружения шумов рассеяния основных регистрирующих сред.

4. Обнаружена и экспериментально подтверждена возможность восстановления размера отклика, полученного при гетеродинном детектировании микроголограммы, близкого к дифракционно-ограниченному значению, несмотря на наличие сферической аберрации, приводящей к увеличению размеров микроголограммы более чем в два раза на глубине ~ 500 мкм. Продемонстрированы возможности записи/детектирования микроголограмм с восемью уровнями фазы и их селективного стирания (в кристаллах ниобата лития в произвольном по глубине слое.

5. Впервые реализована многослойная двухфотонная запись микроголограмм (1x1,4 х10 мкм3) в нелегированном кристалле танталата лития (состав близкий к конгруэнтному) и их последующее неразрушающее детектирования на длине волны Х0 = 0,66 мкм. Показано, что двухфотонное межзонное фотовозбуждение электрона приводит к значительному сокращению характерного времени записи по сравнению с традиционным случаем, когда возбуждение происходит с примесного уровня, и позволяет получить насыщенное значение амплитуды модуляции показателя преломления на уровне Аns = 10,7x10"4 (при 1= 4,1 ГВт/см2).

6. Обнаружено значительное влияние стехиометрии нелегированного танталата лития при двухфотонном возбуждении на амплитуду модуляции показателя преломления, голографическую чувствительность и характерное время записи. Установлено, что при концентрации лития 48,38 мол.% насыщенное значение амплитуды модуляции показателя преломления равно Ans = 2ДхЮ"3, а характерное время записи составляет т = 24 не. При этом значение голографической чувствительности (S = 1,3 см/Дж) в-три раза превышает значения, полученные с легированным железом танталатом лития.

7. Исследованы процессы двухфотонной записи микроголограмм в толстых (100-200 мкм) фотополимерных материалах на основе тиоксантоновых хромофоров. Проведена двухфотонная запись последовательности микроголограмм размера 1х1з4хб,4 мкм3 в произвольном по глубине слое. Показано, что хромофоры обеспечивают высокие значения голографической чувствительность фотополимерного материала (£ = 1,2 см/Дж) и амплитуды модуляции показателя преломления (Ап = 4,8x10"3). Запись носит пороговый характер, что позволяет повысить степень локализации микроголограммы при записи и уменьшить влияние перекрестных шумов при считывании. Определено, что порог записи микроголограмм по интенсивности находится на уровне 1,2 ГВт/см2.

Таким образом, при выполнении диссертации решена важная научно-техническая задача по созданию нового лазерного двухпучкового метода трехкоординатной микромодификации толстых регистрирующих сред, многослойной записи в таких средах микроголограмм и последующего гетеродинного детектирования их информационного содержания: амплитуды и фазы. Полученные результаты составляют научную основу для развития новых технологий ЗО оптической памяти с многослойной пословной организацией данных, защитной голографии, физического эксперимента и других приложений. Предложенные в диссертации методики двухфотонной модификации регистрирующих сред и селективного гетеродинного детектирования модифицированных состояний нашли применение при проведении научных исследований в НИОХ СО РАН (разработка фотополимерного материала для двухфотонной записи на основе тиоксантоновых хромофоров), ИФП СО РАН (определение значения фоторефрактивной чувствительности кристаллов танталата лития с неизвестной предысторией и концентрации лития, обеспечивающей минимальное оптическое повреждение), а также в ИМКЭС СО РАН (определение влияния уровня индуцированных двухфотонных оптических потерь на эффективность процессов параметрического преобразования частоты в нелинейных кристаллах твердых растворов на основе танталата лития).

В заключении автор приносит глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук профессору Твердохлебу П.Е. - за плодотворные обсуждения и поддержку в работе, своему постоянному соавтору к.т.н. Щепеткину Ю. А. за плодотворную совместную работу, к.т.н. Пену Е.Ф. за ценные советы и замечания, сделанные при чтении рукописи диссертации, к.х.н. Шелковникову В.В. за разработку, изготовление образцов ФПМ и полезные дискуссии, к.ф.-м.н. Атучину В.В. за определение стехиометрического состава кристаллов нелегированного танталата лития и полезные дискуссии, а также сотрудникам лаборатории оптических информационных систем: Вьюхиной H.H., Затолокину В.Н., Трубецкому A.B., Беликову А.Ю., принимавшим участие в выполнении отдельных этапов работы.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Штейнберг, Илья Шнеерович, Новосибирск

1. Walker Е., Dvornikov A., Coblentz К., Esener S., and Rentzepis P. Toward terabyte two-photon 3D disk // Opt. Express.- v. 15 - 2007,- pp. 12264-12276.

2. Chuang E., Curtis K., Yang Yu., and Hill A. Consumer holographic read-only memory reader with mastering and replication technology // Opt. Lett. v. 31, 2006.-pp. 1050-1052.

3. Eichler, H. J.; Kuemmel, P.; Orlic, S.; Wappelt, A. High density disk storage by multiplexed microholograms.// IEEE Journal of Selected Topics in QE 1998. v. 4.- № 5.-pp. 840-848

4. C3D Data Storage Technology. Дата обращения 28.08.09. URL: < http://web.archive.org/web/20020802103534/www.c-3d.net/tech frameset.html>

5. Боухард Г., Браат Дж., Хейсер А. и др. Оптические дисковые системы. / Пер. с англ. М.: «Радио и связь», 1991.

6. Mansuripur М. The Physical Principles of Magnetooptical Recording. Cambridge Univ. Press, Cambridge 1995.

7. Van Heerden P. J. Theory of optical information storage in solids // Appl. Opt. 1963. - v. 2. - pp. 393—401.

8. Mikaelian A.L. Superresolution approach in designing holographic memories // Proc. SPIE. 1999. - v. 3801.-pp. 128-133.

9. Ashley J., Bernal M.P., Burr G.W., Coufal H., Guenther H., Hoffiiagle J.A., Jefferson C.M., Marcus В., Macfarlane R.M., Shelby R.M., Sincerbox G. T. Holographic datastorage // IBM J. Res. Dev. 2000. v. 44. - №3. - pp. 341-368.

10. Tanaka Т., and Kawata S. Comparison of recording densities in.three-dimensional optical storage systems: multilayered bit recording versus angularly multiplexed holographic recording // J. Opt. Soc. Am. A. 1996: - v. 13.-pp. 935-943.

11. Vyukhina N.N., Gibin I.S., Dombrovsky V.A., Dombrovsky S.A., Pankov B.N., Pen E.F., Potapov A.N., Sinyukov, A.M. Tverdokhleb P.E., and

12. Shelkovnikov V.V. A Review of Aspects Relating to the Improvement of Holographic Memory Technology 11 Optics and Laser Technology. 1996. -v. 28. - № 4. - pp. 269-276.

13. Anderson K., and Curtis K. Polytopic multiplexing // Opt. Lett. 2004. - v. 29. - № 12.-pp. 1402-1404

14. Dhar L., Hale A., Katz H. E., Schilling M. L., Schnoes M. G., and Schilling F. C. Recording media that exhibit high dynamic range for digital holographic data storage // Opt. Lett. 1999. - v. 24. - pp. 487-^189

15. Horimai H., Tan X., and Li J. Collinear holography // Appl. Opt. 2005. -v. 44.-pp. 2575-2579

16. Fukumoto A. Coaxial holographic data recording // Opt. & Photon. News, 2008. v. 19. - № 11. - pp. 28-33

17. Holographic Versatile Disc. Дата обращения 28.08.09. URL:http://en.wikipedia.org/wiki/Holographic Versatile Disc>

18. Fluorescent Multilayer Disc. Дата обращения 28.08.09.URLihttp://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescent MultilayerDisc>

19. Constellation 3D. Дата обращения 28.08.09. URL:http://en.wikipedia.org/wiki/Constellation 3D//cite note-ingolf-7>

20. Toriumi A., Kavvata S., Gu M. Reflection confocal microscope readout system for three-dimensional photochromic optical data storage // Opt. Lett. 1998. -v. 23.-pp. 1924-1926

21. Parthenopoulos D.A., Rentzepis P.M. Three-dimensional optical storage memory // Science. 1989. - v. 245. - pp. 843-845

22. Wang M.M., Esener S.C., McCormick F.B., Cokgor I., Dvornikov A.S., Rentzepis P.M. Experimental characterization of a two-photon memory // Opt. Lett. 1997. v. 22. pp. 558-560

23. Kawata Y., Ishitobi H., Kawata S. Use of two-photon absorption in a photorefractive crystal for three-dimensional memory // Opt. Lett. 1998. — v. 23.-pp. 756-758

24. Твердохлеб П.Е., Трубецкой А.В., Щепеткин Ю.А., Штейнберг И.Ш. Многослойная оптическая память // Монография «3D лазерные информационные технологии». Новосибирск. - 2003. - глава 3. - с. 110 -167

25. Orlic, S.; Ulm S., Eichler H. J. 3D bit-oriented optical storage in photopolymers // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. v.3. 2001. - pp. 72-81

26. Eichler H. J., Gunter P., Pohl D. W. Laser-induced dynamic gratings. Springer-Verlag, Berlin, 1986

27. McLeod R, Daiber A., McDonald M., Robertson Т., Slagle Т., Sochava S., Hesselink L. Microholographic multilayer optical disk data storage // Appl. Opt. v. 44. 2005. - pp. 3197-3207

28. Рудаков И.Б., Штейнберг И.Ш., Щепеткин Ю.А. Метод многослойной оптической записи информации // Автометрия. 1991. № 3. - с. 76-80

29. Авторское свидетельство № 1769233 / Штейнберг И.Ш., Щепеткин Ю.А. Способ многослойной оптической записи и воспроизведения двоичной информации. Приоритет от 15 ноября 1989 г.

30. Steinberg I.Sh., Shepetkin Ju. A. Multilayer three-dimensional optical recording // Second International Conference on Optical Information Processing. Proc. SPIE. 1996. - v. 2969. pp. 232-236

31. Карлтон X., Мэлони В., Мелц Г. Коллинеарное гетеродинирование в оптических процессорах // ТИИЭР. 1969. - v. 57. - № 5. с. 32-40

32. Авторское свидетельство № 1457663 / Вовк Ю.В., Щепеткин Ю.А. Способ записи голограмм. Приоритет от 10 октября 1983 г.

33. Авторское свидетельство № 1349547 / Вовк Ю.В., Щепеткин Ю.А. Способ голографической регистрации двоичной информации. Приоритет от 20 января 1986 г.

34. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации. Под ред. А.Г.Зюко. — М.: Радио и связь, 1985.

35. Заездный A.M., Окунев Ю.Б., Рахович J1.M. Фазоразностная модуляция. М.: Связь, 1967

36. Портной С. Л. Характеристики систем модуляции и кодирования с точки зрения каскадных кодов // ППИ. 1985. - XXI. — вып. 3

37. Вовк Ю.В, Выдрин JI.B., Твердохлеб П.Е., Щепеткин Ю.А. Метод многоканальной записи двоичных данных на оптическом диске // Автометрия. 1989. - №2. - с. 77-87

38. Вовк Ю.В., Щепеткин Ю.А. Параллельное гетеродинное считывание двоичных данных из одномерных голограмм Фурье // Автометрия. 1984. - №3. - с. 35-42

39. Протопопов В.В., Устинов Н.Д. Лазерное гетеродинирование. М.: Наука, 1985

40. Харкевич А. А. Спектры и анализ. М.: ГИФМЛ, 1962

41. Steinberg I.Sh., Shepetkin Y. A. Two-photon recording of microholograms in undoped lithium tantalate // Applied Optics. 2008. - v. 47. - pp. 9-14

42. Steinberg I.Sh., Loslcutov V.A., Shelkovnikov V.V., Shepetkin Yu.A. Two-photon recording of microholograms in photopolymer materials with new cationic thioxanthone photoinitiators // Optics Communications. 2008. -v.281. - pp. 4297-4301

43. Кольер P., Бердхард К., Лин. Л. Оптическая голография. / Пер. с англ. -Изд. М.: Мир, 1973

44. Вовк Ю.В., Выдрин Л.В., Твердохлеб П.Е., Щепеткин Ю. А. Метод многоканальной записи двоичных данных на оптическом диске // Автометрия. 1989. - №2. - с. 77-87

45. Хирд Г. Измерение лазерных параметров. /Пер. с англ. М.: Мир, 1970

46. Ashkin A., Boyd G., Dziedzic I. et al. Optically-induced refractive index ingomogenities in LiNi03 and LiTa03 // Appl. Phys. Lett. 1966. - v. 9. - pp. 72-74

47. K. Buse, J. Imbrock, E. Kratzig, K. Peithmann Photorefractive Effects in LiNb03 and LiTa03. Springer Series in Optical Sciences. - v. 114. - 2007

48. Glass A. M., von der Linde D, Negran T J. High voltage bulk photovoltaic effect and photorefractive process in LiNi03. Appl. Phys. Lett. 1974. - v. 25. -pp. 233-235

49. Hesselink L., Bashaw M. S. Optical memories implemented with photorefractive media // Optical and Quantum Electronics. — 1993. — v. 25. -S611-S661

50. Peithmann K., Wiebrock A., Buse K. Photorefractive properties of highly-doped lithium niobate crystals in the visible and near-infrared // Appl. Phys. B. 1999. - v. 68. - pp. 777-784

51. Jermann F., Otten J. Light-induced charge transport in LiNi03:Fe at high light intensities //J. Opt. Soc. Am. B 1993 v. 10. pp. 2085-2092

52. Kurz H., Krätzig E., Keune W. Photorefractive centers in LiNb03, studied by optical, Mössbauer and EPR methods // Appl. Phys. 1977. - v. 12 pp. 355368

53. Huignard J. P., Herriau J. P., Micheron F. Coherent selective erasure of superimposed volume holograms in LiNb03 // Appl. Phys. Lett. 1975. - v. 26 pp. 256-258

54. Tomlinson W.J., Kaminov I. P., Chandross E. A., Silfvast W. T. Photoinduced Refractive Index Increase in PMMA and Its Applications // Appl. Phys. Lett. -1970.-v. 16.-p. 486-489

55. Monroe B.M., Smothers W.K., Keys D.E., Krebs R.R., Mickish D.J., Harrington A.F., Schicker S.R., MArmstrong.K., Chan D.M.T., and Weathers C.I. Improved photopolymers for holographic recording // J. Image Sei. 1991. -v. 35.-PartI. -pp. 19-25

56. Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram gratings 11 Bell Syst. Tech. J. 1969. v. 48. - pp. 2909-2947

57. Göppert-Mayer M Über Elementarakte mit zwei Quantensprüngen // Ann. IH>e Phys. 1931. v. 9. - pp. 273-295

58. Kaiser W., and Garrett C.G.B. Two-photon excitation in CaF2:Eu2+// Physic^j Review Letters 1961. v. 7. - pp. 229-232

59. Denk W.; Strickler J. H.; Webb W. W. Two-photon fluorescence scanning microscopy // Science. 1990. - v. 248. - pp. 73-76

60. Jeon S., Malyarchuk V. et. al. Fabricating three dimensional nanostructures using two photon lithography in a single exposure step // Optics Express. — 2006.-v. 14.-No. 6.-pp. 2300-2308

61. Hunter S., Kiamelev F., Esener S., Parthenopoulos D. A., and Rentzepis P. Potentials of two-photon based 3-D optical memories for high performance computing // Appl. Opt. 1990. - v. 29. - pp. 2058-2066

62. Strickler J. H., and Webb W. W. Three-dimensional optical data storage in. refractive media by two-photon excitation // Opt. Lett. 1991. - v. 16. — pp. 1780-1782

63. Патент России, № 2017237 / Штейнберг И.Ш., Щепеткин Ю.А. CnocoG многослойной оптической записи двоичной информации, бюл. 14, 1994

64. Герасимова Т.Н., Пен Е.Ф. Твердохлеб П.Е., Шелковников В.В., Штейнберг И.Ш. Органические светочувствительные материалы для трехмерной оптической памяти // Монография "3D лазерные информационные технологии". Новосибирск. - 2003. - глава 2. - с. S3 — 109

65. Montemezzani G., Rogin P., Zgonik M., and Günter P., Interband photorefractive effects: Theory and experiments in KNbOs // Phys. Rev. B. -1994. v. 49. - pp. 2484-2502

66. Dittrich P., Koziarska-Glinka B., Montemezzani G., and Günter P. Deep-ultraviolet interband photorefraction in lithium tantalate // J. Opt. Soc. Am. B. -2004.-v. 21.-pp. 632-639

67. Beyer O., Maxein D., Buse K., Sturman B., Hsieh H. T., and Psaltis D. Investigation of nonlinear absorption processes with femtosecond light pulses in lithium niobate crystals // Phys. Rev. E. 2005. - v. 71. - pp. 056603-1056603-8

68. Sweeney K.L., Halliburton L.E. Appl. Phys. Lett., 1983. v. 43. - pp. 336-338

69. Buse K., Adibi A., and Psaltis D. Nonvolatile holographic data storage in doubly doped lithium niobate crystals //Nature. 1998. - v. 393. - pp. 665-669

70. Krätzig E., and Orlowski R. LiTa03 as holographic storage material // Appl. Phis. 1978.-v. 15.-pp. 133-139

71. Imbrock J., Bäumer C., Hesse H., Kip D., and Krätzig E. Photorefractive properties of iron-doped lithium tantalate crystals // Appl. Phys. B 2004. — v. 78.-pp. 615-622

72. Imbrock J., Wevering S., Buse К., and Krätzig E. Nonvolatile holographic storage in photorefractive lithium tantalate crystals with laser pulses // J. Opt. Soc. Am. В. 1999.-v. 16.-pp. 1392-1397

73. Kappers L.A., Sweeney K.L., Halliburton L.E., Liaw J.H. Oxygen vacancies in lithium tantalate // Phys. Rev. B. 1985 v. 31. - pp. 6792-6794

74. Carson A., and Anderson M. Two-photon absorption and blue-light induced red absorption in LiTa03 waveguides // J. Opt. Soc. Am. B. — 2006. — v. 23. — pp. 1129-1136

75. Бредихин И. В., Галанин M. Д., Генкин В. Н. Двухфотонное поглощение и спектроскопия // УФН. 1973. - т. 110. - с. 1-43

76. Imbrock J., Kip D., and Krätzig E. Nonvolatile holographic storage in iron-doped lithium tantalate with continuous—wave laser light// Opt. Lett. 1999. — v. 24.-pp. 1302-1304

77. Imbrock J., Wevering S., Buse K., Krätzig E. Nonvolatile holographic storage in photorefractive lithium tantalate crystals with laser pulses // J. Opt. Soc. Am. В 1999.-v. 16.-pp. 1392-1397

78. Atuchin V.V., Dependence of LiTa03 refractive indices on the crystal composition // Opt. Spectrosc. 1989. - v. 67 pp. 771-772

79. Onodera H., Awai I., and Ikenoue J. Refractive-index measurement of bulk materials: prism coupling method // Appl. Opt. 1983. - v. 22. - pp. 11941197

80. Barns R.L., and Carruthers J.R. Lithium tantalate single crystal stoichiometry // J. Appl. Cryst. 1970. - v. 3. - pp. 395-399

81. Tauc J., Grigorovici R., and Vancu A. Optical Properties and Electronic Structure of Amorphous Germanium// Phys. Status Solidi. 1966. - v. 15. — pp. 627-637

82. Martineau C., Lemercier G., Andraud C., Wang I., Bouriau M., Baldeck P.L. New initiator for two-photon absorption induced polymerization with a microlaser at 1.06 mm // Synthetic Metals. 2003. - v. 138. - pp. 353-356

83. Polyzos I., Tsigaridas G., Fakis M., Giannetas V. Persephonis P., Mikroyannidis J. Two-photon absorption properties of novel organic materials for three-dimensional optical memories // Chem. Phys. Lett. 2003. - v. 369 pp. 264-268

84. Шелковников B.B., Пен Е.Ф., Ковалевский В.И., Васильев Е.В., Русских В.В., Герасимова Т.Н. Голографическая запись на запрещенных синглет-триплетных электронных переходах // Оптика и Спектроскопия. 2004. -т. 97.-№ 6.-с. 1034-1042

85. Sheik-Bahae М., Said A.S., Wei Т.-Н., Hagan D.J., van Stryland E.W. Sensitive Measurement of Optical Nonlinerarites Using Single Beam // IEEE J of Quant. Electr. 1990. - v. 26. - № 4. - pp. 760-769

86. Sullivan A., Grabovski M., McLeod R. Three-dimensional direct-write lithography into photopolymer // Appl. Opt. 2007. - v. 46. - pp. 295-301

87. Kuzyk M.G. Fundamental limits of two-photon absorption cross-sections // J. Chem. Phys. 2003. v. 119. - №16. - pp. 327-334