Процессы тепломассообмена при нанесении информации на лазерные диски однократной записи тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Санкт-Петербургский Государственный Институт Точной Механики и Оптики (Технический Университет)

Емец Александр Генрихович

ПРОЦЕССЫ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ НАНЕСЕНИИ ИНФОРМАЦИИ НА ЛАЗЕРНЫЕ ДИСКИ ОДНОКРАТНОЙ ЗАПИСИ

Специальность : 01,04.14 -- Теплофизика и молекулярная физика .

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Сачкт-Петербург - 19 9 5

На правах рукописи УДК 536.2 + 681.327.68

т

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Институте Точной Механики и Оптики (Техническом Университете)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Г.Н.Дульнев

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор М.Н.Либенсон

. доктор химических наук, профессор В.Г.Корсаков

Ведущая организация:

Институт оптика-нейронных технологий Российской Академии Наук

Защита состоится " " ¿У^Т^Ц^ 1995 г. ча-

сов на заседании диссертационного совета

К.053.26.03 ИТШ по адресу : 197101 г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, 14.

С диссертацией ыолшо ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 1995 г.

Учений секретарь дассертацнонного совета, С—-/?

>_~-иидат технических наук В.А.Ксраблев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. В течении последних десяти лег оптический диск напел множество применений. Возможность записи значительного объёма информации с сроком хранения более 50 лет, простота тиражирования делают оптический диск очень привлекательным. Высокопроизводительные компьютерные станции, телевизионные системы, а такгг.е медицинское диагностическое оборудование, базирующееся на вычислительной технике, предъявляют серьёзные требования к носителям информации; элементарной ячейкой которой является лунка в регистрирующей среде, так называемый пит.

Существующие магнитные носители не в состояний удовлетворить требованиям по архивоспособности и времени доступа к информации. Создание лазерного диска однократной записи с высокой архивоспособностью и скоростью записи является наиболее актуальной проблемой. Однако для создания оптимальной конструкции и технологии такого носителя может потребоваться огромное количество экспериментов. Это связано со сложностью протекания физико-химических процессов при записи информации. Моделирование тепломасссобменных процессов позволяет сократить число дорогостоящих экспериментов. Важно не только описание происходящих процессов при помощи математического моделирования, но и оптимизация таких параметров, как энергия записи, прогнозирование теплофизических свойств веществ перспективных для использования в оптической записи.

Цель работа. Описание тепломассообменных процессов, протекающих при нанесении информации на лазерный диск однократ-чой записи на основе титана. Построение физической и математической модели процесса образования' пита. Определение основных характеристик динамики образования пита, влияющих на •;ачество и скорость наносимой информации.. На 'основании анализа произведенных теоретических и экспериментальных исследований наметить модели конструкций лазерного диска, перс-;ектиЕных для записи в реатъном масштабе времени, а также модернизировать технологию записи.

Научная новизна. В диссертационной работе предложены фи-

зическая и математическая модели тепломассообменннх процессов, протекающих при образовании пита. Автором предложены модели наиболее подробно описывающие процесс записи, в отличии от существующих . Проведенные численные расчеты на основании предложенной модели показали, достаточно хорошее их соответствие - результатам экспериментальных исследований. Анализ расчетов выявил недостатки существующей конструкции лазерного, диска однократной записи на основе титана, а также способы их устранения. С этой целью была предложена модель конструкции лазерного диска однократной записи, включающая слои титана и вольфрама. Расчёт конструкции показал перспективу увеличения скорости записи, не ухудшай при атом архи-воспособности носителя. Приведён ряд конструкций на ос.чоЕе многослойной системы титан/висмут/алюминий, способной осуществлять запись со скоростью близкой к реальному масштабу времени. Численные расчёты на основании предложенной математической модели помогли обосновать правомочность упрощения моделей с целью сокращения объёмов вычислений. При зтом с удовлетворительной точностью отражены наиболее важные процессы, протекающие при образовании пита.

Катода исследования в диссертационной работе базируются на научном потенциале российских и зарубежных учёных по воздействию лазера на тонкие пленки. Используются численные методы моделирования процессов переноса (метод конечных элементов , неявный метод расщепления), а также экспериментальные исследования изменения коэффициента отражения на установке контроля магнитооптических покрытий в системах ривер-сивной оптической памяти .

Практическая внач?»<осгь. Описанная в работе физическая и математическая модель и комплекс программ могут быть использованы, после небольиой модернизации, для расчёта любых конструкций оптического диска однократной записи,' как с реально существующими материалами, так и для материалов с заданными свойствами. Комплекс программ может таю;е быть использован для анализа процессов записи на реверсивных носителях (основанных на фазовых■переходах). Предложены новые, более перспективные многослойные конструкции лазерного диска на сснозе систем /НА// и /П/В1/А1/, позволяющие увеличить скорости записи при той же архиБоспоообностп, и технслсгия

их реализации.

Впод1)сние результатов_работы осуществлено в НПО "Авангард". Полученные результаты были танке использованы и внедрены и Санкт-Петербургском Технологическом Университете.

Научные положения, выносимые на защиту:

- физическая модель тепломассообменных процессов, протекающих при' нанесении информации на лазерный диск однократной записи;

- анализ процессов и механизмов- образования пита;

- влияние слоев, выполненных по методу молекулярного наслаивания, на скорость образования пита;

• математическая модель тепломассообменных процессов протекающих при записи;

- расчет формы границу пита численными методами (неявным методом расщепления, методом конечных элементов) и скорости её движения;

- анализ экспериментальных исследований и сравнение их с численными расчётами.

Апробшргя^ Основные результаты работы докладывались на НТО отдела UEO "Улучшение параметров записи лазерного диска однократной записи" НПО "АВАНГАРД", Санкт-Петербург, 1993 г., и на семинаре "Применение методов молекулярного наслаивания для улучшения параметров записи лазерного диска однократной записи" на кафедре физической химии Санкт-Петербургского Технологического Университета, 1994 г..

Публикации. Представленные на залогу результаты опубликованы в статьях [1-3].

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, шести приложений. Её общий объём 193 страницы, в том числе: 51 рисунок, три таблицы, список литературы из 66 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обосновывается актуальность темы, определяются основные направлен;',я исследования и формулируется цель работу.

- 6 - • В первой главе произведён литературный обзор отечественной к зарубежной литературы.

Во второй главе рассматриваются различные конструкции лазерного диска, влияние слоёБ, выполненных по методу молекулярного наслаивания (рис.1,2) . В зависимости от длительности импульса показано два уравнения теплопроводности с учётом и без скорости распространения температуры (1-2).

ат гх

1 а

г Зг

ат

Зг

г-. о

а-т

ч(г)

Э с р

(1-!?г)ехр(-г0)

где Б - коэффициент ослабления в законе Еугера; Г?г- - коэффициент отражения.

■л)

Вт а2т 1 а ат Ъ2Т ^

— + т -а — г - + -

Эх ат* г Зг аг v ^

Ч(г)

-)ехр(-2Б)

И с р

г

где т - постоянная релаксации . (2)

Скорость наносимой информации определяет учёт скорости распространения тепла. Для скоростей записи менее 1 Гбайт/с можно использовать уравнение (1), в противнем случае (2). Оценка времён релаксации в вертикальном и горизонтальном направлениях помогают понять, в каком направлении скорость изменения температуры происходит более интенсивно. Приводятся различные варианты описания источника тепла при. постановке задачи. Одним из них является источник, учитывающий процесс поглощения в регистрирующей среде (3).

<Ъ-ехр(-кг£-Ог)

У(г.г) - -

О

1.47.106_

ширина пучка лазера

-

РисЛ. Трехслойная конструкция лазерного диска однократной записи

!.

z

1,47* Ю~в _

ширина пучка лазера

- ело?., выполненный ueiosbi! ксеекулярисгс ¡шгдаиванш

í'üo.2. Чегкрех?лс;:иая -¡онс^гу:--:-.-: iári'.ci:

Подробно описывается физическая модель образования пита.

Зарождение пита начинает происходить с момента разогрева информационного слоя, у обоих поверхностей которого образуются камеры, заполненные продуктами распада (подложки и защитного покрытия) (рис.3). Выравнивающий давления в камерах поток уносит аблативно часть титанового слоя (рис.4). Далее диаметр пита постепенно увеличивается, доходя до размера лагерного пучка. Анализируя динамику образования,пита, в главе показывается на каких процессах следует заострить особое внимание при построении математической модели и выполнении числе;.гых расчетов.

В третьей главе рассмотрена математическая постановка задачи. Различные возможности учета движения фазовой гранк-

ческая постановка задачи, учитывающая распространение тепла в подложке, регистрирующей среде и защитном покрытии в координатах rOz, с учётом движения границы пита.

В ' i е та с ртои г\л аве рассматриваются различные приёмы, используемые в численных методах для учёта теплоты фазового перехода. Применение неравномерных и адаптивных сеток для численного расчета. Продемонстрированы решения методом конечных элементов и неявным методом расщепления. В кратце описан алгоритм работы программного комплекса. Показаны преимущества и недостатк:. методов. Построена численная модель расчета двумерной нестационарной нелинейной задачи Стефана для трехслойной конструкции лазерного диска однократной записи. Подробно описываются методы, использованные при расчете .

В пятой главе рассматривактся расчеты различных конструкций диска. Произведены тестовые расчёты, по которым определено оптимальные размеры рассматриваемой области, коэффициенты густоты пространственно временной сетки. На основании проведенных расчётов были получены следующие результаты, позволяющие упростить расчёт конструкций. Вклад теплоотдачи в изменение поля температур не превышает 1.5Х , учёта нелинейности свойств сколо 5%, фазовых переходов примерно 20%.

Проанализированы расчёты с использованием неравномерной и адаптируем:;; сет:к. ['.слученные результаты показали преимущество ада.--,".;/сетки при расчетах поля температур ин-

точка максимума теплового источника

полващтшшетакрилата П. Камера вторая. Продукты распада &8ла«таюцего слоя

Рис. С '.ра.човаккс камер с продуктами распада

¥

— - область, которую уносит выравнивающий давления поток

Рис. 4. Завершающая стадия образования пита

• . - XI -

формационного слоя с учётом фазовых переходов.

Если при расчёте конструкций Сеэ переферийных слоев одна из конструкций показала наилучшее время образования пита, то при расчёте с учётом переферийных слоев она также показывает наилучшее время образования пита. На основании этого утверждения можно выполнять оценки различных конструкций по упрощённым моделям, не прибегая к объёмным расчётам.

Показана перспективность системы подложйа/титан/воль-фрам/защитнсе покрытие (рис.5), в которой излучение, падающее на поверхность титана после его прогорания, поглощается в вольфраме. В отличии от конструкции подложка/титан/защитное покрытие, в которой при прогорании дна пита излучение проходит без поглощения. В результате поглощённое вольфрамом тепло проникает под слой титана, увеличи^я с-корпотъ п^пазо-Еания пита.

Также хорошие результаты показали многослойные конструкции на основе висмута. Хотя система подложка/титан/висмут/цинк/защитное покрытие показала большую скорость образования пита по сравнению с системой подложка/титан/висмут/алюминий/защитное покрытие, лучшей оказалась всё-таки система с слоем алюминия, так как слой цинка начинал яроп-лавляться, когда пит в слое висмута не был ещё сформиреван. Основные результаты сведены в таблицу 1.

В шестой главе показаны результаты экспериментальный исследований. Эксперименты производились в НПО "АВАНГАРД" (г. Санкт-Петербург) на установке контроля магнитооптических покрытий, используемых в системах реверсивной оптической памяти. Получаемый с установки сигнал представлялся в виде изменения коэффициента отражения или просто контрастом.

К

1?1 - Ко

¡?1 + «О

где К - контраст наносимой (нанесённой) информации, Но - начальный коэффициент отражения, Рх - конечной коэффициент отражения.

Кент,---"? '.'г/.:-:: Сило наблюдать не только в начале и конце

пммл

УХг-

-f

r

TI

ЗП

- 13 -Таблица 1.

Название конструкции Толщины слоев, СА°] На сколько X пит сформирован Время импуяьса ч Т, [М«сЗ

# /П/ 200 68 0,3

/Т1/Ы/ 100/100 95 0,16

* /В1/А1/ 400' 82 0,075

* /ЗУТп/ 400 91 0,05

* /Т1/В1/А1/ 50/75/75 97 0,009

* /т1/в1/гп/ 50/75/75 75 0,005

* ПММА/П/ЗП 174/200/104 74(91) 5

* ПША/П/И/ЗП 104/100/100/104 100 3,7

* пммА/т1/В1/гп/зп 104/50/75/75/104 57 0,03

ЛША/П/В1/А1/ЗП 104/50/75/75/104 101 ' 1 0,07

ПММА - подложка, выполненная из полиметилметакрилата ; ЗП - защитное покрытие ; <■

* - слой, е котором происходит образование пита (регистрирующая среда), в скобках экспериментальное значение.

импульса, но также и на протяжении его. Эксперименты петсаза-ли хорошее соответствие результатов численным расчётам конструкции подложка/титан/защитное покрытие. Проанализированы экспериментальные кривые контрастов. Определена оптимальная энергия записи для конструкции на основе титана. Проанализировано влияние промежуточных слоев ЗШг, выполненных по методу молекулярного наслаивания (рис.1). Произведено сравнение конструкции на основе титана с конструкцией на основе ванадия.

ВЫВОДЫ

1. Предложена физическая модель процесса образования пита. Проанализированы протекающие в зоне воздействия тепло-массообменные процессы. На основании оценки времён релаксации определены направления наибольшей скорости изменения температуры. В зависимости от скорости нанесения информации предложены для расчётов два типа уравнения теплопроводности, описывающие процесс распространения тепла. В физической модели показаны процессы, сопутствующие образованию пита, также влияющие на скорость записи. Моменту начала зарождения пита предшествует процесс образования камер продуктов распада подложки. Давления в камерах смещает точку плавления регистрирующей среды. Возможно, в введении дополнительных слоев ещё более легкоплавких и менее плотных чем подложка (по-лиметилметакрилат) есть перспектива снижения давления в зоне воздействия. Либо использование в качестве регистрирующей среды материалов, у которых температура плавления падает с ростом давления.

Предложенный источник тепла, ' учитывающий процесс поглощения в информационном слое, лучше соответствует физическому процессу записи.

2. Приведена математическая модель телломассообменных процессов образования пита. На основании численных расчётов были получены следующие результаты. Определены недостатки конструкции подложка/титан/защитное покрытие; предложена многослойная модель подлсжка/титан/воль$.р;г^ложитное покрытие, и обосновано её преимущество перед однослойной коче-

трукцией. Предложены конструкции на основе висмута для записи информации со скоростью близкой к реальному масштабу времени, и продемонстрирована по расчету возможность записи с такой скоростью. Показана возможность упрощения модели конструкции диска с целью уменьшения объёмов вычислений и обоснована на расчётах.

3. Разработан комплекс программ для расчёта различных конструкций лазерного диска с использованием метода конечных элементов и неявного метода расщепления. Для определения положения границы пита в информационном слое по полю температур числено решена двумерная задача Стефана с применением адаптивной сетки.

4. На основании произведённой серии экспериментов, определено хорошее их соответствие расчётам по математической модели. Проанализированы экспериментальные зависимости коэффициента отражения от длительности импульса. Объяснены модели протекания сопутствующих процессов по виду экспериментальных кривых. Определено соответствие результатов экспериментов предложенной физической модели.

5. Эксперименты проведенные с конструкцией лазерного диска однократной записи (на основе титана), включающей дополнительный слой Si02 (рис.2), выполненный методом молекулярного наслаивания, показали улучшение качества записи при уменьшении скорости образования пита. Возможно, такие конструкции будут актуальны в системах оптической записи, где осноеным требованием является качество наносимой информации.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Г.Н.Дульпев, А.Г.Емец Нанесение информации на лазерный диск однократной записи. I Физическая модель. - Сборник "Вопроси кибернетики". Моделирование сложных систем и виртуальная реальность. №181,М.,РАН 1995 г.,с.174-184.

2. Г.Н.Дульнев, А.Г.Емец Нанесение информации на лазерный диск однократной записи. II Математическая модель. -Сборник "Вопросы кибернетики". Моделирование сложных систем и виртуальная реальность. №181,М.,РАН 199Е, г.,с. 185-194.

3. Г.Н.ДульнеЕ, А.Г.Емец Нанесение информации на лазерный диск однократной записи. III Модель образования пита, -Сборник "Еспрсс^ кибернетики". Моделирование сложных систем и ЕИртуа:>:-.чл ; г~л н-cri. №:61 ,М. ,РАН 19GS г. .с. 195-213.