光存储材料及其存储机理

菅冀祁等：光存储材料及其存储机理419光存储材料及其存储机理菅冀祁，张启程，王玉英，贾惠波，徐端颐（清华大学 光盘国家工程研究中心，北京100084）菅冀祁等：光存储材料及其存储机理#菅冀祁等：光存储材料及其存储机理#CCD1透镜物光Object laserRefere nee laserLens摘 要：对卤化银胶片、全息材料、光谱烧孔材料、 电子俘获材料等及其光存储机理进行了综述，介绍了清华大学光盘国家工程研究中心在基于卤化银胶片 的多波长光存储等方面所做的一些工作。关键词：光存储；光存储材料；存储机理；卤化银胶片 中图分类号：TB34 ； TP333.4文献标识码：A文章编号：1001-9731 （ 2004）增刊-0419-021引言随着材料科学的发展，人们对光存储介质的研究 将不断深入1,2。随着材料科学、光存储技术的发展， 国内外对光存储介质研究不断深入。本文对卤化银胶片、全息材料、光谱烧孔材料、电子俘获材料及其存 储机理进行了介绍。2几种典型的光存储材料2.1卤化银胶片卤化银胶片，即摄影胶片，是图像存储常用介质 之一，通常由三醋酸纤维酯安全片基上涂布一层或多 层感光乳剂形成。感光乳剂中分布着大量卤化银微 粒，曝光时，一些卤化银微粒吸收光能后被还原为银 原子。对显影后的胶片进行定影处理时，未发生变化 的卤化银微粒被去除，剩下的金属银颗粒不能透过可见光，其密度决定了曝光后胶片的透射率分布3。数字影像技术的发展，使传统的卤化银成像体系 受到了前所未有的挑战， 但包括多波长光存储在内的 数字存储技术的发展，却为卤化银胶片的应用开辟了 新的途径。2002年11月，国家重点基础研究项目“超高密 度超快速光信息存储与处理的基础研究”成果之一“多波长多阶光存储技术与系统” 通过教育部主持的 技术鉴定。该项成果及其相关专利中，多波长光存储 一般以光致变色材料为基础，如何确定并制备存储密 度更高、性能更稳定的光致变色材料成为制约该技术 发展的重要课题之一。彩色胶片3个感光乳剂层分别 对三原色敏感；乳胶层更多时，有可能记录更多信息， 这为基于卤化银胶片的多波长光存储技术的出现及发展提供了新的可能。20032004年，光盘国家工程 研究中心与乐凯合作，在胶片多波长光盘存储方面进 行了尝试，并取得了初步成果。2.2全息材料全息存储是依据全息学原理，完整记录物光的强度和位相分布的存储方法。如图1。存储晶体Record ing medium参考光图1全息存储示意图Fig 1 Sehemetie illustration of holographic storage全息存储用所需记录的图象对物光进行调制，被调制的物光与参考光在存储介质内相交，在全息记录介质上的交点处相遇的两束激光产生干涉而形成亮、 暗图样，全息记录介质在经曝光和处理后，形成与原 来亮、暗图样对应的全息图。改变激光束波长或介质 上激光束相交的角度，在同一部位可记录不同的全息 图4,5。全息存储记录材料包括银盐乳胶、光敏抗蚀剂、 光导热塑料、半导体材料、光折变晶体、光敏聚合物 等。其中光折变晶体、光折变聚合物较有希望投入高 密度光存储实际应用。菅冀祁等：光存储材料及其存储机理#菅冀祁等：光存储材料及其存储机理#基金项目：国家自然科学基金资助项目（60207001）;国家重点基础研究基金资助项目（G1999033000）收稿日期：2004-05-15通讯作者：菅冀祁作者简介：菅冀祁（1977-）,男，河北保定人，清华大学光盘国家工程研究中心博士研究生，主要研究方向：多波长光存储，光盘衍射分析。Email: jianjiqi菅冀祁等：光存储材料及其存储机理421光折变晶体包括铌酸锂(LiNbO J、铌酸锶钡 (SBN)、钛酸钡(BaTiO 3)等，其存储机理是干涉条纹 的亮区激发电子到导带，漂移到暗区并被俘获。这种 电荷再分布建立起的局部空间电荷场与材料相互作 用改变材料的折射率，产生有高衍射效率的相位全息 图。2002年国家重点基础研究项目另一项鉴定成果 “ 5Gb/cm 3小型体全息存储及相关识别系统”就是以 光折变晶体为基础展开的。在有机光折变聚合物材料中，散布在材料中的有 机感光单体在干涉图样的高密度区发生聚合。当单体的浓度局部下降时，形成的浓度梯度引起更多的单体 漂移到高密度区，低密度区单体浓度变低。曝光后， 整个区域被统一照射以使剩余的单体完成聚合反应， 形成调制后的折射率系数分布。2.3光谱烧孔材料固体基质中的掺杂分子由于局域环境的差异岀 现能级的非均匀加宽。当用窄频带激光照射后，在掺 杂分子吸收带内，在激光频率处出现吸收的减小。这 种现象称为光谱烧孔(PSHB)。该烧孔可以用相同频 率的激光读岀79。由于可以通过改变激光频率在吸收带内烧岀多 个孔，即利用频率维来记录信息，从而可在一个光斑存储多个信息。光谱烧孔包括单光子光谱烧孔、双光 子光谱烧孔(光子选通光谱烧孔)。单光子烧孔，电子容易自陷阱由声子支助返回， 即烧孔不稳定，因此，目前研究中一般采用双光子光 谱烧孔(光子选通光谱烧孔)。光子选通 PSHB中， 第一个光子用来选频，第二个光子用来选通。 只有两 个光子同时作用才能完成烧孔，这样只用选频光多次读岀信息时就不会破坏写入的信息。1985年，Macfarlane等首先报道了稀土掺杂材料 BaFCI:Sm2+中的光子选通光谱烧孔 。但是，该材料 只能工作在液氦温度。1989年长春物理所虞家琪、 黄世华等成功制备出 BaFCl 0.5Br0.5：Sm2+混晶材料，首 先实现液氮温度的光子选通PSHB8。随后，系统研究了混晶体系 MyM 1-yFCIxBr1-x：Sm2+ (M, M = Mg, Ca, Sr, Ba; x, y 0,1)的光谱烧孔性质9，1991年在 BaySr 1-yFCIo.5Bro.5：Sm2+中首先实现了室温下的光子 选通永久性光谱烧孔。2.4电子俘获材料电子俘获光存储是利用电子俘获材料(ETM)的光谱特性，通过使用不同波长的低能量激光俘获、释 放光盘特定斑点处的电子来实现光信息的写、 读、擦 过程。当写入光辐照ETM时，其基态电子激发到能带E中，被俘获能级T处的陷阱俘获，实现写操作。由于 ETM中俘获能级T位于相互作用能带 E下约1eV，远大 于常温下热激发对它的作用，因此，写入光中断后， 陷阱T中被俘获电子不可能在常温下通过热效应自由 地返回基态复合，存入信息得到长期保存。当读岀光 辐射ETM时，被俘获电子逸出陷阱并经能带E返回基态复合，同时发射出与跃迁过程损失能量相应波长的 光，实现读操作。因每一次读操作都会使存储单元局 域位置中被俘获电子数减少，这样多次读岀(或选用 适当的大功率激光一次读岀)会使俘获能级中被俘获 电子基本耗尽，从而实现擦除操作10。电子俘获材料按读出光波长可分为XFX类型X光存储材料、碱土金属硫化物、碱金属卤化物及其掺 杂物等类型。掺铕、钐的硫化锶(SrS: Eu,Sm)光辐射机制如 下：波长为488nm的写入光将一个基态的Eu2+激发成激发态。在波长为入2=1064nm的红外读出光的激 发下，陷阱中的电子又会返回铕离子， 当电子返回基 态的时候，Eu2+会辐射出波长为入3=615nm的光子。掺铕的氯化钾也是一种电子俘获材料， 其样本被 波长为240nm的紫外光辐射，再用 560nm的可见光激 发，则可观察到材料波长峰值为 420nm的辐射。3结论随着材料科学的发展，国内外对光存储材料研究不断深入，本文对卤化银胶片、全息材料、光谱烧孔 材料、电子俘获材料等及其存储机理进行了探讨。在国家重点基础研究项目“新型超高密度、超快 速光信息存储与处理的基础研究”支持下，清华大学光盘国家工程研究中心在多波长多阶光存储、体全息存储等方面做了不少工作，并在基于卤化银胶片的多 波长光存储等方面处于该领域前沿。今后，在光存储材料研究基础上，多波长、全息、光谱烧孔、电子俘获等技术将得到更大发展。参考文献：1 徐端颐.高密度光盘数据存储.M.北京：清华大学出版 社,2003, 7: 1-17.2 干福熹.光子学材料及其发展.J.材料科学与工程,1998, 16(2): 1-8.3 Tadaaki T. Analysis of efficiency of image formation and prediction of future of color film and digital still camera. J. 感光科学与光化学，2001, 19(1): 48-71.Burr G, Coufal H, Jefferson CM, et al. Holographic storage菅冀祁等：光存储材料及其存储机理#delivers high data density. J. Laser Focus World, 2000, 36(12): 123.4 李伟，谢长生，裴先登.体全息存储技术.J.光学技术 2001,27(3): 283-288.5 巩永进，朱湛，郭炳南，等.光折变聚合物的研究进展J.化学通报,1999, 2.6 Winnacker A., Shelby R. M., Macfarlane R. M. Photongated hole-buring: a new mechanism using two step photoionization. J. Opt. Lett, 1985, 10: 350-352.7 Wei Changjiang, Huang Shihua, Yu Jiaqi. Two-phonon hole burning and fluorescence-line-narrowing studies on BaFCI0. 5Br0.5:Sm2+ at 77K. J. J. Lum in ,1989, 43: 161-166.8 Zhang Jiahua, Huang Shihua, Yu Jiaqi. High temperature stability of a spectral hole burnt in Sm-doped SrFCl crystals. J. Opt. Lett, 1992, 17(16): 1146-1148.9 Lindmayer J. A new erasable optical memory. J. Solid State Technol., 1988, 31(8): 135-138.范文慧，叶孔敦，光昕，等.电子俘获材料在光存储技术 中的应用.J.半导体光电.2001, 22(3): 161-165.菅冀祁等：光存储材料及其存储机理#菅冀祁等：光存储材料及其存储机理#Optical storage materials and their mecha nismJIAN Ji-qi, Zhang Qi-cheng, WANG Yu-ying, JIA Hui-bo, XU Duan-yi(National Engineering Research Center for Optical Memory, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract : This paper reviews several kinds of optical storage materials, including silver halide photographic material, holographic material, spectral hole burning material, and electron trapping material, as well as their recording mechanism. It also introduces the advances on silver-halide-based multi-wavelength optical storage in National Research Center for Optical Memory.Key words : optical storage ； optical storage material ； recording mechanism ； silver halide photographic material