專利名稱：數據的光記錄方法
技術領域：
本發明是有關數據的光記錄的。
現今使用有各種類型的存儲器或記錄盤，直到塑料基底的壓縮光盤(CD)引入之前，磁性存儲器是使用最廣泛的。壓縮光盤能使數字數據的存取低價而普及。現在的光學CD技術是建立在用簡單的方法在塑料基底上刻蝕道跡。用模壓工業技術實現了大容量而低造價的記錄，用光學探測光束來閱讀這些刻蝕的道跡，光束在道跡上的反射和散射能使二進制信息(有道跡、無道跡)解碼。
還有一些技術可用于對信息進行光學形式的記錄，全息技術是最誘人的選擇。在這種情況下是光的照射改變記錄介質，這樣便用對記錄光束的強度的空間調整將信息存儲起來。根據不同的光敏材料的性質，應用不同的物理機制根據本世紀初所發現的稱之謂Weigert效應的物理原理，很早就知道了將聚合物列陣的分子重新取向，從七十年代初就成為全息存儲信息的方法。
這樣的介質例如是由在以聚合物為基質的主膜(film-hte)(主人)上摻雜進一種偶氮苯型的“客人”分子。在它們的吸收帶內的輻射后，其中的分子會在由對入射光的吸收而引發的光致異構后而重新取向，其光譜和客人分子的吸收帶一致。用線偏振光束輻射就導致分子在垂直于光的偏振方向的軸向上重新取向。這種機制導致了在膜內的線性雙折射(birégingence lineair)，由此增加了在和泵浦光的入射的偏振方向相垂直的方向上的折射率。這種雙折射的存在與否就可以用來進行信息的二進制編碼。值得強調指出，用圓偏振光或用非偏振光(即隨機偏振)將導致垂直于膜的軸向偏振，由此便達到將用在膜的平面內橫向的雙折射方式予先記錄的信息抹去。(例如參見；Optically induced and erasedbirefringence and dichroism in azoaromatic polymers，P. Rochon，J.Gosselin，A.Natansohn，S.Xie，Appl.Phys.Lett，60(1)(1992)第4-5頁)。傳統的Weigert效應是用對來自單個的加有濾光片的燈或是單個的激光光源的準單色輻射產生的一個光子的直接吸收來進行線性泵浦的方法達到的。
可以用雙光子泵浦來擴展這個效應，這對應于將輻射的波長向紅外移動到光敏分子的最大吸收半高度處。盡管雙光子吸收的效率要比單光子的吸收的效率為低，現在還是有多個工作的進行是有關雙光子泵浦的使用的，雙光子吸收可以進入材料的體積，而用單光子共振吸收的存取深度則是由進入的深度限制的(參見Paras Prasad及其同事在Buffalo的Suny大學的著作，或者J.Perry及其同事于Caltech的Propulsion實驗室所做的工作，還可以參閱下面發表的文章—《Two-photon polymerization initiators for three-dimentionaloptical deta storage and microfabrication》，B.H.Cumpston，S.P.Ananthavel，S.Barlow，D.L.Dyer，J.E.Ehrlich，L.Lerskine，A.A.Heikal，S.M.Kuebler I.Y.Sandy Lee，D.McCord-Maughon，J.Qin.H.Rckel，M.Rumi，X.L.Wu，S.R.Marder，J.W.Perry，Nature，Vol398，1999，pp51-54)。
因此，當用兩個頻率分別為ω和2ω的相互干涉的光束同時照射介質時，此處2ω是和光敏的發色團的吸收帶共振，則在某些情況下的剩余的分子取向是非中心對稱的(例如，若取向的分子是偶極分子的話，則是有極的)，而且不是軸向的，這和用頻率為ω光和2ω的光分別照射時的情況不同。這樣的取向可以與和奇數階張量相聯系的物理性質的存在有關，其中特別包含有二次諧波的產生和三波混頻。而得到這種中心對稱的裂斷(brisure)的最一般的結構是波長為ω1、ω2和ω3三束相互相干光束的照射，此處ω1、ω2和ω3滿足于ω1+ω2＝ω3(例如泵浦、信號光束和光學參量振蕩的互補光束faisceaux complémentaire)，并有ω3和光敏生色團的紫外—可見吸收光譜共振，最簡單的二種波長的光的照射情況是對應于簡并三光子的情況，即ω1＝ω2＝ω，和ω3＝2ω。在微觀上，將這種現象解釋為一個和兩個光子吸收過程間的量子干涉，由此，通過退激發過程和結構瞬時改變的一個態之間的耦合而達到的一個非中心對稱的激發幾率和一個中心對稱的裂斷，(結構瞬時改變的態例如為可逆的光致異構，例如在光敏分子的情況下，其中在兩個芳香環之間有一個雙鍵，N＝N，且由此可以有逆—正—逆型的可逆光致異構)。
在僅有一束線偏振光垂直射到記錄介質上的情況下，其中的分子的軸向取向和泵浦光的偏振方向垂直。人們知道，因而也能區分開來記錄光束的各種偏振光向，及由此而導致印在膜的平面內的光軸的不同方向，并由此通過增加每個象素的可能的雙折射結構數來增加存儲的信息密度。
在彼此相干的兩種波長的光照射的結構中，各種軸向狀態可以分成表1那樣的新的極對稱狀態。例如，在所有的光束都是在同一個“垂直”方向上線性偏振情況下，如果和沿“垂直”方向的傾斜的最大多數分子相對應的軸向秩序已經用水平偏振的泵浦光照射根據Weigert效應建立起來，以使分子無區別的都取向在向上或向下的方向，則在用根據上面所確定的偏振條件的兩種波長的光的第二步照射后便達到新的狀態，這種狀態對應著所希望的分子取向排列或向上，或向下。用頻率為ω和2ω的兩種記錄光束之間的相位控制方法就得出這兩種新的狀態間的區別。
對此，在下列文獻中得以證明—在S.Brasselet和J.Zyss在J.Opt.Soc.Am B，Vol.15(1)，257，1998中的文章Feature issue on Organic and Polymeric Nonlinear OpticalMaterials中，證明偏振光的這些效應可以和不同的記錄張量相聯系，而且特別是—對于單光子的Weigert效應，是和一個二階的電磁場張量F(1)相聯系，其定義為F(1)＝Re[Eω(Eω)*](1)此處，Re是取實部，為張量積，而*為共軛。
而對于實施一個紅外激光束及其諧波輻射的一個和兩個光子干涉的簡并作用，則對應于三階電磁場張量F(2)，這個張量的定義是F(2)＝Re[EωEω(E2ω)*] (2)這里指出，在這里及本文中所用的標記都和前面提到的那篇文章中所用的標記相同，可以方便地去參考那篇文章。
電磁場張量F(n)的分量是用不變量的方式表示的，在旋轉不可約張量的表達方式中，可以用帶有兩個角標的系數FJm表示，這里J＝0，1，2，3(直到張量的階數，即對于F(1)為2，對于F(2)為3)，且有-J≤m≤J。
在前述的Brasselet及Zyss的文章中還證明，光感應生成的線性極化率和非線性極化率還可以用記錄張量的一階近似來表示，表達式為X(1)Jm＝λJ(1)F(1)Jm，此處J＝0，2，(3)X(2)Jm＝λJ(2)F(2)Jm，此處J＝1，3，(4)在這里，系數λJ(1)和λJ(2)是由記錄過程的效率來決定，記錄過程的效率是和分子參數相聯系的，其中分子參數特別有(和共振相關的)極化率張量的虛部α和β，與受激發態耦合的結構改變狀態相關的耦合系數，和參與初始激發的弛豫過程。對于這種相關性，要根據選定的非線性光敏色團的性質逐個情況進行討論。
χ(1)00項(正比于笛卡兒跡線)對應于宏觀線性極化的各項同性分布。而χ(1)2m對應于雙折射，角標m≠0，用來描述在膜的平面內的橫向雙折射。用同樣方法，系數XJ(2)m，J＝1，3是角標m≠0的四極極化率分量，對應于在膜平面內的張量系數。
根據本發明，本發明的目的是通過根據光敏介質的非線性極化率張量的各個分量的各種可能狀態來進行編碼，在所述介質的至少一點上用幾束記錄光束同時照射，控制記錄光束的偏振狀態，以使在光敏介質上得到光記錄的一個非線性極化率張量。
例如，對于二進制數據，是將O狀態和零分量相聯系，將1狀態和非零分量相聯系。
然后可以用一束或多束讀取光束照射在述及的點上，讀取在該點記錄的非線性極化率張量的各個分量的狀態，控制讀取光的偏振狀態，測量響應光束的強度，由此得出其電場的各個偏振方向，將這些偏振方向與讀取光束的電場的偏振方向結合，這些偏振方向是和希望讀取的各個分量相對應的。
于是，再舉前面的例子。對于讀取光束的電場的一個偏振方向和給定的響應光束的電場的一個偏振方向，當非線性極化率張量的分量為零，則響應光束的強度為零；由這個讀出就能得出，對于這個張量的分量的光記錄的二進制信息的值就是0。對于讀取光束的電場的這個偏振方向和響應光束的電場的這個偏振方向，當響應束的強度不為零，則可以得出對于張量的這個光量，光記錄的二進制信息為1。
由此便弄清楚了使用非線性極化率張量的特征，就在光敏介質的同一點上增大了可能記錄信息的密度。
而且，根據本發明另一個有利的方面，記錄光束為兩束相干光，可以調節相位來控制非線性極化率張量的各個分量的符號。
事實上，閱讀后面的描述就明白可以證明，能用控制各記錄光束之間相位差來控制非線性極化率張量的各個分量的符號。
這就能用可能實現的對張量的各分量的符號的控制來進一步提高在光記錄點處的存儲信息的密度。
本發明提出的方法的優越性還可以用后面所引用的各個特征來補充，或是用其中的單個，或是用它們的一切可能的技術上的組合—在對應于第一級編碼的線性極化率張量的光學記錄中迭加一個對應于第二級編碼的非線性極化率張量的光學記錄。第二級編碼不出現在第一級編碼的讀取中。
—記錄光束的數量為兩束，且它們的偏振狀態分別是左旋圓偏振和右旋圓偏振。
—光存儲器的介質中有一種染料，是偶氮苯的衍生物。
—用不同的記錄光束照射介質，不同的記錄光對應于不同的光記錄的波長。
—介質中有一種染料，這種染料有隨不同波長的光取向的性質，而所用的各記錄光束對應于不同的波長。
—介質中有多種染料。
—圖2為一圖象，示出在一個張量分量的光記錄時，用
圖1所示的裝置光檢測器進行測量而得出的強度隨時間的演化。
—圖3示意性地示出一種可能的讀取裝置。
作為例子，僅使用一束平行的線偏振光和一種含氮聚合物(az0-polymère)的記錄介質，可以得到在本描述的附表1中所列出的分子的四種定向狀態。可以在表1所列的結構中再增加三種結構而從四種狀態變成七種狀態，這三種狀態分別對應于頻率為ω和2ω的“水平”偏振的記錄光束，不再是單純的垂直偏振，以及“垂直”偏振的一種光子的光束(單一的Weigert效應)。
相應的記錄張量的各個分量都詳細地列在附表2中，而對應于不同記錄張量的各個線的方向的標識的表示較前面對應于表1中的情況要困難些。
另外，如本發明提出的那樣，隨著對極化率張量的張量特性的開發，可能的編碼狀態的數目還會增加。
還可以用控制記錄光束之間的相位差來進一步提高可能的編碼狀態，并能通過增加非線性極化率張量的分量在同一點來增加對應于不同分子秩序的編碼狀態的數目。
如果考察用相同方向的線性偏振的記錄光束入射，且其偏振方向和實現光記錄的介質相聯系的特征軸X方向成角，則對于單光子過程，記錄張量的非零笛卡爾分量可以表示如下 或在圓坐標中的等價表達式為 用同樣的方法可以得到對應于和一個與兩個光子組合效應的記錄張量的笛卡爾分量為 以及其在圓坐標中的分量 及入射光的電場積的標記為E2＝‖EωEω‖，E3＝‖EωEω(E2ω)*‖Δφ是記錄光束之間的相位差，其等于2φω-φ2ω。
從上面這些式子可以看出，在單光子過程或雙光子過程和一個與兩個光子組合的過程之間有很大的不同，其不同在于場的分布，特別是在后一種情況下，由頻率為ω的光束和頻率為2ω的光束間的傳播相位差這個因素產生于在介質中的折射率的色散。
通過控制相位差因素來控制分子的取向。
作為例子，可以在用傳統上叫做DR1(“disperse red one”)的染料取代聚甲基丙烯酸甲酯(polyméthyl méthacrylate)的膜上實施這樣的光記錄。
每個聚合單體的取代率例如為0.3。
將這種材料溶解于1，1，2-三氯乙烯(trichloroéthylène)溶劑中(10％的重量濃度)，然后，將光敏材料層置在轉盤上，在玻璃襯底上以2000轉/分轉動，直到得到厚度約為1μm的膜。
所述的光記錄是在用圖1所示的那種類型的裝置上進行的。
在這種裝置中有一激光光源1，為一脈沖YAG激光器，脈沖寬度為皮秒級，頻率為10Hz，能量為幾個mJ。
將光源1輸出的光束射入KDP倍頻晶體2，這個信頻晶體2輸出兩個光束，其中一束的波長為1.064微米(對應于頻率為ω的光束)，而另一部分的波長為532nm(對應于頻率為2ω的光束)。這兩束光都射入偏振控制器3(可控的起偏器)，然后穿過光學器件4，射入樣品E，E上載有光敏膜。
和這個記錄同時，在這個實現光記錄的試樣點上射入一束紅外讀取光IR。
對從這個膜輸出的響應光束經紅外濾光片5濾光后，用光探測器6進行檢測。
當探測器6檢測的信號強度穩定時，如圖2的圖象所示，中斷光記錄過程。
由于對記錄光束的偏振進行控制，這就可以相繼為非線性極化率張量的諸分量選定記錄的狀態。
對這樣的光記錄信息的讀取是用圖3所示的裝置進行的，在這個裝置中有一個光源7，用來向樣品E的方向發射一紅外讀取光束，在這個裝置中，在樣品的E的和光源7相反的一側，還有一個光探測器6，在樣品E和光探器6之間插入有濾光裝置5，以及用來控制記錄光束電場的偏振方向及傳送到探測器的響應光束的偏振方向的裝置8。
而且，如果想通過控制張量分量的信號來實現光記錄，在記錄時，就要使用一些帶有二向色性片的光學裝置。這種二向色性片能將頻率為ω的光束和頻率為2ω的光束分開，以使這兩束光中的一束相對于另一束間有一個相位差。
至于各個張量分量符號的讀取則是利用一種參考材料，向參考材料的各個張量分量是已知的。向參考材料投射的讀取符號和向光記錄材料投射的讀取符號相同。將兩個材料輸出的響應光束相加，根據光檢測信號的強度大于還是小于僅有參考材料響應光束的光探測信號的強度，便能知道所分析的張量分量是這個信號還是那個信號。
本發明可以方便地用于將信息隱藏在光學介質中。
事實上，在用頻率為ω和2ω、偏振狀態為左旋和右旋圓偏振的兩束光對分子取向進行記錄的情況下，在膜平面不會產生雙折射，因為光束都是圓偏振的。用“傳統”的單光子方法讀取，例如用一個經過一個偏振方向相對于單一的推斷的記錄光束的偏振方向成45°角的交叉正入射光束進行讀取，則不能夠發現用這種非線性方法記錄的信息。
由此可以看出這種結構可以用于隱藏光記錄的目的，而不讓通常的用戶所覺察。
后面還有另一種實施例。
現在來考察用一種線性偏振光和N個記錄極化的取向而進行的線性雙折射的記錄結構。在增加一束和前面述及的光束相干的補助線性偏振光束，使這兩束光間有一位相差，就能使狀態數翻番，由此使和雙折射相聯系的狀態為3N個。如果使用的是一圓偏振光束，則可生成九種取向狀態，即一種各向同性狀態加上四(左旋和右旋圓偏振的組合)乘以二(不同的相位差)個狀態，這樣就可以得到3N+9個可能的狀態用于在每個象素上的編碼。
在實際上，N＝4的情況是容易實現的，這對應于偏振方向錯開45°時的取向，這對于起偏器間的閱讀并不會產生任何損失。這樣就能得到每象素21狀態，這意味著這種技術能使存儲的密度至少增加10倍。
在一個線性編碼的信息上面迭加一個用非線性方法編碼的補充信息在希望隱藏信息時是有非常大的好處的，例如為了對文件進行鑒別，或是為了將信息隱藏起來。這在實際上相當于使用類似于用隱顯墨水進行記錄的一種方法。
在第一級存取中，用戶僅存取用傳統的線性方法編碼的信息。用非線性記錄存儲的信息對應于限制存取等級，是絕對看不到的，這種信息只能夠用可以進行非線性讀取的檢測器來存取。
剛剛描述過的記錄或讀取各種物理效應的存取時間極大地決定于聚合物的主矩陣(matrice hte)，聚合物的粘滯系數通過分子間的相互作用控制光敏非線性的生色團的重新取向時間。
在分子取向動力學中脈沖的延續時間同樣起到重要的作用。短的脈沖持續時間則是好的持續時間[Optical poling of azo-dye doped thin filmusing an ultra-short pulse laser，K.Kitaoka，J.Si，T.Mitsuyu，K. Hirao，Appl.Phys.Lett.，75(2)，(1999)，pp157-159]。
如果采用并行的光學方法的可能實施進行并行的寫/讀配置，則上述的存取時間還可以縮短。
還有，材料本身的本征特性也是非常重要的。記錄光學張量和分子之間的張量耦合的性質決定于分子的非線性屬性和張量本身的屬性。因此，記錄具有“八極”(偶極)張量對稱特征的信息的可能性是由在分子張量中具有同樣性質的分量決定的，因此是由分子的結構決定的(例如在芳香環情況下由電荷轉移官能團(groupements à transfert de charge)所取代的取代物整體的對稱性)。
八極分子在分子勢方面是沒有固定偶極的，是非中心對稱的。在這個方面四面體分子是特別有用的，因為它們的線性極化率(α張量)是以沒有各向異性為特征的(例如δα＝0，而δα張量在微觀上生成雙折射以及光學Kerr效應的分子取向)，于是就可以記錄一種沒有線性雙折射的非線性信息，以便在一種介質中含有隱藏的非線性信息，而所有記錄的線性勢都是空的。
一個重要的觀念是光敏材料的性質及其物理—化學特征。特別恰當的一族是由氮偶苯衍生出來的染料族，這些染料的分子的重新取向的能力以及其通過電子的電施主和電受官能團(groupement électro-donneurset électro-accepteur d’électrons)的轉接而成的立方晶系ONL功能都是人們熟知的。
可以使用的材料，例如是接受有客人分子的主膜的形式，或是通常可網狀化的和在側鏈或主鏈移接的聚合物的形式。還可以考慮如液晶的列陣或液晶聚合物的列陣。所有的含有能進行光感應取向和ONL勢的分子的材料(既保證與記錄張量場進行取向耦合，又保證生成的二次諧波讀取)都是可能的選擇。而且，記錄介質的物理結構可以是多層結構，每一層實施一種專門的屬性。一種非線性光學層可以是沉積在另外一種襯底上，因此是適于進行不同性質信息層的物理迭合。
上面的例子僅限于在膜中只有一個活性實體，且在每種記錄/讀出光譜中(在成對波長的情況下)只有一種波長組。然而，可以將剛才描述的技術原理推廣到在不同的光譜介質中有多個吸收帶的多種分子實體中，以便能用波長復用和/或用多組不同波長的光進行記錄/讀取，這是相當有利的。事實上，用非線性光學方式的記錄/記錄的效應對于紫外—可見光的分子躍遷和三束(在普通情況下為二束)光中最強光束的波長間的共振最為敏感。在準共振條件下，其效率就有一個或強或弱的極大值。
可以將下面的結構進行組合—只有一種寬光譜官能分子(非均勻展寬在室溫下可以達到幾個cm-1，這個展寬對應于官能分子相對于對主矩陣的配置的統計色散)，可以利用這種分子的對于多種波長有光感應取向的各種光譜特征。
—兩種(或多種)具有不同但又互相覆蓋的光譜的染料的混合，這可以通過光譜可尋址的種類數(考慮到所用光源的可使用的頻移范圍)來擴展記錄的光譜范圍和增加每個光譜可記錄的狀態數(根據前面的方案，是為一種波長或多種波長的光束)。還可考慮使用混合物，選取其中的種類以縮小各峰之間的光譜間隔，使得在一個寬的光譜范圍內的光譜復蓋近似于是連續的，這樣保證讀取/記錄的方式盡可能相對于記錄/讀取的波長是獨立的(例如寬帶，無臨界光譜特性或“hole burning”特性。由此，對于給定的一種分子，用單光子和雙光子的記錄波長將是同時準共振的。用一種非共振的基頻波長的光進行讀取對于所有種類的分子都是有效的。
表1使用幾束相對相位受控的線性偏振光束所能觀察到的簡單結構
表2在使用左旋圓偏振或右旋圓偏振的相干光束的條件下，光學記錄張量在笛卡爾坐標中和圓坐標中的張量分量。在笛卡爾坐標的表示中，下表中的每個分量都應該乘一個幅度因子
在圓坐標表示中，下表中的每個分量都應乘以一個幅度因子E3
表3用線性方式和非線性方式進行混合編碼的信息保護的各種可能的等級
權利要求
1.在光敏存儲器的介質上實施數據的光記錄的方法，其特征在于其中的數據都是根據在光敏介質中的非線性極化率張量的各個分量的可能的不同狀態來編碼的，其特征還在于是用幾束記錄光同時照射在介質的至少一點，控制記錄光束的偏振狀態，以在光敏介質上光記錄一個給定的非線性極化率張量。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，為了讀取記錄于介質的述及的點上的非線性極化率張量的各分量的狀態，使用一束讀取光照射于這一點，控制這束光的偏振狀態，測量電場的各個偏振方向得到的響應光束的強度，它和讀取光束的電場的偏振方向相結合，是和希望讀取的各個分量相對應的。
3.根據前述的權利要求中任一項的方法，其特征在于記錄光束是相干的兩束光，控制其相位以控制非線性極化率張量的各分量的符號。
4.根據前述的權利要求中任一項的方法，其特征在于在線性極化率張量的光記錄上面迭加上一個非線性極化率張量的光記錄，前一種記錄對應于第一級編碼，后一種記錄對應于第二級編碼，第二級編碼不出現在第一級編碼的讀取時。
5.根據前述的權利要求中任一項的方法，其特征在于記錄光束的數量為二，且其偏振方向分別為左旋圓偏振和右旋圓偏振。
6.根據前述的權利要求中中任意任一項的方法，其特征在于在光學存儲介質中含有一種染料，這染料是偶氮苯的一種衍生物。
7.根據前述的權利要求中之任意一條的方法，其特征在于用不同的記錄光束照射介質，不同的光束對應于不同光記錄的波長。
8.根據權利要求7的方法，其特征在于在述及的介質中有一種染料，這種染料有與記錄光束對應的各種波長的取向特性。
9.根據權利要求7的方法，其特征在于在述及的介質中有多種染料。
全文摘要
在光敏存儲器的介質中實施光記錄數據的方法，其特征在于所有的數據都是根據這種光敏介質中的非線性極化率張量的各個分量的不同的可能狀態來編碼的，其特征還在于是用幾束記錄光束同時照射在述及的介質上的至少一點，控制這幾束光的偏振狀態，以能在光敏介質上光記錄一個給定的非線性極化率張量。
文檔編號G11B7/0045GK1408113SQ0180595
公開日2003年4月2日 申請日期2001年1月3日 優先權日2000年1月4日
發明者埃里克·陶薩爾, 約瑟夫·采斯 申請人:法國電信公司, 國家科研中心, 卡尚高等師范學校