материал для оптической записи информации

Формула изобретения

Материал для оптической записи информации на основе монокристаллического фторида кадмия, легированного галлием, отличающийся тем, что, с целью уменьшения светорассеяния, он дополнительно легирован иттрием, скандием или гадолинием в содержании 10¹⁹ - 10²¹ см^-3.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к созданию материалов для оптической записи информации. Изобретение полезно для сред с оптическим накоплением информации, под которыми понимаются материалы, способные накапливать оптически считываемую информацию, закодированную в двоичной форме, например, путем оптически индуцируемого изменения показателя преломления среды. Такого рода материалы полезны для систем оптического накопления информации, особенно голографических.

В системах оптического накопления информации, таких как голографические, нежелательное светорассеяние от самой среды может маскировать полезный сигнал и создавать ошибки в процессе считывания записанной информации. В настоящем изобретении вторая легирующая (активаторная) добавка, являющаяся сравнительно неактивной оптически, вводится в оптическую среду в добавление к оптической активной добавке, которая придает среде свойство оптического накопления информации. Роль этого оптически неактивного соактиватора заключается в том, что он обеспечивает значительное уменьшение нежелательного светорассеяния, препятствующего эффективному использованию полезных свойств среды, создаваемых активатором, и в системах оптического накопления информации позволяет достигнуть более высокой информационной емкости.

Ближайшим техническим решением к предлагаемому изобретению является фторид кадмия, легированный галлием (CdF₂:Ga), известный как перспективный голографический материал, пригодный как для статического накопления информации (при охлаждении до 200 K), так и для записи голограмм в реальном масштабе времени. (см., например, Ryskin A.I., Sccheulin A.S., Miloglyadov E.V., Linke R.A., Redmond I., Buchinskaya I.I., Fedorov P.P., Sobolev B.P. Mechanism of writting and decay of holographic grating in semiconducting CdF₂:Ga. // J.Appl. Phys. 1998. V. 83. N 4. P. 2215 - 2221). В этом материале образуются бистабильные дефекты, известные как "DX-центры". Накопление оптически записываемой, закодированной, считываемой информации осуществляется посредством оптически индуцированного изменения показателя преломления. Информация накапливается в виде голограммы, которая с помощью референтного пучка может быть реконструирована в исходную картину накопленных данных.

В среде может быть накоплено более одной такой картины (или "страницы"), при этом доступ к каждой странице осуществляется с помощью референтного пучка, падающего на голограмму под определенным углом. Предельное число накопленных страниц определяется максимальным числом независимых направлений референтного пучка, которое, в свою очередь, определяется чисто геометрическими факторами - размером кристалла и длиной волны лазерного пучка. Теоретический предел очень велик - более 10000 страниц для кристалла с размерами порядка 1 см³. Однако практически действительное число восстановленных страниц много меньше. Причина этого уменьшения заключается в том, что сигнал от голограммы слишком мал и с трудом выделяется в шумах, или он маскируется нежелательным рассеянием света в кристалле, или действуют обе эти причины.

В системах голографического накопления данных теоретически возможное максимальное число страниц может быть достигнуто лишь в том случае, если соотношение сигнала от реконструированной страницы к уровню шума от нежелательных источников превышает определенное число, которое обычно принимают равным четырем.

Использование CdF₂: Ga ограничивается сравнительно низкой концентрацией атомов галлия, которые могут быть введены в кристалл (примерно 10¹⁸ см^-3) и относительно большим светорассеянием в кристаллах, характеризуемым величиной интенсивности рассеянного света, составляющей примерно 10^-4 от интенсивности хорошо коллимированного лазерного луча в кристалле (рассеянный свет собирается оптической системой со светосилой с 1 мм пучка) по сравнению с аналогичной величиной 10^-8 для нелегированного кристалла.

В то время как ложные источники света, рассеянного, например, от оптических поверхностей, могут быть минимизированы путем использования подходящей оптической системы, рассеяние света внутри самой среды создает ограничения, которые не могут быть преодолены с использованием оптических методов. Такое рассеяние часто является нежелательным побочным эффектом внедрения оптически активной примеси в "оптически инертную" среду и представляет серьезное препятствие для использования данного материала для голографической записи информации.

Предметом настоящего изобретения является оптический материал, состоящий из кристаллического неорганического соединения (фториды кадмия), первого активатора, который присутствует в количестве, достаточном для эффективного оптического накопления информации (галлий) и второго активатора (иногда называемого соактиватором) в количестве, обеспечивающем уменьшение светорассеяния указанного материала по сравнению с указанной средой, содержащей только первый указанный активатор и не содержащий второго указанного активатора.

При этом второй активатор является сравнительно неактивным оптически. В частности, он не создает бистабильных центров и, следовательно, не участвует в процессе записи голографического изображения в системе голографической записи информации. Тем не менее, присутствие второго активатора приводит к огромному (более 1000 раз) улучшению отношения сигнал/шум путем уменьшения уровня нежелательного шума. Таким образом, кристалл, легированный как оптически активной примесью, так и уменьшающим уровень рассеянного света соактиватором, оказывается полезным в системах оптического накопления информации с высокой информационной емкостью и может быть использован для других применений, требующих низкого уровня рассеянного света.

Количество первого активатора (галлия) должно быть достаточным для образования необходимого количества оптически активных бистабильных центров в среде. Обычно оно лежит в пределах n_Ga = 10¹⁷ - 10²⁰ см^-3, предпочтительно в более узком интервале n_Ga = 10¹⁸ - 10²⁰ см^-3. Одним из преимуществ настоящего изобретения является то, что введение второго активатора позволяет увеличить содержание первого без нарушения монофазности кристалла.

Использование концентрации в виде числа центров в кубическом сантиметре удобно тем, что эта величина непосредственно определяется из оптических измерений.

Полезными вторыми активаторами являются скандий, иттрий и гадолиний. При введении их в виде трифторидов RF₃, где R = Sc, Y, Gd пересчет весовых процентов в количество центров в кубическом сантиметре n_R осуществляется по формуле

n_R= (/100)(M₀/M_R)(N/V),

где M₀ = 150,41 - молекулярная масса CdF₂, M_R- молекулярная масса RF₃, N = 6,02310²³ - число Авогадро, V = 23,54 см³ - мольный объем CdF₂.

Содержание второго активатора должно лежать в пределах n_R = 10¹⁸ - 10²¹ см^-3. Более предпочтительны значения, лежащие в более узком интервале n_R = 10¹⁹ - 10²¹ см^-3. Введение второго активатора в меньших концентрациях не обеспечивает описанные выше положительные эффекты, состоящие в уменьшении светорассеяния и в увеличении содержания первого активатора. Избыточное количество второго активатора сверх указанных значений приводит к увеличению поглощения в видимой области спектра, что уменьшает эффективную чувствительность кристалла как голографической среды.

Монокристаллические материалы, описываемые в настоящем изобретении, могут быть приготовлены с использованием известных методов, состоящих в выращивании неорганических фторидов методом направленной кристаллизации из расплавов (метод Бриджмена-Стокбаргера) в вакууме или вторирующей атмосфере, создаваемой, например, потоком газообразного HF или продуктами термического разложения тефлона (политетрафторэтилена).

Пример 1 (прототип). Монокристалл фторида кадмия, легированного галлием, был выращен по методу Бриджмена: закрытый графитовый тигель медленно опускается через горячую зону графитового нагревателя, поддерживающего максимальную температуру около 1140^oC. Давление в рабочей камере составляло 10^-2 Торр. Фторирующая атмосфера обеспечивалась пиролизом тефлона. Концентрация оптически активного галлия n_Ga, определенная из оптических экспериментов, составляла n_Ga = 710¹⁷ см^-3. Интенсивность рассеяния S хорошо коллимированного лазерного луча с 1 мм хода луча в кристалле относительно интенсивности самого луча при сборе света оптической системой со светосилой f/1 составляла 2,710^-4.

Пример 2. Выращен кристалл как в примере 1, но в качестве второго активатора добавлен иттрий в количестве 0,13 вес.% YF₃, что соответствует n_Y = 710¹⁷ см^-3.

Характеристики выращенного кристалла: n_Ga = 910¹⁷ см^-3, S = 4,710^-7.

Пример 3. Выращен кристалл как в примере 1, но в качестве второго активатора добавлен гадолиний в количестве 0,039 вес.% GdF₃, что соответствует n_Y = 710¹⁷ см^-3. Характеристики выращенного кристалла: n_Ga = 13,310¹⁷ см^-3, S = 5,410^-7.

Пример 4. Выращен кристалл как в примере 1, но в качестве второго активатора добавлен скандий в количестве 0,063 вес.% ScF₃, что соответствует n_Sc = 710¹⁷ см^-3. Характеристики выращенного кристалла: n_Ga = 14,710¹⁷ см^-3, S = 1,410^-6.

Как видно из примеров, введение второго активатора - иттрия, скандия, гадолиния - в монокристаллы фторида кадмия, легированного галлием, уменьшает светорассеяние примерно на три порядка, что свидетельствует о серьезной перспективе данного изобретения.