Запись микрорешеток в объемных фоторефрактивных материалах с двухфотонным поглощением Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ЗАПИСЬ МИКРОРЕШЕТОК В ОБЪЕМНЫХ ФОТОРЕФРАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛАХ С ДВУХФОТОННЫМ ПОГЛОЩЕНИЕМ

Илья Шнеерович Штейнберг

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт автоматики и электрометрии» Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, д. 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории оптических информационных систем, тел. (383) 333-24-13,

e-mail: steinberg@iae.nsk.su

Юрий Алексеевич Щепеткин

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт автоматики и электрометрии» Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, д. 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории оптических информационных систем, тел. (383) 333-24-13,

e-mail: shepetkin@ngs.ru

Андрей Юрьевич Беликов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт автоматики и электрометрии» Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, д. 1, младший научный сотрудник лаборатории оптических информационных систем, тел. (383) 333-21-29, e-mail: belikov andrey@ngs.ru

Представлены экспериментальные результаты по двухфотонной записи и коллинеарно-му гетеродинному считыванию микрорешеток, расположенных в диапазоне глубин 50-400 мкм нелегированного кристалла танталата лития и в диапазоне 10-120 мкм фотополимерного материала. Дано описание экспериментальной установки для объемной записи микрорешеток с относительной фазовой модуляцией.

Ключевые слова: запись микрорешеток, двухфотонное поглощение, фазовое кодирование, фоторефрактивные материалы.

RECORDING OF MICROGRATINGS IN THE VOLUME PHOTOREFRACTIVE MATERIALS WITH TWO-PHOTON ABSORPTION

Ilya Sh. Steinberg

Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, Academician Koptyug ave. 1, Novosibirsk, Russia, 630090, Ph. D., senior researcher, Laboratory of Optical Information Systems, tel. +7 (383) 333-24-13, e-mail: steinberg@iae.nsk.su

Yuri A. Shchepetkin

Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, Ph. D., senior researcher, Laboratory of Optical Information Systems, tel. +7 (383) 333-24-13, e-mail: shepetkin@ngs.ru

Andrey Yu. Belikov

Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, research assistant, Laboratory of Optical Information Systems, tel. +7 (383) 333-21-29, e-mail: belikov andrey@ngs.ru

Experimental results of two-photon recording and collinear heterodyne reading of the microgratings located in a range of the depths 50 - 400 цт of the lithium tantalate crystal and 10 -120 цт of the photopolymer material are presented. The description of the experimental setup for volume recording of the microgratings with relative phase modulation is given.

Key words: recording of microgratings, two-photon absorption, phase data coding, photore-fractive materials.

Введение

Задачи лазерной записи микрорешеток в объемной регистрирующей среде и их помехоустойчивого детектирования (с определением их амплитуды и фазы) возникают при разработке новых технологий оптической памяти, микростереолитографии и оптической томографии. При этом микрорешетки формируются в «виртуальных» слоях однородной объемной регистрирующей среды, а для записи/чтения используют сильно сфокусированные лазерные пучки. Так как весь объем среды является светочувствительным, то необходимо использовать материалы с нелинейным механизмом регистрации. Применение последних позволяет улучшить однородность записи, а также эффективно использовать динамический диапазон среды.

В этой статье мы описываем метод двухфотонной многослойной записи микрорешеток в толстых регистрирующих средах. Анализируются возможности записи в фоторефрактивных материалах двух типов: кристалле нелегированного танталата лития (ТЛ) и в фотополимерном материале (ФПМ) на основе новых тиоксантоновых хромофоров (разработка НИОХ СО РАН).

1. Метод записи/считывания

Метод многослойной записи микрорешеток основан на использовании двух когерентных сфокусированных пучков света - опорного и гетеродинного, которые пространственно совмещаются в произвольном слое объемной регистрирующей среды, и в области пересечения записывается микрорешетка [1]. Решетки в других слоях формируются путем перемещения зоны пересечения пучков по глубине среды. При использовании излучения с длиной волны X = 0,53 мкм, фокусирующего объектива с числовой апертурой NA = 0,6 и среды с показателем преломления n = 2,18 (ТЛ) размеры решетки по уровню

Vi максимальной интенсивности составляют по осям X, Y и Z соответственно

-5

1,4 х 1,4 х 9 мкм , а её пространственная частота - 1090 л/мм.

Для селекции зоны считывания в объеме регистрирующего материала используется метод коллинеарного оптического гетеродинирования [2, 3]. Гетеродинное считывание происходит только в зоне пересечения опорного и гетеродинного пучков света, вследствие чего метод имеет высокую помехозащищенность по отношению к шумам рассеяния материала носителя и всех неадресуемых информационных слоев. Кроме того он обладает возможностью восстанавливать не только амплитуду, но и фазу микрорешетки, что позволяет применять фазовый способ кодирования информации [4].

2. Экспериментальная установка

Исследование процессов двухфотонной записи объемных микрорешеток и их последующего коллинеарного гетеродинного считывания проводилось на экспериментальной установке, оптическая схема которой приведена на рис. 1. Для записи микрорешеток используется излучение второй гармоники твердотельного лазера на основе N<1: УУС>4 с внутрирезонаторным электрооптическим модулятором (к = 0,53 мкм, длительность импульса тр = 1,7 не, максимальная частота повторения - 10 кГц). Излучение коллимируется линзой Л1, а с помощью линзы Л3 формируется перетяжка в акустооптическом модуляторе. Пучок, полученный в результате дифракции, и нулевой пучок с помощью телескопической системы (Л4, Л5) переносятся в заданный слой кристалла ТЛ, где в результате интерференции формируется микрорешетка. Максимальная интенсивность излучения в плоскости регистрации I = 8 ГВт/см2. Такая интенсивность достаточна для эффективного двухфотонного поглощения. Для гетеродинного считывания использован полупроводниковый лазер (X = 0,66 мкм). Лазерный пучок коллимируется линзой Л2, проходит через ту же оптическую систему, что и записывающие пучки, и формирует микрорешетку в том же месте и с той же пространственной частотой.

При проведении записи два остросфокусированных пучка с X = 0,53 мкм пересекаются в заданном по глубине (до 400 мкм) слое ТЛ. Материал прозрачен для излучения на этой длине волны, но одновременное поглощение двух фотонов приводит к фотоиндуцированному изменению его свойств и формированию

микрорешетки. Насыщенное значение амплитуды модуляции показателя пре-5

ломление для данного кристалла ТЛ составляет Дп8 = 1,1 х 10' и достигнуто

л

при интенсивности излучения I = 4,1 ГВт/см и экспозиции 10 импульсами.

Также было проведено исследование толстого (120 мкм) ФПМ. Установлено, что в этом ФПМ изменение показателя квадратично зависит от интенсивности записывающих пучков, а запись носит пороговый характер. Величина порога составляет 2 ГВт/см2. Такой характер зависимости от интенсивности приводит к улучшению пространственной селективности формируемой микрорешетки. Экспериментальные результаты показывают, что двухфотонная запись обеспечивает высокое значение амплитуды модуляции показателя преломления Ап = 3,3 х 10'3.

3. Экспериментальное исследование параметров многослойной записи

Одним из основных приложений предлагаемого метода глубинной микромодификации является многослойная оптическая память. В связи с этим был проведен ряд экспериментов по многослойной записи информации.

Для демонстрации возможностей предлагаемого метода в ТЛ была проведена запись последовательности из 10 микрорешеток в диапазоне глубин 50 -400 мкм. Расстояние между микрорешетками - 35 мкм. Ширина отклика по уровню 1А максимального значения амплитуды составляет 11,8 мкм в первом слое и плавно возрастает до 16,8 мкм по мере увеличения глубины до 385 мкм (рис. 2). Следует отметить, что при проведении записи/считывания не применялась коррекция сферической аберрации объектива (Л5), связанная с изменением глубины слоя, в котором происходит запись микрорешеток.

2 Направление сканирования по глубине

Рис. 1. Оптическая схема установки Рис. 2. Сигнал считывания при ска-для многослойной двухфотонной записи нировании по глубине кристалла ТЛ, и гетеродинного считывания по толщине которого были записаны

микрорешеток 10 микрорешеток

Для получения информации о влиянии межсимвольной и межстрочной интерференции на результаты микромодификации, в ФПМ была проведена запись трехмерной матрицы 5 х 5 х 10 микрорешеток. Расстояния между решетками составляли - 2 мкм, 2,5 мкм и 10 мкм соответственно по осям Х, У и Ъ. Топо-граммы сигналов гетеродинного детектирования микрорешеток первого и последнего (десятого) слоев приведены на рис. 3а. Топограммы получены в результате 40 циклов сканирования микрорешеток по оси Х. Видно, что контраст получаемых сигналов не уменьшается вплоть до последнего слоя. Распределение амплитуд и фаз сигналов считывания в первом слое (вдоль направления А-А) и в последнем, десятом слое (А1-А1) приведены на рис. 3б. При записи пространственные фазы микроголограмм в строках были одинаковыми, что является наихудшим случаем с точки зрения контраста в распределении амплитуд. Отсюда следует, что и в этом случае наблюдаемый уровень контраста в распределениях выходных откликов является достаточно высоким. Поэтому возможно дальнейшее уменьшение расстояния между соседними микрорешетками. Картина распределения фаз, как в первом, так и в последнем слоях свидетельствует о том, что разность фаз двух соседних микрорешеток (являющаяся информационным параметром) для всей записанной последовательности постоянна и укладывается в защитный интервал, равный для 8-ми уровневого фазового кодирования ±п/8.

Заключение

Оптическая нелинейная двухфотонная запись обладает высокой пространственной селективностью и дает возможность эффективно использовать динамический диапазон регистрирующего материала, что позволяет реализовать многослойную запись даже на материалах с относительно низким изменением показателя преломления.

а) б)

Рис. 3. Результаты гетеродинного детектирования двух матриц микрорешеток, записанных на разных глубинах: а) топограммы сигнала детектирования с первого и десятого слоев; б) распределения амплитуд и фаз сигналов детектирования вдоль А-А и А1-А1

Разработана и экспериментально апробирована установка для селективной по глубине оптической регистрации микрорешеток. Высокая пространственная селективность, присущая как двухфотонной записи, так и гетеродинному считыванию информации, позволяет формировать многослойные оптические структуры с использованием толстых регистрирующих материалов. Проведена запись 3Э массива микрорешеток в 10-ти слоях ФПМ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Рудаков И.Б., Штейнберг И.Ш., Щепеткин Ю.А. Метод многослойной оптической записи информации // Автометрия. - 1991. - № 3. - С. 83.

2. Карлтон Х., Мэлони В., Мелц Г. Коллинеарное гетеродинирование в оптических процессорах // ТИИЭР. - 1969. - Т. 57. - № 5. - С. 32.

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

4. Авт. свид. № 1457663 / Вовк Ю.В., Щепеткин Ю.А. Способ записи голограмм. Приоритет от 10 октября 1983 г.

© И.Ш. Штейнберг, Ю.А. Щепеткин, А.Ю. Беликов, 2013