双光子吸收有机材料及其在三维数字光存储中的应用

Ma Wenbo 3 Wu Yiqun Gu Donghong Gan Fuxi (Research Laboratory for High2Density Optical Data Storage , Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics ,
第4期
马文波等 双光子吸收有机材料及其在三维数字光存储中的应用
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光子吸收几率与光强的平方 I2 成正比 ,这样双光子 激发过程被紧紧地局域在焦点附近的很小区域内 (体积数量级为 λ3 ) ,以后发生的如荧光或光诱导化 学反应都被限制在这个小的区域内 。如此小的有效 作用体积使双光子吸收具有极其优越的空间分辨 率 。由于这个特点 ,在多层存储中可以消除相邻数 据层之间的相互干扰 ,以及在记录和读出过程中的 擦除现象 ,极大地提高了数据存储密度 。
二 、双光子吸收三维数字光存 储材料及其原理
飞速发展的信息技术产生了大量的信息 ,需要 处理和存储的数据正以指数形式增长 。在衍射效应 的制约下 ,光存储点的尺寸大约只能降到光波波长 的一半 ,限制了存储密度的进一步提高 ,传统的二维 光存储几乎达到了这一极限 。1989 年 ,美国科学家 Rentzepis[9] 提出了用双光子吸收的方法实现三维光
图 1 单光束双光子多层写入及其共焦读出实验装置原理 Fig. 1 The schematic setup for single2beam two2photon recording and fluorescence confocal readout
21 双光子存储机制 双光子吸收使得记录材料的物理或化学性质发
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化 学 进 展
第 16 卷
此小的有效作用体积不仅使双光子过程具有极其优 越的空间分辨率和空间选择性 ,而且随后发生的诸 如荧光或光化学反应过程都被局域在这个极小的体 积范围中 。因此 ,双光子吸收在双光子激发荧光显 微镜[3] 、频率上转换激光器[4 ,5] 、光限幅和光稳幅[6] 、 三维微加工[7] 、光动力医疗[8] ,特别是在三维光信息 存储[9] 等方面具有广阔的应用前景而成为近年来的 研究热点 。
早在 1931 年 , G˚pper2Mayer[2] 就在理论上预言
收稿 : 2003 年 4 月 , 收修改稿 : 2003 年 9 月 3 通讯联系人 ma - wenbo @siom. ac. cn
了双光子吸收过程的存在 。双光子吸收就是在强激 光场作用下 ,分子通过一个虚中间态同时吸收两个 光子而达到激发态的过程 ,其跃迁几率与入射光强 的平方成正比 。与通常的单光子吸收相比 ,它主要 具有两个突出特点 : (1) 由于到达激发态所需的光子 能量为单光子吸收所需能量的一半 ,因此可用红外 或近红外激光做光源 ,提高在吸收材料中的穿透力 , 实现在材料的深层进行观察 ; (2) 由于双光子吸收与 入射光强的平方成正比 ,双光子吸收过程被紧紧地 局域在焦点附近的很小区域 (体积数量级为 λ3 ) ,如
图 2 螺吡喃类光存储材料写入和读出光化学反应 Fig. 2 The writing and reading photochemical reaction of spirobenzopyran
螺吡喃光活性分子吸收了两个光子的能量或两个
532nm 的光子) ,从 S0 态跃迁到 S1 态 ,在此实现光 离化 ,并通过系间窜越到达三重激发态的最低能级 S1′态 ,完成信息的写入 。读出时用 650nm 的激光束 去激发使分子重新回到 S′0 态并放出荧光 ,这便是 信息的读出 。 1997 年 ,Rentzepis 等[21] 在光致变色材料上记录 100 层获得成功 ,并开始其商业化生产 。齐国生等 人[19] 对蒽衍生物体系光致变色材料进行高密度多 层记录和读出 。实验结果表明 ,最小层间距有希望 达到 3μm 以下 ,相当于在 100μm 厚度的材料中记录 30 层以上 ,最小横向光点尺寸可以达到 1μm 以下 。 写入阈值为 0. 2μJ ,距实际应用水平还有一些差距 。 (2) 双光子激发光致聚合材料
生变化 ,受激点与未受激点的光学性质出现差异 ,任 何光学性质的不同都用作信息的光记录和光读出 。 处于激发态的分子同其它染料分子结合而构成一个 稳定的写入态 。这个写入态在受到恰当波长的读出
光束的激发时会发出一个宽带荧光 。此时可以通过
检测荧光光谱或其它物理化学性质 (如折射率和吸
收光谱) 的变化而达到信息的读出 。
多光子过程中 ,在给定波长的条件下 ,光子的吸
收几率与
δ N
IN
成 正 比 [ 18 ]
。这里
δ N
为吸收横截面
积 , I 是辐射光强 , N 为吸收光子的数目 。所以 ,双
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存储 ,存储密度高达 1012 bitsPcm3 。这种方法主要是 在现有二维光盘的基础上将数据存储扩展到三维空 间 。由于这种方法保持了现有光盘系统的基本特 点 ,易于操作 。与单光子记录相比 ,双光子存储记录 点较小 ,可提高面存储密度 。利用双光子过程可实 现多层光存储系统[12] , 其记录容量可以提高 2 —4 个数量级 。
但是 ,由于大多数材料的双光子吸收截面 (δ) 很小 ,限制了双光子吸收材料的应用 。20 世纪 90 年代中期 , Prasad[10] 研究组和 Marder[11] 研究组分别 报道了具有双光子吸收截面大和频率上转换特性好 的有机染料 ,这使得双光子吸收材料的实际应用成 为可能 。本文在综述近年来双光子吸收有机材料研 究的基础上 ,介绍了双光子吸收有机材料在三维数 字光存储中应用研究的最新进展 。
关键词 超高密度 双光子吸收 三维光存储 中图分类号 : TQ594 文献标识码 : A 文章编号 : 10052281X(2004) 0420631207
Two2Photon Absorbed Organic Materials and Application in Three2Dimensional Digital Optical Data Storage
摘 要 信息技术的发展要求存储器件必须具备超高存储密度 、超快存取速率以及长存储寿命 。而目 前普遍应用的光数据存储的存储密度已经接近其物理极限 。双光子吸收技术以其强的穿透能力和高的空间 分辨率能够实现多层存储 ,存储密度高达 1012 bitsPcm3 ,但能否开发出具有大的双光子吸收截面的材料成为制 约其发展的一个重要因素 。本文在综述近年来双光子吸收有机材料研究的基础上 ,介绍了双光子吸收有机 材料在三维数字光存储中应用研究的最新进展 。
第 16 卷 第 4 期 2004 年 7 月
化 学 进 展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol . 16 No. 4 J uly , 2004
双光子吸收有机材料及其在三维数字光存储中的应用
马文波 3 吴谊群 顾冬红 干福熹
(中国科学院上海光学精密机械研究所高密度光存储实验室 上海 201800)
31 用于三维数字光存储的双光子吸收有机材料 (1) 双光子激发光致变色材料 迄今为止 ,已有多种光致变色分子材料用于双 光子三维或多层记录研究 。其中主要有 spirobenzo2 pyran ( 螺 吡 喃 ) [9] 、naphtacenepyridones[14] 、anthracene derivatives ( 蒽 类 衍 生 物 ) [19] 、Rhodamine B ( 罗 丹 明 B) [13] 等 。这类材料有两种同分异构体 A 和 B ,两者 有不同的吸收光谱 ,记录光和读出光对应不同的吸 收系数 。记录时 ,在记录光的作用下通过双光子吸 收将同分异构体 A 转化为同分异构体 B 。B 对读出 光有吸收作用而对记录光没有吸收作用 。用这两种 同分异构体的状态代表数字“0”和“1”,实现数字式 数据存储 。但是 ,光色材料的最大缺点是对光和热 的不稳定性 ,这需要通过材料结构和掺入的基质材 料的变化来改进 。 目前在光致变色双光子存储中应用的模型化合 物仍然是螺吡喃类[20] 。光致变色反应和能级示意 图如图 2 所示 。
Chinese Academy of Sciences , Shanghai 201800 , China)
Abstract The development of information technique requires that a data storage device must possess the character of ultra2high density , ultra2fast transfer rate and longer storage longevity. At present , the storage density of the most pop2 ular optical data storage is reaching the physics limit . Because of its strong penetration and high resolution , two2photon absorption can be applied to multi2layer optical data storage , and the bit density of which can reach as large as 1012 bitsP cm3 . Now the key problem is to develop materials that have big two2photon absorption cross2sections. In this paper , progress in two2photon2absorbed organic materials is reviewed , and the new development of three2dimensional optical data storage based2on these materials is introduced.