第六章 光、磁信息材料-wj.ppt

第六章光 磁信息材料 一 光信息 存储 材料 光信息存储技术是在激光光源出现以后开始发展起来的 具有信息存储密度高 比磁盘高几百倍 易于快速随机存取 能存储图像与数字两种信息等优点 光信息存储技术有全息存储和逐点存储两种类型 全息存储 全息材料 是利用全息照相原理将信息存储在记录介质中 读出时通过光电探测器将光信号再转变成电信号输出 逐点存储 光盘材料 是通过受信号调制的激光束与记录介质相互作用时产生的状态变化 如熔化 相变 逐点记录信号 读取时再用激光束投射到记录介质表面 从反射光的强度变化中读出信息 1 全息材料全息照相术与普通照相术完全不同 普通照相是利用透镜成像原理 感光胶片上记录被摄物体表面光强分布的平面像 只能从一定角度 一个侧面反映被摄物体 全息成像过程则是利用光的干涉和衍射现象 在照相干板或胶片上以干涉条纹形式把图像记录下来 然后光照射这种干板 就能以立体形式再现物体的原来图像 由于它记录了物体的全部信息 振幅和相位 所以称为全息照相术 Holograph 激光 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 缩写为LASER 或laser 是指窄幅频率的光辐射线 通过受激辐射放大和必要的反馈共振 产生准直 单色 相干的光束的过程及仪器 基本上 产生激光需要 共振结构 增益介质 及 激发来源 这三个要素 He Ne激光 演唱会用的激光 全息照相术原理基本原理从点光源发出的相干激光束A与从另一方向射来的激光束B在照相干板上叠加而产生干涉 形成干涉条纹 如果将这种干板显影 则可变成一种衍射光栅 即全息照片 如果将全息照片置于原来的位置 并在与记录干涉条纹时参考光照射的方向相同的方向上用相干光照射 则此照射光在显影了的干板 衍射光栅 上被衍射 整个衍射光就像从原来点光源所在位置传播过来的方向上被衍射 如果用相干光照射物体 光在与原物体存在时相同的方向上被衍射 换言之 在物体原来所在的位置上将再现出它的像 全息照相术原理 全息图的分类全息图分类的依据为 记录全息图所采用的几何配置的方式 强加在照明光波上的调制的类型 记录材料的厚度和成像的方法 所有全息图可被记录成厚全息图或薄全息图 薄全息图亦称平曲全息图 它的记录介质的厚度比所记录的条纹间隔要小 厚全息图亦称体积全息图 其记录介质的厚度等于或大于所记录的条纹间隔 通常用参量Q来区分体积全息图和平面全息图 把Q 10的看作体积全息图 其它为平面全息图 全息图可根据再现照明波的衍射机理进行分类 在振幅型全息图中 干涉图记录到的是记录介质发生的密度变化 而当再现时 照明光波的振幅就被进行了相应的调制 而在位相型全息图中 被加在再现照明波上的是相位调制 全息材料的特征值曝光量H表示在全息材料表面上单位面积所接受的光能多少 它等于光强度与曝光时间的乘积 折射效率 等于总的有效成像光强度 衍射与用来照明全息图的总光强度 入射之此 灵敏度和光谱灵敏度指全息材料在接受光的作用后其反应的灵敏程度 每种全息材料都有波长的红限 波长大于红限的光不能与材料起光化学反应 另外每种全息材料都有它自己的吸收带 在吸收带内的波长才能起光化学作用 这就是光谱灵敏度 分辨率指它所能记录的光强空间调制的最小周期 分辨率并不完全取决于全息材料本身 还与全息图种类 记录夹角等因素有关 全息材料的种类 卤化银乳胶卤化银乳胶是将颗粒很细的 0 1 2 m 卤化银混合弥散在明胶中 再加一定的敏化剂制成 常见的银盐干板是由乳胶层 底层 玻璃板和防光晕层组成 卤化银乳胶材料的最大优点是灵敏度比其他材料高 并可成为全色 它的光谱灵敏度在蓝光的紫外光谱区域 常在乳剂表面吸附一层对长波光谱区有吸收的染料 使卤化银乳剂的感光灵敏度扩展到长波区域 卤化银乳胶的缺点是分辨率不高 噪声大和容易引起光散射 重铬酸盐明胶将明胶溶液加入少量的重铬酸盐溶液配制而成 是一种重要的全息材料 重铬酸盐明胶的光化学过程为 溶解在明胶中的重铬酸盐是感光敏化剂 当曝光时 由于光的吸收作用 使Cr6 变为 铬ge Cr3 而Cr3 与明胶分子反应引起交联使明胶硬化 接着在水中洗掉未曝光的重铬酸盐部分 在异丙醇中快速脱水干燥 使曝光部分的折射率提高 成为高衍射效率的位相全息图 优点是分辨率高和衍射效率高 缺点是感光度低 而且灵敏波长在蓝光部分 光导热塑料是一种浮雕型位相全息记录材料 这种材料是在玻璃片基上镀上透明的导电腆 再在上面涂覆厚度为2 3 m的光电导体和厚度约为1 m的热塑性塑料而构成的 光致抗蚀剂用于制造集成电路或超大规模集成电路的材料 把光致抗蚀剂以几微米的厚度涂布在玻璃支持体上制成干板 曝光之后显影 没有曝光部分的抗蚀剂就被溶解掉产生浮雕像 光致抗蚀剂分为负性和正性光致抗蚀剂两种 负性抗蚀剂是指那些光交联型光敏树脂 它在曝光部分吸收光 变得不溶解 显影后未曝光部分被溶解掉 正性抗蚀剂是指那些光分解型光敏树脂 它是曝光部分被溶解掉 优点是衍射效率高 分辨率高 缺点足感光度很低 光致变色材料光致变色材料用于全息存储 无机光致变色材料多于有机材料 这类材料的优点是不需显影 而且可以用热或光的方式擦除后重复使用 缺点是灵敏度较低 存储信息时间短 光折变材料能吸收外来光而产生材料内载流子的迁移 由此形成一个空间载流子的重新分布和相应的电场 通过电光效应 使材料的折射率受到调制的材料 材料中产生光折变效应的必要条件是 能生成可移动的载流子 对光有吸收 能传输载流子 有能捕获载流子的势阱 有一定的电光系数 对于有机分子要求有二阶非线性光学性质 光折变材料有四类 某些电光晶体 BaTiO3 KNbO3 LiNbO3等铁电体 非铁电氧化物 Bi12 Si Ge TiO20 等 半导体化合物 如GaAs InP CdTe等 光折变聚合物 应用领域各类光全息存储材料分别在干涉计量 材料与元件的无损检测 制作防伪商标以及图书资料的高密度存储等方面得到实际应用 全息摄影 证券 纸币的防伪标志 全息材料还可做成全息光学元件 如全息透镜 全息光栅 全息空间滤波器 分束器等 特征 全息光学元件重量轻 性能好 用它装配整机 可以使整机的重量减轻许多 汽车HUD是平视显示器 HeadUpDisplay 航空器上的飞行辅助仪器不需要低头就能够看到他需要的重要资讯 2 光盘材料 光盘是新型记录媒质 与塑料软盘 固定磁盘和磁带相比 它具有记录密度高 非接触 可靠性高和使用寿命长等优点 光盘可作计算机的档案库或数据库的文件存储器 能将正文 图形图表和语言等信息编写统一的数字信号再进行存取 光盘所用的材料称光盘材料 是一种具有记录 写入 存储和读出功能的材料 光盘材料分光盘基板材料和光记录材料两部分组成 光盘记录和读出原理光盘上的信息位由激光束径准直 整形 分束和聚焦后产生的微小光斑 直径约1 m 进行擦除 记录和读取 激光束通过调制器受输入信号调制 成为载有信息的激光脉冲 经光学系统 偏振分柬棱镜和 4波片导入大数值孔径物镜 在光盘介质表面会聚成直径小于1 m的光斑 激光束与介质相互作用后 在介质表面蚀成孔或形成相变 以此记录信息 介质表面激光作用区与未受激光作用区 形成某一物理性质有显著差别的两个状态 如反射率差别 折射率差别 透射率差别 这两个状态被分别规定为1和0状态 当物镜沿径向移动 光盘在转台上旋转时 在光盘表面形成螺旋状或同心圆信息轨道 用小功率激光束反射强度的变化经解调后还原所记录的信息 在激光记录时 光盘表面产生的光斑因记录介质的不问有烧蚀坑 鼓泡和绒面 镜面等七种光记录形式 光盘分类及结构光盘按功能分为可擦除光盘和不可擦除光盘 不可擦除光盘又有只读型 ROM 和一次写人多次读出型 WROM 两种 1 单层膜型 采用玻璃或聚氯乙烯基板 表面蒸镀碲合金膜 激光辐射烧蚀合金膜 形成反射率突变的凹坑 实现信号写人 2 三层膜消反射型 在基板材料上蒸镀二层膜 截面设计成消反射结构 几乎能完全吸收人射光 透明涂层使二层膜免受尘埃 擦伤等影响 氧化硅热阻挡层改善了光 热转换效率 激光辐射烧蚀薄金属膜使反射层暴露 3 空气夹心饼型 由两张各自镀有一层灵敏的碲合金薄膜的PMMA盘片组成 用两个垫圈在信息带的内外径处隔开 将薄膜密封在 夹心饼 结构中 在薄膜上面用激光加工微孔 写人信息 CompactDisc ReadOnlyMemory DVD DigitalVersatileDisck CD容量650MB DVD4 7GB 17GB DVD DigitalVersatileDisck 的结构与分类 光盘基板材料光盘对基板材料的主要要求是 透光性好 很小的双折射性 良好的物理和化学稳定性 基板上的记录膜不发生剥离 价格便宜 基板材料主要有无机材料和高分子材料两大类 无机材料有金属 如铝 铝合金 氧化铝和玻璃 高分子基板材料以聚甲基丙烯酸甲酪 PMMA 和聚碳酸酯 PC 为主流 其次是环氧树脂和聚烯烃树脂 PO 以及乙烯酸树脂 紫外线硬化树脂等 光记录材料光记录材料是光盘材料的核心 应具有高灵敏度 高分辨率 高信噪比 随录随放功能 实时记录 高的抗缺陷性以及使用寿命长等性能 不可擦除的光记录材料单质金属或其合金 如Au Pt Cr Bi Cu及Pb等 元素半导体 如Te Si Ge 5e S和它们之间或其他元素如As In 0 H C等所形成的合金 还有染料 聚合物等 碲系记录材料包括肺和蹄系合金 蹄碳混合物和筛的低价氧化物等 二 磁信息 存储 材料 磁信息材料是利用磁学原理存储和记录信息的磁载体材料 按原理和方法 磁记录可分为磁记录和磁光记录 磁存储可分为磁泡 Magneticbubble 存储和矩磁存储 磁记录是从录音开始 到录像和录数码 磁存储是随计算机发展而迅速发展的 本节主要介绍磁记录材料 磁带材料 磁泡材料和矩磁材料 1 磁记录材料 magneticrecordingmaterial 磁记录是利用磁头气隙中随信息变化的磁场将经过气隙的磁记录介质磁化 把随时间变化的信息磁化为磁记录介质中按空间变化的强度分布 经过相反的过程可将记录的信息经磁头重放出来 传统的磁记录模式是纵向磁记 即利用磁头的位于磁记录介质面内的磁场纵向矢量分量来写人信息 这种模式在实现超高密度磁记录时遇到了很难解决的技术难题 即要求磁记录介质很薄 磁头和介质的距离很窄以减少退磁场 但这是有限度的 磁带 录像带 发展了磁垂直记录和磁光记录两种新模式 垂直记录是利用磁场的垂直分量在具有各向异性的记录介质上写入信息 磁光记录是用光学头 靠激光束加磁场来写入信息 利用磁光效应来读出信息 磁记录材料包括磁头材料 磁记录介质和磁光记录介质三部分 磁头材料磁头材料是磁头铁芯用的高密度软磁材料 用它做成记录 写入 或重放 读出 信息的器件 要求有较高的能量转换效率 对磁头材料要求 最大磁导率和高饱和磁化强度 实现高效率记录 2 矫顽力和剩余磁化强度要低 以减少磁头的磁损耗和剩磁 降低噪声与非线性 3 电阻率高 以降低损耗 改善高频记录的频率响应特性 起始磁导率高 以提高重放磁头的灵敏度 磁导率的截止频率要高 以利于高频高速记录 提高使用频率上限 耐磨损 抗剥落 机械加工性好 磁头材料又分为金属磁头材料和铁氧体磁头材料两类 金属磁头材料主要有坡莫合金 permalloy 铁铝合金 铁硅铝合金和非晶态钴基合金等 在坡莫合金中加人少量的铌 3 8wt 钴 铝等可提高其硬度和电阻率 并获得较高的磁导率 例如加铌的79Ni 2Mo 7Nb 0 5A1 Fe合金 即硬坡莫合金 铁硅铝合金和非晶态钴基软磁合金的电阻率和硬度优于坡莫合金 但铁硅铝加工性能很差 限制了应用 坡莫合金指铁镍合金 其含镍量的范围很广 在35 90 之间 最大特点是具有很高的弱磁场导磁率 它们的饱和磁感应强度一般在0 6 1 0T之间 最简单的坡莫合金是铁镍两种元素组成的合金 通过适当的轧制和热处理 它们能够具备高导磁率 同时也可以合理搭配铁和镍的含量 获得比较高的饱和磁感应强度 但是 电阻率低 力学性能不好 所以实际应用并不很多 目前大量应用的坡莫合金是在铁镍的基础上添加一些其它元素 例如钼 铜等 的是增加材料的电阻率 以减小做成铁芯后的涡流损失 同时 也可以提高材料的硬度 有利于作为磁头等有耐磨损的应用 坡莫合金的生产过程比较复杂 例如 板材轧制的工艺 退火温度 时间 退火后的冷却速度等都对材料最终的磁性能有很大影响 坡莫合金用在中高频变压器的铁芯或者对灵敏度有严格要求的器件中 例如高频 数十KHz 变压器 精密互感器 漏电开关互感器 磁屏蔽 磁轭等 铁氧休磁头材料有烧结的锰锌和镍锌铁氧体 热压的锰锌和镍锌铁氧体以及非晶锰锌铁氧体等 与金属材料相比 它们的硬度高 耐磨性好 电阻率高 适合于高频下工作 磁记录介质材料是涂敷在磁带 磁盘和磁鼓上面用于记录和存储信息的磁性材料 要使记录和存储的信息稳定可靠 要求记录介质矩形好的永磁材料 并有如下要求 1 矫顽力适当高 以便有效地存储信息 抵抗环境干扰 减少剩磁状态的自退磁效应 提高记录密度 2 磁滞回线矩形比高 磁滞回线陡直近于矩形 以减少自退磁效应 使介质中保留较高的剩磁 提高记录信息的密度和分辨力 从而提高信号的记录效率 3 饱和磁化强度高 以获得高的输出信号 提高单位体积的磁能积 提高各向异性导致的矫顽力 4 温度稳定性好 老化效应小 以保证在宽温长期条件下稳定存储 5 用于垂直记录的介质 其垂直磁各向异性系数要高 磁记录介质材料的种类 Fe2O3 具有尖晶石立方晶体结构 它是由磁铁矿在温度约200 和有水蒸气的存在时氧化而制成 它主要用于录音带 录像带和磁盘 钡和锶铁氧体 具有较高的矫顽力和磁能积 抗氧化能力强 成为广泛应用的水磁材料 钡铁氧体磁粉是六角形平板结构 其易磁化抽垂直于c平面 适合作垂直磁记录介质 CrO2 强磁件氧化物 属亚稳铁磁材料 四方晶系 若加入 Te Sn Te Sb 等复合物 提高矫顽力 主要用于高级录音带及录像带 金属磁粉 包括Fe Co Ni Co Ni P合金粉 Fe粉 Fe Co合金粉 其特点是剩磁和矫顽力都较高 并且有高的灵敏度和分辨率 实现较大的读出信号和高密度记录 金属磁粉的矫顽力和磁感应强度远大于氧化物的矫顽力和磁感应强度 生产金属磁粉的主要问题是如何得到单畴金属颗粒 金属薄膜 利用制膜工艺在基带上形成一种很薄的金属膜 常用的制膜工艺有化学镀 电镀 离子喷镀 溅射 真空蒸镀等 金属薄膜材料包括Fe Co Ni Co Ni P等合金材料 特点是磁性好 分辨率高 这种材料生成的合金颗粒在几十纳米 其厚度仅有十分之几至百分之几微米 特别适用于高密度记录 磁光记录介质材料利用磁光效应 指在磁场作用下 入射光经过材料时会发生某些性质 如旋光性 折射性 偏振性等 的变化 1973年美国IBM公司报导了非晶态钆 钴薄膜具有磁光记录功能后 1990年出现了5 25英寸 1英寸 2 54cm 的磁盘驱动器产品 对磁光记录介质的要求是 1 有垂直磁各向异性 2 克尔效应尽量大 入射线的偏振光在已磁化的物质表面反射时 振动面发生旋转的现象 1876年 3 居里温度尽量低 4 高矫顽力 5 工艺简便 价格便宜 磁带材料磁带是由一定强度的带基均匀地涂上磁性或磁光性记录介质涂层 厚约3 12 m 所构成 而涂层由磁性材料 粘结剂利添加剂组成 带基一般是高聚物 厚度约10 30 m 要求软化点高 强度 耐磨 耐热和耐湿性好 常用聚酯等薄膜 添加剂主要有分散剂 润滑剂 如胶体石墨和二硫化铜 耐磨剂 如三氧化二铝粉 和抗静电剂等 粘结剂要求能使磁粉形成柔软的涂层 且和基带的结合力牢固 对磁粉分散件好 稳定和耐久性好 常用硝棉 聚氨脂和环氧粘结剂 2 磁泡材料 磁泡 是指某些磁性材料薄膜 片 的性能和尺寸满足一定条件时 在适当的偏磁场作用下 其反磁化畸变为直径为1 100 m的园柱形磁畴 在偏振光显微镜下观察 这些圆柱畴在薄膜表面好像浮着一群圆泡 称为磁泡 磁泡材料就是在垂直薄膜平面的外磁场作用下