DE10157302A1

DE10157302A1 - Adaptive Bragg Zelle

Info

Publication number: DE10157302A1
Application number: DE2001157302
Authority: DE
Inventors: Viktor Petrov; Cornelia Denz; Mikhail Petrov; Theodor Tschudi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-11-23
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2003-06-12

Abstract

Bragg-Zelle mit einer Mehrzahl von ersten Komponenten, welche zumindest ein erstes Material aufweisen, wobei zumindest ein Hologramm in dem ersten Material der ersten Komponenten gespeichert ist und wobei die Komponenten räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Bragg-Zelle, insbesondere eine steuerbare und adaptive Bragg-Zelle zum Wellenlängendemultiplexing auf der Basis von Volumenhologrammen.

Hintergrund der Erfindung

In der Telekommunikation wird das sogenannte "Wellenlängendemultiplexing" zur Erhöhung der Übertragungskapazität bestehender Glasfasernetze eingesetzt. Dazu werden verschiedene Signale (sogenannte Kanäle) mit unterschiedlichen Wellenlängen gleichzeitig durch eine einzelne Glasfaser gesendet, wobei jede Wellenlänge einem Kanal zugeordnet ist. Durch die parallele Übertragung wird so die Übertragungskapazität entsprechend vervielfacht. Der Kanalabstand beträgt zur Zeit in der Regel im Bereich unter einem Nanometer. 0,4 nm Kanalabstand entsprechen so etwa 100 GHz. Durch das zunehmende Datenaufkommen und die gewünschten schnelleren Übertragungsgeschwindigkeiten sind kleinere Kanalabstände dringend erforderlich. Aufgrund des kleinen Kanalabstands stellen Wellenlängendemultiplexer eine Schlüsselkomponente zur Trennung der Kanäle nach der Übertragung dar. Wellenlängendemultiplexer sind dabei wellenlängenselektive optische Komponenten, welche die einzelnen Lichtwellen trennen (Demultiplexing), bzw. vereinen (Multiplexing). Volumenhologramme können eine solche Filterfunktion übernehmen, da sie aufgrund der Bragg- Bedingung eine hohe Wellenlängenselektivität aufweisen und daher ausreichend schmalbandig filtern können. Eigene Voruntersuchungen haben dabei Wellenlängenselektivitäten im Bereich von einigen zehn Pikomentern mit vernachlässigbarem Übersprechen demonstrieren können. Es ist dazu ausreichend, zwei Wellen in einem photoempfindlichen, dicken Material interferieren zu lassen, um ein solches Volumenhologramm oder Volumenphasengitter zu erzeugen. Beim Auslesen der Volumenhologramme treten keine Verluste aufgrund der Absorption auf, weil bei Phasengittern lediglich der Brechungsindex moduliert ist, so daß hohe Beugungswirkungsgrade erzeugt werden können. Sind mehrere Volumenphasengitter mit unterschiedlicher Periodenlänge in einem Speichermaterial überlagert, so kann von jedem Gitter Licht mit einer bestimmten Wellenlänge gebeugt werden. Durch eine geeignete Wahl der Orientierung der Gitter kann daher simultan eine Vielzahl von Kanälen überlagert oder getrennt werden. Damit sind Volumenhologramme durchstimmbar und durch die inhärente Parallelität der Optik auch parallelisierbar.
Im Gegensatz dazu haben andere Verfahren zahlreiche Nachteile. So weisen dünne Strichgitter keine hinreichende räumliche Signaltrennung auf. Schmalbandige, dielektrische Filter haben hohe Verluste und sind nicht durchstimmbar. Fabry-Perot-Interferometer haben ebenfalls hohe Verluste und sind sehr empfindlich auf Temperaturschwankungen und Erschütterungen. Wellenleiter-Interferometer funktionieren nur polarisationsabhängig, benötigen kleine Fertigungstoleranzen und sind ebenfalls temperaturempfindlich. Ein Wellenlängendemultiplexing mittels Bragg-Gittern in Glasfasern erfordert eine aufwendige Kaskadierung und durch den notwendigen Zirkulator einen hohen Fertigungsaufwand.
Bragg-Zellen sind neben der Anwendung als Wellenlängendemultiplexer auch als holographische Datenspeicher geeignet.
Vor dem Hintergrund der stark ansteigenden Datenmengen in den Informationstechnologien gehört die Entwicklung neuer und größerer Speichermedien zu den Schlüsseltechnologien der Datenverarbeitung. So werden die in Zukunft immer weiter expandierenden Datenbankanwendungen Datenmengen umfassen, deren Größe die Kapazität derzeitiger Datenspeicher weit überschreitet. Darüber hinaus stellen nicht nur die Datenmengen ein Problem dar, auch die Zugriffszeiten auf den Datenspeicher müssen sich entsprechend der Datenmenge beschleunigen, um eine Verarbeitung der Daten überhaupt erst zu ermöglichen. Videodatenbanken ("Video-on-Demand"), Netzwerkdienste, Satellitenkommunikation oder Bildverarbeitung in der chirurgischen Technik sind einige der Gebiete, in denen in Zukunft Terabytes von Daten gespeichert und in wenigen tausendstel Sekunden abrufbereit sein müssen. Insbesondere ist hier zu berücksichtigen, daß bei derzeitigen Datenspeichern üblicherweise die gespeicherte Information seriell abgefragt wird. Der Speicherinhalt wird Bit für Bit ein- oder ausgelesen, wie es in ähnlicher Form auch beim Auslesen von Magnetbändern geschieht. In der Optik lassen sich dagegen Informationen als Hologramme parallel oder zeitgleich kodieren und die holographisch gespeicherten Informationen ebenso parallel wieder abrufen. Als Holographie wird dabei allgemein die Speicherung der Information eines Lichtfeldes in einem Interferenzmuster und als Hologramm das gespeicherte Muster bezeichnet. Insbesondere ist ein Volumenhologramm ein holographisches Gitter, das eine nicht zu vernachlässigende "Tiefe", also nicht nur eine Ausdehnung in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des auftreffenden Lichts, sondern auch entlang der Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen, besitzt. Ein Hologramm in einer dünnen photographischen Schicht ist demnach kein Volumenhologramm. Bei der Beugung an einem Volumenhologramm gilt dann die Bragg-Bedingung, die gegeben ist durch:

wobei Λ die Periode des holographischen Gitters, λ die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts und Θ_B den halben Winkel zwischen den Lichtstrahlen bezeichnen. Mit n_AV ist der durchschnittliche Brechungsindex der gesamten Bragg-Zelle bezeichnet. Die Notwendigkeit der Erfüllung der Bragg- Bedingung in drei unabhängigen Raumrichtungen hat zur Folge, daß ein Volumenhologramm nur durch Lichtstrahlen mit den bestimmten Einfallswinkeln, Wellenlängen und relativen Phasenlagen abgerufen werden kann, die beim Speichern des Hologramms benutzt wurden.
Hologramme gelten durch ihre parallele Speicherung als Datenspeicher der Zukunft. Außerdem können mehrere Datenseiten an demselben Ort gespeichert werden. Dies wird durch eine Veränderung der Bragg-Bedingung ermöglicht. Da ein bestimmtes Volumenhologramm nur durch einen Referenzstrahl unter Erfüllung einer ganz bestimmten Bragg-Bedingung ausgelesen werden kann, lassen sich in demselben Volumen des Speichermediums verschiedene Volumenhologramme speichern.
Wenn die Bragg-Bedingung erfüllt wird, so wird die Beugung am Hologramm eingeschaltet und die darin gespeicherte Information kann abgerufen werden. Somit können durch Ausnutzung der Bragg-Bedingung, welche auch die Überlagerung mehrerer Datenseiten an einem Ort erlaubt, leicht große Datenmengen gespeichert werden. Das Aufzeichnen mehrerer sich im wesentlichen nicht gegenseitig störender Hologramme, wird ebenfalls als Multiplexing bezeichnet.
Ein zuckerwürfelgroßer Kristall verspricht so etwa eine Speicherkapazität im Bereich von Terabyte bei Ausleseraten im Bereich von Gigabyte pro Sekunde.
Die Bragg-Bedingung wird durch die Winkel, die Wellenlänge und die Phasenverteilung einer am Medium gestreuten Welle bestimmt.
Eine Aufzeichnung und Rekonstruktion der verschiedenen Datenseiten kann dabei durch die Veränderung eines dieser Parameter erfolgen. Typischerweise wird dazu ein Referenzstrahl oder der Strahl, dem die Daten aufkodiert sind, hinsichtlich der für die Erfüllung der Bragg-Bedindung relevanten Paramenter moduliert, wobei die Strahlen dann im photosensitiven Material zur Interferenz gebracht werden.
Das Interferenzmuster des Volumenhologramms läßt sich je nach Art des photosensitiven Materials in Form von Änderungen des Absorptionskoeffizienten oder der Dichte des Materials, sowie des Brechungsindex. Volumenhologramme lassen sich unter anderem in photorefraktiven Materialien speichern, bei denen sich der Brechungsindex des Materials in Abhängigkeit der lokalen Intensität des Interferenzmusters beim Einschreiben der Daten ändert. Photorefraktive Kristalle als Speichermedien sind unter anderem deshalb interessant, da sie wiederbeschreibbar sind. Damit wird ein holographischer WORM- Speicher (WORM = "Write Or Read Memory") realisierbar.
An den Stellen hoher Intensität des durch die Überlagerung kohärenter Lichtstrahlen entstehenden Interferenzmusters werden durch Photoionisation Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) freigesetzt. Durch die erhöhte Konzentration an diesen Stellen diffundieren sie und rekombinieren wieder, meist an Störstellen (z. B. Dotierungen). Dadurch entsteht eine inhomogene Ladungsträgerverteilung. Diese lokale Ladungsumverteilung hat ein elektrisches Feld zur Folge, das wegen der räumlichen Ableitung im Gauß'schen Gesetz um eine viertel Periode zum Interferenzmuster phasenverschoben ist. Durch den linearen elektrooptischen Effekt, nach dem eine Brechungsindexänderung proportional zum elektrischen Feld ist, entsteht eine Brechungsindexmodulation, die ein Abbild des Interferenzmusters und somit ein Volumenhologramm darstellt.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine gegenüber einer vom Stand der Technik bekannten Bragg-Zelle deutlich erhöhte spektrale Selektivität aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der in Anspruch 1 beanspruchten Erfindung besteht die Bragg-Zelle aus mehreren Komponenten, die Materialien aufweisen, in denen ein Volumenhologramm gespeichert ist. Die Komponenten sind dabei räumlich getrennt angeordnet. Diese Zelle wird daher im folgenden als Mehrkomponenten-Bragg-Zelle bezeichnet.
Durch die räumliche Trennung der Komponenten, in denen das Hologramm gespeichert ist, ergibt sich eine gesteigerte spektrale Selektivität der Anordnung gegenüber einer bekannten Bragg-Zelle, in der das Gitter in einem einzelnen Materialteil enthalten ist. Vorzugsweise weisen die ersten, räumlich separierten Komponenten photosensitive Materialien auf. Das Hologramm wird diesen mehreren photosensitiven Materialteilen aufgeprägt, weshalb ein räumlich geteiltes Hologramm vorliegt. Die spektrale Empfindlichkeit dieses durch das geteilte Hologramm erzeugten spektralen Filters ist gegeben durch:
Dabei stellt Λ die Periode des holographischen Gitters, T die Gesamtlänge des geteilten Hologramms, λ die Wellenlänge und Δλ die spektrale Empfindlichkeit oder die spektrale Selektivität dar. Durch die Aufteilung des Hologramms in mehrere Teile wird die Gesamtlänge der Anordnung im Vergleich zu einer einzelnen Komponente mit photosensitivem Material erhöht, wodurch der Wellenlängenbereich Δλ, unter dem die Bragg-Bedingung erfüllt ist, schmaler wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht die Mehrkomponenten-Bragg-Zelle aus einer Anordnung von Komponenten aus zwei Komponentengruppen, die Materialien aus zwei verschiedenen Materialgruppen aufweisen. Während eine Materialgruppe aus effizienten holographischen Speichermaterialien, also photosensitiven Stoffen besteht, umfaßt die andere Materialgruppe steuerbare Materialien, wobei eine Komponente dabei jeweils Stoffe aus einer Materialgruppe umfaßt. Die steuerbaren Materialien aus der zweiten Materialgruppe lassen sich durch Anlegen eines äußeren Feldes hinsichtlich ihrer optischen Konstanten beeinflussen. Licht, welches durch eine Komponente, die ein Material aus dieser Materialgruppe enthält, hindurchgetreten ist, wird daher abhängig vom angelegten äußeren Feld hinsichtlich seiner Phase beeinflußt. Insbesondere wird durch eine Veränderung des Brechungsindex des Materials die Durchlaufzeit des Teilstrahls durch das Material beeinflußt. Dadurch ergibt sich eine Änderung der relativen Phasenlage dieses Teilstrahls zu dem anderen Teilstrahl oder den anderen Teilstrahlen. Eine solche Komponente wirkt daher als Phasenmodulator auf das hindurchtretende Licht. Die einzelnen Komponenten der Mehrkomponenten-Bragg-Zelle sind dabei so angeordnet, daß das Licht auf dem Weg durch die Anordnung nacheinander durch jeweils erste Komponenten mit Stoffen aus der ersten Materialgruppe und zweite Komponenten mit Stoffen aus der zweiten Materialgruppe läuft.
Mittels des durch die Anordnung laufenden Lichts wird dann zunächst ein Hologramm in die photosensitiven Materialstücke eingeschrieben. Bedingt durch die Anordnung der Komponenten in der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Hologramm in zwei oder mehreren räumlich getrennten photosensitiven Materialteilen gespeichert. Das Hologramm wird dabei durch die Wechselwirkung des Lichts, welches Intensitätsvariationen aufgrund der Interferenz der Teilstrahlen aufweist, mit den photosensitiven Teilen erzeugt. Die Lichtstrahlen können dabei Teilstrahlen sein, die aus einem einzelnen Lichtstrahl durch Strahlteilung und/oder Reflexion hervorgehen. So läßt sich ein Hologramm im einfachsten Fall aus der Überlagerung eines kohärenten einfallenden Strahls mit seinem an einer zumindest teilweise reflektierenden Fläche zurückreflektierten Anteil erzeugen. Im allgemeinen wird einem Teilstrahl, der als Objektstrahl bezeichnet wird, die Information aufgeprägt, welche in Form eines Hologramms in der Mehrkomponenten-Bragg-Zelle gespeichert werden soll.
Die im Hologramm gespeicherte Information kann über die Beugung von Licht am Hologramm wieder abgerufen werden. Wird jedoch die Bragg-Bedingung für die Beugung am Hologramm verändert, so wird die Beugung am Hologramm ausgeschaltet. Dies kann beispielsweise durch Phasenmodulation des Lichts mittels einer oder mehrerer der zweiten Komponenten der Mehrkomponenten-Bragg-Zelle geschehen, indem die optischen Konstanten des mit einem äußeren Feld steuerbaren Materials variiert werden.
Nachdem das an das Material angelegte Feld verändert worden ist, kann so ein weiteres Hologramm in das photosensitive Material eingeschrieben werden oder alternativ ein Hologramm, welches zuvor bei diesem angelegten Feld im photosensitiven Material gespeichert wurde, durch Beleuchtung mittels eines oder mehrerer Referenzstrahlen wieder abgerufen werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das mittels eines angelegten Feldes steuerbare Material in Zellen unterteilt. Jede Materialzelle läßt sich dabei einzeln ansteuern. Die Zellen sind dabei bevorzugt in Form einer Matrix angeordnet, die sich in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer der Teilstrahlen erstreckt und M Spalten und N Zeilen umfaßt, wobei M und N jeweils größer oder gleich 1 sind. Für eine Matrix mit M × N Elementen ergibt sich so eine M × N- kanalige, steuerbare, spektrale Zelle. Diese Zelle hat dieselbe Funktion wie die Zelle mit nur einer phasenmodulierenden Komponente, kann aber M × N Kanäle gleichzeitig steuern. Da es sich bei der Zelle um einen spektralen Filter handelt, kann sie für zweidimensionales optisches Rechnen oder zur holographischen Datenspeicherung mittels wenig kohärenter Lichtquellen benutzt werden.
In noch einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden mehrere solcher Elemente hintereinander angeordnet. Die Komponenten sind dabei so angeordnet, daß sich jeweils Komponenten mit photosensitiven Schichten und Komponenten mit phasenmodulierenden Zellen in Ausbreitungsrichtung zumindest eines der Teilstrahlen abwechseln. Die Mehrkomponenten-Bragg- Zelle umfaßt damit bei Hintereinanderschaltung von K Elementen insgesamt M × N × K Kanäle, die mittels äußerer angelegter Felder einzeln steuerbar sind.
Durch die Unterteilung des Hologramms in K verschiedene Teile einsteht ein optisch zweidimensionaler digitaler Prozessor mit einer Eingangsbreite von K. Werden als Hologramme einfache Gitter abgespeichert, an welchen der Strahl gestreut wird, so kann die gesamte speicherbare Informationskapazität dieser Anordnung zu M × N × K Bit abgeschätzt werden.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfassen die ersten Materialien der ersten Komponenten zusätzlich einen laseraktiven Stoff. Hierzu geeignet sind beispielsweise Erbium-dotierte Photopolymere. Dadurch ergibt sich ein optisch aktives Laser- oder Verstärkungssystem. Durch zusätzliches Einbringen von zweiten Komponenten mit steuerbaren Materialteilen wird ein kombiniertes System aus aktiven und passiven Teilen erzeugt. Die Funktionen der steuerbaren Mehrkomponenten-Bragg-Zelle können so direkt zur Steuerung eines Lasersignals in der durch die Bragg-Zelle definierte Kavität definiert werden.
Für die Mehrkomponenten-Bragg-Zelle ergeben sich eine Reihe von Verwendungszwecken. So läßt sich die Zelle als holographischer Datenspeicher verwenden, wobei bedingt durch die erhöhte spektrale Empfindlichkeit gegenüber einer einfachen Bragg-Zelle die Speicherkapazität erhöht und das Übersprechen zwischen einzelnen gespeicherten Hologrammen verringert wird.
Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht beispielsweise in der Realisierung von Beugungslinsen. Mittels der eingeschriebenen Hologramme lassen sich Linsen verschiedener Brennweite realisieren, welche sich durch Einstellung eines zugeordneten, beim Speichern des Hologramms verwendeten Feldes, das am steuerbaren Material angelegt wird, aktivieren lassen.
Durch Aufzeichnung einer Vielzahl von Hologrammen läßt sich so eine Linse herstellen, welche eine mittels des äußeren Feldes variierbare oder adaptive Brennweite aufweist.
In ähnlicher Weise läßt sich durch Ausnutzung der Beugung an verschiedenen durch die Feldstärke und/oder Richtung des äußeren Feldes aufrufbaren oder aktivierbaren Hologrammen ein adaptiver spektraler Filter herstellen. Ein solcher Filter kann zum Beispiel als Wellenlängen-Demultiplexer für Anwendungen in der Telekommunikation bei der optischen Signalübermittlung eingesetzt werden. Die Zelle ist ebenso geeignet für spektroskopische Anwendungen oder als schmalbandiger Filter. Ein weiteres bedeutsames Anwendungsfeld findet sich als wellenlängenselektives Element zur Stabilisierung und/oder Durchstimmung von Lasern.
Als steuerbares Material sind zum Beispiel Flüssigkristalle geeignet. Bei der Verwendung eines Flüssigkristalls zur Phasenmodulation des hindurchtretenden Lichts wird ein elektrisches Feld zur Veränderung der optischen Konstanten verwendet. Durch das angelegte Feld werden die Moleküle des Flüssigkristalls ausgerichtet, was zu einer Änderung des Brechungsindex für die Polarisationsrichtung des Lichts aufgrund der durch die mittels der angelegten Spannung induzierte Anisotropie führt. Es können auch herkömmliche Flüssigkristallelemente mit nematischen Kristallen verwendet werden, bei denen aber bedingt durch die Drehung der Polarisationsebene des hindurchtretenden Lichts nur kleine Feldstärken verwendet werden.
Bei der Verwendung von Flüssigkristallen ist vorteilhaft, daß die erforderlichen Schaltspannungen dazu nur wenige Volt oder sogar nur Millivolt betragen. Die Schaltzeiten für die gesamte Anordnung liegt überdies bei Verwendung von Flüssigkristallen im Bereich von nur wenigen Millisekunden. Zudem sind Flüssigkristall-Displays mit hoher Auflösung fertig auf dem Markt erhältlich. Diese lassen sich leicht dazu verwenden, eine Mehrkomponenten-Bragg-Zelle mit vielen Kanälen aufzubauen. Es sind alternativ aber auch andere Materialien denkbar, wie zum Beispiel magnetooptische oder piezoelektrische Stoffe. Im Falle eines piezoelektrischen steuerbaren Materials wird ebenfalls wie auch im Falle eines Flüssigkristalls ein elektrisches Feld zur Variation der optischen Konstanten verändert. Es ist hier zu beachten, daß Variation des äußeren Feldes nicht alleine die Änderung der Feldstärke, sondern auch/oder eine Änderung der Richtung des Felds bedeuten kann. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung sind auch andere steuerbare Materialien, deren optische Konstanten auf mechanische Spannungen reagieren, verwendbar.
Als photosensitive Materialien kommen beispielsweise Photopolymere oder photorefraktive Kristalle in Betracht. Als photorefraktives Material hat sich bisher unter anderem Lithiumniobat (LiNbO₃) bewährt. Photopolymere zeichnen sich durch eine hohe Streueffizienz, niedrigem Streuuntergrund und einer Photosensitivität in einem für Anwendungen geeigneten Spektralbereich aus.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden, wobei sich in den einzelnen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile beziehen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mehrkomponenten-Bragg-Zelle;
Fig. 2 eine Aufsicht auf eine Anordnung zum Abspeichern und Abrufen von Hologrammen;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht durch eine steuerbare Mehrkomponenten-Bragg-Zelle;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer steuerbaren Mehrkomponenten-Bragg-Zelle mit mehreren Kanälen; und
Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer Mehrkomponenten-Bragg-Zelle.
Fig. 1 zeigt schematisch die grundlegenden Elemente der Mehrkomponenten-Bragg-Zelle 1. Sie besteht in der einfachsten Form aus zwei Teilen 2A und 2B aus photosensitivem Material. Die beiden Teile sind räumlich voneinander separat angeordnet, so daß die in Richtung der räumlichen Trennung liegenden äußeren Flächen der beiden Komponenten oder Materialteile einen Abstand von T aufweisen. Ein in der Anordnung gespeichertes Hologramm ist durch die Trennung der Komponenten ebenfalls in zwei Teile aufgeteilt, wodurch sich die erhöhte spektrale Selektivität ergibt.
Ein möglicher Aufbau zum Abspeichern und Abrufen eines in der Mehrkomponenten-Bragg-Zelle 1 gespeicherten Hologramms ist in Fig. 2 dargestellt.
Der von einem Laser 5 erzeugte Laserstrahl 4 wird von einem Strahlaufweiter 6 aufgefächert. In einem Strahlteiler 7, bestehend aus zwei Prismen 7A und 7B wird der Strahl 4 in zwei Teilstrahlen 41 und 42 aufgespalten. Die beiden Teilstrahlen 41 und 42 werden danach über zwei Spiegel 8A und 8B umgelenkt und durchlaufen die Mehrkomponenten-Bragg-Zelle 1. In der hier gezeigten Konfiguration laufen die Strahlen in der Zelle nahezu antiparallel. Die beiden Teilstrahlen 41 und 42 erzeugen am Ort der photosensitiven Materialteile 2A und 2B ein Interferenzmuster, das im Photosensitiven Material als Hologramm abgespeichert wird. Mittels eines Strahlblockers 9 kann nach dem Einschreiben des Volumenhologramms ein Teilstrahl 41 blockiert werden. Mittels des gespeicherten Volumenhologramms und des anderen Teilstrahls 42 wird der blockierte Teilstrahl 41 rekonstruiert und es erscheint ein weiterer Teilstrahl 43, der dem Strahlverlauf des blockierten Strahls 41 folgt. Teilstrahl 41 bildet somit einen Objektstrahl, während Teilstrahl 42 als Referenzstrahl wirkt.
Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Mehrkomponenten-Bragg-Zelle 1 mit einem einfachen Phasenmodulator 3. Der Phasenmodulator 3 der Vorrichtung befindet sich zwischen zwei Komponenten 2A und 2B mit photosensitivem Material. Er umfaßt ein Teil 3A, das ein mit einem äußeren Feld steuerbares Material enthält und zwei transparenten, leitenden Schichten 31 und 32. Vorzugsweise besteht das Teil 3A aus einer Flüssigkristallschicht, die sich in Kontakt mit den beiden transparenten Schichten 31 und 32 befindet. Mittels einer zwischen den transparenten Elektroden 31 und 32 angelegten Spannung wird ein elektrisches Feld erzeugt, in dem sich die Moleküle der Flüssigkristallschicht ausrichten und dadurch den Brechungsindex der Schicht verändern. Durch die Änderung des Brechungsindex in der Schicht wird auch der mittlere Brechungsindex der gesamten Anordnung bestehend aus der Phasenmodulator-Komponente 3 und den beiden photosensitiven Teilen 2A und 2B verändert. Dadurch ändert sich die Bragg- Bedingung für die Streuung am holographischen Gitter. Somit ergibt sich eine steuerbare Mehrkomponenten-Bragg-Zelle. Ein weiteres Hologramm kann dadurch zusätzlich zu einem vor der Änderung des elektrischen Feldes eingeschriebenen Hologramm in den photosensitiven Teilen 2A und 2B nahezu übersprechungsfrei gespeichert werden.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist der Phasenmodulator 3 der Mehrkomponenten-Bragg- Zelle 1 in eine matrixförmige Anordnung aus M × N Zellen 1-1, 1-2,. ., 1-M, 2-1, 2-2,. ., N-M unterteilt. Bei dieser Ausführungsform wird das Licht, welches durch die Bragg-Zelle 1 in Richtung der räumlichen Aufteilung der Komponenten hindurchtritt, in M × N Teilstrahlen aufgeteilt. Jeder der Teilstrahlen läßt sich so einzeln phasenmodulieren. In einer einfacheren Abwandlung dieser Ausführungsform kann ein Zeilendisplay mit M oder N Zeilen verwendet werden. Ebenso wie eine Anordnung der Zellen in Matrixform sind aber auch weitere Anordnung der Zellen, wie zum Beispiel in einem hexagonalen Muster denkbar. Da sich bei dieser mehrkanaligen Bragg-Zelle um einen spektralen Filter handelt, kann sie für zweidimensionales optisches Rechnen benutzt werden. Ebenso ist eine holographische Datenspeicherung mit wenig kohärenten Lichtquellen möglich. Bei Verwendung von Weißlichquellen wird damit eine farbige oder polychromatische Datenrekonstruktion ermöglicht. Durch die Verwendung solcher Lichtquellen lassen sich auch störende Effekte vermeiden, die sonst bei kohärenten Lichtquellen auftreten, wie zum Beispiel kohärente Streuung, Specklerauschen und andere Beugungseffekte.
Fig. 4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Hier sind mehrere Komponenten 201, 202, . . ., 20N mit photosensitivem Material und mehrere phasenmodulierende Komponenten 300, 301, . . ., 30N zu einer Anordnung von Mehrkomponenten-Bragg-Zellen kombiniert. Werden für die Phasenmodulatoren 300, 301, . . ., 30N mehrkanalige Komponenten mit einer M × N-Matrix von phasenmodulierenden Zellen wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel verwendet, so ergibt die Anordnung einen optisch zweidimensionalen digitalen Prozessor mit einer Eingangsbandbreite von K, wobei K die Anzahl der phasenmodulierenden Komponenten 300, 301, . . ., 30N bezeichnet. Die Gesamtinformationskapazität des Systems kann bei der Abspeicherung einfacher holographischer Gitter zu M × N × K Bit abgeschätzt werden. Auch in dieser Ausführungsform lassen sich gering kohärente und polychromatische Lichtquellen mit den oben genannten Vorteilen verwenden.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als photosensitives Material ein dotiertes Photopolymer eingesetzt. Diese Weiterbildung der Erfindung kann in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen benutzt werden. Aufgrund der Dotierung werden die Photopolymere zu aktiven optischen Substanzen, die sich als Lasermedien oder optisch verstärkende Teile verwenden lassen. Mit einer solchen Mehrkomponenten-Bragg-Zelle läßt sich ein Laser oder optischer Verstärker mit interner Durchstimmbarkeit herstellen. Als Dotierung lassen sich unter anderem Er⁺-Ionen verwenden.
Bei allen hier beschriebenen Ausführungsformen ist zu beachten, daß die Mehrkomponenten-Bragg-Zelle zusätzliche optische Elemente außer den genannten aufweisen kann. So können sich beispielsweise zwischen den Komponenten der Zelle Spiegel befinden um einen nicht geradlinigen Strahlengang zu realisieren, oder andere optische Komponenten wie Aperturen zur weiteren Strahlkonditionierung. Außerdem müssen die Teilstrahlen nicht kolinear oder nahezu kolinear die Bragg- Zelle durchlaufen, sondern können auch unter einem Winkel auf die Zelle treffen.
Es ist ferner zu betonen, daß die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern, wie für den Fachmann ersichtlich ist, in vielfacher Weise abgewandelt werden kann. Bezugszeichenliste 1 Mehrkomponenten-Bragg-Zelle
2A, 2B, 201, 202 . ., 20N Komponente mit photosensitivem Material
3 Phasenmodulator
3A Mittels äußerem Feld steuerbares Material
31, 32 Transparente Elektroden
1-1, 1-2,. ., 1-M, 2-1, 2-2, . ., N-M Phasenmodulierende Zellen einer matrixförmigen, M × N-kanaligen Mehrkomponenten-Bragg-Zelle
4 Laserstrahl
41, 42, 43 Teilstrahlen
5 Laser
6 Strahlaufweiter
7 Strahlteiler
7A, 7B Prismen
8A, 8B Spiegel
9 Strahlblocker

Claims

1. Bragg-Zelle umfassend
eine Mehrzahl von ersten Komponenten (2A, 2B), welche zumindest ein erstes Material aufweisen, wobei zumindest
ein Hologramm in dem ersten Material der ersten Komponenten (2A, 2B) gespeichert ist und wobei die Komponenten räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.

2. Bragg-Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Materialteile photosensitive Materialien umfassen.

3. Bragg-Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeweils zwei ersten Komponenten eine zweite Komponente (3, 300, 301, . ., 30N) angeordnet ist, wobei jede zweite Komponente (3, 300, 301, . ., 30N) zumindest ein zweites Material aufweist, dessen optische Konstanten mittels eines äußeren Feldes steuerbar sind, so daß die Phase eines durch die Komponente hindurchtretenden Lichtstrahls in Abhängigkeit der Stärke und/oder der Richtung des angelegten Feldes verändert wird.

4. Bragg-Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite, steuerbare Material ein elektrooptisches Material umfasst und die optischen Konstanten des Materials mittels eines angelegten elektrischen Feldes gesteuert werden kann.

5. Bragg-Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrooptische Material ein piezoelektrisches Material umfasst.

6. Bragg-Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrooptische Material einen Flüssigkristall umfaßt.

7. Bragg-Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite, steuerbare Material ein magnetooptisches Material umfaßt und die optischen Konstanten des Materials mittels eines angelegten magnetischen Feldes gesteuert werden.

8. Bragg-Zelle nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in zumindest einer der zweiten Komponenten (3, 300, 301, . ., 30N) das zumindest eine zweite steuerbare Material in Zellen (1-1, 1-2, . . ., 1-M, 2-1, . . .,N- M) angeordnet ist.

9. Bragg-Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung von Zellen matrixförmig ist.

19. Bragg-Zelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zellen einzeln durch angelegte Felder ansteuern lassen.

11. Bragg-Zelle nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine zweite Komponente aus einzeln ansteuerbaren Zellen eine Flüssigkristall- Anzeige umfaßt.

12. Bragg-Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, photosensitive Material ein photorefraktives Material umfaßt.

13. Bragg-Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das erste photosensitive Material ein Photopolymer umfaßt.

14. Bragg-Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der ersten Komponenten ein laseraktives Material aufweist.

15. Bragg-Zelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Material ein dotiertes Photopolymer ist.

16. Verfahren zum Erzeugen von Volumenhologrammen, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) Aufspalten einer Lichtquelle in mindestens zwei Teilstrahlen;

b) Bereitstellen mindestens zweier Teile (2A, 2B) aus photosensitivem Material;

c) räumlich getrenntes Anordnen der Teile (2A, 2B) aus photosensitivem Material

d) Überlagern der Teilstrahlen (41, 42) derart, daß diese durch die Anordnung der Teile hindurchtreten, wobei Intensitätsvariation durch die Interferenz der Teilstrahlen ein Hologramm in die photosensitiven Teile der Anordnung eingeschrieben wird;

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Bereitstellens mindestens zweier Teile aus photosensitivem Material zusätzlich das Bereitstellen mindestens eines Teils aus einem Material, welches mittels eines äußeren Feldes steuerbare optische Konstanten aufweist, umfaßt; und wobei für die Aufnahme eines weiteren Hologrammes das an dem mindestens einem Teil anliegende Feld variiert wird.