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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Herstellen eines Hologramms in einem optischen Medium, insbesondere zum
Speichern von Daten in dem optischen Medium.
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Hintergrund der Erfindung
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Optische
Speichersysteme sind in Form von CD- und DVD-Laufwerken seit einigen
Jahren weltweit Standard für Datenspeicherung, Austausch
und Archivierung sowie für unterschiedlichste Multimedia Anwendungen
im Bereich der Unterhaltungselektronik. In allen Bereichen besteht
ein ständig zunehmender Bedarf an Speicherkapazität
bei gleichzeitig sehr hohen Anforderungen an die Sicherheit gespeicherter
Daten.
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Der
Erfolg der Optischen Disk als Massendatenspeicher begründet
sich vor allem auf Kompaktheit sowie den geringen Endpreis von Laufwerken und
Datenträgern. Ein DVD-Laufwerk stellt ein sehr effizientes
optisches System dar, welches ausschließlich aus Komponenten
zusammengesetzt ist, die günstig in Massenproduktion hergestellt
werden können. Schreiben und Lesen digitaler Daten im Speichermedium
erfolgt berührungsfrei mit einem fokussierten Laserstrahl.
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Zurzeit
besitzen zwei verschiedene optische Flächenspeichersysteme
das Potential, sich als neuer Standard für optische Wechseldatenspeicher durchsetzen.
HD-DVD sowie BluRay profitieren beide von dem Wechsel zu einer blauen
Laserdiode bei 405 nm als modulierbare Lichtquelle zum Schreiben und
Lesen. Die Reduzierung der Wellenlänge bewirkt eine Steigerung
des optischen Auflösungsvermögens, so dass in
den neuen Systemen Flächenspeicherdichten von 15 GByte
(HD-DVD) oder sogar von 25 GByte durch den Einsatz eines stärker
brechenden Objektivs zur Fokussierung in die Disk (Blu-Ray) erreicht
werden. Zur Erhöhung der Datenkapazität werden
zudem mehrere unabhängige Speicherschichten übereinander
angeordnet, was bereits bei der aktuellen „roten" DVD Generation
Anwendung findet und dort zu einer Gesamtkapazität von
9 GB führt. Diese Technik wird dadurch limitiert, dass
jede Schicht möglichst viel Licht reflektieren muss, um
ein gutes Auslesesignal zu ermöglichen, zugleich aber eine
hohe Transmission benötigt, damit genügend große
Anteile des Schreib-/Leselaserstrahls noch in tiefer liegende Schichten
eindringen können. Zudem muss jede Speicherschicht ein
Mindestmaß an Absorption aufweisen, um beim Schreibprozess überhaupt
durch absorbiertes Laserlicht thermisch verändert werden
zu können. Diese gegensätzlichen Forderungen führen
in der Praxis dazu, dass im HD-DVD-System drei übereinander
liegende Speicherschichten mit einer Gesamtkapazität von
45 GByte und bei der Blu-Ray Disk zwei Schichten mit insgesamt 50
GByte eingesetzt werden.
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Die
vierte Generation optischer Datenspeicher wird durch holographische
Volumenspeichersysteme bestimmt werden. Die wesentliche Verbesserung
von Photopolymeren als Speicher materialien in den letzten Jahren
hat einen Innovationssprung in der holographischen Datenspeicherung
ermöglicht, sodass mittlerweile einige konkurrierende Systeme
in den Bereich erfolgreicher technischer Realisierung gerückt
sind. Generell hat sich bei der Entwicklung der optischen Speicher
in den letzten 15 Jahren gezeigt, dass ein elementarer Faktor für
den Erfolg eines neuen Standards seine Abwärtskompatibilität
zu den Vorläufersystemen ist. Aus diesem Grund ist heutzutage
jeder DVD-Player in der Lage CDs zu verarbeiten und auch in HD-DVD-
und Blu-Ray-Geräten können weiterhin DVDs und
CDs verwendet werden.
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Für
die vierte Generation optischer Speicher bedeutet dies, dass ein
bitorientiertes Konzept wie das des mikroholograpischen Speichersystems,
welches technologisch eng an die bestehenden Systeme angelehnt ist,
einen klaren Vorteil gegenüber solchen, zum Beispiel seitenweisen
holographischen Speichern aufweist, deren Technologie es kaum erlaubt
in einem möglichst einfach strukturierten Gerät zugleich
die vorangegangenen Formate einzusetzen.
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Holographische
Speicherung basiert generell auf der Überlagerung zweier
zueinander kohärenter Laserstrahlen, häufig Signal-
und Referenzstrahl genannt. Die durch Interferenz beider Strahlen entstehende
dreidimensional modulierte Intensitätsverteilung wird in
ein transparentes Speichermedium, häufig ein photosensitives
Polymer, durch lokale Veränderung seiner optischen Eigenschaften
eingeschrieben. Wird das so erzeugte Volumengitter mit nur einem
der beiden ursprünglichen Schreibstrahlen (Referenzstrahl)
beleuchtet, so erfolgt durch optische Beugung dieses Strahls an
dem Gitter eine Rekonstruktion des jeweils anderen Strahls (Signalstrahl). Die
gespeicherte Information befindet sich dabei entweder in der Modulation
des Intensitätsprofils des Signalstrahls, die mit einem
CCD-Detektor ausgewertet wird (seitenweise Speicherung) oder schlicht
daraus ob ein Gitter an der adressierten Position vorhanden ist
oder nicht (bitweise Speicherung).
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Die
Rekonstruktion des Signalstrahls wird physikalisch beschrieben durch
Bragg-Beugung des Referenzstrahls an dem Volumengitter. Die Einhaltung
der Bragg-Bedingung bedeutet dabei, dass der Lesestrahl die gleiche
Wellenlänge, Richtung und Fokussierung besitzt wie der
ursprünglich zum Schreiben verwendete Referenzstrahl. Andernfalls
geht die Beugungsef fizienz als Maß für das Verhältnis
von ausgelesener zu eingestrahlter Lichtleistung schnell gegen Null
und das Speichermedium wird wieder transparent.
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Aus
diesem Prinzip ergibt sich die Möglichkeit, die Speicherdichte
eines solchen Volumenspeichers mittels Anwendung von holographischem
Multiplexing zu erhöhen. Dabei werden mehrere Volumengitter
wechselwirkungsfrei mit unterschiedlichen Signal- und Referenzstrahlen
in die gleiche räumliche Position eingeschrieben. Die Adressierung
eines einzelnen Gitters erfolgt dann durch Verwendung des entsprechenden,
zum Schreiben verwendeten Referenzstrahls, so dass ausschließlich
der dazugehörige Signalstrahl rekonstruiert wird. Verschiedene
Multiplexingmethoden ergeben sich zum Beispiel durch Änderung
der Wellenlänge beider Schreibstrahlen, des Winkels oder
der Phase des Referenzstrahls oder bei fokussierten Schreibstrahlen
der Position beider Schreibfoki in der Tiefe des Speichermaterials.
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Mikroholographische
Speicherung erfolgt in großer Analogie zu den oben beschriebenen
Flächenspeichersystemen. Die Daten werden mit einem an
die optische Grenze fokussierten Laserstrahl einer Wellenlänge
von beispielsweise 405 nm bitweise in konzentrische Spuren einer
rotierenden Disk eingeschrieben. Die Adressierung bestimmter Positionen
auf der Disk erfolgt unter Ausnutzung von Servo-Tracking-Mechanismen,
wie sie ganz ähnlich auch in DVD-Systemen eingesetzt werden.
Der Datenstrom beim Schreiben wird entsprechend einem zur DVD-Kodierung
EFM/EFM+ kompatiblen Kodierungsverfahren in eine hochfrequente Modulation des
eingesetzten Lasers umgesetzt. Dieses ist so konzipiert, dass die
Laserleistung im Mittel einen konstanten Wert annimmt, der Laser
also zu etwa gleich großen Zeiten aus- wie eingeschaltet
ist. Binäre Einsen werden als Übergang zwischen
Bereichen hohen und solchen niedrigen Reflexionsvermögens
repräsentiert. Durch das Kodierungsverfahren wird die Anzahl
der Schaltvorgänge des Lasers minimiert, indem die Mindestlänge
zwischen zwei Übergängen beispielsweise immer
drei Nullbits beträgt. Die Länge eines einzelnen
Bits ergibt sich aus der Drehgeschwindigkeit der Disk und dem Zeittakt
als kleinster Zeiteinheit in der der Laser geschaltet werden kann,
analog zu einer roten DVD zu 133 nm.
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Der
große Unterschied zu den klassischen Systemen besteht in
der Repräsentation der digitalen Daten in dem Speichermedium
durch mikroskopische Reflexionsgitter anstelle der Pit- Land-Struktur einer
DVD. Diese so genannten Mikrohologramme entstehen aus der kohärenten Überlagerung
zweier fokussierter gegenläufiger Laserstrahlen in einem photosensitiven
Polymer. 1 veranschaulicht eine übliche
Strahlgeometrie am Schreibort: Ein in ein Speichermedium 1 eingestrahlter,
fokussierter Laserstrahl 2 durchläuft das Speichermedium 1,
bei dem es sich um ein Photopolymer handelt, bis zu einer Reflexionseinheit 3,
wo er derart reflektiert wird, dass der Fokus eines rücklaufenden
Laserstrahls 4 sich exakt mit dem Fokus des eingestrahlten
Laserstrahls 2 überlagert. Damit sich durch Interferenz
beider Laserstrahlen 2, 4 ein Mikrohologramm im
Photopolymer ausbilden kann, ist es notwendig, dass die zeitliche
Kohärenz des eingestrahlten, fokussierten Laserstrahls 2 zu
einer Kohärenzlänge von mehr als der doppelten
Strecke 2·Δx zwischen Speicherort und Reflexionseinheit 3 führt.
In der praktischen Realisierung ist Δx ≥ 10 mm.
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Holographische
Speicherung stellt besonders hohe Anforderungen an Stabilität
und Strahlqualität des eingesetzten Lasersystems. Insbesondere
müssen Modensprünge für die Dauer eines Schreibzyklus
verhindert werden und die Kohärenzlänge des Laserstrahls
muss größer sein als der Weglängenunterschied
zwischen Signal- und Referenzstrahl, ausgehend von dem Ort der Teilung
in zwei Strahlen. Typischerweise werden deshalb komplexe und teure
Lasersysteme wie External Cavity Diodenlaser, welche durch externe
Modenselektion Single-Mode Betrieb mit Kohärenzlängen
von mehreren hundert Metern erlauben oder stabilisierte Gaslaser
für die Holographie verwendet. Für den Einsatz
in einem kompakten Speichersystem eignen sich solche Laser aufgrund
ihrer Größe und Komplexität nicht.
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Aus
dem Dokument
DE 101
34 769 A1 ist ein mikroholographischer Datenspeicher mit
dreidimensionalen Streifengittern bekannt. Das bekannte optische
Speichersystem ermöglicht, Daten Bit-orientiert als dreidimensionale
streifenförmige Reflexionsgitter dynamisch in eine photoempfindliche
Schicht einzuschreiben und aus dieser auszulesen. Die Gitterausbildung
erfolgt holographisch mittels stark fokussierter Laserstrahlen und
ist räumlich in allen Richtungen auf einen Submikrometerbereich
begrenzt. Zum Einschreiben wird ein Laserstrahl in eine Speicherschicht
fokussiert und mit einer reflektierenden Einheit so abgebildet,
daß der einfallende und der reflektierte Strahl mit entgegengesetzten
Ausbreitungsrichtungen sich exakt überlagern und die gemeinsame
Strahltaille sich in einer bestimmten Tiefe der Speicherschicht
befindet. Beim Aufnehmen wird die Speicherschicht senkrecht zur
Strahlachse bewegt. Hierdurch entstehen streifenförmige
Mikrogitter unterschiedlicher Länge entsprechend der Schreibzeiten.
Das Auslesesignal entsteht durch Beugung unter Bragg-Bedingungen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte
Vorrichtung zum Herstellen eines Hologramms in einem optischem Medium
zu schaffen, die mit Hilfe technisch einfacher Mittel und kostengünstig
implementierbar sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung
nach dem unabhängigen Anspruch 11 gelöst. Weiterhin
umfasst die Erfindung ein Datenschreib-/Datenlesegerät
nach Anspruch 17 sowie einen Schreib-/Lesekopf nach Anspruch 18.
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Die
Erfindung umfasst den Gedanken, den von einem freilaufenden Halbleiterlaser,
bei dem es zum Beispiel um eine freilaufende Laserdiode handelt,
erzeugten Laserstrahl zum Schreiben eines Hologramms zu verwenden.
Freilaufend bedeutet, dass der von dem Halbleiterlaser erzeugte
Laserstrahl nicht durch einen externen Resonator geführt
wird, also resonatorfrei zum Hologrammschreiben genutzt wird. Das
vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung sehen den Einsatz eines
freilaufenden Halbleiterlasers ohne äußere Stabilisierung
oder Modenselektion für das Schreiben von Hologrammen vor.
Es kann auf die im Stand der Technik üblicherweise vorgesehene
Nutzung von komplexen Lasersystem verzichtet werden, wodurch Aufwand
und Kosten eingespart werden. Die Grundkohärenz des von
dem freilaufenden Halbleiterlaser abgegebenen Laserstrahls beträgt
hierbei üblicherweise nur einige 100 μm.
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Der
verwendete freilaufende Halbleiterlaser, bei dem es sich bevorzugt
um einen freilaufende Laserdiode handelt, hat bevorzugt eine Emissionswellenlänge
im blau-violetten Spektralbereich. Es wird so ermöglicht,
die selben kompakten Diodenlaser für das Schreiben des
Holo gramms zu verwenden, die preiswert bei gleichzeitig hoher Qualität
für DVD-Laufwerke in großen Stückzahlen
hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung
besteht darin, dass der freilaufende Halbleiterlaser direkt moduliert
werden kann, da so die leistungsstarken und perfektionierten Kodierungsalgorithmen
sowie Signalverarbeitungstechniken der DVD-Technologie in die Hologramme
direkt implementiert werden können. Sowohl die Datenkodierung
als auch die Signalverarbeitung werden in DVD-Laufwerken von hochintegrierten
und miniaturisierten Halbleiterkomponenten übernommen.
Die direkte und ohne Anpassung mögliche Verwendung in einem
Datenspeichersystem bedeutet eine wesentliche Verminderung des technologischen
und finanziellen Entwicklungsaufwandes.
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Hologramme
werden mittels interferierender Laserstrahlen erzeugt, die sich
in dem optischen Medium überlagern. Die Erfindung ist sowohl
zum Erzeugen von Transmissionshologrammen, bei denen Schreibstrahlen
von der gleichen Seite in das optische Medium eingestrahlt werden,
als zum Erzeugen von Reflexionshologrammen nutzbar, bei denen Schreibstrahlen
von unterschiedlichen Seiten in das optische Medium einfallen.
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Vorteilhaft
sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Laserstrahlen
unter Berücksichtigung eines Abstandes Δs zwischen
Kohärenzzentren des von dem freilaufenden Halbleiterlaser
abgegebenen Laserstrahls auf das optische Medium eingestrahlt werden
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Hologramm
als ein Mikrohologramm erzeugt wird, indem die Laserstrahlen auf
das optische Medium fokussiert werden. Das Ausbildung des Mikrohologramms
ist in allen Raumrichtungen auf einen Submikrometerbereich begrenzt.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung
kann vorgesehen sein, dass mittels des Hologramms bitweise Daten
gespeichert werden. In einem einfachen Codierschema repräsentiert
das Hologramm ein Einzelbit, nämlich eine binäre
Eins oder eine binäre Null.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass
mehrere Hologramme in mehreren zur Datenspeicherung konfigurierten
Ebenen gebildet werden.
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Bevorzugt
sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass zur Aufrechterhaltung
wenigstens eines Kohärenzparameters des von dem freilaufenden Halbleiterlaser
abgegebenen Laserstrahls Betriebsparameter des freilaufenden Halbleiterlasers
einer Konstantregelung entsprechend eingestellt werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass die Laserstrahlen mittels eines Schreibsystems auf das
optische Medium eingestrahlt werden, welches zwei wahlweise jeweils
als eine asphärische Linse ausgeführte Schreiboptiken,
zwischen denen das optische Medium angeordnet ist, zwei Miniskuslinsen,
von denen jeweils eine Miniskuslinse einer der Schreiboptiken zugeordnet
ist und die aus Sicht des optischen Mediums jeweils hinter der zugeordneten
Schreiboptik angeordnet sind, sowie einen Reflektor mit einer im
wesentlichen planen Reflexionsfläche aufweist, der einen
einfallenden Laserstrahl auf das optische Medium zurück
reflektierend an einem distalen Ende angeordnet ist, wobei ein Abstand
x zwischen einem Überlappungsbereich der Laserstrahlen
in dem optischen Medium und der Reflexionsfläche einem
ganzzahligen Vielfachen der Hälfte des Abstandes Δs
zwischen den Kohärenzzentren des von dem freilaufenden
Halbleiterlaser abgegebenen Laserstrahls entsprechend eingestellt
wird, sodass gilt: x = n(Δs/2), wenn n eine ganze Zahl
ist.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass ein Abstand zwischen
der Reflexionsfläche und der dem Reflektor gegenüberliegenden Schreiboptik
festgehalten wird.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht die folgenden Schritte
vor:
- – Aufteilen des von dem freilaufenden
Halbleiterlaser abgegebenen Laserstrahls in zwei Laserteilstrahlen
mittels einer Strahlteilereinrichtung vor Erreichen des optischen
Mediums,
- – Bilden eines unverzögerten Laserstrahls
und eines verzögerten Laserstrahls aus den beiden Laserteilstrahlen,
indem einer der beiden Laserteilstrahlen gegenüber dem
anderen der beiden Laserteilstrahlen zeitlich verzögert
wird, und
- – Einstrahlen des unverzögerten Laserstrahls
und des verzögerten Laserstrahls auf das Medium mit einem
Schreibsystem, wobei mittels des Schreibsystems aus dem unverzögerten
Laserstrahl ein unverzögerter Signalstrahl und ein unverzögerter Referenzstrahl
sowie aus dem verzögerten Laserstrahl ein unverzögerter
Signalstrahl und ein unverzögerter Refe renzstrahl gebildet
werden, die sich einander in dem optischen Medium überlagernd
und hierin wenigstens teilweise interferierend auf das optische
Medium eingestrahlt werden.
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Am
Schreibort des Hologramms liegen bei geeigneter Einstellung der
Verzögerung so interferenzfähige Teilstrahlen
vor. Ein Hologramm mit höherem Kontrast kann erzeugt werden,
wenn die sich periodisch wiederholenden Kohärenzzentren
der genutzten Laserstrahlung mit den Strahlfokussen zusammenfallen,
wodurch sich die Laserstrahlen kohärent überlagern.
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Die
vorgenannte Ausführungsform in ihren verschiedenen Ausgestaltungen
ist auch unabhängig von der Nutzung eines freilaufenden
Halbleiterlasers mit anderen Lichtquellen ausreichend hoher Leuchtdichte
und kurzer Kohärenzlänge nutzbar, wenn die Kohärenzlänge
größer als die axiale Ausdehnung des Hologramms
ist.
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Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung
kann vorgesehen sein, dass die zwei Laserteilstrahlen einem Intensitätsverhältnis
von etwa 50:50 entsprechend gebildet werden.
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Nachfolgend
werden vorteilhafte Ausführungen der Vorrichtung zum Herstellen
eines Hologramms in einem optisch aktiven Bereich eines Mediums
näher erläutert.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass
das Schreibsystem eine Fokussiereinrichtung aufweist, die konfiguriert
ist, die kohärenten gegenläufigen Laserstrahlen
in das optische Medium zu fokussieren.
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Bevorzugt
sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass eine Regelungseinrichtung
gebildet ist, die konfiguriert ist, zur Aufrechterhaltung wenigstens
eines Kohärenzparameters des von dem freilaufenden Halbleiterlaser
abgegebenen Laserstrahls Betriebsparameter des freilaufenden Halbleiterlasers einer
Konstantregelung entsprechend einzustellen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass das Schreibsystem zwei wahlweise jeweils als eine asphärische
Linse ausgeführte Schreiboptiken, zwischen denen das optische
Medium angeordnet ist, zwei Miniskuslinsen von denen jeweils eine
Miniskuslinse einer der Schreiboptiken zugeordnet ist und die aus
Sicht des optischen Mediums jeweils hinter der zugeordneten Schreiboptik
angeordnet sind, sowie einen Reflektor mit einer im wesentlichen
planen Reflexionsfläche aufweist, der einen einfallenden
Laserstrahl auf das optische Medium zurück reflektierend
an einem distalen Ende angeordnet ist, wobei ein Abstand x zwischen
einem Überlappungsbereich der Laserstrahlen in dem optischen
Medium und der Reflexionsfläche einem ganzzahligen Vielfachen
der Hälfte des Abstandes Δs zwischen den Kohärenzzentren
des von dem freilaufenden Halbleiterlaser abgegebenen Laserstrahls
entsprechend eingestellt wird, sodass gilt: x = n(Δs/2),
wenn n eine ganze Zahl ist.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass ein Abstand zwischen
der Reflexionsfläche und der dem Reflektor gegenüberliegenden Schreiboptik
fest eingestellt ist.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor:
- – eine
Strahlteilereinrichtung, die konfiguriert ist, den von dem freilaufenden
Halbleiterlaser abgegebenen Laserstrahl vor Erreichen des optischen Mediums
in zwei Laserteilstrahlen aufzuteilen, und
- – eine optische Verzögerungseinrichtung, die
konfiguriert ist, einen unverzögerten Laserstrahl und einen
verzögerten Laserstrahl aus den beiden Laserteilstrahlen
zu bilden, indem einer der beiden Laserteilstrahlen gegenüber
dem anderen der beiden Laserteilstrahlen entlang einer Verzögerungsstrecke
zeitlich verzögert wird.
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Die
Vorrichtung zum Herstellen eines Hologramms kann bevorzugt in ein
Datenschreib-/Datenlesegerät zum Schreiben von Daten in
ein/zum Lesen von Daten aus einem optischen Speichermedium verwendet
werden. Auch eine Nutzung der Vorrichtung in einem Schreib-/Lesekopf
für ein Datenspeichersystem ist eine vorteilhafte Verwendung
der vorgesehenen Vorrichtung.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Schreibsystems zum Herstellen eines
Hologramms in einem Speichermedium nach dem Stand der Technik;
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2 ein
Modenprofil einer Multimoden-Laserdiode mit einer Zentralwellenlänge
von 405 nm;
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3 eine
graphische Darstellung der Überlagerung benachbarter longitudinaler
Wellen (Stehwellenfelder) in einem Resonator zu konstanter Intensität;
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4 eine
graphische Darstellung eines Modulationsanteils mehrerer benachbarter
Moden in einem Resonator der Länge 3.2 mm;
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5 eine
graphische Darstellung der spektralen Breite einer Einzelmode;
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6 eine
graphische Darstellung zum Kohärenzverhalten eines Laserstrahls
einer freilaufenden Laserdiode, wobei Kohärenzzentren im
Abstand Δs gezeigt sind;
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7 eine
schematische Darstellung eines Schreibsystems zum Schreiben von
Mikrohologrammen; und
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8 eine
schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Strahlteilereinrichtung
sowie einer optischen Verzögerungsstrecke.
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezugnahme auf die 1 bis 8 näher
erläutert. Den Ausführungsbeispielen gemeinsam
ist die Verwendung eines Laserstrahls von einem freilaufenden Halbleiterlaser,
insbesondere einer freilaufenden Laserdiode, zum Schreiben eines
oder mehrerer Hologramme.
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Das
Spektrum eines vorzugsweise als Laserdiode ausgeführten
Halbleiterlasers, was 2 beispielhaft als ein Modenprofil
einer Multimoden-Laserdiode mit einer Zentralwellenlänge
von 405 nm zeigt, ist in der Regel ein bis zwei Nanometer breit, womit
sich eine relativ kurze Kohärenzlänge von höchstens
einigen hundert Mikrometern ergibt. Gegeben durch die kleine Resonatorlänge
der Laserdiode von unter einem Millimeter tragen jedoch innerhalb
des brei ten Verstärkungsprofils nur etwa 10 bis 20 diskrete
Moden mit einer geringen Linienbreite von 10–3 bis
10–2 nm aktiv zur Laseremission
bei.
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3 zeigt
eine graphische Darstellung der Überlagerung benachbarter
longitudinaler Wellen (Stehwellenfelder) in einem Resonator. 4 zeigt den
Modulationsanteil mehrerer benachbarter Moden in einem Resonator
der Länge 3.2 mm. Interferenzfähigkeit liegt nur
in den äußeren Bereichen vor.
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Werden
zunächst die Linienbreite der einzelnen Moden vernachlässigt
und diese überlagert, innerhalb des Laserresonators oder
aber im Schreibbereich des holographischen Systems, so addieren sich
die Amplituden der Stehwellenfelder aller Einzelmoden, die in 3 dargestellt
sind. Es deutet sich in 3 bereits an, dass sich innerhalb
des Resonators die Amplituden der einzelnen Moden zu einer mittleren,
räumlich nicht konstanten Intensität addieren.
Interferenz liegt nicht vor. Nur in den äußeren Bereichen
sind die Phasen der einzelnen Stehwellenfelder etwa gleich, so dass
sich hier räumlich konstante Bereiche hoher Intensität
und solche niedriger Intensität ergeben.
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In 4 ist
die Überlagerung elf benachbarter Moden mit einer Zentralwellenlänge
von 405 nm in einem Resonator der Länge 1.6 mm berechnet. Die
einzelnen Schwingungen der stehenden Welle sind nicht mehr aufzulösen.
Die in dem Graph dargestellte Einhüllende gibt aber direkt
die Kohärenz des so definierten Strahls, nämlich
die Interferenzstruktur, d. h. den modulierten Anteil der Gesamtintensität, wieder.
Dieser Graph ist so zu deuten, dass die Kohärenz, die in
den ersten hundert Mikrometern Abstand vom Laserresonator vorliegt,
links im Graph, sich jeweils nach der doppelten Resonatorlänge
von hier 3.2 mm, rechts im Graph, periodisch wiederholt, so dass
sich ein periodisches Verhalten der Laserkohärenz für
alle Vielfache dieses Abstandes einstellt.
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Wird
nun noch die reale Linienbreite jeder einzelnen Mode berücksichtigt,
so ergibt sich das in 5 dargestellte Kohärenzverhalten.
Die Einhüllende des Stehwellenfeldes ist die Fouriertransformierte des
spektralen Emissionsprofils aller Moden der Laserdiode. Kohärenz
liegt jeweils vor, wenn der Gangunterschied zwischen zwei Teilstrahlen
des Lasers einem Vielfa chen n der Strecke Δs = 3.2 mm entspricht.
Die endliche Linienbreite der Einzelmoden bewirkt hier eine Abnahme
der Kohärenz für größere Weglängenunterschiede
n·Δs.
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5 zeigt
die pektrale Breite einer Einzelmode. 6 zeigt
das Kohärenzverhalten für einen Weglängenunterschiede Δx
zwischen zwei überlagerten Teilstrahlen.
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Dieses
Verhalten wurde mit Hilfe eines Michelson-Interferometers für
eine Multimode-Laserdiode von Sanyo experimentell nachgewiesen.
Es ergaben sich Δs = 2 mm, jeweils eine Kohärenzlänge von
150 μm und eine maximale Weglängendifferenz von
20 cm, innerhalb der die periodisch auftretende Interferenz mit
hohem Kontrast beobachtet werden konnte.
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Der
doppelte optische Weg des Laserstrahls von der Fokusposition im
Speichermaterial zum Reflektor 2·Δx lässt
sich durch Variation der Reflektorposition exakt auf ein möglichst
kleines Vielfaches der Periodizität Δs der Laserkohärenz
einstellen, wie sich aus 7 ergibt, die eine schematische
Darstellung eines Schreibsystems zum Schreiben von Mikrohologrammen
zeigt. Das Schreibsystem zum Schreiben eines Hologramms, nämlich
eines Reflexionsgitters, in ein Speichermedium 10 umfasst
zwei asphärische Linsen 11, 12 zum Fokussieren
der Laserstrahlen in das Speichermedium 10, zwei äußere Miniskuslinsen 13, 14 sowie
einen als Spiegel ausgeführten Reflektor 15.
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Die
Position des Reflektors 15 kann im Bereich einiger Zentimeter
beliebig verändert werden, ohne dass sich die Abbildung
in das Speichermedium 10 wesentlich ändert, da
der Strahl als Parallelstrahlbündel auf den Reflektor 15 abgebildet
wird. Der Abstand zwischen Spiegel und Strahlfokus wird einmalig
auf ein Vielfaches der halben Kohärenzperiodizität Δs
einjustiert.
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Teil
des holographischen Speicherkonzepts ist die Speicherung von Daten
in mehreren Ebenen innerhalb des Speichermediums 10, bei
dem es sich in dem Ausführungsbeispiel um einen 200 bis
300 μm dicken, transparenten Photopolymer handelt. Es kann
die Speicherung in bis zu 10 Ebenen, bevorzugt in bis 50 Ebenen
vorgesehen sein. Die Adressierung einer vorgegebenen Tiefe des Speichermediums 10 mit
Signal- und Referenzstrahlfokus erfolgt daher mittels axialer Verstellung
der beiden an das Material angrenzenden asphärische Linsen 11, 12.
Die ebenfalls nachzustellenden äußeren Miniskuslinsen 13, 14 sorgen
hier zusätzlich für eine Korrektur der auftretenden
sphärischen Abberation an den planen Grenzflächen
des Speichermediums 10. Werden die als Schreibobjektive
wirkenden asphärischen Linsen 11, 12 um
eine Strecke Δa axial verstellt, so muss der Reflektor 15 entsprechend
nachpositioniert werden, um eine konstante Kohärenzbedingung
am Schreibort zu garantieren. Dementsprechend ist die Schreibeinheit,
in der sich die Optiken sowie der Reflektor 15 auf zugeordneten
Aktuatoren (nicht dargestellt) befinden, so zu konstruieren, dass
der Abstand m zwischen hinterer asphärischer Linse 12 und
dem Reflektor 15 immer konstant ist.
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Derjenige
Abstand m der die Kohärenzbedingung am Schreibort optimiert,
ist für das holographisches System einmalig vorzujustieren.
Dafür wird ein Algorithmus softwaremäßig
in das System implementiert, der beispielsweise jedes Mal beim Einlegen eines
neuen Datenträgers mehrmals hintereinander in einem später
nicht zu verwendenden Bereich Mikroreflexionsgitter schreibt, direkt
wieder ausliest und dabei den Abstand m so lange variiert, bis die
Reflektivität der Mikroreflexionsgitter maximal ist.
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Das
beschrieben System nutzt die zeitliche Konstanz des Abstandes der
Kohärenzzentren Δs in dem von einem vorzugsweise
als Laserdiode ausgeführten, freilaufenden Halbleiterlaser
(nicht dargestellt) abgegebenen Laserstrahl. Dessen zeitliches Verhalten Δs(t) ∝ n(t)·L(t)
ist direkt abhängig vom Brechungsindex des Resonators n
und dessen Länge L. Dementsprechend werden die Betriebsparameter Strom
I und Temperatur T über eine entsprechende Elektronik in
Verbindung mit einem Temperatursensor kontinuierlich auf einen konstanten
Wert eingeregelt.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel basiert die Verwendung
eines freilaufenden Halbleiterlasers zur holographischen Speicherung
auf der Kompensation des Weglängenunterschieds im Schreibbereich
durch den Einsatz einer Verzögerungsstrecke für
einen gewissen Teil des zum Schreiben verwendeten Laserstrahls.
Alternativ zur Nutzung eines freilaufenden Halbleiterlasers kann
diese Ausführungsform in ihren verschiedenen Ausgestaltungen
auch mit anderen Lichtquellen ausreichend hoher Leuchtdichte und
kurzer Kohärenzlänge verwendet wer den, wenn die
Kohärenzlänge größer als die
axiale Ausdehnung des zu schreibenden Hologramms ist.
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8 zeigt
eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Strahlteilereinrichtung
sowie einer optischen Verzögerungsstrecke.
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Der
Strahl der freilaufenden Laserdiode mit einer Kohärenzlänge
von wenigen 100 um wird im Strahlengang vor dem Schreibbereich,
d. h. vor dem Erreichen des Speichermediums, mit Hilfe zweier 50:50
Strahlteiler 80, 81 aufgeteilt und wieder zusammengeführt.
Ein Prisma 82 mit hochreflektierenden Außenflächen
wird so auf einer justierbaren Achse positioniert, dass der Abstand
zur durchgehenden Strahlachse Δs/2 beliebig einstellbar
ist. Das Prisma 82 und beide Strahlteiler 80, 81 sind
so eingebaut, dass beide Strahlen nach der Zusammenführung wieder
exakt überlagert sind.
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Bei
der Strahlzusammenführung gehen von einem durchgehenden
Strahl A und einem über das Prisma 82 geführten
Strahl B jeweils 50% der Gesamtleistung verloren. Ein so neu erzeugter
Schreibstrahl 83 besteht aus den zwei Teilstrahlen A und
B, wobei B gegenüber A um die Strecke Δs verzögert ist.
Im Schreibbereich (nicht dargestellt) entsteht nun durch Reflektion
aus dem Referenzstrahl (A + B) ein Signalstrahl (A' + B'). Als Schreibsystem
ist beispielsweise eine Anordnung nutzbar, wie sie in 1 schematisch
dargestellt ist. Die Überlagerung von Signal- und Referenzstrahl
im Speichermedium kann als Überlagerung der vier Strahlpaare
(A, A'), (A, B'), (B, A') und (B, B') betrachtet werden, wobei durch
die vorangegangene Verzögerungsstrecke nur das Strahlpaar
(B, A') interferenzfähig ist. Zu diesem modulierten Intensitätsanteil
im Speichermaterial addieren sich nun noch die räumlich
konstanten Intensitäten der drei weiteren Strahlpaare,
so dass der Kontrast der Interferenzstruktur reduziert ist im Vergleich
zu der Verwendung einer Lichtquelle ausreichend hoher Kohärenz.
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Aus
diesem Grund nutzt dieses Konzept bevorzugt ein Photopolymer als
Speichermaterial, welches eine chemische Initiationsschwelle für
die Belichtung aufweist. In diesem Fall wird die homogene Grundintensität
im Material so eingestellt, dass genau der modulierte Anteil die
Belichtungsschwelle durchstößt und somit zu einer
optimalen Ausnutzung der möglichen Ma terialmodulation führt.
Grundsätzlich ist die Verwendung eines solchen Materials
auch in anderen Aspekten für das Speicherverfahren von Vorteil,
so dass dieser zweite Ansatz hauptsächlich von der Verfügbarkeit
des entsprechenden Photopolymermaterials abhängig ist.
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Auch
bei diesem alternativen Ansatz muss das System einmalig vorjustiert
werden. Dazu wird analog zum oben beschriebenen Algorithmus so vorgegangen,
dass Mikrogitter bei verschiedenen Prismenabständen Δs/2
in das Speichermedium eingeschrieben und wieder ausgelesen werden.
Das Prisma wird dann in Richtung zunehmender Beugungseffizienz der
Gitter bis zum Erreichen einer Position mit optimalem Schreibergebnis
nachjustiert.
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Die
beschriebenen Ausführungsbeispiele eignen sich ebenso für
andere holographische Speichersysteme, insbesondere die seitenweise
Speicherung, wenn sich aufgrund der speziellen Schreibanordnung
ein Weglängenunterschied zwischen Signal- und Referenzstrahl
nicht vermeiden lässt oder nicht praktikabel ist. Die Voraussetzung
ist jedoch, dass die verfügbare „lokale" Kohärenz
für den entsprechenden Anwendungsfall ausreicht, d. h. Weglängendifferenzen
zwischen den lokal interferierenden Teilen des Referenz- und des
Signalstrahls dürfen nicht größer werden
als die Länge des Kohärenzbereiches der Laserquelle.
Dies ist jedoch für die meisten holographischen Schreibanordnungen
gegeben, so dass beide der erläuterten Konzepte eingesetzt
werden können.
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Des
weiteren können Anwendungen in der Interferometrie vorgesehen
sein, wo ebenso größere Weglängenunterschiede
der beiden interferierenden Strahlen vorliegen, ein Messgerät
jedoch beispielsweise aus Kosten-, Platz- oder Energieeffizienzgründen
(akku-/batteriebetriebene Geräte) mit einer preiswerten,
kleinen und sparsamen Laserdiode ausgestatten werden soll.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der
Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl
einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von
Bedeutung sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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