DE102007004025A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Hologramms in einem optischen Medium - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Hologramms in einem optischen Medium Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Hologramms in einem optischen Medium, insbesondere zum Speichern von Daten in dem optischen Medium. Bei dem Verfahren wird das Hologramm in dem optischen Medium mittels Laserstrahlen erzeugt, wobei die Laserstrahlen aus einem von einem freilaufenden Halbleiterlaser abgegebenen Laserstrahl gebildet werden, auf das optische Medium eingestrahlt werden, wahlweise gegenläufig, und in dem optischen Medium zumindest teilweise räumlich überlappend verlaufen.

Description

  • 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.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mehrere Hologramme in mehreren zur Datenspeicherung konfigurierten Ebenen gebildet werden.
  • 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.
  • 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.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass ein Abstand zwischen der Reflexionsfläche und der dem Reflektor gegenüberliegenden Schreiboptik festgehalten wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die zwei Laserteilstrahlen einem Intensitätsverhältnis von etwa 50:50 entsprechend gebildet werden.
  • Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungen der Vorrichtung zum Herstellen eines Hologramms in einem optisch aktiven Bereich eines Mediums näher erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass ein Abstand zwischen der Reflexionsfläche und der dem Reflektor gegenüberliegenden Schreiboptik fest eingestellt ist.
  • 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.
  • 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.
  • Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Schreibsystems zum Herstellen eines Hologramms in einem Speichermedium nach dem Stand der Technik;
  • 2 ein Modenprofil einer Multimoden-Laserdiode mit einer Zentralwellenlänge von 405 nm;
  • 3 eine graphische Darstellung der Überlagerung benachbarter longitudinaler Wellen (Stehwellenfelder) in einem Resonator zu konstanter Intensität;
  • 4 eine graphische Darstellung eines Modulationsanteils mehrerer benachbarter Moden in einem Resonator der Länge 3.2 mm;
  • 5 eine graphische Darstellung der spektralen Breite einer Einzelmode;
  • 6 eine graphische Darstellung zum Kohärenzverhalten eines Laserstrahls einer freilaufenden Laserdiode, wobei Kohärenzzentren im Abstand Δs gezeigt sind;
  • 7 eine schematische Darstellung eines Schreibsystems zum Schreiben von Mikrohologrammen; und
  • 8 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Strahlteilereinrichtung sowie einer optischen Verzögerungsstrecke.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 5 zeigt die pektrale Breite einer Einzelmode. 6 zeigt das Kohärenzverhalten für einen Weglängenunterschiede Δx zwischen zwei überlagerten Teilstrahlen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Strahlteilereinrichtung sowie einer optischen Verzögerungsstrecke.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10134769 A1 [0013]

Claims (18)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Hologramms in einem optischen Medium (10), insbesondere zum Speichern von Daten in dem optischen Medium (10), bei dem das Hologramm in dem optischen Medium (10) mittels Laserstrahlen erzeugt wird, wobei die Laserstrahlen aus einem von einem freilaufenden Halbleiterlaser abgegebenen Laserstrahl gebildet werden, auf das optische Medium (10) eingestrahlt werden, wahlweise gegenläufig, und in dem optischen Medium (10) zumindest teilweise räumlich überlappend verlaufen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen unter Berücksichtigung eines Abstandes Δs zwischen Kohärenzzentren des von dem freilaufenden Halbleiterlaser abgegebenen Laserstrahls auf das optische Medium (10) eingestrahlt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm als ein Mikrohologramm erzeugt wird, indem die Laserstrahlen auf das optische Medium (10) fokussiert werden.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Hologramms bitweise Daten gespeichert werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Hologramme in mehreren zur Datenspeicherung konfigurierten Ebenen gebildet werden.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufrechterhaltung wenigstens eines Kohärenzparameters des von dem freilaufenden Halbleiterlaser abgegebenen Laserstrahls Betriebsparameter des freilaufenden Halbleiterlasers einer Konstantregelung entsprechend eingestellt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen mittels eines Schreibsystems auf das optische Medium (10) eingestrahlt werden, welches zwei wahlweise jeweils als eine asphärische Linse (11, 12) ausgeführte Schreiboptiken, zwischen denen das optische Medium (10) angeordnet ist, zwei Miniskuslinsen (13, 14), von denen jeweils eine Miniskuslinse (13; 14) einer der Schreiboptiken (11; 12) zugeordnet ist und die aus Sicht des optischen Mediums (10) jeweils hin ter der zugeordneten Schreiboptik (11; 12) angeordnet sind, sowie einen Reflektor (15) mit einer im wesentlichen planen Reflexionsfläche aufweist, der einen einfallenden Laserstrahl auf das optische Medium (10) zurück reflektierend an einem distalen Ende angeordnet ist, wobei ein Abstand x zwischen einem Überlappungsbereich der Laserstrahlen in dem optischen Medium (10) 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.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen der Reflexionsfläche und der dem Reflektor (10) gegenüberliegenden Schreiboptik (12) festgehalten wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Aufteilen des von dem freilaufenden Halbleiterlaser abgegebenen Laserstrahls in zwei Laserteilstrahlen mittels einer Strahlteilereinrichtung (80, 81) vor Erreichen des optischen Mediums (10), – 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 (10) 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 Referenzstrahl gebildet werden, die sich einander in dem optischen Medium (10) überlagernd und hierin wenigstens teilweise interferierend auf das optische Medium (10) eingestrahlt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Laserteilstrahlen einem Intensitätsverhältnis von etwa 50:50 entsprechend gebildet werden.
  11. Vorrichtung zum Herstellen eines Hologramms in einem optischen Medium (10), insbesondere zum Speichern von Daten in dem optischen Medium (10), mit einem Schreibsystem, welches konfiguriert ist, mittels Laserstrahlen, die wahlweise gegenläufig verlaufen, das Hologramm in das optische Medium (10) zu schreiben, und einem eine Laserlichtquelle umfassenden optischen System, welches konfiguriert ist, ein oder mehrere Laserstrahlen bereitzustellen und in das Schreibsystem einzuspeisen, wobei die Laserlichtquelle ein freilaufender Halbleiterlaser ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schreibsystem eine Fokussiereinrichtung (11, 12) aufweist, die konfiguriert ist, die Laserstrahlen in das optische Medium (10) zu fokussieren.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, 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.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schreibsystem zwei wahlweise jeweils als eine asphärische Linse ausgeführte Schreiboptiken (11, 12), zwischen denen das optische Medium (10) angeordnet ist, zwei Miniskuslinsen (13, 14), von denen jeweils eine Miniskuslinse (13; 14) einer der Schreiboptiken (11; 12) zugeordnet ist und die aus Sicht des optischen Mediums (10) jeweils hinter der zugeordneten Schreiboptik (11; 12) angeordnet sind, sowie einen Reflektor (15) mit einer im wesentlichen planen Reflexionsfläche aufweist, der einen einfallenden Laserstrahl auf das optische Medium (10) zurück reflektierend an einem distalen En de angeordnet ist, wobei ein Abstand x zwischen einem Überlappungsbereich der Laserstrahlen in dem optischen Medium (10) 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.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen der Reflexionsfläche und der dem Reflektor (10) gegenüberliegenden Schreiboptik (12) fest eingestellt ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, gekennzeichnet durch: – eine Strahlteilereinrichtung (80, 81), die konfiguriert ist, den von dem freilaufenden Halbleiterlaser abgegebenen Laserstrahl vor Erreichen des optischen Mediums (10) in zwei Laserteilstrahlen aufzuteilen, und – eine optische Verzögerungseinrichtung (82), 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.
  17. Datenschreib-/Datenlesegerät zum Schreiben von Daten in ein/zum Auslesen von Daten aus einem optischen Speichermedium mit mindestens einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16.
  18. Schreib-/Lesekopf für ein Datenspeichersystem mit mindestens einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16.
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