DE1547363A1

DE1547363A1 - Optische Speichervorrichtung

Info

Publication number: DE1547363A1
Application number: DE19661547363
Authority: DE
Inventors: Bron Walter Ernest; Heller William Russell; Dreyfus Russell Warren; N Y Westchester
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-10-22
Filing date: 1966-08-18
Publication date: 1969-11-13
Also published as: GB1096240A; DE1547363B2; US3466616A; FR1497338A

Description

INTERNATIONAL BUSINESS MACHINES CORPORATION, Armonk 10504., N.Y. /USA

Optische Speichervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine optische Speichervorrichtung mit einem lichtempfindliche Speicherelemente aufweisenden Speicher, einer auf den Speicher gerichteten Lichtquelle zur Aufzeichnung der ^u speichernden Informationen und einem Lichtdetektor zum Auslesen der aufgezeichneten Informationen.

Bei bekannten Speichervorrichtungen dieser Art wird durch den aufzeichnenden Lichtstrahl eine chemische Verbindung vorbereitet, die dann in einem chemischen Prozess durchgeführt wird und zum Beispiel zu einer Schwärzung einer fotographischen Platte führt. Mittels dieser Schwärzung wird die Information gespeichert, die dann im durchfallenden Licht abgelesen werden kann.

Dieser bekannte fotographische Vorgang erfordert einen chemischen Entwicklungsvorgang und bedingt eine beträchtliche

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Körnigkeit, weil von der Speicherung immer verhältnismäßig große molekulare Bezirke erfaßt werden. Diese fotographischen Speicherverfahren sind daher für viele Anwendungsfälle, zum Beispiel in der elektronischen Datenverarbeitung nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine .optische Speichervorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß ein EntwicklungsVorgang nicht erforderlich ist und Anwendungen möglich sind, die bei der beschriebenen, bekannten Speichervorrichtung nicht möglich sind.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Speicherelement ein Kristall mit dichroitiechen Defekten vorgesehen ist, und daß die aufzeichnende Lichtquelle eine die Achs- . orientierung der außerhalb einer bestimmten Achsorientierung liegenden diohroitieohen Effekte beeinflussende Strahlung erzeugt, und daß der auslesende Lichtdetektor ein Licht-, intensitätsmesser ist, und daß die zu speichernden Informationen in Form von Achsorientierungen der dichroitischen Defekte aufgezeichnet werden.

Die Erfindung macht sich einen physikalischen Effekt zunutze, der im folgenden und weiter unten anhand der Zeichnung beschrieben wird.

In einem Kristallgitter treten oft Fehler in der Gitterstruktur auf, die durch verunreinigende Atome, zwischengestellte Atome und dergleichen hervorgerufen sind. Wenn ein solcher Fehler

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in folgenden als Defekt bezeichnet eine geringere Symmetrie als die Syneetrie des Kristallgitters hat, dann kann seine Orientierung gegenüber dem Kristallgitter geändert werden. Solche Defekte werden hier in Betracht gesogen. Die theoretischen Grundlagen dazu sind von C.Kittel unter den Titel IHTRODUCTION to SOLID stats physics 2. Auflage, Verlag John Wiley & Sons, Inc. 1956, Kapitel 1, abgehandelt. Unter gewissen Umständen kann die Achsorientierung solcher Defekte gegenüber der Achsorientierung des Kristalls durch Absorption elektromagnetischer Strahlung geändert werden. Eine solche Defektkonfiguration in einen Kristallgitter kann dabei mit einem elektrischen Feld eines einfallenden Photons in Besiehung treten, und zwar über das bei einen optischen Übergang entstehende Dipolaonent des Defektes .Der Ausdruck •dichroitisch" und dt rgleichen beseichnet hier und ix folgenden das physikalisch« Verhalten einiger Defekte, bei denen die Absorption optischer Strahlung von den Winkel des elektrischen Feldwektors der einfallenden Strahlung zur Achsorientierung des Defektes abhängt.

Wenn ein Photon alt einen Defekt susamnenwirkt, dann wird die Energie des Defektes von einen Orundsustand in einen Ausgangszustand angehoben und, wenn der Wirkungsgrad hoch sein soll, muß die Photonenenergie ungefähr die Energiedifferenz zwischen den Grundsustand und den Ausgangssustand betragen.

Eine zwecknässige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch ge-

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.kennzeichnet, daß die dionroitischen Defekte in dem

IriftaU diiptrgiert *' sind. Dabei sind Qitterbezirke

oder
ait zwischengefttgten Atomen /Verunreinigungsatomen, die das dlohroltieoht Verhalten bedingen, geeignet. Außerdem sind sogenannt· Vakanzen geeignet, das sind Gitterplatte, in denen das Ion, das diesen Platz normalerweise einnimmt, fehlt* Bei einer negativen lonvakanz liegen ein oder mehrere Elektronen vor, die die elektromagnetische Strahlung absorbieren können. V&an zwei negative Ionvakanzen in einem Alkalihalogen. .-kristallgitter nebeneinander liegen, dann ist jeder dieser Plätze von einem Elektron besetzt. Dieser Elektronenvakanz- komplex wird K-Zentrum genannt.

Eine dementsprechende Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherelemente aus kristallinem AlkaliMalogen mit diooroitleobeii Farbzentren als diohroitlBOb«]! Defekten bestehen, wobei vorzugsweise die diobroltlftcnen Parbzentren M-Zentren sind.

Bei Verunreinigungsionen handelt es sich us Ionen, die im

oder Kristallgitter entvtder als dazwischen gefügte/als ersetzende

voad sind« wobei diese Ionen andere Zoneneigen-•chaften haben, als das Ion, das bei eine« fehlerfreien Kristall Sitter die betreffende stelle einnehmen würde.

Bei den bereits erwähnten rarbzentren handelt es sich um Defekte, bei denen eiagwfasgene Elektronen oder eingef angehe Löcher elektromagnetische Strahlung absorbieren oder

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«alitieren, vas sich auf die optischen AbsorptioAeigew-^ schäften des Kristalls auswirkt. Näheres hierüber ist beschrieben in COLOR CENTERS IN SOLIDS, von J.H. Schulmann und W.D. compton, von der Macmillan Company, New York, 1962 (siehe insbesondere Seite 113 bis Seite 128).

Manche Arten von dlohroitischen Farbzentren werden durch elektromagnetische strahlung stimuliert, um ihre Achsorientierung im Iristall zu ändern. Im allgemeinen verändern die diohroitieobtn Farbzentren ihre Achsorientierung bei tiefen Temperaturen nicht. Bei Temperaturen, die wesentlich über den üblichen Zimmertemperaturen liegen, können sie jedoch durch thermische Vibration ihre Lage zufällig ändern, wodurch dann eventuell eingeprägte Informationen, die in Form dieser Achslage niedergelegt sind, verwischt werden. Aus diesem Grunde betreibt man Speicherelemente nach der Erfindung zweckmässig bei so tiefen Temperaturen, daß diese thermische Desorientierung nicht auftreten kann. Abgesehen davon, sind Informationen, die nach der Erfindung in Achsorientierungen diobroitiectaer Bezirke niedergelegt sind, stabil, wenn auch vom rein theoretischen Standpunkt aus betrachtet, die Achsorientierung der dichroistisc¹.en Bezirke meta-stabil ist.

Bei einem M-Zentrum handelt es sich um ein dlehroliisefaee Farbzentrum, das durch Zusammenwirken zweier Elektronenvakanzen von zwei Halogenionen eines Alkalihalogen:.-kristalle ge- _r bildet wird. Ein solches M-Zentrum hat verschiedene optische übergangsdipomomente, die verschiedenen Wellenlängen des ab-

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sorbierten Lichtes entsprechen. Von einem Η-Zentrum kann so viel Energie aus der einfallenden Lichtstrahlung absorbiert verden, daß eine Icräf tige momentane Beunruhigung des Kristallgitters entsteht, so das dieses lokal "schmilzt". Nachdem das Kristallgitter sich lokal"rekristallisiert"hat, haben viele der erregten M-Zentren ihre Achsorientierung geändert. Da eine höhere Wahrscheinlichkeit besteht, daß nur einer von zwei Elektronenvakanzen eines M-Zentrvuns sich dabei bewegt,

ist die Wahrscheinlichkeit, mit der eine neue Achsorientierung auftritt, größer, als die Wahrscheinlichkeit, mit der eine, lineare Translation auftritt.

Ein M-Zentrum hat drei zueinander senkrecht orientierte optische übergangsdipo.lmomente.und dies hat zur Folge, daß die Änderung der Achsorientierung eines M-Zentrums beim Einfall polarisierten Lichtes von der Orientierung des elektrischen Feldvektors abhängt. Diesen Umstand macht sich eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zunutze, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine erste aufzeichnende Lichtquelle mit einem Polarisator vorgesehen ist, deren polarisierter Lichtstrahl in Richtung der ersten Kristallachse gerichtet ist, und in Richtung der zweiten Kristallachse, bezogen auf den elektrischen Feldwektor polarisiert ist, und daß eine zweite aufzeichnende Lichtquelle mit einem Polarisator vorgesehen ist· deren polarisierter Lichtstrahl in Richtung der zweiten Kristallachse Επο] gerichtet und in Richtung der ersten Kristallachse jjoij, bezogen auf den elektrischen Feldvektor polarisiert ist.

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Bine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher aus kristallinem Kaliumchlorid mit M-Zentren als diobroitieobe Defekte beiteht, und daß die aufzeichnenden Lichtquellen mit einer Wellenlänge von etwa 5CO Millimikron strahlen, und daß die sum Lichtdetektor gehörige Lichtquelle mit 8oO Millimikron Strahlt. Diese Weiterbildung gestattet vorteilhafte An« Wendungen, die weiter unten anhand des in Figur 3 dargestellten Aueführungsbeispiels näher erläutert werden.

Sin anderer 4iohroitisofe*v Defekt, der im Zusammenhang mit der Erfindung vorteilhaft anwendbar ist, ist als A-zentrum bezeichnet. Ein Α-Zentrum besteht aus einem P-Zentrum (ein Elektronin einer Fehlstelle) mit einem Alkaliion als Verunreinigung in nächster Nachbarschaft. Hierdurch ergibt sich eine anisotrope Konfiguration, deren Achsen in der [lOC^-Richtuny liegen. Ein geeignetes Α-Zentrum ergibt sich in einem Kaliuachloridkristallgitter durch ein F-Zentrum mit eine« Litiumion in nächster Nachbarposition.

in Verbindung mit der Erfindung sind Lichtquellen beliebiger Art anwendbar, vetm sie nur geeignet sind, eine genügende Ansahl von Photonen hinreichender Engerie auf die 4io)itoitlMtis«i Zentren zu fokussieren» FUr diese Zvecke sind Leser als Lichtquellen besonders geeignet, die daher erfindungsgemäß bevor-Bugt al* Lichtquellen verwendet «erden. L«t«r gestatten

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Speichervorrichtungen nach der Erfindung so auszugestalten, daß sie einfach und kompakt aufgebaut sind und in Mikrosekunden betrieben werden können. Zvar sind zurzeit Injektionslaser noch nicht für eile für die Erfindung in Frage kommenden Frequenzen verfügbar. Bis diese verfügbar sind, kann man Injektionslaser zusammen mit Gaslaser konventioneller Art verwenden, um diejenigen Wellenlängen zu erzeugen, für die Injektionslaser zurzeit noch nicht zur Verfügung stehen.

Die Erfindung ist anwendbar zur Speicherung digitaler Informationen, wobei einer Information eine bestimmte Achslage der dichroitisch» Defekte zugeordnet ist. Sie ist aber auch anwendbar zur Speicherung analoger Informationen, wobei der jeweils analoge Wert der information nach Maßgabe des Dichtegradienten der in bestimmter Weise achsorientierten dicbroitiectaen Defekte aufgezeichnet sind.

Es gibt eine Vielzahl von Kriterien, die dafür maßgebend sind, ob ein Kristall als Speicherzelle in Verbindung mit der Erfindung gut oder weniger gut geeignet ist. Diese Kriterien werden im folgenden näher erläutert. Die fraglichen Defekte sind in Verbindung mit der Erfindung geeignet, wenn sie verschiedene, bestimmte Orientierungen gegenüber den Kristallachsen einnehmen können. Dazu müssen sie eine Symmetrie niedrigerer Ordnung als das Kristallgitter haben. Das Kristallgitter aus Kaliumchlorid ist kubisch. In einem solchen Fall

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kann ein dichroitisctaer Defekt aus zwei bemlhbarten Anionenfehlsteilen mit je einem Elektron bestehen, so daß ein M~Zentrum mit niedrigerer Symmetrie als die kubische Symmetrie entsteht. Ein dionroitlecner Defekt kann auch durch einen Punktdefekt gebildet werden, der verschiedene Positionen einnehmen kann, wie es zum Beispiel bei einem zwischengefugten Ion der Fall ist, das nur oberflächenzentrierte Positionen in einem monolitischen Kristallgitter einnehmen kann. Fehlstellen und zwischengefügte Ionen sind die einzigen bekannten Punktdefekte, die sich sehr schnell in dem Kristallgitter bewegen können. Ein diehroitiseher Defekt, der nach der Erfindung als Speicherzelle verwendet wird, enthält vorzugsweise mindestens einen solchen Defekt. Außerdem enthält ein solcher dichroitiscber Defekt vorzugsweise ein Verunreinigungsion, eine Vakanz oder eine Zwischeneinfügung.

Um den Informationszustand eines Speichers nach der Erfindung zu ändern, wird Photonenenergie eingestrahlt, die mit dem Dipomoment eines diohroitieoben Farbzentrums zusammenwirkt und dessen Achsorientierung ändert. Das Photon wird dabei von einem Atom oder einem Molekül oder einem Elektron in einer Vakanz absorbiert, und die absorbierte Energie wird als thermische Energie von dem Kristallgitter aufgenommen, so daß in dem Kristallgitter ein^Nheißer Punkt" entsteht. Da die Energie eines optischen Photons im Bereich von 1.4 Elektronenvolt bis 6 Elektronenvolt liegt, wird die lokale

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Temperatur ganz beträchtlich angehoben, so daß sie den

Schmelzpunkt der meisten kristallinen Materialien in ein« Bereich von ungefähr fünf Anström-Einheiten um den aktivierten dicbroitieehtn Defekt anhebt, und zvar für eine Zeit von "—12

ungefähr 10 Sekunden. Die Folge dieser lokalen Temperaturerhöh-ung ist, daß die Ionen in der Nachbarschaft sich meist zufällig von einem Gitter bis zum anderen Gitter be-

die
wegen und nachdem/thermische Energie absorbiert ist, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß der absorbierende, diohroitische Defekt eine andere Orientierung hat. Die Zahl der möglichen Orientierungen, die ein diehroitiacber Defekt in einem Kristallbezirk annehmen kann, hängt sowohl von der Natur des Defektes als auch von der des Kristalls ab. Die Achsorientierung eines M-Zentrums kann definiert werden durch die Richtung der Verbindung zwischen den beiden Anionvakanzen. In dem kubischen Gitter von Kaliumchlorid kann die Achse eines M-Zentrums entlang jeder einzelnen der sechs Flächendiagonalen des Halogenkubus orientiert sein. Es ist experimentell festgestellt worden, daß M-Zentren in Kaliumchlorid ein Absorptionsband im Bereich von 560 Millimikron Wellenlänge für polarisiertes Licht haben, dessen elektrischer Feld Mäktor senkrecht auf der Achse des M-Zentrums steht. Außerdem haben sie ein Absorptionsband von 800 Millimikron für polarisiertes Licht, dessen elektrischer Feld'jektor parallel zur Achse des M-Zentrums steht. Die entsprechenden Absorptionseigenschaften lassen sich experimentell für alle

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in Frage stehenden dlchroitiechen Defekte ermitteln. Sie bestimmen die vorteilhaften Wellenlängen der aufzeichnenden und auslesenden Lichtstrahlen; vie dies in Verbindung mit den hier experimentell gefundenen Absorptionseigenschaften sveckmässig geschieht, vird veiter unten anhand der Figur erläutert.

Die Erfindung vird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 schematisch ein AusfUhrungsbeispiel nach

der Erfindung, Figur 2a und 2b je ein Energiediagramm zu Figur 1,

Figur 3 ■ ' eis anderes Au@£Uhrungsbeispiel nach

der Srf isifaagi iM Figur 4a und 4b ■Basaegi&S.ii^cEj.::-. \tc\ P'pa» s«

Xn Figur 1 ist schematisch ein Speicher 10 dargestellt, der einen Kristallbereich 12 mit darin verteilten diohroitischen Defekten aufweist. Außerdem sind zvei Lichtquellen , 18,20 und ein Lichtdetektor 2fc vorgesehen. Für den Speicher 10 sind als Beispiel zvei Defekte 14,16 eingezeichnet, die entlang der Y-. rristallachse und der x-rristaliachse gerichtet sind· Es 9ei zum Zvecke der Erläuterung angenommen, daß die Dipomomente sich entlang dieser Achsen der Defekte erstrecken. Aus den Lichtquellen 18 und 20 fällt Strahlung 22, beziehungsweise 24, in den Kristallbereich 12

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ein. 0er Lichtdetektor 26 ist auf den austretenden Lichtstrahl 28 gerichtet, der entlang der Y-Achse aus dem Kristall 12 austritt und von dem Lichtstrahl 22 herrührt. Bei Betrieb erzeugen die Lichtquellen 18 und 20 Lichtimpulse einer Wellenlänge, die geeignet ist, um die diohroitischen Defekte in dem Kristall 12 zu erregen. Wenn die diohroitischen Defekte in dem Kristall ursprünglich zufällig orientiert sind, dann hat die Strahlung 22 aus der Lichtquelle das Bestreben, diese Defekte entlang der Y-Achse, vie für den Defekt 14 gezeichnet, zu orientieren. Sobald die dicbroitiecben Defekte entlang der Y-Achse orientiert sind, werden sie durch die strahlung 22 nicht mehr erregt.

Die Photonen der Strahlung 22 oder 24 treten Über ihre optischen Obergangdipolmomente ritjden dlonroitieonen Defekten des Kristalls 12 in Wechselbeziehung. Hierdurch wird lokal die Elektronenenergie der diohroitlsohtn Defekte angehoben. Die Energie vird teilweise oder ganz über strahlungslose übergänge zerstreut, und die absorbierte Energie gelangt in das kristalline Qitter.

Der Lichtdetektor 26 dient dazu, den Informationszustand,

in dem sich der Kristall 12 befindet, zu ermitteln. Die Licht-

dazu so

quelle 18 wird / impulsweise getastet,/daß die Intensität der Strahlung 22 wesentlich geringer ist, als wenn die dichroitisoben Defekte durch die Strahlung 22 oder 24, wie £iir die Defekte 14 oder 16 dargestellt, orientiert werden.

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Die Intensität der ausfallenden Strahlung 28 ist ein Maß für die Lichtübergänge in dem Kristall 12. Wenn die dichroitischen Defekte, vie für den Defekt 16 gezeichnet, orientiert sind, dann ist die in den Lichtdetektor 2b einfallende Lichtstrahlung schwächer, als venn die Defekte, vie für den Defekt 14 gezeichnet, orientiert sind.

Wenn die Defekte, vie £ür den Defekt

16 gezeichnet, orientiert sind, wird die Strahlung 22 teilveise absorbiert. Wenn die Defekte dagegen, vie für den Defekt 14 gezeichnet, orientiert sind, dann passiert die Strahlung 22 den Kristall 12 ohne nennenswerte Absorption.

Die physikalischen Grundlagen der Anregung der di chronischen Farbzentren des Kristalls 12 werden im folgenden anhand der Figuren 2a und 2b kurz erläutert. Figur 2a zeigt den Ausgangszustand 30 eines dichroitischen Defektes und die vollständige Übertragung der' absorbierten Photonenenergie in thermische Energie durch strahlungslosen Abfall 36. Figur 2b zeigt einen Fall, bei dem ein Teil der absorbierten Photonenenergie durch strahlungslosen Abfall in thermische Energie umgewandelt wird, während ein anderer Teil in ein Photon mit geringerer Energie als das erregende Photon umgewandelt wird.

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Bezogen auf Figur 2a ist der Ausgangszustand 30 entweder der eines im Kristall freien Elektrons oder der eines Außenelectrons eines Ions,eines Verunreinigenden Moleküls oder einen verunreinigenden Ions. Die Absorption des einfallenden Photons ist durch die Pfeillinie 34 angezeigt, die vom Grundzustand 32 sum Ausgangszustand 30 zeigt. Der strahlungslose Abfall ist durch die Wellenlinie 36 angezeigt, die von dem Ausgangszustand 30 zum Grundzustand 32 zeigt. Durch den'strahlungslosen Abfall.gemäß der Wellenlinie 36 wird das Kristallgitter in Schwingung versetzt, wobei keine Photonenemision stattfindet.

Figur 2b zeigt die Erregung eines Elektrons eines dictaroitiacben Defektes vom Grundzustand 40 auf den Ausgangszustand 42, durch eine Photonenabsorption, die durch die Pfeillinie 44 angezeigt ist. Der Ausgangszustand 42 wird über eine Zwischenstufe 48 in den Grundzustand zurück überführt. Durch die Wellenlinie 46 wird ein strahlungsloser Abfall angezeigt, der auf die Zwischenstufe 48 führt. Durch den Pfeil 50 ist eine'Photonenemision angezeigt, bei- der das Photon aber mit geringerer Energie abgestrahlt wird als die des einfallenden Photons.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein Kristall vorgesehen, in dem als dicbroltieohe Defekte M-Zentren in einem alkalihalogenen Kristallbereich dispergiert sind. Dieses Ausführungsbeispiel wird nun anhand der Figur 3 erläutert.

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Der Körper 100 ««ist einen Kristallbereich 102 von Kalium· Chlorid auf in einer lichtaufnehmenden Anordnung gegenüber den Lichtstrahlen 108 und 110, die von den Lichtquellen 104, besiehungsveise 10t, abgestrahlt «erden. Der Lichtstrahl

ist
108 aus der Lichtquelle 104/auf den Kristallbereich 102 entlang der Y-Achse gerichtet, die mit der Kristallachse

[lOiJ susammen fällt. Der Lichtstrahl 110 der Lichtquelle 106 ist entlang der X-Achse, die mit der Kristallachse Q16] zusammen füllt, auf den Kristallbereich 102 gerichtet. Mit 112 und 114 sind ivei Polarisatoren bezeichnet, die »wischen den Lichtquellen 104, beziehungsweise 10t-, und dem Kristallbereich 102 angeordnet sind. Die Polarisatoren 112 und 114 lassen nur linearpolarisierte Lichtstrahlen 11«>, besiehungsveise 118, durchfallen, deren elektrische Feldvektoren mit 117, besiehungsveise 119, bezeichnet sind. Die Feldvektoren erstrecken sich so, daß die polarisierten Lichtstrahlen ■it den optischen UbergangsdipcJnoaenten der M-Zentren des kristallinen Bereiches 112 in Wechselbeziehung treten können.

Zur Erläuterung dessen sind die M-Zentren 120 und 124 entsprechend verschiedenen InformationssustHnden geseichnet. Wenn der polarisierte Lichtstrahl 108 die Wellenlänge von 560 Millimikron hat, dann treten die elektrischen Feldvektoren 117 mit den M-Zentren, deren Achsen Komponenten entlang der Y- und Z-Richtung aufweisen, in Wechselbeziehung und diese M-Zentren werden dann wie für das M-Zentrum 124

gezeichnet, orientiert. Entsprechend werden die M-Zentren, 909846/0377

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deren Achsen Komponenten in Y und Z-Richtung aufweisen, vie für das M-Zentrura 120 gezeichnet, orientiert, durch den Feldvektor 119 des Lichtstrahles 118.

Im folgenden vird beschrieben, vie der Informationszustand, der dem Kristallbereich 102 aufgeprägt vurde, abgefragt vird. Die Lichtquelle 125 erzeugt einen Lichtstrahl 126 mit einer Wellenlänge von 800 Millimikron, der entlang der Z-Richtung auf den Kristallbereich 102 gerichtet ist. In diesem Lichtstrahl 126 ist ein Polarisator 128 angeordnet, der so orientiert ist, daß der ausfallende polarisierte Lichtstrahl 130 mit seinem elektrischen Feldvektor 132 in Y-Richtung orientiert ist. Mit 134 ist ein Lichtdetektor, bezeichnet, der das als Strahl 136 von dem Kristallbereich 102 in Z-Eichtung ausgehende Licht aufnehmen kann, Wenn die M-Zentren vie für das M-Zentrum 124 gezeichnet, in X-Richtung orientiert sind, dann zeigt sich dies durch eine Absorption des Lichtstrahles 30. Die Folge ist, daß in den Lichtdetektor 134 keine sehr hohe Lichtenergie einfällt. Der Lichtstrahl 136 hat mithin eine vesentlich geringere Intensität als der Lichtstrahl 130. Wenn jedoch dem Körper 100 ein anderer Informationszustand eingeprägt ist und die M-Zentren in der Y-Richtung, vie fUr das M-Zentrum 120 gezeichnet, orientiert sind, dann gelangt der Lichtstrahl 130 fast vollständig in dendetektor 134.

Die physikalischen Grundlagen der Lichtabsorption und des Lichtdurchfalls in dem Kristallbereich 102 verden nun anhand der ,Figuren 4a und 4b erläutert. Figur 4a zeigt die ■;.... 909846/0377

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Energieniveaus für das einfallende Licht der Wellenlänge 5t0 Millimikron, das so polarisiert ist, daß der elektrische Feldvektor senkrecht eur Hauptachse des absorbierenden M-Zentrums steht. Diese Absorption verursacht einen Orientierungsvechsel der M-Zentren im Kristallbereich 102. Figur 4b zeigt die Energieniveaus des einfallenden linear ' polarisierten Lichtes »it der Wellenlänge 800 Millimikron, bei dem der elektrische Feldvektor parallel zur Hauptachse der absorbierenden M-Zentren steht. Durch eine solche Absorption vird keine nennenswerte Neuorientierung der M-zentren hervorgerufen.

Gemäß Figur 4a wird das Energieniveau des absorbierenden M-Zentrums auf den Ausgangszustand 136, gemäß der Pfeillinie 138 angehoben, wenn ein Photon der Wellenlänge 5tO Millimikron absorbiert vird. Diese Absorption tritt nur dann auf, v&nn die elektrische Feldkomponente des einfallenden Photons senkrecht zur Achse des M-Zentrums steht. Der Energiezustand des M-Zentrums vird über eine Zwischenstufe 142 auf den Grundzustand 137 zurückgeführt, und zvar durch einen strahlungslosen Abfall, gemäß der Wellenlinie 140, zunächst auf die Zwischenstufe 142 und dann durch Emision eines Photons gemäß der Pfeillinie 144 von der Zwischenstufe 142 auf den Grundzustand 147. Durch den strahlungslosen Abfall 144 vird das Kristallgitter zu vibrationen angeregt. Durch diesen Wechsel der lokalen thermischen Bedingungen des Kristallgitters vird mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Neu-

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Orientierung der Achslage des absorbierenden M-Zentrums hervorgerufen.

Figur At zeigt die Photonenenergieabsorption und die von da aus folgende Energietransformation in ionenbevegende Energie, die nicht zu einer Neuorientierung der Achslage des M-Zentrums führt. Wenn ein Photon des polarisierten Lichtes von 800 Millimikron Wellenlänge mit dem Feldvektor parallel zur M-Zentren-Achslage absorbiert wird, dann vird der Energiezustand des M-Zentrums durch Absorption auf das Ausgangsniveau 146 angehoben, wie dies durch die Pfeillinie 148, die sich vom Grundzustand 137 zum Ausgangszustand 146 erstreckt, angedeutet ist. Das angeregte M-Zentrum verliert seine Energie wieder in zvei Schritten über ein Zwischenniveau 142. Beim ersten Schritt erfolgt ein strahlungsloser Abfall, entsprechend der Wellenlinie 150 auf das Zvischenniveau 142, wodurch die Vibrationsenergie der lokalen Atome angehoben wird. Im zweiten Schritt erfolgt gemäß der Pfeillinie 144 eine Photonenemision von geringerem Energieinhalt als die des absorbierten Photoneneinfalls. Obwohl die Energie, die durch den strahlungslosen Abfall, gemäß der Wellenlinie 150 entsteht, in Atomvibrationen umgewandelt wird, besteht, da es sich dabei nur um einen sehr geringen Energiebetrag handelt, nur eine geringe Wahrscheinlichkeit für eine Neuorientierung der Achsen der betroffenen M-Zentren.

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Venn bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Kristallbereich aus Kaliumjodid besteht, dann werden vorzugsweise als Qa(As-P)-Injektionslaser ausgebildete Laserlichtquellen 104 und 106 verwendet, die auf das Absorptionsband des Kaliumiodid im Bereich von 660 Millimikron Wellenlänge abgestimmt sind. Der Lichtdetektor 134 kann dann eine Gallium-Arsen-Diode sein. Die Lichtquelle 125 ist dann so ausgestaltet und betrieben, daß sie Lichtimpulse ausstrahlt mit einer Wellenlänge von 960 Millimikron und mit einer Intensität wesentlich geringer als erforderlich, um einen Informationszustand in dem Kristallbereich 102 aufzubauen. Die Zeitspanne, die nötig ist, um einen Informationszustand im Kristallbereich aufzubauen, hängt von der Dichte der dichroitisch en Defekte und von der Zahl der Photonen, die einfallen, ab. Die Zahl der Photonen, die dazu nötig ist, um den Informationszustand zu ändern, ist proportional zum volumen des betroffenen Kristallbereiches. Als. Beispiel sei hier angegeben, daß theoretisch, wenn man davon ausgeht, daß bei einem einfallenden Laserstrahl mit ein Prozent Wirkungsgrad die M-Zentren neu orientiert werden (das bedeutet, daß einhundert Photonen nötig sind, um ein M-Zentrum neu zu orientieren), die zeit, die erforderlich ist, den Informationszustand eines Kubikmillimeters des Alkali-

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halogenkristallbereiches 102 mit 2.5 χ 10¹³ M-Zentren su ändern, etwa 2.5 χ 1CT⁵ Sekunden beträgt.

Die Konzentration der dichroitisch«* Defekte in einem Kristallbereich kann beeinflußt werden. Ebenso kann die Wellenlänge und die Intensität der einfallenden Photonen beeinflußt werden. Man kann demzufolge aufgrund dessen einen Speicher herstellen, dessen Speicherzellen unter* schiedliche Größen haben, wodurch die Schaltgeschwindigkeit von einem Informationszustand zum anderen leicht ' beeinflußt werden kann.

Man kann nach der Erfindung eine Information auch nach Maßgabe des Gradienten der dlohroitiaoben Defekte speichern. Dies kann beispielsweise dazu dienen, eine analoge Information in dem Kristallbereich zu speichern, indem man die Intensität des einschreibenden Lichtes entsprechend von Punkt zu Punkt ändert. Ein Bild, das sich auf diese Weise ergibt, ist dann nach Maßgabe seiner Kontrastwerte gespeichert und kann im durchfallenden Licht betrachtet werden.

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Claims

12. Februar 1969 ANSPRÜCHE

1. Optische Speichervorrichtung mit einem lichtempfindliche Speicherelemente aufweisenden Speicher, einer auf den Speicher gerichteten Lichtquelle zur Aufzeichnung der zu speichernden Informationen und einem Lichtdetektor zum Auslesen der aufgezeichneten Informationen, dadurch gekennzeichnet, daß als Speicherelement (102) ein Kristall mit dichroitisch·!! Defekten (120,124) vorgesehen ist, und daß die aufzeichnende Lichtquelle (104) eine die Achsorientierung der außerhalb einer bestimmten Achsorientierung liegenden dicbroitiechen Defekte beeinflussende Strahlung

(134) (116) erzeugt, und daß der auslesende Lichtdetektor/ein Lichtintensitätsmesser ist, und daß die zu speichernden Informationen in Form von AcIsorientierungen der dicbroitiechen Defekte aufgezeichnet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dicnroitieonen Defekte (120,124) in dem Kristall (102) dispergiert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherelemente (102) aus kristallinem

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Alkalihalogen nit diebrbitischen Farbzentren als diobroitischen Defekten bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3· dadurch gekennzeichnet, daß die dicbroitischen Parbzentren M-Zentren sind.

5. Vorrichtung nach eines oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationen analog nach Maßgabe des Dichtegradienten der in bestimmter Weise achsorientierten diohroitischen Defekte aufgezeichnet verden.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet, daß eine erste aufzeichnende Lichtquelle (104) mit einem Polarisator (112) vorgesehen ist, deren polarisierter Lichtstrahl (116) in Richtung der ersten Kristallachse £ioij gerichtet ist, und in Richtung der »weiten Kristallachse £iioj , bezogen auf den elektrischen Feldvektor fi17) polarisiert ist, und daß eine zweite aufzeichnende Lichtquelle (10t) ait eines Polarisator (114) vorgesehen ist« deren polariiierter Lichtstrahl (116) in Sichtung der zweiten Kristallachse £iiqjgerichtet und in Richtung der ersten Kristallachse froi/, bezogen auf den elektrischen Feldvektor (119) polarisiert ist.

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und daß für den Lichtdetektor (134) eine dritte Lichtquelle (125) mit einem Polarisator (128) vorgesehen ist, deren polarisierter Lichtstrahl (130)in Richtung der dritten Kristallachse gerichtet ist und bezogen auf den elektrischen Feldvektor (132) in der gleichen Richtung polarisiert ist vie der Lichtstrahl der einen aufzeichnenden Lichtquelle(104).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher(102) aus kristallinem Kaliumchlorid mit Η-Zentren als di ^hroitiecbe Defekte besteht, und daß die aufzeichnenden Lichtquellen (104,106) mit einer Wellenlänge von etwa ScO Millimikronjstrahlexi,und daß die zum Lichtdetektor (134) gehörige Lichtquelle mit 8Oo Millimikronstrahlt.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Lichtquellen (104,106,125) um Laser handelt.

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