DE1547363B2

DE1547363B2 - Optische speichervorrichtung

Info

Publication number: DE1547363B2
Application number: DE19661547363
Authority: DE
Inventors: Walter Ernest Briarcliff Manor; Dreyfus Russell Warren Cross River; N.Y.; Heller William Russell Saratoga Calif.; Bron (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-10-22
Filing date: 1966-08-18
Publication date: 1977-07-07
Also published as: US3466616A; GB1096240A; FR1497338A; DE1547363A1

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Speichervorric tung, deren Informationsspeicher durch störstellent dingte, submikroskopische Strukturen eines orientiert Kristalls gebildet werden, mit einer auf die Speich gerichteten aufzeichnenden Energiequelle und einer c die Speicher gerichteten auslesenden Energieque sowie einem auf die Speicher gerichteten Detektor f elektromagnetische Strahlen zum Auslesen.

Bei einer aus der deutschen Auslegeschrift 11719 bekannten Speichervorrichtung wird ein Information speicher durch die submikroskopische Struktur ein orientierten Halbleiterkristalls gebildet, welcher Zon< mit Kristallverunreinigungen und geänderter Krista struktur durch Energiebestrahlung aus angelegten, π elektrischer Spannung beaufschlagten Elektroden at weist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Speichervorric tung der eingangs genannten Art so auszugestalten, d; der Schreib- und Lesevorgang leichter und au< differenzierter steuerbar ist, als es mit elektrisch' Feldern aus stationär angebrachten Elektroden mögli< ist.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß c Informationsspeicher durch dichroitische Defekte geb det werden, daß die aufzeichnende Energiequelle en die Achsorientierung der außerhalb einer bestimmte Achsorientierung liegenden dichroitischen Defekte n< orientierende polarisierte elektromagnetische Schrei strahlung erzeugt, daß die auslesende Energiequel eine quer zur Schreibstrahlung gerichtete, in Abhängi; keit von der Achsorientierung der dichroitische Bezirke zu absorbierende polarisierte elektromagne¹ sehe Lesestrahlung erzeugt und daß der Detektor a eine von der Schreibstrahlung hervorgerufene Ausfa strahlung gerichtet ist.

Nach der Erfindung erfolgt der Schreib- ui Lesevorgang durch einen elektromagnetischen Schrei; beziehungsweise Lesestrahl, wodurch die angestreb leichte und differenzierbare Steuerbarkeit erzielbar ist Die Erfindung macht sich einen physikalischen Effe: zunutze, der im folgenden und weiter unten anhand dt Zeichnung beschrieben wird.

In einem Kristallgitter treten oft Fehler in d' Gitterstruktur auf, die durch verunreinigende Atom zwischengestellte Atome und dergleichen hervorgen fen sind. Wenn ein solcher Fehler, im folgenden a Defekt bezeichnet, eine geringere Symmetrie als d Symmetrie des Kristallgitters hat, dann kann seit Orientierung gegenüber dem Kristallgitter geände werden. Solche Defekte werden hier in Betraci gezogen. Die theoretischen Grundlagen dazu sind ve C. Kittel unter dem Titel Introduction to solid Stai Physics, 2. Auflage, Verlag John Wiley & Sons, Inc. 195 Kapitel 1, abgehandelt. Unter gewissen Umstände kann die Achsorientierung solcher Defekte gegenübt der Achsorientierung des Kristalls durch Absorptir elektromagnetischer Strahlung geändert werden. Eir solche Defektkonfiguration in einem Kristallgitter kar

dabei mit einem elektrischen Feld eines einfallenden Photons in Beziehung treten, und zwar über das bei einem optischen Übergang entstehende Dipolmoment des Defektes. Der Ausdruck »dichroitisch« und dergleichen bezeichnet hier und im folgenden das physikalische Verhalten einiger Defekte, bei denen die Absorption optischer Strahlung von dem Winkel des elektrischen Feldvektors der einfallenden Strahlung zur Achsorientierung des Defektes abhängt.

Wenn ein Photon mit einem Defekt zusammenwirkt, dann wird die Energie des Defektes von einem Grundzustand in einen Ausgangszustand angehoben und, wenn der Wirkungsgrad hoch sein soll, muß die Photonenergie ungefähr die Energiedifferenz zwischen dem Grundzustand und dem Ausgangszustand betragen.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die dichroitischen Defekte in dem Kristall dispergiert sind. Dabei sind Gitterbezirke mit zwischengefügten Atomen oder Verunreinigungsatomen, die das dichroitische Verhalten bedingen, geeignet. Außerdem sind sogenannte Vakanzen geeignet, das sind Gitterplätze, 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. Wenn zwei negative Ionvakanzen in einem Alkalihalogenkristallgitter nebeneinander liegen, dann ist jeder dieser Plätze von einem Elektron besetzt. Dieser Elektronenvakanzkomplex wird M-Zentrum genannt.

Eine dementsprechende Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherelemente aus kristallinem Alkalihalogen mit dichroitischen Farbzentren als dichroitischen Defekten bestehen, wobei vorzugsweise die dichroitischen Farbzentren M-Zentren sind.

Bei Verunreinigungsionen handelt es sich um Ionen, die im Kristallgitter entweder als dazwischen gefügte oder als ersetzende Ionen vorhanden sind, wobei diese Ionen andere loneneigenschaften haben, als das Ion, das bei einem fehlerfreien Kristallgitter die betreffende Stelle einnehmen würde.

Bei den bereits erwähnten Farbzentren handelt es sich um Defekte, bei denen eingefangene Elektronen oder eingefangene Löcher elektromagnetische Strahlung absorbieren oder emittieren, was sich auf die optischen Absorptionseigenschaften 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 dichroitischen Farbzentren werden durch elektromagnetische Strahlung stimuliert, um ihre Achsorientierung im Kristall zu ändern: Im allgemeinen verändern die dichroitischen 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 Disorientierung nicht auftreten kann. Abgesehen davon, sind Informationen, die nach der Erfindung in Achsorientierungen dichroitischer Bezirke niedergelegt sind, stabil, wenn auch vom rein theoretischen Standpunkt aus betrachtet die Achsorientierung der dichroitischen Bezirke metastabil ist.

Bei einem M-Zentrum handelt es sich um ein dichroitisches Farbzentrum, das durch Zusammenwirken zweier Elektronenvakanzen von zwei Halogenionen eines Alkalihalogenkristalls gebildet wird. Ein solches M-Zentrum hat verschiedene optische Übergangsdipolmomente, die verschiedenen Wellenlängen des absorbierten Lichtes entsprechen. Von einem M-Zentrum kann so viel Energie aus der einfallenden Lichtstrahlung absorbiert werden, daß eine kräftige momentane Beunruhigung des Kristallgitters entsteht, so daß 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-Zentrums 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 Übergangsdipolmomente, 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 aufzeichnende Energiequelle eine erste Lichtquelle mit einem Polarisator aufweist, deren polarisierter Lichtstrahl in Richtung der ersten Kristallachse gerichtet ist und in Richtung der zweiten Kristallachse, bezogen auf den elektrischen Feldvektor, polarisiert ist, und daß die auslesende Energiequelle eine zweite Lichtquelle mit einem Polarisator aufweist, deren polarisierter Lichtstrahl in Richtung der zweiten Kristallachse gerichtet und in Richtung der ersten Kristallachse, bezogen auf den elektrischen Feldvektor, polarisiert ist, und daß für den Lichtdetektor eine dritte Lichtquelle mit einem Polarisator vorgesehen ist, deren polarisierter Lichtstrahl in Richtung der dritten Kristallachse gerichtet ist und, bezogen auf den elektrischen Feldvektor, in der gleichen Richtung polarisiert ist wie der Lichtstrahl der ersten Lichtquelle.

Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher aus kristallinem Kaliumchlorid mit M-Zentren als dichroitische Defekte besteht und daß die aufzeichnenden Lichtquellen mit einer Wellenlänge von etwa 560 Millimikron strahlen und daß die zum Lichtdetektor gehörige Lichtquelle mit 800 Millimikron strahlt. Diese Weiterbildung gestattet vorteilhafte Anwendungen, die weiter unten anhand des in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Ein anderer dichroitischer Defekt, der im Zusammenhang mit der Erfindung vorteilhaft anwendbar ist, ist als Α-Zentrum bezeichnet. Ein Α-Zentrum besteht aus einem F-Zentrum (ein Elektron in einer Fehlstelle) mit einem Alkaliion als Verunreinigung in nächster Nachbarschaft. Hierdurch ergibt sich eine anisotrope Konfiguration, deren Achsen in der [100]-Richtung liegen. Ein geeignetes Α-Zentrum ergibt sich in einem Kaliumchloridkristallgitter durch ein F-Zentrum mit einem Lithiumion in nächster Nachbarposition.

In Verbindung mit der Erfindung sind Lichtquellen beliebiger Art anwendbar, wenn sie nur geeignet sind, eine genügende Anzahl von Photonen hinreichender

Energie auf die dichroitischen Zentren zu fokussieren. Für diese Zwecke sind Laser als Lichtquellen besonders geeignet, die daher erfindungsgemäß bevorzugt als Lichtquellen verwendet werden. Laser gestatten Speienervorrichtungen nach der Erfindung so auszugestalten, daß sie einfach und kompakt aufgebaut sind und in Mikrosekunden betrieben werden können. Zwar sind zur Zeit Injektionslaser noch nicht für alle für die Erfindung in Frage kommenden Frequenzen verfügbar. Bis diese verfügbar sind, kann man Injektionslaser zusammen mit Gaslasern konventioneller Art verwenden, um diejenigen Wellenlängen zu erzeugen, für die Injektionslaser zur Zeit noch nicht zur Verfügung stehen.

Die Erfindung ist anwendbar zur Speicherung digitaler Informationen, wobei einer Information eine bestimmte Achslage der dichroitischen 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 dichroitischen Defekte aufgezeichnet ist.

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 kann ein dichroitischer Defekt aus zwei benachbarten Anionenfehlstellen mit je einem Elektron bestehen, so daß ein M-Zentrum mit niedrigerer Symmetrie als die kubische Symmetrie entsteht. Ein dichroitischer Defekt kann auch durch einen Punktdefekt gebildet werden, der verschiedene Positionen einnehmen kann, wie es zum Beispiel bei einem zwischengefügten Ion der Fall ist, das nur oberflächenzentrierte Positionen in einem monolithischen Kristallgitter einnehmen kann. Fehlstellen und zwischengefügte Ionen sind die einzigen bekannten Punktdefekte, die sich sehr schnell in dem Kristallgitter bewegen können. Ein dichroitischer Defekt, der nach der Erfindung als Speicherzelle verwendet wird, enthält vorzugsweise mindestens einen solchen Defekt. Außerdem enthält ein solcher dichroitischer 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 Dipolmoment eines dichroitischen 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 »heißer Punkt« entsteht. Da die Energie eines optischen Photons im Bereich von 1,4 Elektronenvolt bis 6 Elektronenvolt liegt, wird die lokale Temperatur ganz beträchtlich angehoben, so daß sie den Schmelzpunkt der meisten kristallinen Materialien in einem Bereich von ungefähr fünf Ängström-Einheiten um den aktivierten dichroitischen Defekt anhebt, und zwar für eine Zeit von ungefähr 10-^l2 Sekunden. Die Folge dieser lokalen Temperaturerhöhung ist, daß die Ionen in der Nachbarschaft sich meist zufällig von einem Gitter bis zum anderen Gitter bewegen, und nachdem die thermische Energie absorbiert ist, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß der absorbierende, dichroitisehe Defekt eine andere Orientierung hat. Die Zahl der möglichen Orientierungen, die ein dichroitischer 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

ίο 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 Feldvektor senkrecht auf der Achse des M-Zentrums steht.

Außerdem haben sie ein Absorptionsband von 800 Millimikron für polarisiertes Licht, dessen elektrischer Feldvektor parallel zur Achse des M-Zentrums steht. Die entsprechenden Absorptionseigenschaften lassen sich experimentell für alle in Frage stehenden dichroitischen Defekte ermitteln. Sie bestimmen die vorteilhaften Wellenlängen der aufzeichnenden und auslesenden Lichtstrahlen; wie dies in Verbindung mit den hier experimentell gefundenen Absorptionseigenschaften zweckmäßig geschieht, wird weiter unten anhand der Fig. 3 erläutert.

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

F i g. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,

Fig. 2a und 2b je ein Energiediagramm zu F i g. 1,

F i g. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung und

F i g. 4a und 4b Energiediagramme zu F i g. 3.
In Fig. 1 ist schematisch ein Speicher 10 dargestellt, der einen Kristallbereich 12 mit darin verteilten dichroitischen Defekten aufweist. Außerdem sind zwei Lichtquellen 18, 20 und ein Lichtdetektor 26 vorgesehen. Für den Speicher 10 sind als Beispiel zwei Defekte 14, 16 eingezeichnet, die entlang der V-Kristallachse und der A"-Kristallachse gerichtet sind. Es sei zum Zwecke der Erläuterung angenommen, daß die Dipolmomente sich entlang dieser Achsen der Defekte erstrecken. Aus den Lichtquellen 18 und 20 fallen Lichtstrahlen 22 bzw. 24 in den Kristallbereich 12 ein.

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

Die Photonen der Lichtstrahlen 22 oder 24 treten über ihre optischen Übergangsdipolmomente mit den dichroitischen Defekten des Kristallbereichs 12 in Wechselbeziehung. Hierdurch wird lokal die Elektronenenergie der dichroitischen Defekte angehoben. Die Energie wird teilweise oder ganz über strahlungslose

Übergänge zerstreut, und die absorbierte Energie gelangt in das kristalline Gitter.

Der Lichtdetektor 26 dient dazu, den Informationszustand, in dem sich der Kristallbereich 12 befindet, zu ermitteln. Die Lichtquelle 18 wird dazu impulsweise getastet, so daß die Intensität des Lichtstrahls 22 wesentlich geringer ist, als wenn die dichroitischen Defekte durch die Lichtstrahlen 22 oder 24, wie für die Defekte 14 oder 16 dargestellt, orientiert werden.

Die Intensität des ausfallenden Lichtstrahls 28 ist ein Maß für die Lichtübergänge in dem Kristallbereich 12. Wenn die dichroitischen Defekte, wie für den Defekt 16 gezeichnet, orientiert sind, dann ist die in den Lichtdetektor 26 einfallende Lichtstrahlung schwächer, als wenn die Defekte, wie für den Defekt 14 gezeichnet, orientiert sind.

Wenn die Defekte, wie für den Defekt 16 gezeichnet, orientiert sind, wird der Lichtstrahl 22 teilweise absorbiert. Wenn die Defekte dagegen, wie für den Defekt 14 gezeichnet, orientiert sind, dann passiert der Lichtstrahl 22 den Kristallbereich 12 ohne nennenswerte Absorption.

Die physikalischen Grundlagen der Anregung der dichroitischen Farbzentren des Kristallbereichs 12 werden im folgenden anhand der F i g. 2a und 2b kurz erläutert. Fig.2a zeigt den Ausgangszustand 30 eines dichroitischen Defektes und die vollständige Übertragung der absorbierten Photonenenergie in thermische Energie durch strahlungslosen Abfall 36. F i g. 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.

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

Fig.2b zeigt die Erregung des Elektrons eines dichroitischen 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 Photonenemission angezeigt, bei der das Photon aber mit geringerer Energie abgestrahlt wird als die des einfallenden Photons.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein Kristall 100 vorgesehen, in dem als dichroitische Defekte M-Zentren mit einem alkalihalogenen Kristallbereich dispergiert sind. Dieses Ausführungsbeispiel wird nun anhand der F i g. 3 erläutert.

Der Kristall 100 weist einen als Speicherelement dienenden Kristallbereich 102 aus Kaliumchlorid auf, in einer lichtaufnehmenden Anordnung gegenüber den f\s Lichtstrahlen 108 und 110, die von den Lichtquellen 104 bzw. 106 abgestrahlt werden. Der Lichtstrahl 108 aus der Lichtquelle 104 ist auf den Kristallbereich 102 entlang der V-Achse gerichtet, die mit der Kristallachse [101] zusammenfällt. Der Lichtstrahl 110 der Lichtquelle 106 ist entlang der ,Y-Achse, die mit der Kristallachse [110] zusammenfällt, auf den Kristallbereich 102 gerichtet. Mit 112 und 114 sind zwei Polarisatoren bezeichnet, die zwischen den Lichtquellen 104 bzw. 106 und dem Kristallbereich 102 angeordnet sind. Die Polarisatoren 112 und 114 lassen nur linearpolarisierte Lichtstrahlen 116 bzw. 118 durchfallen, deren elektrische Feldvektoren mit 117 bzw. 119 bezeichnet sind. Die Feldvektoren erstrecken sich so, daß die polarisierten Lichtstrahlen mit den optischen Übergangsdipolmomenten der M-Zentren des Kristallbereiches 102 in Wechselbeziehung treten können.

Zur Erläuterung dessen sind die M-Zentren 120 und 124 entsprechend verschiedenen Informationszuständen gezeichnet. 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 X- 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, deren Achsen Komponenten in Y- und Z-Richtung aufweisen, wie für das M-Zentrum 120 gezeichnet, orientiert, durch den Feldvektor 119 des Lichtstrahles 118.

Im folgenden wird beschrieben, wie der Informationszustand, der dem Kristallbereich 102 aufgeprägt wurde, abgefragt wird. 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 V-Richtung orientiert ist. Mit 134 ist ein Lichtdetektor bezeichnet, der das als Lichtstrahl 150 von dem Kristallbereich 102 in Z-Richtung ausgehende Licht aufnehmen kann. Wenn die M-Zentren, wie für das M-Zentrum 124 gezeichnet, in X-Richtung orientiert sind, dann zeigt sich durch durch eine Absorption des Lichtstrahls 130. Die Folge ist, daß in den Lichtdetektor 134 keine sehr hohe Lichtenergie einfällt. Der Lichtstrahl 151 hat mithin eine wesentlich geringere Intensität als der Lichtstrahl 130. Wenn jedoch dem Kristall 100 ein anderer Informationszustand eingeprägt ist und die M-Zentren in der V-Richtung, wie für das M-Zentrum 120 gezeichnet, orientiert sind, dann gelangt der Lichtstrahl 130 fast vollständig in den Lichtdetektor 134.

Die physikalischen Grundlagen der Lichtabsorption und des Lichtdurchfalls in dem Kristallbereich 102 werden nun anhand der Fig.4a und 4b erläutert. F i g. 4a zeigt die Energieniveaus für das einfallende Licht der Wellenlänge 560 Millimikron, das so polarisiert ist, daß der elektrische Feldvektor senkrecht zur Hauptachse des absorbierenden M-Zentrums steht. Diese Absorption verursacht einen Orientierungswechsei der M-Zentren im Kristallbereich 102. Fig.4b zeigt die Energieniveaus des einfallenden linear polarisierten Lichtes mit der Wellenlänge 800 Millimikron, bei dem der elektrische Feldvektor parallel zur Hauptachse der absorbierenden M-Zentren steht. Durch eine solche Absorption wird keine nennenswerte Neuorientierung der M-Zentren hervorgerufen.

Gemäß F i g. 4a wird das Energieniveau des absorbierenden M-Zentrums auf den Ausgangszustand 136 gemäß der Pfeillinie 138 angehoben, wenn ein Photon

709 527/134

der Wellenlänge 560 Millimikron absorbiert wird. Die Absorption tritt nur dann auf, wenn die elektrische Feldkomponente des einfallenden Photons senkrecht zur Achse des M-Zentrums steht. Der Energiezustand des M-Zentrums wird über eine Zwischenstufe 142 auf den Grundzustand 137 zurückgeführt, und zwar durch einen strahlungslosen Abfall gemäß der Wellenlinie 140, zunächst auf die Zwischenstufe 142 und dann durch Emission des Photons gemäß der Pfeillinie 144 von der Zwischenstufe 142 auf den Grundzustand 147. Durch den strahlungslosen Abfall gemäß Pfeillinie 144 wird das Kristallgitter zu Vibrationen angeregt. Durch diesen Wechsel der lokalen thermischen Bedingungen des Kristallgitters wird mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Neuorientierung der Achslage des absorbierenden M-Zentrums hervorgerufen.

F i g. 4b zeigt die Photonenenergieabsorption und die von da aus folgende Energietransformation in ionenbewegende 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 wird der Energiezustand des M-Zentrums durch Absorption auf den Ausgangszustand 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 zwei Schritten über ein Zwischenniveau 142. Beim ersten Schritt erfolgt ein strahlungsloser Abfall, entsprechend der Wellenlinie 150 auf das Zwischenniveau 142, wodurch die Vibrationsenergie der lokalen Atome angehoben wird. Im zweiten Schritt erfolgt gemäß der Pfeillinie 144 eine Photonenemission von geringerem Energiegehalt als die des absorbierten Photoneneinfalls. Obwohl die Energie, die durch den strahlungslosen Abfall, gemäß der Wellenlinie 150 entsteht, in Atomvibration 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.

Wenn bei dem in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Kristallbereich aus Kaliumjodid besteht, dann werden vorzugsweise als Ga(As-P)-Injektionslaser ausgebildete Laserlichtquellen 104 und 106 verwendet, die auf das Absorptionsband des Kaliumjodid 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 dichroitischen 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 aus Alkalihalogen bestehenden Kristallbereiches 102 mit 2,5 ■ 10¹³ M-Zentren zu ändern, etwa 2,5 · 10~⁵ Sekunden beträgt.

Die Konzentration der dichroitischen 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 unterschiedliche Größe 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 dichroitischen 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optische Speichervorrichtung, deren Informationsspeicher durch störstellenbedingte, submikroskopische Strukturen eines orientierten Kristalls gebildet werden, mit einer auf die Speicher gerichteten aufzeichnenden Energiequelle und einer auf die Speicher gerichteten auslesenden Energiequelle sowie einem auf die Speicher gerichteten Detektor für elektromagnetische Strahlen zum Auslesen, dadurch gekennzeichnet, daß die Informationsspeicher durch dichroitische Defekte (120,124) gebildet werden, daß die aufzeichnende Energiequelle (104, 112) eine die Achsorientierung der außerhalb einer bestimmten Achsorientierung liegenden dichroitischen Defekte neu orientierende polarisierte elektromagnetische Schreibstrahlung erzeugt, daß die auslesende Energiequelle (125, 128) eine quer zur Schreibstrahlung gerichtete, in Abhängigkeit von der Achsorientierung der dichroitischen Bezirke zu absorbierende polarisierte elektromagnetische Lesestrahlung erzeugt und daß der Detektor (134) auf eine von der Schreibstrahlung hervorgerufene Ausfallstrahlung gerichtet ist.

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

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherelemente (102) aus kristallinem Alkalihalogen mit dichroitischen Farbzentren als dichroitischen Defekten bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dichroitischen Farbzentren M-Zentren sind.

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

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine aufzeichnende Energiequelle eine erste Lichtquelle (104) mit einem Polarisator (112) aufweist, deren polarisierter Lichtstrahl (116) in Richtung der ersten Kristallachse (101) gerichtet ist, und in Richtung der zweiten Kristallachse (110), bezogen auf den elektrischen Feldvektor (117) polarisisert ist, und daß die auslesende Energiequelle eine zweite Lichtquelle (106) mit einem Polarisator (114) aufweist, deren polarisierter Lichtstrahl (118) in Richtung der zweiten Kristallachse (110) gerichtet und in Richtung der ersten Kristallachse (101), bezogen auf den elektrischen Feldvektor (119) polarisiert ist, 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 wie der Lichtstrahl der ersten Lichtquelle (104).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherelement (102) aus kristallinem Kaliumchorid mit M-Zentren als dichroitische Defekte besteht und daß die erste und zweite Lichtquelle (104, 106) mit einer Wellenlänge von etwa 560 Millimikron strahlen und daß die dri Lichtquelle (125) mit 800 Millimikron strahlt.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren c. vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzek net, daß es sich bei den Lichtquellen (104, 106, 11 um Laserhandelt.