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Holographisch-optisches Speicherelement
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Die Erfindung betrifft ein holographisch-optisches Speicherelement
zur reversiblen Speicherung von Voiumenphasenhologrammen durch Zwe1-Photonen-Absorption,
bestehend aus einem Cr3+-Ionen enthaltenen Lithiumniobat-(LiNb03) oder I£ithiumtantalat-(LiTaO3)
Kristall.
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Bei der Speicherung von Information in der Form von Volumenphasenhologrammen
können extrem hohe Speicherdichten erreicht werden. Als Speichermaterialien werden
dabei elektro-optische Kristalle wie z.B. Lithiumniobat oder Lithiumtantalat verwendet,
deren Brechungsindex durch den photorefraktiven Effekt (Optica Acta, 1977, Vol24,
No.4, 8.475-462) beeinflußt werden kann.
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Der Speicherprozeß in elektro-optischen Kristallen beruht auf der
Umverteilung von optisch angeregten Ladungsträgern.
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Die resultierenden Raumladungsfelder modulieren den Brechungsindex
über den elektro-optischen Effekt, so daß ein optisches Interferenzmuster im Volumen
des Knstalls als entsprechendes Brechungsindexmuster gespeichert wird. Das Auslesen
der gespeicherten Information erfolgt durch Abbeugung eines Lichtstrahls am Volumenphasenhologramm.
Die Rekonstruktion der
gespeicherten Information ist allerdings
nur dann einwandfrei möglich, wenn für den Einschreib- und Ausleseprozeß Licht gleicher
Wellenlänge benutzt wird.
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In Materialien, bei denen die optische Anregung der Ladungsträger
durch Ein-Photonen-Absorptionsprozesse erfolgt, Rührt dieses jedoch zu einem Löschen
des Hologramms während des Auslesens, da hierbei ebenfalls Ladungsträger optisch
angeregt werden.
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Aus dem Aufsatz von D. von der Lindeu.a., erschienen in "Journal of
Applied Physicstt, 1976, von.47, No.1,S.217-220 ist bekannt, daß dieser Nachteil
umgangen werden kann, wenn die optische Anregung von Ladungsträgern durch Zwei-Photonen-Absorptionsprozesse
erfolgt. Das zu speichernde Interferenzmuster entsteht durch Überlagerung von einem
die Information tragenden Objektstrahl und einem Referenzstrahl. Beide Wellen haben
die Frequenz « Während des Einschreibprozesses wird der Kristall zusätzlich mit
Licht der Frequenz 5 beleuchtet. Die optische Anregung der Ladungsträger erfolgt
dann durch Absorption von jeweils einem Photon der Energie 4'#1 und einem Photon
der Energie i M2.
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Die zusätzliche Beleuchtung mit Licht der Frequenz w2 ist dabei nicht
unbedingt erforderlich. Es kann auch eine Anregung der Ladungsträger bei erhöhter
Intensität der Strahlung durch Absorption von zwei Photonen der Energie % w 1erfolgen.
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In beiden Fällen wird die gespeicherte Information durch Beleuchten
mit dem Referenzstrahl der Frequenz @1 sowie durch Abbeugung des Referenzstrahls
am eingeschriebenen Volumenphasenhologramm (Volumenphasengitter) rekonstruiert.
Hierbei ist die Lichtintensität so niedrig zu wählen, daß keine Zwei-Photonen-Ab
sorptionspro zesse auftreten.
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Als Speichermaterialien werden in dem erwähnten Aufsatz von
D.
von der Linde Lithiumniobat- und Lithiumtantalat-Kristalle verwendet, die mit Cr3+-Ionen
dotiert sind. Die optische Anregung der Ladungsträger durch Zwei-Photonen-Absorption
erfolgt dabei, ausgehend vom 4A2-Grundzustand des Cr3+-Ions, über den reellen 4T-Zustand
des Cr3+-Ions, der eine Lebensdauer von ungefähr 500 ns bei einer Temperatur von
200C besitzt. Als Lichtquelle dienen ein gepulster Rubin-Laser mit einer Eaergie
< = 1,79 eV und ein blitzlampengepulster Dye-Laser mit einer Energie v ##2= 2,72
eV.
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Die auf diese Weise durch zwei-Photonen-Absorptionsprozesse angeregten
Elektronen (Ladungsträger) werden von Störstellen eingefangen, die dicht unterhalb
des Leitungsbandes liegen.
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Die Störstellen binden die Elektronen energetisch nur schwach, so
daß sie thermisch und optisch leicht angeregt werden können.
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Ihre optische Absorptionsbande reicht vom infraroten bis zum ultravioletten
Spektralgebiet.
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Aufgrund der energetisch schwachen Bindung der Elektronen an die Störstellen
besitzen die mit Chrom dotierten Lithiumniobat und Lithiumtantalat-Kristalle relativ
schlechte Speichereigenschaften. Beispielsweise wird ein eingeschriebenes Volumenphasenhologramm
während der mit Hilfe eines Referenzstrahls durchgeführten Rekonstruktion sehr schnell
gelöscht, wEhrend die Speicherzeit derartiger Kristalle ohne Beleuchtung bei nur
ungefähr 20 Stunden liegt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine holographisch-optische Spechervorrichtung
zur reversiblen Speicherung von Inbr tion zu schaffen, deren Speichermaterial ohne
Beleuchtung eine möglichst große Speicherzeit bei einer Lagerungstemperatur von
etwa 200C besitzt, und das derart ausgebildet ist, daß das in ihm gespeicherte Volumenphasenhologramm
bei seiner Rekonstruktion möglichst nicht gelöscht wird.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Speicherelement
zusätzlich mit einem anderen Stoff dotiert ist, dessen Ionen in zwei Valenzzuständen
auftreten, wobei die mit einem Elektron besetzten Grundzustände der Ionen energetisch
mindestens 2,5 eV unter dem Leitungsband liegen.
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Mit Chrom dotierte Lithiumniobat- und Lithiumtantalat-Kristalle, die
zusätzlich mit energetisch tiefliegenden Störstellen dotiert sind, deren mit einem
Elektron besetzten Grundzustände in der Nähe, beispielsweise kurz unterhalb des
4A2-Grundzustandes des Cr3+-Ions liegen, weisen gegenüber den nur. mit Chrom dotierten
Lithiumniobat- und Lithluntantalat-Kristallen erheblich verbessefte Speichereigenschaften
in bezug auf die Dunkelspeicherzeit, die bis zu einem Jahr betragen kann (Speicherzeit
ohne Beleuchtung des Kristalls) ~und die Nichtlöschbarkeit eingeschriebener Volumenphasenhologramme
bei ihrer Rekonstruktion auf.
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Zur Erzeugung der energetisch tief liegenden Störstellen eignen sich
Ionen, die in Lithiumniobat- bzw. Lithiumtantalat-Kristallen in zwei verschiedenen
Valenzzuständen existieren können, wie z.B. die Ionen der Ubergangsmetalle Eisen,
Kupfer, Nickel, Cobalt und Mangan. Beispielsweise werden durch die Fe2+-Ionen die
mit einem Elektron besetzten Grundzustände der Eisen-Ionen gebildet. Die gewünscht
Zusammensetzung der Kristalle wird erreicht, indem man einer Schmelze aus Lithiumniobat
oder Lithiumtantalat beim Ziehen des Kristalls das jeweils geamnschte Ubergangsmetall
als Metalloxid zusetzt.
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Die Speichereigenschaften der Kristalle können weiter verbessert werden,
wenn diese mehrere Stunden lang in oxidierender Atmosphäre bei hohen Temperaturen
getempert werden.
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Durch diese oxidierende Wärmebehandlung werden den zursätzlich eingebrachten
Ubergangsmetallionen Elektronen entzogen, so daß sie als Elektronen-Akzeptor im
Kristall vorliegen. Der Valenzzustand der Cr3+-Ionen wird durch die Temperung nicht
merklich angegriffen.
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Die Figuren stellen ein Aussührungsbeispiel der Erfindung dar. Es
zeigen: Fig. 1 eine schematisch dargestellte Vorrichtung zur Speicherung und Rekonstruktion
von Volumenphasenhologrammen, Fig. 2 ein Energiebandschema zur Veranschaulichung
der Anregungs- und Speichermechanismen in mit Chrom dotierten Lithiumniobat- oder
Lithiumtantalat-Kristallen, die zusätzlich mit übergangsmetallionen dotiert sind.
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In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Speicherung und Rekonstruktion
von Volumenpha senholo grammen dargestiLt. Als Lichtquelle 1 wird ein Rubin-Laser
mit einer Wellenlänge von # = 694 nm (Energie E1), einer Pulsdauer von 20 ns und
einer Intensität von ##1O7W/cm2 verwendet. Der vom Laser 1 ausgesandte Lichtstrahl
wird mit Hilfe einer Strahlteilerplatte 2 in einem Objektstrahl 0 und einen Referenzstrahl
R aufgespalten. Der Spiegel 3 bewirkt eine Ablenkung des Referenzstrahls R, so daß
sich Objektstrahl 0 und Referenzstrahl R am Ort des Speicherelements 4 (Speicherkristall)
überlagern. Die pyroelektrische C-Achse des Speicherkristalls 4 liegt in der Einfallsebene
von Objekt- und Referenzstrahl und steht senkrecht auf den -elementaren Interferenzstreifen,
die bei der Überlagerung von Objektstrahl 0 und Referenzstrahl R gebildet werden.
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Die parallel zueinander und zur C-Achse liegenden Begrenzungsebenen
4a und 4b des Speicherelementes 4, das
quaderförmig ausgebildet
ist, stehen ebenfalls senkrecht auf der Einfallsebene.
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Das im Speichermaterial 4 gespeicherte Volumenphasenhologramm wird
mit Hilfe des Referenzstrahls R ausgelesen, indem dieser am Volumenphasenhologramm
abgebeugt wird.
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Hierzu wird unter Verwendung eines Lichtchoppers 6 der ObJektSrahl
0 abgedeckt und mit Hilfe eines hinter dem Speicherelement 4 angeordneten Lichtdetektors
5 die abgebeugte Intensität des Referenzstrahls R gemessen.
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Die physikalischen Vorgänge im Speichermedium 4 werden durch Fig..2
anhand eines Energiebandschemas veranschaulicht, in dem vertikal eine Energieachse
E und horizontal eine Ortsachse X verläuft. Das Leitungsband ist hierbei mit L und
das Valenzband mit V bezeichnet. Das Speichermaterial 4 besteht beispielsweise aus
mit Chrom-(Cr3+)Ionen dotiertem Lithiumniobat, in dem sich zusätzlich Eisen-(Fe3+)Ionen
befinden. Anstelle des Lithiumniobat kann auch Lithiumtantalat und an Stelle der
Eisen-Zonen können Kupfer, Nickel-, Cobalt-oder Manganionen verwendet werden. -Durch
Absorption von jeweils zwei Photonen der Energie Ei bei maximaler Intensität des
Lasers 1 werden Elektronen vom 4A2-Grundzustand der Cr3+-Ionen über den 4T1-Zwischen-2
zustand in das Leitungsband L angehoben und umverteilt. Von hier aus werden die
Elektronen von schwachen Störstellen S bzw. von den Fe#+-Ionen,deren Grundzustand
in Fig. 2 mit G bezeichnet ist, eingefangen. Auf diese Weise werden Fe2+-Ionen erzeugt,
durch die die mit einem Elektron besetzten Grundzustände der Eisen-Ionen gebildet
werden. Die an die schwachen Störstellen S gebundenen Elektronen können durch Absorption
eines Photons wieder angeregt werden. Die an die Fe3+-Ionen gebundenen Elektronen
jedoch liegen energetisch so tief, daß sie durch Absorption nur eines Photons der
Energie Ei nicht angeregt werden können. Beim Auslesen
des Volumenphasenhologramms
wird aber die Laserintensität soweit verringert, daß eine Anregung der an die Fe3+-Ionen
gebundenen Elektronen durch Zwei-Photonen-Absorptionsprozesse nicht mehr möglich
ist.
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In den folgenden drei Beispielen werden unterschiedlich dotierte Speicherelemente
4 beschrieben.
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beispiel 1 Ein eindomäniger Lithiumniob at-Kri stall (LiNbO3) wird
mit 0,007 Gew.% Chrom (etwa 0,01 Gew. NQ Cr2O3) und 0,05 Gew.% Eisen (etwa 0,075
Gew.%o Fe203) dotiert. Die Metalloxide wurden einer LiNb03-Schmelze beim Ziehen
des Kristalls zugegeben. Der Kristall wurde ca. 10 Stunden bei einer Temperatur
von 1000°C in reiner Sauerstoffatmosphäre bei Normaldruck getempert. Die Abmessungen
eines untersuchten rechteckigen Kristalls betrugen in der Länge 0,5 cm (Richtung
der C-Achse),in der Breite 0,4 cm und in der Tiefe 0,05 cm.
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Beispiel 2 Ein eindomäniger Lithiumtantalat-Kristall (LiTaO3) wird
mit 0,14 Gew.06# Chrom (etwa 0,2 Gew.% Cr2O3) und 0,05 Gew.% Eisen (0,075 Gew.%
Fe203) dotiert und entsprechend Beispiel 1 behandelt.
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Beispiel 3 Ein eindomäniger Lithiumniobat-Kristall (LiNbO3) wird
mit 0,03 Gew.% Chrom (etwa 0,05 Gew. Cr2O3) und 0,08 Gew.% Kupfer (etwa 0,05 Gew.#
CuO) dotiert und entsprechend Deispiel 1 behandelt.
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Zum Einschreiben eines Volumenphasenhologramms mit einem Auslesewirkungsgrad
von 93 = 154 undeinem einzigen Puls des Rubinlasers 1 in eines der Speicherelemente
4 ist etwa eine Lichtenergiedichte von 5= 600 mJ/cm2 notwendig (Haß für Empfindlichkeit
des Speichermaterials). Der Auslesewirkungsgrad ist herbei als das Verhältnis der
abgebeugten Intensität zur direkt transmittierten Intensität (ohne Kristall) definiert.
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Zum Löschen eines Volumenphasenhologramms, das beispielsweise in einem
mit Kupfer oder Eisen dotierten LiNbO3Cr-Kristall eingespeichert ist, ist bei Verwendung
eines Rubinlasers ( t = 694 nm) mit einer Pulsdauer von 20 ns und einer Energiedichte
pro Puls von 0,2 J/cm2 eine Löschenergiedichte von 700 J/cm2 erforderlich. Die Löschenergiedichte
für Rubinlaser hängt quadratisch von der Energiedichte seiner Einzelpulse ab. Verwendet
man daher zum Auslesen der im Kristall 4 gespeicherten Information Pulse sehr keiner
Energiedichte, findet praktisch kein Löschprozeß statt. Das gleiche gilt auch für
LiNb03:Cr-und LiTa03:Cr-Kristalle, die zusä#tzlich mit Nickel, Cobalt oder Mangan
dotiert sind.
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Ferner kann zum Auslesen der in einem Speicherelement 4 eingeschriebenen
Information auch das Licht eines Helium-Neon-Lasers ( t = 633 nm) verwendet werden.
Die bei dieser Wellenlänge erforderlichen Löschenergiedichten betragen etwa 104
bis i05 J/cm2. Das Auslesen der gespeicherten Information erfolgt üblicherweise
in relativ kurzer Zeit (einige Sekunden), so daß die Löschenergiedichte während
des Auslesens mit einem Helium-Neon-Laser unterhalb dieser Grenze liegt.
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Die mit Kupfer dotierten LiNb03:Cr- und LiTaO3:Cr-Kristalle eignen
sich gut als optisch reversible Speichermaterialien,
da die gespeicherten
Volumenphasenhologramme mit Licht der Wellenlänge B = 514 nm bzw. t = 476 nm (Argon-Laser)
in sehr kurzer Zeit (einige Sekunden) vollständig gelöscht werden können. Die Löschenergiediohten
liegen für dieses Material bei relativ geringen Werten von 250 J/cm2 = 514=) und
90 J/cm2 (, 476 nm).
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Demgegenüber sind die mit Eisen dotierten LiNb03:Cr- und LiTa03:Cr-Kristalle
generell unempfindlicher gegen Beleuchtung. Sie eignen sich daher besser für Anwendungen,
bei denen die optische Nichtlöschbarkeit der gespeicherten Information im Vordergrund
steht.
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