DE60103499T2

DE60103499T2 - Verfahren zum lichtinduzierten schreiben von daten

Info

Publication number: DE60103499T2
Application number: DE60103499T
Authority: DE
Inventors: Eric Toussaere; Joseph Zyss
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique; France Telecom SA; Ecole Normale Superieure de Cachan
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique; Orange SA; École Normale Supérieure Paris-Saclay
Priority date: 2000-01-04
Filing date: 2001-01-03
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2021-01-04
Also published as: KR20030004332A; FR2803424A1; AU3183201A; DE60103499D1; CA2402979A1; US20030123117A1; EP1247277A1; KR100626276B1; CN1408113A; US7027376B2; FR2803424B1; WO2001050465A1; EP1247277B1; CN1214367C

Description

Die digitale Speicherung von Daten auf einem optischen Träger nimmt in ihrer Bedeutung für die Informationstechnologie zu. Während Speicher mit kleiner oder mittlerer Dichte bereits vielfach auf Ebenen im Einsatz sind, die sich in der Hierarchie weiter unten befinden, und zwar bei allen Einheiten für die elektronische Verarbeitung von Information, sind Speicher mit hoher Dichte bei der Abspeicherung und hoher Zugriffsgeschwindigkeit bei den unterschiedlichen Knoten notwendig, die sich weiter oben in Systemen befinden, die höher entwickelt sind, wie zum Beispiel Kommunikationsnetzen, Zentraleinheiten von Rechnern oder Multimedia-Terminals für die Speicherung von Bild- und Tondaten. Es ist daher ein deutlich größerer strategischer Bedarf an Speichern hoher Kapazität beispielsweise für die einfache und unabhängige Weitergabe von Multimedia-Dokumenten in CD-Formaten spürbar. Eine weitere essentielle Anforderung an Plattenspeicher betrifft die Zuverlässigkeit und die Schutzrechte: die digitalen Daten können leicht mit Verfahren zum Lesen/Schreiben und Codieren/Decodieren kopiert werden, soweit das Material und die Software dazu verfügbar sind. Der unkontrollierte Zugriff auf unzureichend geschützte Information kann tatsächlich zu erheblichen Schäden auf dem Gebiet der künstlerischen Werke führen, wie auch bei der Multimedia-Ausstrahlung und der Sicherheit von Datenübermittlungen.
Bis heute wurden verschiedene Arten von Speichern oder beschreibbaren Platten entwickelt und eingesetzt. Die magnetischen Speicher waren bis zur Einführung der Kompakt-Disks auf Plastikträger (CD), mit denen der allgemeinen Zugriff auf die abgespeicherfen digitalen Daten zu niedrigen Kosten möglich wurde, die am weitesten verbreiteten. Die Technologie der optischen CD basiert im Wesentlichen auf einem einfachen Verfahren, bei dem Prägestrukturen in dem Plastiksubstrat erzeugt werden. Das Schreiben in großem Umfang und zu niedrigen Kosten wird industriell durch Drucktechnik realisiert. Das Vorhandensein oder das Fehlen dieser Prägestrukturen wird mit dem Strahl einer optischen Sonde erfasst, dessen Reflektion oder Streuung durch die Gravur die Decodierung einer binären Information (Anwesenheit oder Abwesenheit der Prägestruktur) zulässt.
Es sind darüber hinaus weitere Techniken für die Registrierung von Information in optischer Form bekannt, wobei die Holografie die interessanteste Alternative darstellt. In diesem Fall führt die Belichtung zu einer Modifizierung des Speichermediums, wobei die Abspeicherung von Information dadurch erfolgt, dass die Intensität des Schreibstrahls räumlich moduliert wird. Verschiedene physikalische Mechanismen kommen bei dieser Technik zur Anwendung, und zwar je nach Eigenschaften des lichtempfindlichen Materials: die Neuorientierung von Molekülen in einer Polymermatrix wurde bereits früh erkannt, nämlich Anfang der 70er, als Verfahren zum holografischen Abspeichern von Information nach einem physikalischen Prinzip entwickelt wurden, das zu Anfang des Jahrhunderts entdeckt wurde und Weigert-Effekt genannt wird.
Ein derartiges Medium besteht beispielsweise aus einem Trägerfilm aus Polymer (Host), der "eingelagerte" Moleküle (Guest) vom Typ Azobenzol enthält. Nach Bestrahlung in deren Absorptionsbande können sich die Moleküle im Verlauf eines Photoisomerisationszyklus neu orientieren, der durch Absorption des einfallenden Lichtes ausgelöst wird, wobei das Spektrum mit der Absorptionsbande der eingelagerten Moleküle übereinstimmt. Die Bestrahlung mit einem linear polarisierten Strahl erzeugt eine axiale Neuorientierung der Moleküle senkrecht zur Richtung der Polarisation des Lichtes. Dieser Mechanismus führt zu einer linearen Doppelbrechung in dem Film, wodurch der Brechungsindex senkrecht zur einfallenden Polarisation des Pumplichts erhöht wird. Die Anwesenheit oder Abwesenheit der Doppelbrechung kann daher zur binären Codierung von Information verwendet werden. Es ist also wichtig, dass die Belichtung mit einem zirkular polarisierten Licht oder depolarisierten (d.h. zufällig polarisierten) Licht eine axiale Polarisation senkrecht zu dem Film erzeugt, so dass die Information gelöscht wird, die vorher in Form einer transversalen Doppelbrechung in der Ebene des Films geschrieben wurde (siehe beispielsweise "Optically induced and erased birefringence and dichroism in azoaromatic polymers", P. Rochon, J. Gosselin, A. Natansohn, S. Xie, Appl. Phys. Lett., 60(1), (1992), Seite 4, 5). Der traditionelle Weigert-Effekt beruht im Wesentlichen auf einem Vorgang, bei dem durch direkte Absorption eines Photons einer quasimonochromatischen Bestrahlung von einer gefilterten Lampe oder einer einzigen Laserquelle ein linearer Pumpvorgang ausgelöst wird.
Man kann diesen Effekt auf Pumpvorgänge mit zwei Photonen verallgemeinern, was einer Bestrahlung mit einer Wellenlänge entspricht, die ins Infrarote bis auf die Höhe der Hälfte des Absorptionsmaximums der lichtempfindlichen Molekülart verschoben ist. Selbst wenn a priori die Absorption gegenüber derjenigen von einem Photon weniger effizient ist, beziehen sich zahlreiche neuere Arbeiten auf den Pumpvorgang mit zwei Photonen, mit dem es möglich wird, tiefer in das Volumen des Materials einzudringen, während die zugängliche Tiefe bei resonanter Absorption mit einem Photon auf die Eindringtiefe beschränkt ist (siehe die Veröffentlichungen von Paras Prasad et al. der Universität SUNY in Buffalo oder von J. Perry et al. am Jet Propulsion Lab. des Caltech; siehe auch die folgende Veröffentlichung: "Two-photon polymerization initiators für threedimensional optical data storage and microfabrication", B.H. Cumpston, S.P. Ananthavel, S. Barlow, D.L. Dyer, J.E. Ehrlich, L.L. Erskine, A.A. Heikal, S.M. Kuebler, I.Y. Sandy Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, H. Röckel, M. Rumi, X.L. Wu, S.R. Marder, J.W. Perry, in Nature, Band 398, 1999, Seite 51 – 54).
Wenn das Medium mit zwei jeweils kohärenten Strahlen bei ω bzw. 2ω bestrahlt wird, wobei 2ω in Resonanz mit der Absorptionsbande der lichtempfindlichen Chromophoren ist, ist die Restorientierung unter bestimmten Bedingungen nicht zentralsymmetrisch (beispielsweise polar, wenn die orientierten Moleküle selbst dipolar sind) und auch nicht axial wie für den Fall, dass man separat mit w oder 2ω bestrahlt. Eine derartige Orientierung ist kompatibel mit den physikalischen Eigenschaften von Tensoren mit ungeradem Rang, wozu insbesondere die Erzeugung der zweiten Harmonischen und die Dreiwellenmischung gehören. Die allgemeinste Konfiguration führt zu einem Bruch der Zentralsymmetrie und entspricht jener einer Bestrahlung mit drei jeweils kohärenten Strahlen mit drei Wellenlängen ω₁, ω₂ und ω₃, die die Gleichung ω₁ + ω₂ = ω3 erfüllen (beispielsweise Pumpstrahlen und die Signalstrahlen sowie Komplementärstrahlen eines optischen parametrischen Oszillators), wobei ω₃ in Resonanz mit den Spektren der UV-sichtbaren Absorption des lichtempfindlichen Chromophors ist. Der einfachste Fall für die Bestrahlung mit zwei Wellenlängen entspricht dem Fall mit drei Photonen mit Entartung, das heißt ω₁ = ω₂ = ω und ω₃ = 2ω. Auf der mikroskopischen Ebene wird ein derartiges Phänomen als Quanteninterferenz zwischen Absorptionsprozess von einem und zwei Photonen interpretiert, was zu einer Anregungswahrscheinlichkeit, die nicht zentralsymmetrisch ist, und einem Bruch der Zentralsymmetrie durch Kopplung des Zerfallsprozesses in einen Zustand führt, dessen Struktur übergangsweise modifiziert ist (beispielsweise eine Photoisomerisierung, die reversibel ist wie für den Fall von Molekülen vom photochromen Typ mit einer Doppelbindung N=N zwischen zwei Aromatenringen, und mit der Möglichkeit der reversiblen Photoisomerisierung vom Typ Trans-Cis-Trans).
STAND DER TECHNIK
Für den Fall eines einzigen linear polarisierten Strahls mit senkrechtem Einfall auf den Speicherträger werden die Moleküle entsprechend axial senkrecht zur Richtung der Polarisation des Pumpstrahls neu orientiert. Man weiß damit, dass man zwischen den unterschiedlichen Richtungen der Polarisation des Schreibstrahls unterscheiden kann, die zu verschiedenen Richtungen bei der optischen Achse führen, die in der Ebene des Films eingeprägt ist, so dass man so die Dichte der abgespeicherten Information erhöhen kann, indem die Anzahl der möglichen doppelbrechenden Konfigurationen pro Pixel erhöht werden.
Im Fall einer Konfiguration mit Bestrahlung mit zwei jeweils kohärenten Wellenlängen können sich die axialen Zustände in neue Zustände mit polarer Symmetrie aufspalten, wie dies in Tabelle 1 dargestellt ist. Für den Fall von Strahlen, die linear in eine gemeinsame "vertikale" Richtung polarisiert sind, kommt man beispielsweise, wenn eine axiale Ordnung, die den hauptsächlich entlang einer "vertikalen" Richtung ausgerichteten Molekülen entspricht, vorher mit dem Weigert-Effekt durch horizontale Polarisation des Pumpstrahls erzeugt wurde, um zu indifferent nach oben oder nach unten orientierten Molekülen zu gelangen, an den Punkt, dass eine zweite Bestrahlung mit zwei Wellenlängen je nach den oben definierten Polarisationsbedingungen bei zwei neuen Zuständen erfolgt, die den so vorzugsweise entweder nach oben oder nach unten orientierten Molekülen entsprechen. Die Unterscheidung zwischen diesen beiden neuen Zuständen führt zu einem Verfahren, bei dem die Phase zwischen den beiden Schreibstrahlen mit ω und 2ω überprüft wird.
Insbesondere in:

S. Brasselet und J. Zyss, J. Opt. Soc. Am. B., Band 15(1), 257, 1998 – Feature issue on Organic and Polymeric Nonlinear Optical Materials
wurde gezeigt, dass die Polarisationseffekte zu verschiedenen Schreibtensoren zugeordnet werden können und insbesondere:
bei dem Weigert-Effekt mit einem Photon einem elektromagnetischen Feldtensor vom Rang 2, nämlich F⁽¹⁾, der definiert ist als: F(1) = Re[Eω ⊗ (Eω)*] (1),
wobei Re den reellen Anteil bezeichnet, das ^⊗-Symbol ein Tensorprodukt bezeichnet und * die komplexe Konjugation bedeutet;
bei dem entarteten Interferenzeffekt mit einem oder zwei Photonen, bei dem ein Infrarotlaserstrahl und die entsprechende harmonische Bestrahlung eingesetzt wird, einem elektromagnetischen Feldtensor vom Rang 3, nämlich F⁽²⁾, der definiert ist als: F(1) = Re[Eω ⊗ Eω ⊗ (E2ω)*] (2),

Man beachte, dass die hier definierte Notation, die auch im folgenden Text verwendet wird, die gleiche ist wie die in dem genannten Artikel, auf den hingewiesen wurde.
Die Komponenten des elektromagnetischen Feldtensors F⁽ⁿ⁾ können in invarianter Form durch den Formalismus der Tensordarstellungen, die gegenüber Rotationen irreduzibel sind, mittels doppelt indizierter Koeffizienten als F_m ^J mit J = 0, 1, 2, 3 (bis zum Rang des Tensors, das heißt 2 bei F⁽¹⁾ und 3 bei F⁽²⁾) und – J ≤ m ≤ J dargestellt werden.
Es wird in dem Artikel von Brasselet und Zyss, der oben genannt wurde, außerdem gezeigt, dass die linearen und nichtlinearen Suszeptibilitäten durch Lichteinwirkung zu einer Näherung erster Ordnung des Schreibtensors ausgedrückt werden können durch:
wobei die Koeffizienten λ / J(1) und λ / J(2) von der Effizienz des Schreibprozesses abhängen, die ihrerseits mit den molekularen Parametern zusammenhängt, die unter anderem die Imaginärteile (der Resonanz) der Polarisierbarkeitstensoren α und β wie auch den Kopplungsfaktor mit den strukturell modifizierten Zuständen, die mit dem angeregten Zustand gekoppelt sind und am Relaxationsprozess der ursprünglichen Anregung teilhaben, umfassen. Eine derartige Abhängigkeit muss Fall für Fall mit Bezug auf die Eigenschaften des lichtempfindlichen und nichtlinearen ausgewählten Chromophors untersucht werden.
Der Term
0 (proportional zur kartesischen Spur) entspricht dem isotropen Beitrag zur linearen makroskopischen Polarisierbarkeit, während der Term
m der Doppelbrechung entspricht, wobei der Index m ≠ 0 die transversale Doppelbrechung in Bezug auf die Filmebene beschreibt. Gleicher Art sind die Koeffizienten
m mit J = 1,3 Komponenten der quadratischen Suszeptibilität mit den Indizes m ≠ 0, die den Tensorkoeffizienten in der Ebene des Films entsprechen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ziel der Erfindung ist es, eine Technik anzugeben, mit der Daten auf einem lichtempfindlichen Speicherträger mit einer deutlich höheren Dichte abgespeichert werden können.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel erreicht durch Codieren der Daten in Abhängigkeit von verschiedenen Zuständen, die für verschiedene Komponenten eines Suszeptibilitätstensors des lichtempfindlichen Trägers, der nichtlinear ist, möglich sind, und durch gleichzeitiges Bestrahlen wenigstens eines Punktes des Trägers mit Schreibstrahlen, bei denen die Polarisation eingestellt wird, um einen gegebenen, nichtlinearen Suszeptibilitätstensor auf den lichtempfindlichen Träger zu schreiben.
Bei binären Daten ordnet man beispielsweise den Pegel 0 einer Nullkomponente zu, und den Pegel 1 einer Komponente, die nicht gleich null ist.
Es ist folglich möglich, die Zustände verschiedener tensorieller Komponenten des eingeschriebenen nichtlinearen Suszeptibilitätstensors an dem Punkt des Trägers zu lesen, indem man den Punkt mit einem oder mehreren Lesestrahlen bestrahlt, deren Polarisation eingestellt wurde, und durch Messen der Intensität des Antwortstrahls, die sich dabei in den verschiedenen Richtungen der Polarisation seines elektrischen Feldes ergibt, die in Zusammenhang mit dem elektrischen Feld des Lesestrahls den verschiedenen Komponenten entspricht, die gelesen werden sollen.
Die Intensität des Antwortstrahls ist bei dem vorangehenden Beispiel somit null bei einer Polarisationsrichtung des elektrischen Feldes des Lesestrahls und einer Polarisationsrichtung des elektrischen Feldes des Antwortstrahls, die gegeben sind, wenn die tensorielle Komponente der nichtlinearen Suszeptibilität null ist; durch Lesen kann man also die mit Licht eingeschriebene binäre Information für diese tensorielle Komponente ableiten, deren Wert 0 ist. Bei dieser Polarisationsrichtung des elektrischen Feldes des Lesestrahls und dieser Polarisationsrichtung des elektrischen Feldes des Antwortstrahls ist damit die Intensität des Antwortstrahls ungleich null, so dass man in diesem Fall daraus ableitet, dass die mit Licht eingeschriebene binäre Information für diese tensorielle Komponente den Wert 1 hat.
Es versteht sich, dass bei einer derartigen Ausnutzung des tensoriellen Charakters der nichtlinearen Suszeptibilität die Dichte der Information, die man an ein und demselben Punkt eines lichtempfindlichen Trägers schreiben kann, angehoben wird.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung sind im übrigen die beiden Schreibstrahlen zwei kohärente Strahlen, bei denen die Phase derart eingestellt wird, dass das Vorzeichen der Komponenten des nichtlinearen Suszeptibilitätstensors entsprechend gewählt ist.
Wie sich aus der folgenden Beschreibung ergibt, ist damit erwiesen, dass es möglich ist, das Vorzeichen der Komponenten eines nichtlinearen Suszeptibilitätstensors einzustellen, indem man die Phasenverschiebung zwischen den Schreibstrahlen einstellt.
Die Einstellung des Vorzeichens der Tensorkomponenten, die somit vorgenommen werden kann, erlaubt es außerdem, die Speicherdichte der Information am Punkt des lichtinduzierten Schreibvorgangs zu erhöhen.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ist schließlich auf Grund der verschiedenen folgenden Merkmale vorteilhaft, die einzeln oder in Verbindung miteinander, soweit technisch möglich, umfassen:

Überlagerung eines lichtinduzierten Schreibvorgangs eines nichtlinearen Suszeptibilitätstensors, der einem ersten Codierungspegel entspricht, einem lichtinduzierten Schreibvorgang eines linearen Suszeptibilitätstensors, der einem zweiten Codierungspegel entspricht und der beim Lesen des ersten Codierungspegels nicht erscheint,
Verwendung von Schreibstrahlen, die zirkulare bzw. gegenzirkulare Polarisation aufweisen,
Einfärbung des optischen Speicherträgers, die auf Azobenzol beruht,
Bestrahlung des Trägers mit verschiedenen Sätzen von Schreibstrahlen, die verschiedenen Wellenlängen für den lichtinduzierten Schreibvorgang entsprechen,
Färbung des Trägers, die Orientierungseigenschaften bezüglich verschiedener Wellenlängen aufweist, die den verschiedenen Sätzen von verwendeten Schreibstrahlen entsprechen,
mehrere Einfärbungen des Trägers.

DARSTELLUNG DER FIGUREN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Diese Beschreibung dient nur zur Erläuterung ohne Einschränkung und nimmt Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
1 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau zum Umsetzen eines lichtinduzierten Schreibvorgangs gemäß der Erfindung.
2 zeigt eine grafische Darstellung, in der die zeitliche Entwicklung der gemessenen Intensität am Fotodetektor beim Aufbau nach 1 dargestellt ist, wenn eine Tensorkomponente lichtinduziert geschrieben wird.
3 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau zum Lesen.
BESCHREIBUNG VON MÖGLICHEN ARTEN ZUR UMSETZUNG DER ERFINDUNG
Die tensorielle Speicherung von Information, wie sie erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, lässt sich mit Vorteilen bei optischen Trägern umsetzen, auf denen es möglich ist, physikalische Effekte lichtinduziert zu schreiben, die sich durch Tensoren der Ordnung 2 (gewöhnlicher linearer Fall entsprechend Rang 2 des dielektrischen Tensors, auch im Fall der Beugung und der Doppelbrechung) oder der Ordnung 3 (nichtlineare quadratische Optik) oder sogar höherer Ordnung ausdrücken lassen.
Unter Verwendung ausschließlich der linearen parallelen Polarisationen und einem Speichermedium vom Typ Azopolymer erhält man als Beispiel einfach die vier molekularen Orientierungszustände, die in der Tabelle 1 im Anhang an diese Beschreibung wiedergegeben sind. Man kann von vier auf sieben Zustände kommen, wenn man zu den in Tabelle 1 bereits dargestellten Konfigurationen drei weitere Konfigurationen hinzufügt, die den Schreibstrahlen mit ω und 2ω, die "horizontal" polarisiert sind und nicht bloß vertikal wie bei einem Einphotonenstrahl (einfacher Weigert-Effekt), der "vertikal" polarisiert ist, entsprechen.
Die verschiedenen Komponenten des Schreibtensors sind im Einzelnen in der Tabelle 2 im Anhang wiedergegeben. Die Identifizierung der verschiedenen Orientierungsrichtungen, die den verschiedenen Schreibtensoren entsprechen, sind dann etwas schwieriger als für den oben Fall, der Tabelle 1 entspricht, darzustellen.
Die Anzahl der möglichen Codierungszustände kann außerdem vervielfacht werden, indem man den tensoriellen Charakter des Suszeptibilitätstensors ausnutzt, wie dies erfindungsgemäß vorgeschlagen wird.
Dies kann noch weiter getrieben werden, indem auf adäquate Art die Phasenverschiebung zwischen den Schreibstrahlen eingestellt wird, und außerdem ist es möglich, dass an demselben Punkt die Codierungszustände entsprechend verschiedenen molekularen Ordnungen vervielfacht werden, indem die Komponenten des nichtlinearen Suszeptibilitätstensors verändert werden.
Wenn man die einfallenden Schreibstrahlen betrachtet, die linear in derselben Richtung polarisiert sind und einen Winkel φ mit einer Achse x im Bezugssystem, das mit dem Träger verbunden ist, auf dem der lichtinduzierte Schreibvorgang stattfindet, einschließen, so erhält man die folgenden Ausdrücke für die kartesischen Komponenten des Schreibtensors ungleich null bei dem Prozess mit einem Photon: F xx(1) = E2 cos2 φ, F yy(1) = E2 sin2 φ, F xy(1) = E2 cos φ sin φ (5),wobei diese Ausdrücke genauso gut in Kugelkoordinaten geschrieben werden können als:
Auf die gleiche Art erhält man für die kartesischen Komponenten des Schreibtensors entsprechend den dazugehörigen Effekten mit einem und zwei Photonen: F xxx(2) = E3 cos3 φ cos(Δϕ), F xxy(2) = E3 cos2 φ sin φ cos(Δϕ) (7) F xyy(2) = E3 cos φ sin2 φ cos(Δϕ), F yyy(2) = E3 cos3 φ cos(Δϕ)wie auch ihre Äquivalenzen in Kugelkoordinaten:
wobei die folgenden Notationen für die einfallenden elektrischen Felder gelten: E2 = ||EωEω||, E3 = ||EωEω(Eω)*||,wobei Δϕ die Phasenverschiebung zwischen den verschiedenen Schreibstrahlen ist und 2ϕ^ω – ϕ^2ω beträgt.
Wie sich aus diesen Ausdrücken ergibt, besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen dem Prozess mit einem oder zwei Photonen und dem entsprechenden Prozess mit einem und zwei Photonen in der für diesen letzten Fall speziellen Verteilung eines Faktors für die Ausbreitungsphasenverschiebung zwischen den Strahlen mit ω und 2ω, was zur Dispersion auf Grund der Brechung in dem Medium führt.
Indem man diesen Faktor für die Phasenverschiebung einstellt, lässt sich die Orientierungsrichtung der Moleküle einstellen.
Als Beispiel sei ein derartiger lichtinduzierter Schreibvorgang auf einer Polymethyl-Metacrylat-Folie mit dem üblicherweise unter DR1 bekannten Färbemittel ("disperse red one" in der englischen Bezeichnung) genannt.
Der Grad der Substitution beträgt beispielsweise 0,3 pro Monomer des Polymers.
Dieses Material löst sich in dem Lösungsmittel 112 Trichloroethylen (mit einer Gewichtskonzentration von 10%), anschließend werden die Schichten aus lichtempfindlichem Material mit 2000 Umdrehungen pro Minute spin-aufgetragen, und zwar auf einem Glassubstratträger, bis man eine Schichtdicke in der Ordnung von 1 μm erreicht hat.
Der lichtinduzierte Schreibvorgang erfolgt mit einem Aufbau der Art, wie er in 1 dargestellt ist.
Dieser Aufbau umfasst eine Laserquelle 1, die in diesem Fall ein gepulster YAG-Laser ist, dessen Pulsbreite in der Ordnung einer Pikosekunde liegt und der mit 10 Hz und einer Energie von einigen mJ betrieben wird.
Der Strahl am Ausgang dieser Quelle 1 wird in einen KDP-Verdopplerkristall 2 eingekoppelt. Die beiden Strahlen am Ausgang dieses Verdopplerkristalls 2 haben Wellenlängen, die einerseits 1,064 Mikrometer (Strahl mit der Frequenz ω) und andererseits 532 nm (Strahl mit der Frequenz 2ω) betragen. Diese beiden Strahlen werden in Einrichtungen für die Einstellung der Polarisation 3 (steuerbarer Polarisator) eingekoppelt und anschließend über optische Einrichtungen 4 auf die Probe E gelenkt, auf der sich der lichtempfindliche Film befindet.
Gleichzeitig mit diesem Schreibvorgang richtet man einen infraroten Lesestrahl IR auf den Punkt der Probe, an dem der lichtinduzierte Schreibvorgang stattfindet.
Der Antwortstrahl am Ausgang des Films wird nach Filterung mit einem Infrarotfilter 5 mittels Fotodetektoreinrichtungen 6 erfasst.
Der Prozess des lichtinduzierten Schreibvorgangs wird unterbrochen, wenn sich die Intensität des von der Einrichtung 6 erfassten Signals stabilisiert, wie dies grafisch in 2 dargestellt ist.
Durch Veränderung der Polarisation der Schreibstrahlen ist es möglich, sukzessive die gewählten Zustände für die verschiedenen tensoriellen Komponenten der nichtlinearen Suszeptibilität zu schreiben.
Das Lesen der Informationen wie auch das lichtinduzierte Schreiben erfolgt mittels eines Aufbaus, wie er in 3 dargestellt ist, der eine Quelle 7 für das Ausstrahlen eines Lesestrahls, hier Infrarot, in Richtung der Probe E umfasst.
Dieser Aufbau umfasst außerdem Fotodetektoreinrichtungen 6, die bei der Probe gegenüber der Quelle 7 angeordnet sind, Filtereinrichtungen 5 zwischen der Probe E und den Fotodetektoreinrichtungen 6, sowie Einrichtungen 8 zum Einstellen der Polarisationsrichtungen des elektrischen Feldes des Schreibstrahls und des Antwortstrahls, die auf die Detektoreinrichtungen treffen.
Wenn man einen lichtinduzierten Schreibvorgang umsetzen möchte, indem man das Vorzeichen der Tensorkomponenten setzt, verwendet man im Übrigen beim Schreiben optische Einrichtungen, die eine dichroitische Platte umfassen, mit der man den Strahl der Frequenz ω von dem Strahl der Frequenz 2ω trennen kann, um eine Phasenverschiebung des einen der beiden Strahlen in Bezug auf den anderen herbeizuführen.
Das Lesen des Vorzeichens der Tensorkomponenten erfolgt seinerseits unter Verwendung eines Referenzmaterials, bei dem man das Vorzeichen der verschiedenen Tensorkomponenten kennt und auf welches man dasselbe Vorzeichen beim Lesen wie bei dem lichtinduziert beschriebenen Material schickt. Die Antwortstrahlen am Ausgang der beiden Materialien werden summiert. Je nach Intensität bei der Fotodetektion, das heißt ob sie größer oder kleiner als die Intensität bei der Fotodetektion in Bezug auf ausschließlich das Referenzmaterial ist, hat die analysierte Tensorkomponente das eine Vorzeichen oder das andere.
Die Erfindung hat besondere Vorteile beim Verbergen von Informationen auf einem optischen Träger.
Im Fall einer Beschreibung in molekularer Ordnung mit Hilfe der Strahlen ω und 2ω mit jeweils zirkularer bzw. gegenzirkularer Polarisation kann es keine Doppelbrechung in der Ebene des Films geben, da die Strahlen zirkular polarisiert sind. Das Lesen auf "klassische" Art mit einem Photon, beispielsweise bei senkrechtem Einfall zwischen gekreuzten Polarisatoren mit einem Winkel von 45° in Bezug auf die Polarisationsrichtung eines angenommenen einzigen Schreibstrahls, ist daher ungeeignet, mit dem nichtlinearen Verfahren geschriebene Information nachzuweisen.
Es versteht sich, dass eine derartige Konfiguration eingesetzt werden kann, um einen lichtinduzierten Schreibvorgang ohne Wissen des Anwenders zu verbergen.
Ein weiteres Beispiel für das Umsetzen ist das folgende.
Es wird eine Konfiguration zum Schreiben linearer Doppelbrechung mit linear polarisiertem Licht und N definierten Orientierungen der Schreibpolarisation betrachtet. Die Hinzunahme eines zusätzlichen kohärenten Strahls zum obigen, der linear polarisiert ist, macht es möglich, die Anzahl der Zustände zu verdoppeln, indem die Phasenverschiebung zwischen den beiden Strahlen verändert wird. Daraus ergeben sich 3 N Zustände in Zusammenhang mit der Doppelbrechung. Unter Verwendung eines zirkular polarisierten Strahls kann man neun Orientierungszustände erzeugen, nämlichen einen isotropen Zustand plus vier Mal (Kombinationen aus zirkularen und gegenzirkularen) zwei (für die verschiedenen Phasenverschiebungen) Zustände. Man erhält so 3 N + 9 mögliche Zustände für die Codierung von jedem Pixel.
Der Fall N = 4 ist in der Praxis einfach umsetzbar und entspricht den Orientierungen der Polarisationsrichtungen, die einen Winkelabstand von 45° haben, eine Forderung, durch die das Lesen zwischen den Polarisatoren nicht eingeschränkt wird. Man erhält somit 21 Zustände pro Pixel. Dies bedeutet, dass es diese Technik ermöglicht, die Speicherdichte um wenigstens den Faktor 10 zu erhöhen.
Die Überlagerung einer zusätzlichen Information, die auf nichtlineare Art codiert wurde, mit einer linear codierten Information ist sehr interessant, wenn man Informationen verbergen möchte, beispielsweise im Zusammenhang mit der Authentifizierung von Dokumenten oder im Zusammenhang mit der Verschleierung von Informationen. Zu diesem Zweck wird ein Verfahren angegeben, das analog zu dem ist, bei dem man mit einer sympathetischen Tinte schreibt.
Auf einer ersten Zugriffsebene erhält der Anwender nur Zugang zu Information, die auf traditionelle Art linear codiert wurde. Die beim Schreiben nichtlinear codierte Information, die also einem Niveau mit beschränktem Zugriff entspricht, ist für ihn also vollkommen unsichtbar. Sie wird erst zugänglich bei Abruf mit Einrichtungen, mit dem das Lesen auf nichtlineare Art möglich wird.
Die Zugriffszeiten für das Schreiben oder Lesen physikalischer Effekte, die gerade beschrieben wurden, hängen stark von der Trägermatrix aus Polymer ab, deren Viskosität die Grundlage für die intermolekularen Wechselwirkungen ist und die damit die Zeit für die Neuorientierung des Chromophors, der nichtlinear und lichtempfindlich ist, bestimmt.
Die Dauer der Pulse spielt ebenso eine bedeutende Rolle wie bei der Orientierungsdynamik, wobei eine kurze Dauer die optimale Dauer ist (Optical poling of azo-dye doped thin film using an ultra-short pulse laser, K. Kitaoka, J. Si, T. Mitsuyu, K. Hirao, Appl. Phys. Lett., 75(2), 1999, Seite 157 – 159).
Diese Zugriffszeiten können weiter verringert werden, indem man eine Konfiguration für das parallele Schreiben/Lesen einsetzt, wobei man die Möglichkeiten der Optik bezüglich Parallelität ausnutzt.
Im Übrigen sind die intrinsischen Eigenschaften des Materials an sich ebenfalls wichtig: das Verhalten der tensoriellen Kopplung zwischen dem optischen Schreibtensor und dem Molekül hängt von den nichtlinearen Eigenschaften des Moleküls und seinen eigenen tensoriellen Eigenschaften ab. Es ist außerdem so, dass die Möglichkeit, eine Information mit tensorieller Symmetrie, genannt "oktopolar" (bzw. "dipolar"), zu schreiben, von der Anwesenheit von Komponenten der gleichen Eigenart in dem molekularen Tensor und daher von der Struktur des Moleküls abhängt (beispielsweise der Symmetrie der Substituenten im Fall eines Aromatenrings, der seitlich durch Ladungstransfergruppen substituiert wurde).
Die oktupolaren Moleküle unterscheiden sich durch vollständiges Fehlen des permanenten Dipolmoments auf molekularer Ebene, wobei sie nicht zentralsymmetrisch sind. Die tetraedrischen Moleküle sind besonders interessant in dieser Beziehung, da ihre lineare Polarisierbarkeit (Tensor α) sich außerdem durch ein Fehlen der Anisotropie auszeichnet (z.B. δα = 0, und es ist dieser Tensor δα, der sich am mikroskopischen Ursprung der Doppelbrechung wie auch der Orientierung über den optischen Kerr-Effekt befindet). Man kann also eine nichtlineare Information ohne lineare Doppelbrechung schreiben, so dass man zu einem Träger gelangt, der eine nichtlineare Information verschlüsselt enthält und eine unbeschriebene lineare Ebene für jede weitere Abspeicherung aufweist.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Eigenschaft des lichtempfindlichen Materials und seine physikalisch-chemischen Eigenschaften. Eine besonders passende Familie ist die der aus Azobenzol abgeleiteten Farbstoffe, wobei diese Farbstoffe bekannt sind für ihre Fähigkeit der molekularen Neuorientierung wie auch die Einsetzbarkeit für quadratisch nichtlineare Optik (NLO) durch Anfügen von Gruppen von Donnatoren und Akzeptoren von Elektronen.
Materialien, die verwendet werden können, liegen beispielsweise in Form eines Trägerfilms vor, der eingelagerte Moleküle aufnimmt, oder auch in Form von Polymeren mit Implantationen als laterale oder Hauptkette und eventuell vernetzbare Ketten. Es ist ebenso vorstellbar, dass man Matrizen aus Flüssigkristallen oder flüssigkristallinen Polymeren verwendet. Jedes andere Material, das sich eignet, Moleküle aufzunehmen, die für lichtinduzierte Neuorientierung und potentielles NLO geeignet sind (zum Sicherstellen der Kopplung der Orientierung mit dem Feldtensor zum Schreiben wie zum Sicherstellen des Lesens beim Erzeugen der zweiten Harmonischen), sind mögliche Kandidaten. Darüber hinaus kann die physikalische Struktur des Speicherträgers aus mehreren Schichten aufgebaut sein, wobei jede Schicht eine bestimmte Eigenschaft hat. Eine optisch nichtlineare Schicht kann auf einem anderen Substrat aufgebracht sein und sich dafür eignen, die physikalische Stapelung von Informationsschichten unterschiedlicher Natur zu begünstigen.
In den obigen Beispielen hat man sich auf eine einzige aktive Einheit in dem Film und einen einzigen Satz von Wellenlängen im Spektrum zum Schreiben/Lesen (bei Vorhandensein eines Wellenlängendoublets) beschränkt. Jedoch ist es möglich, das Prinzip der Technik, das soeben beschrieben wurde, auf mehrere molekulare Einheiten mit Absorptionsbanden bei spektral unterschiedlichen Trägern zu verallgemeinern, so dass man von den Vorteilen des Multiplexens von Wellenlängen und/oder mehreren Sätzen von Wellenlängen zum Lesen/Schreiben profitiert. Tatsächlich hängt die Effizienz beim Abspeichern/Schreiben im nichtlinearen optischen Betrieb von der Resonanz zwischen den molekularen UV-sichtbaren Übergängen und der Wellenlänge des Strahls mit der größten Energie unter den dreien (oder den beiden im Fall der Degenerierung) ab, wobei der Wert ein mehr oder weniger ausgeprägtes Maximum unter den Bedingungen der Quasi-Resonanz darstellt.
Man kann daher die folgenden Konfigurationen kombinieren:

eine einzige funktionelle Molekülart mit großem Spektrum (inhomogene Vergrößerung kann zu mehren cm^–1 bei Umgebungstemperatur führen und entspricht der statistischen Dispersion von relativen Konfigurationen des funktionellen Moleküls gegenüber der Trägermatrix), wovon man verschiedene spektrale Eigenschaften nutzt, die den Neuorientierungen durch Lichteinwirkung bei mehreren Wellenlängen entsprechen;
eine Mischung aus zwei Farbstoffen (oder mehreren) mit verschiedenen Spektren, die sich jedoch überdecken, wodurch es ermöglicht wird, den beschreibbaren spektralen Bereich zu verbreitern und die Anzahl der beschreibba ren Zustände pro Spektrum (nach dem vorangehenden Schema, das heißt mit einem oder mehreren Sätzen von Wellenlängen) in Bezug auf die spektral adressierbaren Proben (unter Berücksichtigung des nutzbaren Bereichs für die verfügbaren Quellen) zu vergrößern. Es ist außerdem vorstellbar, dass eine Mischung eingesetzt wird, bei der die Arten so ausgewählt werden, dass die Spektralintervalle zwischen den Spitzen minimiert werden, um eine spektrale Abdeckung sicherzustellen, die über eine große Bande quasi kontinuierlich ist, und auch einen Lese-/Schreibbetrieb sicherzustellen, der so weit wie möglich unabhängig von der Wellenlänge zum Schreiben/Lesen ist (z.B. unkritische spektrale Eigenschaft oder "Hole-Burning" in großer Bande). Auf Grund dieser Tatsache sind die Wellenlängen zum Schreiben mit einem und zwei Photonen gleichzeitig für eine gegebene Molekülart quasi resonant. Das Lesen bei einer fundamentalen Wellenlänge, die nicht resonant ist, ist bei jeder Molekülart möglich.

Tabelle 1:
Einfache Konfigurationen können beobachtet werden unter Verwendung von linear polarisierten Strahlen bei Einstellung ihrer relativen Phase
Tabelle 2:
Kartesische und polare Tensorkomponenten des optischen Schreibtensors für den Fall der zirkularen und gegenzirkularen Polarisation mit kohärenten Strahlen, kartesische Darstellung: Jede Komponente der folgenden Tabelle muss mit einem Amplitudenfaktor
multipliziert werden.
Kugelkoordinatendarstellung: Jede Komponente der folgenden Tabelle muss mit einem Amplitudenfaktor E³ multipliziert werden.
Tabelle 3:
Verschiedene mögliche Ebenen des Schutzes von Information durch gemischte Codierung in linearem und nichtlinearem Modus

Claims

Verfahren zum Durchführen eines lichtinduzierten Schreibvorgangs von Daten auf einem lichtempfindlichen Speicherträger, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten in Abhängigkeit von verschiedenen Zuständen codiert werden, die für die verschiedenen Komponenten eines nichtlinearen Suszeptibilitätstensors 2 oder höherer Ordnung des lichtempfindlichen Trägers möglich sind, und dass gleichzeitig wenigstens ein Punkt des Trägers mit Schreibstrahlen bestrahlt wird, deren Polarisation zum lichtinduzierten Schreiben eines nichtlinearen Suszeptibilitätstensors auf dem lichtempfindlichen Träger eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtempfindliche Speicherträger aus einem quadratisch nichtlinearen optischen aktiven Material besteht, wobei der nichtlineare Suszeptibilitätstensor von der Ordnung 3 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine gleichzeitige Bestrahlung mit ein und zwei Photonen vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Lesen der Zustände der verschiedenen Tensorkomponenten des nichtlinearen Suszeptibilitätstensors, der an den Punkt des Trägers geschrieben wurde, der Punkt mit einem Lesestrahl bestrahlt wird, bei dem die Polarisation eingestellt ist, und die Intensität des Antwortstrahls gemessen wird, die sich dabei je nach den verschiedenen Richtungen der Polarisation seines elektrischen Feldes ergibt, die in Zusammenhang mit dem des elektrischen Feldes des Lesestrahls den verschiedenen Komponenten entspricht, die gelesen werden sollen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schreibstrahlen zwei kohärente Strahlen sind, deren Phase derart eingestellt ist, dass das Vorzeichen der Komponenten des nichtlinearen Suszeptibilitätstensors eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein lichtinduzierter Schreibvorgang eines nichtlinearen Suszeptibilitätstensors, der einer ersten Codierungsebene entspricht, einem lichtinduzierten Schreibvorgang eines linearen Suszeptibilitätstensors überlagert wird, der einer zweiten Codierungsebene entspricht und der bei dem Lesen der ersten Ebene der Codierung nicht in Erscheinung tritt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schreibstrahlen verwendet werden, wobei die Polarisationen zirkular bzw. gegenzirkular sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Speicherträger einen Farbstoff aufweist, der auf Azobenzol basiert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger mit verschiedenen Gruppen von Schreibstrahlen bestrahlt wird, die verschiedenen Wellenlängen für den lichtinduzierten Schreibvorgang entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger einen Farbstoff umfasst, der Orientierungseigenschaften in Bezug auf die verschiedenen Wellenlängen aufweist, die verschiedenen Gruppen von verwendeten Schreibstrahlen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger mehrere Farbstoffe aufweist.