DE69230435T2

DE69230435T2 - Verfahren zur dreidimensionalen optischen speicherung und wiedergabe von daten

Info

Publication number: DE69230435T2
Application number: DE69230435T
Authority: DE
Inventors: James Strickler; Watt Webb
Original assignee: Cornell Research Foundation Inc
Current assignee: Cornell Research Foundation Inc
Priority date: 1991-07-22
Filing date: 1992-07-22
Publication date: 2000-05-11
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: EP0595999B1; EP0942431A2; ATE187842T1; US5289407A; EP0595999A1; EP0595999A4; JPH07501168A; JP2810542B2; DE69230435D1; WO1993002454A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schreiben von optischen Daten mit dreidimensionaler Auflösung in ein Medium, umfassend:
Schreiben der optischen Daten durch Erzeugen eines einzigen, intensiven Bündels aus fokussierbarem, kohärentem Licht; und Fokussieren des Bündels auf ein lichtempfindliches Material als das Medium in einem Fokalbereich des Bündels, um dadurch eine detektierbare charakteristische Änderung in dem Medium in bzw. an dem Fokalbereich zu erzeugen.
Ein Verfahren der vorstehend genannten Art ist in dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 32, Nr. 38, 8/89, Seiten 344-347 (nachstehend als "IBM-Offenbarung" bezeichnet) offenbart. Jedoch offenbart die IBM-Offenbarung ein Fotobleichen, legt aber nicht Änderungen im Brechungsindex nahe. Weiterhin diskutiert die IBM-Offenbarung eine Verwendung der von dem Bleichen ausgelesenen dritten Harmonischen (THG). Ein solches Auslesen ist angemessen für das Lesen entweder einer Änderung des Absorptionsvermögens oder der Fluoreszenz, aber nicht für das Lesen von Änderungen im Brechungsindex. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf ein Auslesen des Absorptionsvermögens gerichtet.
Auf der Seite 345 der IBM-Offenbarung wird das Leseverfahren als eine Spektralabsorptionsänderung definiert. Jedoch wird jener Mechanismus in der vorliegenden Erfindung nicht verwendet; die vorliegende Erfindung verwendet vielmehr eine Änderung des Brechungsindex, welche durch Laserdifferentialinterferenzkontrast ausgelesen werden kann.
Das Abstract von JP-A-6 109 339 offenbart Zweistrahlinterferenzoptiken für die Verwendung beim Lesen, bezieht sich aber nur auf Reflexion. Im Gegensatz hierzu verwendet die vorlie gende Technik nur Übertragung bzw. Durchlässigkeit von Licht durch das Speichermedium. Weiterhin scheint das vorerwähnte japanische Abstract, obwohl behauptet wird, daß die Phasenänderungen durch Inhomogenitäten verursacht werden, anzugeben, daß die Phasenänderungen durch Differenzen in der Tiefe der Diskontinuitäten in der Oberfläche verursacht werden, nicht durch Inhomogenitäten in dem Material selbst, und im besonderen nicht durch Änderungen im Brechungsindex innerhalb des Materials.
Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der US-Regierung unter Grant Nr. P41RR04224, zugesprochen durch die National Institutes of Health, und unter Grant Nr. DIR8800278, zugesprochen durch die National Science Foundation, gemacht. Die US- Regierung hat gewisse Rechte an der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren zum Speichern von Daten in einem dreidimensionalen Medium, und mehr im besonderen optische Datenspeichertechniken unter Verwendung von Zwei-Photon-Erregung in licht- bzw. strahlenbrechenden Medien bzw. in Brechungsmedien.
Konventionellerweise kann eine zweidimensionale optische Datenspeicherung Information mit etwa 10 Bits/cm² unter Verwendung von sichtbaren oder infraroten Wellenlängen bei der Brechungsgrenze aufzeichnen. Es ist vorgeschlagen worden, daß durch Schreiben und Lesen von Daten in einem dreidimensionalen Format Datenspeicherdichtungen von mehr als 1012 Bits/cm³ erreicht werden könnten. Siehe z. B. US-A-4 466 080 und US-A-4 471 470 an Swainson et al. welche die Verwendung von zwei einander schneidenden Strahlungsbündeln offenbaren, die auf ausgewählte optische Eigenschaften eines aktiven Mediums abgestimmt sind, um Inhomogenitäten zu bilden und zu detektieren. In einem solchen System vervielfältigt ein Stapel von zweidimensionalen (2-D) planaren Bitanordnungen bzw. -gruppierungen effektiv die Datendichte durch die Anzahl der Ebenen in einem dreidimensionalen (3-D) Stapel. Obwohl die Hauptschwierigkeit bei einem solchen System das Übersprechen zwischen Ebenen ist, kann das Schreiben mit dreidimensionaler Auflösung in dicken Medien durch nichtlineare Erregung der Medien, um die Datenspeicherung auf die ausgewählte Fokalebene zu beschränken, bewerkstelligt werden.
Um zu sehen, wie dieses geschehen kann, sei ein einzelnes fokussiertes Gaußsches Bündel, gut unterhalb der Sättigungsintensität, betrachtet, das auf eine physikalisch dicke, aber optisch dünne absorbierende Probe auftrifft. Für den Fall der Erregung, die in der Richtung der einfallenden Strahlung linear ist, wird derselbe Betrag an Energie in jeder Ebene quer zu der optischen Achse unabhängig von dem Abstand von der Fokalebene absorbiert, da nahezu der gleiche Nettophotonenfluß jede Ebene kreuzt. Demgemäß kontaminiert eine lineare Erregungen Ebenen oberhalb und unterhalb der speziellen angesprochenen Fokalebene stark. Für ein Erregungssystem, das quadratisch von der Intensität abhängt, fällt jedoch die Nettoerregung pro Ebene mit dem Inversen der vierten Potenz des Abstands von der Fokalebene ab. Daher kann Information in einer einzelnen Fokalebene ohne signifikantes Kontaminieren von benachbarten Ebenen jenseits des Rayleigh-Bereichs Zo = πwo²n/λ geschrieben werden, wobei n der Mediumbrechungsindex ist, λ die Wellenlänge ist und wo = 1,22 λ/N·A ist. Die minimale Fleckgröße kann durch das Rayleigh-Kriterium für eine runde Öffnung bzw. Apertur approximiert werden.
US-A-4 466 080 und US-A-4 471 470 schlagen die Verwendung von zwei oder mehr einander schneidenden Bündeln vor, um das Schreiben und Lesen von Information auf 3-D fotochromen optischen Speichern zu lokalisieren. US-A-5 034 613 an Denk et al. schlagen ein einfacheres System vor, das ein einzelnes hochfokussiertes Bündel verwendet, um durch Zwei-Photon-Erregung aufzuzeichnen und zu lesen. Nachfolgend hat die Anmelderin hier optische Datenspeicherung hoher Dichte durch Zwei- Photon-Fotoaktivierung eines fluoreszenten Farbstoffs, welcher nichtfluoreszent war, bis er fotochemisch modifiziert wurde, demonstriert, wie in "Two-photon Excitation in Laser Scanning Fluorescence Microscopy", Proceedings of the International Society for Optical Engineering, Bd. 1398, S. 107- 117, 1991, beschrieben ist. Jedoch leiden Speicher, die auf der Fluoreszenzmodulation beruhen, an der Beschränkung, daß ihre Gebrauchslebensdauer durch Fotobleichen begrenzt ist.
Die vorstehenden Probleme werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren der eingangs genannten Art überwunden, welches gekennzeichnet ist durch Schreiben der optischen Daten mittels Erzeugen einer Zwei-Photon-Erregung des Materials aus dem einzigen fokussierten intensiven Bündel heraus nur in bzw. an dem Fokalbereich des Bündels zum Erzeugen einer lokalisierten Brechungsindexinhomogenität als der detektierbaren charakteristischen Änderung in dem Medium.
Dieses bedeutet, daß die vorstehenden Probleme gemäß der vorliegenden Erfindung überwunden werden durch das Vorsehen von optischen Techniken für das Schreiben und Lesen von Daten in einem dreidimensionalen mehrschichtigen Format, worin die Information als Submikronvolumenelemente von modifiziertem Brechungsindex geschrieben wird, die durch Zwei-Photon-erregte Vernetzung bzw. Quervernetzung oder Zersetzung bzw. Degradation von Polymermedien in dem Volumen induziert werden, das durch die schmalste Stelle eines hochfokussierten modusverriegelten Lasers definiert ist. Die so gespeicherte Information wird später mit dreidimensionaler Auflösung über Laserdifferentialinterferenzkontrastmikroskopie gelesen. Diese Techniken ermöglichen eine Speicherung von Daten mit einer noch nie dagewesenen Dichte von größer als 10 Bit/cm³, und ihre Anwendung auf das Format einer schnell rotierenden Scheibe bzw. Platte hat das Potential, Speichereinrichtungen zu erzeugen, die eine hundertfach größere Informationsspeicherkapazität als gegenwärtig verfügbare 2-D-Scheiben- bzw. -Plattenmaschinen haben. Das Verfahren scheint auch für die Herstellung von computererzeugten Volumenhologrammen der Art geeignet zu sein, welche für wichtige Anwendungen beim optischen Berechnen vorgeschlagen worden sind.
Zwei-Photon-Erregung bezieht sich auf die gleichzeitige Absorption von zwei Photonen durch ein Chromophor- bzw. Farbträgermolekül. Häufig können real erregte Zustände, auf die normalerweise durch Ein-Photon-Absorption zugegriffen wird, auch über die Absorption von zwei Quanten, von denen jedes die Hälfte der Energie des einzelnen bzw. einzigen Photons hat, erregt werden. Die wesentliche Charakteristik des Prozesses bzw. Verfahrens in dem gegenwärtigen Kontext besteht darin, daß die Photonen gleichzeitig auf das Molekül auftreffen müssen; demgemäß ist die Erregungsrate proportional dem Quadrat der einfallenden Intensität. Die Erregung wird daher auf das elliptische bzw. ellipsoidale Fokalvolumen beschränkt, wo die Intensität extrem hoch ist. Eine solche Erregung wird in der bevorzugten Form der Erfindung durch einen Laser erzeugt, welcher genügend einfallende Intensität liefert, um die gleichzeitige Absorption von zwei Photonen durch Fotopolymermoleküle zu erzeugen, wobei jedes Photon einhalb der Energie hat, die für die normale Ein-Photon-Absorption erforderlich ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorstehenden und zusätzliche Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform derselben, genommen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, ersichtlich, worin:
Fig. 1 eine schematische Veranschaulichung einer experimentellen Einrichtung zum Schreiben und Lesen von dreidimensionalen optischen refraktilen Speichern bzw. licht- bzw. strahlenbrechenden Speichern gemäß der Erfindung ist;
Fig. 2 und 3 Bilder von benachbarten statistischen Bitebenen sind, die von einem Stapel genommen worden sind, nachdem sie als ein dreidimensionaler optischer Speicher durch die Einrichtung der Fig. 1 beschrieben worden sind;
Fig. 4 ein Bild eines längsverlaufenden Querschnitts durch einen Stapel von 10 der Ebenen der Fig. 2 und 3 ist; und
Fig. 5 ein Bild eines längsverlaufenden Querschnitts durch den mittigen Bereich von einem 25-Schicht-Speicherstapel ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Zwei-Photon-Fotoeinleitung einer Vernetzungsreaktion in einem Material, wie Polymer, welche zu einer Dichteerhöhung des Materials und einer begleitenden Erhöhung des Brechungsindex führt, kann dazu benutzt werden, Phasendaten in drei Dimensionen zu schreiben. Die Anmelderin hat gefunden, daß eine flüssige Acrylatestermischung, wie CIBATOOL XB5081, die von 3d Systems, Valencia CA erhältlich ist, durch Zwei-Photon-Erregung unter Verwendung einer hochfokussierten gepulsten Laserstrahlung von 620 nm Wellenlänge hoher Spitzenleistung verfestigt werden kann. Bei der Belichtung werden die verfestigten Bereiche dieses Materials innerhalb der Flüssigkeit aufgrund von Brechung sichtbar, was diese Sorte von Material als einen Kandidaten für ein optisches Speichermedium anregt. Es sind viele Fotoresists bekannt, die Dichteänderungen entweder beim Vernetzen oder bei der Fotozersetzung bzw. -degradation erfahren, und sie sollten auch als Phasenaufzeichnungsspeichermedien brauchbar sein. Weiterhin können reversible foto- bzw. lichtbrechende Materialien potentiell als löschbare optische Speicher verwendet werden. Solche Materialien sind bereits in holografischen dreidimensionalen Datenaufzeichnungssystemen verwendet worden, aber nur mit beträchtlich niedrigerer Datenspeicherdichte.
Wie bei dem Fall von fluoreszenten Speichern müssen refraktile bzw. licht- bzw. strahlenbrechende Speicher durch eine Technik gelesen werden, die eine axiale Auflösung so hoch wie das Schreibverfahren hat und die gegen einen außerhalb des Fokus befindlichen Hintergrund diskriminiert bzw. unterscheidet. Die Differentialinterferenzkontrastmikroskopie (DIC), die eine gut bekannte Technik der Mikroskopie ist, kann so ausgeführt werden, daß sie für optische Wegdifferenzen, die nur an bzw. in der Fokalebene ihren Ursprung haben, empfindlich ist. Dieses wird durch Verwenden von Laserbündeln zum Abtasten des Materials anstatt des Beleuchtens des vollen Felds bewerkstelligt, so daß zwei fokussierte kreuzpolarisierte Komponenten eines ebenen bzw. eben polarisierten Quellenbündels dazu gebracht werden, durch die Probe hindurchzugehen, und zwar getrennt durch einen kleinen Abstand (< 1 um) in der Querrichtung. In der Fokalebene, wo die Komponentenbündel eng benachbart sind oder sich um nur einen kleinen Betrag überlappen, erleiden sie eine relative Phasenverschiebung, wenn die beiden Bündel durch Bereiche von unterschiedlichen Brechungsindices hindurchgehen. Durch Detektieren und dann Wiedervereinigen dieser Bündel so, daß sie in der Bildebene interferieren, und durch Analysieren der Polarisation der detektierten Bündel relativ zu der Quellenbündelpolarisation ist es möglich, die relative Phasenverschiebung zu messen, die zwischen den beiden Bündeln innerhalb des Materials an bzw. in der Fokalebene aufgetreten ist. Mittels Rasterabtastung der fokussierten Bündel durch das Material und Sichtwiedergabe der detektierten Intensität auf einer Kathodenstrahlröhre wird ein Bild des Quergradienten des Brechungsindex an bzw. in der Fokalebene erzeugt. Da sich die Komponentenbündel weitgehend außerhalb der Fokalebene überlappen, ist diese Technik nur für Information an bzw. in der Fokalebene empfindlich. Die Phasenempfindlichkeit kann weiter verbessert werden durch Aufzeichnen von zwei orthogonalen Polarisationen und Berechnen eines normalisierten Differentialsignals. (Siehe z. B. W. Denk und W. W. Webb, Applied Optics, Bd. 29, 5. 2382 (1990)).
Ein optischer Speicher gemäß der vorliegenden Erfindung kann in der Form eines Films aus dem Fotopolymer CIBATOOL sein, welches für die Datenspeicherung als eine angenähert 100 um dicke Filmprobe hergestellt werden kann, die zwischen einem Mikroskopobjektträger und einem Deckglas plaziert wird. Die Filmprobe wird zunächst mit etwa 3 mJ/cm² UV-Licht bestrahlt, um die Probe in den Gelzustand überzuführen und dadurch eine Verzerrung aufgrund von Schrumpfung und Fließen zu verhindern. Die Probe 10 wird dann auf dem Objekttisch 11 eines invertierten Mikroskops plaziert, das generell bei 12 angedeutet ist und das ein Zeiss-Modell IM-35 sein kann. Die Probe wird für die Datenspeicherung durch Objektivlinsen hoher numerischer Apertur (N. A.), wie ein Nikon Planapo 60X 1,4 N. A., mit 100 fs Impulsen von z. B. Licht von 620 nm Wellenlänge von einem Kollisionsimpulsmodusverriegelten Farmstofflaser, der schematisch bei 16 veranschaulicht ist, gepumpt durch einen Argon-Ion-Laser 10, bestrahlt. Das Laserbündel 10 wird dem Mikroskop 20 durch einen dichroitischen Spiegel 21 und computergesteuerte bzw. -geregelte Abtastspiegel (nicht gezeigt) eines Laserabtastkonfokalmikroskops 22, wie dem Modell MRC- 600 von Biorad, zugeführt. Die auf dem Objekttisch 11 gehaltene Probe 10 wird in der Axialrichtung oder Z-Richtung durch eine Schrittmotorfokussteuer- bzw. -regeleinrichtung 24, welche mit dem fokussierenden Knopf 26 des Mikroskops 12 verbunden ist und welche durch einen Computer gesteuert bzw. geregelt wird, parallelverschoben. Der Computer 28 ist außerdem mit den Abtastspiegeln des Mikroskops 22 verbunden, um die X- Y-Parallelverschiebung des bestrahlenden Bündels 20 von dem Laser 16 auf die Probe zu steuern bzw. zu regeln.
Durch Bewegen des Laserbündels 20 in der X-Y-Richtung wird eine zweidimensionale Bitebene definiert, wobei querliegende Orte durch das Bündel 20 abgetastet werden, um Datenpunkte in jener Ebene zu definieren. Durch Bewegen der Objektivlinse 14 in der Z-Richtung so, daß in unterschiedlichen Ebenen fokussiert wird, werden unterschiedliche zweidimensionale Bitebe nen definiert, so daß dreidimensionale Stapel von Daten in die Probe geschrieben werden können. Das Schreiben tritt auf, wenn das an einem Ort in der Probe fokussierte Licht genügend augenblickliche Intensität hat, um das Material der Probe zu modifizieren, wie durch Erzeugen von Zwei-Photon-Licht- bzw. Fotopolymerisation des Probenmaterials. Eine solche Polymerisation erzeugt eine Änderung in einer Charakteristik des Probenmaterials, wie eine Änderung in dessen Brechungsindex, an einer sehr kleinen Stelle bzw. einem sehr kleinen Punkt oder einem Pixel in dem Material. Diese Änderung erzeugt eine Wulst bzw. ein Kügelchen bzw. eine Perle bzw. ein Bläschen von Material, welche bzw. welches unterschiedlich gegenüber dem umgebenden Material außerhalb des Fokalpunkts des abtastenden Bündels ist und demgemäß außerhalb des Bereichs der Zwei-Photon-Erregung des Probenmaterials, und diese Änderung kann als ein Datenbit an jenem Fokal- bzw. Brennpunkt oder Pixelort bezeichnet werden.
Gemäß Experimenten unter Verwendung der Einrichtung der Fig. 1 wird der X-Y-Abtastungs- und der Z-Richtungsfokus bzw. -brennpunkt durch den Computer 28 periodisch in einem vorbestimmten Muster verschoben, um eine Verweilzeit für das abtastende Bündel von etwa 10 ms an jedem ausgewählten Pixelort vorzusehen. Der Farbstofflaser 16 erzeugt intensive 100 fs Impulse von Licht mit der Wiederholungsrate von 100 MHz, um 2-3 mW mittlere Leistung zu erzeugen. Die Belichtung des Materials an jedem ausgewählten Pixelort mit diesem Licht während einer Zeitdauer von etwa 10 ms erzeugt eine dreidimensionale Anordnung bzw. Gruppierung von einzelnen, nichtüberlappenden optisch brechenden Wülsten bzw. Kügelchen bzw. Perlen bzw. Bläschen an den ausgewählten Orten in der Probe. Diese Anordnung bzw. Gruppierung ist in Form von gestapelten Schichten von X-Y-Datenbitebenen, wobei die licht- bzw. strahlenbrechenden Wülste bzw. Kügelchen bzw. Perlen bzw. Bläschen Datenbits repräsentieren.
Optisch licht- bzw. strahlenbrechende Wülste bzw. Kügelchen bzw. Perlen bzw. Bläschen, die in einer Anordnung bzw. Gruppierung gemäß dem Vorstehenden ausgebildet sind, sind in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht, worin ein Paar von benachbarten Bitebenen 34 und 36 so veranschaulicht ist, daß sie Mengen an Pixelorten 38 aufweisen. Die Ebenen 34 und 36 waren in einem Stapel einander benachbart, wobei die benachbarten Ebenen um etwa 3 um getrennt sind. Die Pixelorte in jeder Ebene sind in den Querrichtungen um etwa 1 um, Mitte zu Mitte, getrennt, so daß eine Bitdichte von 0,3 · 10¹² Bits/cm³ in dem Stapel erzeugt wird. Die in die Pixelorte auf den beiden Ebenen geschriebenen Daten sind durch graue Bereiche 40 angedeutet.
Ein längsverlaufender Querschnitt durch einen Stapel von 10 Ebenen, die generell bei 42 bis 51 angedeutet sind, ist in Fig. 4 veranschaulicht. Die Ebenen in diesem Stapel sind in der Z-Richtung um 3 um, wie oben bemerkt, getrennt. Es sind gleichartige bzw. ähnliche Strukturen bis zu 30 Ebenen dick mit Datendichten von 1,6 · 10¹² Bit/cm³ erzeugt worden, wobei Fig. 5 einen Schnitt von einer 25-Schicht-Struktur zeigt, die eine Dichte von 1,3 · 10¹² Bit/cm³ hat. Es wird bemerkt, daß in dem Bild der Fig. 4 eine Hintergrundsubtraktion zweiter Ordnung digital ausgeführt worden ist, um die Feldrampe bzw. -steigung zu entfernen, die durch das DIC-Abbildungsverfahren erzeugt wird.
Der durch das vorstehende Verfahren gebildete optische Speicher kann durch aufeinanderfolgendes Abbilden von jeder der datenhaltigen Ebenen, wie der Ebenen 42 bis 51, mittels Richten von Laserlicht in die Probe 10, die von dem Objekttisch 11 gehalten ist, wieder unter Verwendung der Optiken des Laserabtastmikroskops 22 gelesen werden. Das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von optisch licht- bzw. strahlenbrechenden Wülsten bzw. Kügelchen bzw. Perlen bzw. Bläschen an spezifierten X-, Y- und Z-Pixelorten in der Probe kann dann bestimmt werden, so daß die vorher hineingeschriebenen Daten wiedergewonnen werden. Mehr im besonderen richtet ein Argon ionenlaser 50 (Fig. 1) ein Lesebündel 51 aus Licht mit einer Wellenlänge von z. B. 488 nm auf die Probe mittels des dichroitischen Spiegels 21, der Abtastspiegel des Laserkonfokalmikroskops 22 und der Optiken des invertierten Mikroskops 12. Das Lesebündel 51 geht durch die Probe und durch die Linse 52 zu einem geeigneten Lichtrohr 54, welches das Licht zu einem Fotomultiplierlichtdetektor leitet, der einen Teil des Laserabtastmikroskops 22 bildet. Das Lesebündel tastet jede Schicht des Stapels in der X-Y-Ebene ab, um ein entsprechendes Bild zu erzeugen, und durch aufeinanderfolgendes Fokussieren des Mikroskops 12 auf die verschiedenen Ebenen mittels der Fokus- bzw. Brennpunktsteuerung bzw. -regelung 24 kann jede Schicht des Stapels gelesen werden. Die so erzeugten Bildebenen können auf dem Monitor 56 in Sichtwiedergabe wiedergegeben werden und können einer geeigneten Verarbeitungsschaltung zugeführt werden, um die Orte von jenen Pixeln zu bestimmen, welche Datenbits enthalten, z. B. in der Form von licht- bzw. strahlenbrechenden Wülsten bzw. Kügelchen bzw. Perlen bzw. Bläschen, die durch das oben beschriebene Datenschreibverfahren gebildet worden sind.
Wie oben erörtert, wird, um die eng beabstandeten Bitebenen einer Probe zu lesen oder abzubilden, Differentialinterferenzkontrastmikroskopie (DIC-Mikroskopie), wie sie von G. Nomarski, Journal Phys Radium 16, 9s-lls (1955) beschrieben ist, verwendet, da sie für optische Wegdifferenzen empfindlich ist, die nur in bzw. an der Fokal- bzw. Brennebene in der Probe ihren Ursprung haben. Das Leseabtastmikroskop wandelt das ebene bzw. eben polarisierte Lesebündel 51 in zwei fokussierte kreuzpolarisierte Komponenten um, welche mittels eines kleinen Abstands (weniger als 1 um) in der Querrichtung getrennt durch die Probe 10 hindurchgehen. In der Fokal- bzw. Brennebene in der Probe, wo die Komponentenbündel sich kaum überlappen, erfahren sie eine relative Phasenverschiebung, die durch eines der Bündel bewirkt wird, das durch ein Pixel oder einen Datenbitbereich hindurchgeht, wo sich der Brechungsindex geändert hat, während das andere Bündel durch ei nen benachbarten Bereich hindurchgeht, der unverändert ist. Nach dem Hindurchgehen durch die Probe werden diese Bündel wiedervereinigt, so daß sie ein Interferenzmuster in der Bildebene anzeigen. Durch Analysieren der Polarisation der Bildbündel mit Bezug auf die Quellenpolarisation ist es möglich, die relative Phasenverschiebung zu messen, die in den Bündeln an bzw. in der Brennebene erzeugt worden ist.
Durch Abtasten der fokussierten Bündel quer über jede Schicht der Probe in Aufeinanderfolge kann ein Bild des Quergradienten des Brechungsindex für einen Stapel von Datenebenen erzeugt werden.
Dreidimensionale refraktile bzw. Licht- bzw. Strahlenbrechungsdatenspeicherung ist vollständig anpaßbar an das Rotationsscheiben- bzw. -plattenformat, das in gegenwärtigen kommerziellen optischen Datenspeicherprodukten verwendet wird. Eine Leseeinrichtung erfordert das Einbauen von DIC-Übertragungsoptiken, und eine Aufzeichnungs- (oder Schreib-) Einrichtung erfordert eine ultraschnelle modusverriegelte Laserquelle hoher Spitzenleistung oder eine andere geeignete Kurzimpulsquelle. Alternativ können resonanzgesteigerte Zwei- Photon-absorbierende Medien viel höhere Zwei-Photon-Querschnitte vorsehen, was das Aufzeichnen mit einer konventionellen Laserdiode ermöglichen könnte.
Da das Volumen des geschriebenen Bits von 1/(N. A.)&sup4; abhängt, ist die Verwendung von Fokussierungsoptiken hoher numerischer Apparatur zum Maximieren der Datendichte wesentlich. Obwohl die Verwendung eines Nichtimmersionsobjektivs mit z. B. N. A. = 0,9 die Datendichte um einen Faktor von 6 relativ zu den besten Ölimmersionsobjektiven reduzieren kann, bleibt die theoretische Grenze bei etwa 10¹² Bit/cm³. Weiterhin sollten, da die Anzahl von Schichten, die beschrieben werden kann, von dem Linsenarbeitsabstand abhängt, trockene Linsen die Verwendung einer dickeren Speicherstruktur mit mehr Datenschichten erlauben.
Obwohl die Schreibgeschwindigkeit des oben beschriebenen experimentellen Systems relativ langsam ist, würde eine Erhöhung der Leistung des einfallenden Bündels um einen Faktor von 100 unter Verwendung von gegenwärtig erhältlichen Lasern die Schreibgeschwindigkeit für dieses Material um 10.000 erhöhen. Durch vernünftige Optimierung des Materials und der Bestrahlungswellenlänge für einen hohen Zwei-Photon-Absorptionsquerschnitt und durch Verwendung von höherer einfallender Leistung werden Submikrosekundenvolumenelementschreibzeiten erwartet. Die Schreibzeit mag letzten Endes nur durch die Wiederholungsrate des gepulsten Lasers beschränkt sein, während die maximale Lesegeschwindigkeit für den optischen 3-D-Speicher nur durch die Mechaniken des Abtastsystems und der schnell rotierenden Scheibe bzw. Platte, wie in gegenwärtigen 2-D-Systemen, beschränkt sein sollte.
Obwohl die vorliegende Erfindung hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden ist, versteht es sich, daß Variationen und Modifikationen ausgeführt werden können, ohne den Bereich derselben zu verlassen, wie er in den folgenden Ansprüchen angegeben ist.

Claims

1. Verfahren zum Schreiben von optischen Daten mit dreidimensionaler Auflösung in ein Medium (10), umfassend:

Schreiben der optischen Daten durch Erzeugen eines einzigen, intensiven Bündels (20) aus fokusierbarem, coherentem Licht;

und Fokusieren des Bündels (20) auf ein lichtempfindliches Material als das Medium (10) in einem Fokalbereich des Bündels (20), um dadurch eine detektierbare charakteristische Änderung in dem Medium (10) in bzw. an dem Fokalbereich zu erzeugen;

gekennzeichnet durch

Schreiben der optischen Daten mittels Erzeugen einer Zwei- Photon-Erregung des Materials aus dem einzigen fokusierten intensiven Bündel (20) heraus nur in bzw. an dem Fokalbereich des Bündels zum Erzeugen einer lokalisierten Brechungsindexinhomogenität als der detektierbaren charakteristischen Änderung in dem Medium (10).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindexinhomogenität aus der Modifizierung der Dichte des lichtempfindlichen Materials (10) resultiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel (20) aus coherentem Licht Daten repräsentiert, die gespeichert werden sollen, und wobei das Fokusieren des Bündels (20) das Erzeugen eines Fokalbereichs innerhalb des dreidimensionalen lichtempfindlichen optischen Speichermaterials (10) umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter folgendes umfaßt:

Abtastung des Fokalbereichs an einer Mehrzahl von Orten innerhalb des Speichermaterials (10); und

Bewirken, daß das Bündel (20) die Zwei-Photon-Erregung des Materials (10) an ausgewählten Orten innerhalb des Materials (10) erzeugt, um Inhomogenitäten in dem Brechungsindex an den genannten ausgewählten Orten zum Repräsentieren der gespeicherten Daten zu erzeugen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtasten das Bewegen des Fokalbereichs zu einer Mehrzahl von Orten in einer X-Y-Ebene innerhalb des Speichermaterials (10) umfaßt, um eine Mehrzahl von Pixel-Orten in der Ebene zu definieren, wobei das Bündel (20) die Zwei-Photon-Erregung an ausgewählten Pixel-Orten zum Speichern der Daten erzeugt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtasten das Bewegen des Fokalbereichs in einer Z-Richtung senkrecht zu der X-Y-Ebene umfaßt, und danach das Bewegen des Fokalbereichs in einer zweiten X-Y-Ebene parallel zu und beabstandet von der erstgenannten X-Y-Ebene, um eine dreidimensionale Anordnung bzw. Gruppierung von Pixel-Orten in dem Speichermaterial (10) vorzusehen.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Lesen gespeicherter Daten mittels optischen Detektierens von Brechungsindexinhomogenitäten an ausgewählten Orten mittels Richten eines fokusierten Laserlesebündels (51) durch das Medium.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lesen der Inhomogenitäten folgendes umfaßt:

Erzeugen eines Paars von kreuzpolarisierten Komponentenlesebündeln;

Fokusieren der Lesebündel auf benachbarte Pixel-Orte innerhalb des Speichermediums (10), um optische Interferenzsignale zu erzeugen, die dem Vorhandensein oder der Abwesenheit der Inhomogenitäten an den benachbarten Pixel-Orten entsprechen; und

Bestimmen der an den Pixel-Orten gespeicherten Daten aus den Interferenzsignalen.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lesen der Inhomogenitäten folgendes umfaßt:

Erzeugen eines polarisierten Lesebündels (51);

Erzeugen eines Paars von divergierenden kreuzpolarisierten Komponentenbündel aus dem Lesebündel (51);

Fokusieren des Paars von Komponentenbündeln auf benachbarte Orte innerhalb des Speichermediums (10) so, daß dann, wenn nur eines der Komponentenbündel durch einen Ort hindurchgeht, der eine Inhomogenität aufweist, die relativen Phasen der Komponentenbündel verändert werden;

Wiedervereinigen des Paars von Bündeln so, daß irgendeine Änderung in den relativen Phasen der Bündel in dem wie dervereinigten Bündel eine Polarisation erzeugt, die unterschiedlich von jener des Lesebündels (51) ist; und

Bestimmen des Vorhandenseins einer Inhomogenität an dem genannten Ort aus der Differenz in der Polarisation.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter folgendes umfaßt:

Abtastbewegung des Bündels (20) durch das Material (10) zum Erzeugen von Brechungsindexänderungen in dem Material (10) an ausgewählten Orten, um dadurch dreidimensionale Inhomogenitäten darin zu erzeugen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Abtastbewegung des Bündels (20) das Bewegen des Fokalbereichs des Bündels (20) in einer X-Y-Ebene innerhalb des Materials (10) zum Definieren einer Mehrzahl von Pixel-Orten in der X-Y-Ebene umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Abtastbewegung des Bündels (20) weiter das Verschieben des Fokalbereichs des Bündels (20) längs einer Z-Achse umfaßt, um eine Mehrzahl von X-Y-Ebenen innerhalb des Materials (20) zu definieren, so daß dadurch eine dreidimensionale Anordnung bzw. Gruppierung von Pixel-Orten in dem Material (10) definiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Schreiben und nachfolgendes Lesen von optischen Daten mit dreidimensionaler Auflösung, umfassend:

Vorsehen des dreidimensionalen Mediums (10) aus lichtempfindlichem Material, das zur Modifizierung durch die Anwendung von Licht von einer vorbestimmten Intensität fähig ist;

Erzeugen des genannten einzigen, intensiven Bündels (20) aus Licht;

Fokusieren des Bündels (20) aus Licht auf einen Fokalpunkt innerhalb des Mediums (10);

Abtastbewegung des Fokalpunkts durch das Medium (10) zum Erzeugen von Zwei-Photon-Erregung des Mediums an ausgewählten Stellen in dem Medium (10), um detektierbare Brechungsindexinhomogenitäten in dem Medium (10) zu erzeugen, wobei jede derartige Inhomogenität ein optisches Datenbit in dem Medium (10) repräsentiert; und

danach Lesen von optischen Datenbits, die in dem Medium (10) erzeugt worden sind, durch Abtastbewegung eines fokusierten Lesebündels (51) durch das Medium (10), um Interferenzmuster zu erzeugen, die den optischen Datenbits entsprechen.

14. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Lesen von optischen Daten, die als eine Brechungsindexinhomogenität in dem Medium (10) gespeichert worden sind, umfassend:

Erzeugen eines Lesebündels (51) als ein polarisiertes Laserlesebündel (51);

Erzeugen eines Paars von kreuzpolarisierten Komponentenbündeln aus dem Lesebündel (51);

Fokusieren des Komponentenbündelpaars auf benachbarte Orte in dem Medium (10), die Indexinhomogenitäten enthalten;

Sammeln des durch das Medium (10) übertragenen Komponentenbündelpaars;

Wiedervereinigen des übertragenen Komponentenbündelpaars zum Erzeugen eines kombinierten Bündels; und

Analysieren der Polarisation des wiedervereinigten Bündels, um ein einziges Bündel zu erzeugen, das für die Brechungsindexinhomogenitäten in dem Medium (10) indikativ ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens des Paars von Komponentenbündeln das Hindurchführen des Lesebündels (51) durch ein doppelbrechendes Prisma umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens des Paars von Komponentenbündeln das Hindurchführen des Lesebündels (51) durch ein Prisma vom Wollaston-Typ umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Wiedervereinigens der übertragenen Komponentenbündel das Hindurchführen des übertragenen Komponentenbündelpaars durch ein doppelbrechendes Prisma umfaßt.

18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Wiedervereinigens der übertragenen Komponentenbündel das Hindurchführen des übertragenen Komponentenbündelpaars durch ein Prisma vom Wollaston-Typ umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter die Abtastbewegung des Lesebündels (51) und des Mediums (10) relativ zueinander zum Erzeugen eines in der Zeit variierenden Signals, das für einen Datenstrom indikativ ist, umfaßt.

20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen eines einzigen intensiven Bündels (20) aus Licht das Erzeugen von Strom von coherenten Lichtimpulsen, die Impulslängen im Bereich von 100 fs und eine Wiederholungsrate im Bereich von 100 Mhz haben, in einem verriegelten Farbstofflaser im kollidierenden Impulsmodus umfaßt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokusieren des Stroms von Impulsen das Richten des Stroms aus Lichtimpulsen durch eine fokusierende Linse zum Erzeugen eines ellipsoidalen Fokalvolumens aus Licht hoher Intensität an einem ausgewählten Ort innerhalb des lichtempfindlichen Materials (10) umfaßt, wobei die Intensität des Lichts in dem Fokalvolumen an dem ausgewählten Ort genügend hoch ist, um gleichzeitige Absorption von zwei Photonen durch das lichtempfindliche Material (10) zu erzeugen, um eine charakteristische Änderung in dem Material (10) zum Repräsentieren eines Daten-Pixels vorzusehen, wobei das lichtempfindliche Material (10) nichtansprechend auf Ein- Photon-Erregung ist, so daß die Intensität des Lichts außerhalb des Fokalvolumens ungenügend zum Erzeugen der genannten charakteristischen Änderung ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter die Abtastbewegung des Fokalvolumens des Bündels (20) durch das Material (10) zum Definieren einer Mehrzahl von Daten-Pixel-Orten darin umfaßt.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastbewegung des Fokalvolumens die Abtastung in X-, Y- und Z-Richtung durch das Material (10) zum Definieren einer dreidimensionalen Anordnung bzw. Gruppierung von Daten-Pixeln umfaßt.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter das Richten von fokusierten Lesebündeln durch das Material zum Erzeugen eines Bilds der dreidimensionalen Anordnung bzw. Gruppierung von Daten-Pixeln, um dadurch in der Anordnung bzw. Gruppierung gespeicherte Daten zu lesen, umfaßt.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Richten der fokusierten Laserlesebündel folgendes umfaßt:

Erzeugen eines polarisierten Laserlesebündels (51);

Erzeugen eines Paars von kreuzpolarisierten Komponentenbündeln aus dem Laserlesebündel (51);

aufeinanderfolgendes Richten des Komponentenbündelpaars auf ausgewählte Pixel-Orte in dem Material (10); und

Detektieren des Bilds der durch das Komponentenbündelpaar erzeugten Pixel-Orte.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektieren des Bilds der Pixel-Orte das Wiedervereinigen des Komponentenbündelpaars nach dem Durchgang durch das Material (10) und das Messen der relativen Phasenverschiebung, die in dem Bündelpaar durch eine Inhomogenität an bzw. in einem Pixel in der Fokalebene des Komponentenbündelpaars erzeugt worden ist, umfaßt.