DE69317743T2

DE69317743T2 - Holographisches System und Verfahren

Info

Publication number: DE69317743T2
Application number: DE69317743T
Authority: DE
Inventors: Leroy David Dickson; Richard Dennis Rallison
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-12-17
Filing date: 1993-11-29
Publication date: 1998-10-29
Anticipated expiration: 2013-11-30
Also published as: DE69317743D1; EP0602813B1; JP2866565B2; KR970003373B1; EP0602813A1; US5602657A; ATE164687T1; JPH06222706A; KR940016293A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgeinein auf Volumenhologramme und spezieller auf ein Volumenhologrammsystem und ein Verfahren zur Erzielung gewünschter Strahlaufteilungen.

Stand der Technik

Hologramme sind Aufzeichnungen von Lichtintensitätsstrukturen, die durch die Interferenz von zwei Strahlen wechselseitig kohärenten Lichts erzeugt werden (die zwei Strahlen werden üblicherweise durch Aufteilen eines einzelnen Laserstrahls erhalten). Es gibt zwei Hauptkategorien von Hologrammen: transmittierende und reflektierende. Diese zwei Kategorien sind weiter in physikalische Typen von Hologrammen unterteilt: Oberflächenreliefhologramme und Volumenhologramme. Oberflächenreliefholegramme können unter Verwendung photolithographischer Prozesse aufgezeichnet werden. Die Interferenzstruktur wird als eine periodische Variation der Dicke des Materials aufgezeichnet, während der Brechungsindex des Materials fest bleibt.
In einem Volumenhologramm wird die Interferenzstruktur als eine periodische Variation des Brechungsindex des Materials aufgezeichnet, während die Dicke des Materials fest bleibt. Die periodische Variation des Brechungsindex erzeugt Oberflächen von Spitzenwerten des Brechungsindex innerhalb des Materials. Diese Oberflächen werden als Bragg-Oberflächen bezeichnet. Wenn die Interferenzstruktur durch zwei ebene Wellen oder zwei Wellen mit identischer Krümmung an der Hologrammoberfläche erzeugt wird, sind die Bragg-Oberflächen Bragg-Ebenen.
Wenn das Hologramm durch einen der ursprünglichen Laserstrahlen unter einem Winkel wiederbestrahlt wird, der zu einem maximalen Brechungswirkungsgrad führt, wird der interne Winkel des Strahls relativ zu den Bragg-Ebenen als der Bragg-Winkel bezeichnet. Der externe Einfallswinkel, unter dem der maximale Brechungswirkungsgrad auftritt, wird ebenfalls häufig als der Bragg-Winkel bezeichnet.
In jüngerer Zeit wurden Hologramme in optischen Datenspeicheranwendungen verwendet. Diese Hologramme erlauben, daß Lichtstrahlen für verschiedene Zwecke getrennt werden. Diese Hologrammsysteme umfassen die folgenden Referenzen: JP 1-13246, veröffentlicht am 18. Januar 1989; JP 1-55745, veröffentlicht am 2. März 1989; JP 1-55746, veröffentlicht am 2. März 1989; JP 1-86337, veröffentlicht am 31. März 1989; JP 1-86332, veröffentlicht am 31. März 1989; JP 1-146143, veröffentlicht am 8. Juni 1989; JP 1-55359, veröffentlicht am 1. März 1989; JP 63- 25845, veröffentlicht am 3. Februar 1988; JP 62-219340, veröffentlicht am 26. September 1987; JP 61-123032, veröffentlicht am 10. Juni 1986; JP 1-18175, veröffentlicht am 20. Januar 1989; JP 61-42613, veröffentlicht am 1. März 1986; SU 1053056, veröffentlicht am 7. November 1983; EP 350 014, veröffentlicht am 1. Oktober 1990; US-Patent 5 013 107, erteilt am 7. Mai 1991; und US-Patent 4 497 534, erteilt am 5. Februar 1985.
Die europäische Patentanmeldung EP-A-0545524, die auf den gleichen Rechtsnachfolger wie die vorliegende Anmeldung übertragen wurde, lehrt ein Volumenhologrammsystem, das zwei Hologramme verwendet. Ein erstes Volumenhologramm teilt einen ankommenden Strahl in zwei Strahlen mit gewünschter Polarisierung und/oder Intensität auf, und ein zweites Volumenhologramm stellt die Winkelposition von einem Strahl bezüglich des anderen ein.
Die europäische Patentanmeldung EP-A-0557162, zitiert unter A.54(3) EPÜ, lehrt ein holographisches Schutzfilter mit einer Geometrie aus den Schichten des Hologramms in Abhängigkeit von dem Winkel zur Senkrechten der transmittierten Strahlung.
Ein Problem bei der Verwendung von Volumenhologrammen bestand darin, daß sie schwierig zu fertigen sind. Die Verarbeitung des Volumenhologramms kann zu einem Schrumpfen des Hologrammaterials und einer nachfolgenden Verzerrung der Bragg-Ebenen führen. Dies macht es schwierig, präzise und konsistent ein Hologrammsystem herzustellen, das die gewünschte Strahlteilung unter den gewunschten Winkeln erreicht.
Was notwendig ist, ist ein Volumenhologrammsystem, das leicht zu fertigen ist und konsistent die gewünschten Strahlteilungen erzielt.
Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch ein Hologrammsystem und ein Verfahren zur Herstellung desselben, wie in den Ansprüchen 1 beziehungsweise 8 definiert.

Offenbarung der Erfindung

Kurz gesagt beinhaltet die vorliegende Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform zwei Volumenhologramme auf zwei separaten Substraten, die mit einem dünnen optischen Klebemittel zusammengekittet sind. Die zwei Hologramme sind identisch zueinander und weisen Bragg-Ebenen auf, die senkrecht zu ihren Oberflächen orientiert sind. Die Hologramme sind mit dem sich zwischen diesen befindenden optischen Klebemittel zusammengesetzt. Dieses optische Klebemittel ist strahlungsaktiviert. Die Hologramme werden relativ zueinander bewegt, bis ihre Bragg- Ebenen um einen Rotationswinkel relativ zueinander versetzt sind und das gewünschte Maß an Strahlteilung erreicht ist. Der Kitt wird dann aktiviert, und die Hologramme werden dauerhaft miteinander verbunden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Nunmehr wird die Erfindung lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Hologrammsystems der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine detaillierte Querschnittsansicht eines einzelnen Hologramms der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Brechungswirkungsgrades in Abhängigkeit von der Spitzenwertänderung des Brechungsindex für ein Volumenhologramm der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm eines Systems zur Herstellung eines Hologrammsystems der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 5 ein schematisches Diagramm eines zusätzlichen Systems zur Herstellung des Hologrammsystems der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 6 eine detaillierte Querschnittsansicht eines Hologrammsystems der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 7 eine Draufsicht auf das System von Fig. 6 ist;
Fig. 8 ein schematisches Diagramm eines optischen Datenspeichersystems der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 9 ein schematisches Diagramm eines Teils des Systems von Fig. 8 ist; und
Fig. 10 ein Schaltbild eines Teils des Systems von Fig. 8 ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Hologrammsystems der vorliegenden Erfindung, das mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Das System 10 besteht aus einem Substrat 12, einem Volumenhologramm 14, einer dünnen Schicht aus einem transparenten optischen Kitt 16, einem Volumenhologramm 18 und einem Substrat 20. Die Hologramme 14 und 18 sind identische Hologramme. Ein Diodenlaser 10 emittiert einen Laserstrahl 32. Ein Laser 30 kann ein Gallium-Aluminium-Arsenid- Laser sein, der Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 780 nm erzeugt. Der Strahl 32 wird durch eine Linse 33 kollimiert.
Der Strahl 32 läuft durch das Substrat 12 hindurch zum Hologramm 14. Der Strahl 32 tritt in das Hologramm 14 unter dessen Bragg-Winkel ein. Das Hologramm 14 bricht die Komponente des Strahls 32 mit P-Polarisierung als einen Strahl 34 und läßt die S-Polarisierung des Strahls 32 ungebrochen als Strahl 36 durch. Die orthogonalen Polarisierungskomponenten von Licht werden im allgemeinen als S und P bezeichnet.
Der Strahl 36 läuft ungebrochen durch das Hologramm 18 und läuft durch das Substrat 20 hindurch. Der Strahl 34 tritt ungefähr unter dem Bragg-Winkel des Hologramms 18 in das Hologramm 18 ein und wird gebrochen und tritt durch das Substrat 20 hindurch aus. Da das Hologramm 18 identisch mit dem Hologramm 14 ist, wird der Strahl 34 normalerweise in exakt der gleichen Richtung wie der Strahl 36 zurückgebrochen. Dies ist der Fall, wenn die zwei Hologramme 14 und 18 ausgerichtet sind. In einem derartigen Fall gibt es keine Winkeltrennung zwischen den Strahlen 34 und 36, und das Hologrammsystem 10 wäre nicht von Nutzen. Das Hologrammsystem 10 ist jedoch, wie unten detaillierter erläutert, mit einer leichten rotierenden Winkelversetzung zwischen den Hologrammen 14 und 18 gefertigt. Diese Versetzung bewirkt, daß es eine Winkeltrennung (SA) zwischen den Strahlen 34 und 36 gibt. Das genaue gewünschte Maß an Winkeltrennung kann zum Zeitpunkt der Herstellung eingestellt werden. Somit ist die vorliegende Erfindung in der Lage, ein Volumenhologrammsystem zu erzielen, welches das genaue Maß an gewünschter Winkeltrennung erzeugt.
Fig. 2 ist eine detaillierte Querschnittsansicht des Volumenhologramms 14 und des Substrats 12, das einen Hologrammaufbau 100 beinhaltet. Das Hologramm 14 weist eine Dicke T auf und ist auf dem Substrat 12 aufgebracht. Das Hologramm 14 besteht aus einem Hologrammaterial und vorzugsweise aus Dichromatgelatine. Das Substrat 12 besteht vorzugsweise aus Glas. Es existiert eine äußere Oberfläche 110, eine Oberfläche 112 zwischen dem Hologramm 14 und dem Substrat 12 sowie eine weitere Oberfläche 114 auf der entgegengesetzten Seite des Hologramms 14.
Das Hologramm 14 weist periodische Bragg-Ebenen 120 auf. Die Bragg-Ebenen 120 besitzen einen Trennungsabstand L (absoluter Trennungsabstand) und einen äußeren Randzwischenraumabstand d (die Abstandstrennung entlang der Oberfläche 112). Die Bragg- Ebenen 120 liegen unter einem Winkel φ relativ zu der Oberfläche 112. Es ist zu erwähnen, daß in der bevorzugten Ausführungsform φ = 90º und demzufolge d = L ist.
Im Betrieb tritt der Strahl 32 (mit einer Wellenlänge λ&sub1;) in das Substrat 12 an der Oberfläche 110 unter einem Winkel θI bezüglich der Senkrechten ein. Der Strahl 32 erfährt an beiden Oberflächen 110 und 112 eine Brechung und tritt unter einem internen Einfallswinkel α = arcsin[sinθI/(na/n&sub0;)] in das Hologramm 14 ein, wobei n&sub0; der mittlere Brechungsindex des Hologramms 14 ist (typischerweise 1,26 für bearbeitete Dichromatgelatine) und na der Brechungsindex der Außenumgebung ist (typischerweise 1,0 für Luft). Ein Teil des Strahls 32 läuft durch das Hologramm 14 durch, ohne irgendeine Brechung zu erfahren, und tritt als Strahl 36 aus dem Hologramm 14 aus. Es ist zu erwähnen, daß der Strahl 36 an der Oberfläche 114 eine Brechung erfährt. Der Strahl 36 tritt unter einem Transmissionsausgangswinkel von T aus der Oberfläche 114 aus, wobei θT = arcsin[(sin α)n&sub0;/na], wobei na der Brechungsindex des umgebenden Materials ist. Wie später zu sehen ist, ist in dem Fall, in dem das Hologramm 18 an dem Hologramm 14 anliegt, θT gleich α.
Ein Teil des Strahls 32 wird durch die Bragg-Ebenen 120 gebrochen. Der Winkel des Strahls 32 relativ zu der Bragg-Ebene 120 ist θ&sub0; und ist gleich arcsin[λ&sub1;/2n&sub0;L]. Der gebrochene Strahl trifft unter einem internen Brechungswinkel β auf die Oberfläche 114. Der gebrochene Strahl tritt an der Oberfläche 114 als Strahl 34 aus dem Hologramm 14 aus. Der Strahl 34 tritt unter einem Brechungsausgangswinkel von θD aus der Oberfläche 114 aus, wobei θD gleich arcsin[sin β(n&sub0;/na)] ist. Die genauen Eigenschaften der Strahlen 34 und 36 sind unten detaillierter beschrieben.
Beim Entwurf des Hologramms 14 werden die folgenden Variablen berücksichtigt:
θI = Einfallswinkel (extern).
α = Einfallswinkel (intern).
β = Brechungswinkel (intern).
Y = Abweichung vom Bragg-Winkel. Wird als null angenommen.
φ = Neigung von Bragg-Ebenen.
= π/2 für fehlende Neigung.
L = Trennung der Bragg-Ebenen.
T = Dicke des Hologrammaterials.
d = äußerer Randabstand.
n&sub0; = mittlerer Brechungsindex des Hologrammediums, typischerweise 1,26 für ein belichtetes und bearbeitetes holographisches Beugungsgitter mit hohem n&sub1; aus Dichromatgelatine.
n&sub1; = Spitzenwertänderung des Brechungsindex des Hologrammediums. Typischerweise 0,1 für Dichromatgelatine.
λa = Wellenlänge von Licht an Luft. Hier λa = λ&sub1; = 780 nm.
Yλ = Abweichung von λa (Bragg-λ). Wird als null angenommen.
Diese Variablen werden in den folgenden Formeln verwendet:
Die Formeln 11 und 12 oben geben die Brechungswirkungsgrade für die orthogonalen S- und P-Polarisierungskomponenten an und bestimmen den Zustand der Strahlen 34 und 36. Mit Es ist der Brechungswirkungsgrad der S-polarisierten Lichtkomponente bezeichnet, und Ep ist der Brechungswirkungsgrad der P-polarisierten Lichtkomponente. Eine detailliertere Erörterung der Hologramm- Mathematik wird von Herwig Kogelnik in "Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings", Bell System Technical Journal, Bd. 48, Nr. 9, S. 2909 (Nov. 1969) angegeben.
Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung des Brechungswirkungsgrades für Es und Ep in Abhängigkeit vom Spitzenwert- Brechungsindex (n&sub1;) für das Hologramm 14. Im Fall des Hologramms 14 sind die Parameter θI = 39,05º, φ = 90º, α = β = 30º, T = 5 Mikrometer und λa = 780 nm. Der Brechungswirkungsgrad stellt den Prozentsatz des Strahls 32 dar, der als Strahl 34 gebrochen wird. Der restliche Teil des Strahls 32 setzt sich als Strahl 36 fort. Mit n&sub1; = 0,135 werden zum Beispiel 100% des P-polarisierten Lichts als Strahl 34 gebrochen, und 0% des S- polarisierten Lichts werden gebrochen. Der Strahl 34 weist 100% des P-polarisierten Lichts und 0% des S-polarisierten Lichts auf, während der Strahl 36 100% des S-polarisierten Lichts und 0% des P-polarisierten Lichts aufweist. In diesem Fall fungiert das Hologramm 14 als Polarisations-Strahlteiler. In der bevorzugten Ausführungsform ist es erwünscht, daß das Hologramm 14 als ein derartiger Strahlteiler wirkt, und so wird n&sub1; als 0,135 gewählt.
Fig. 4 zeigt ein schematisches Diagramm eines Systems zur Herstellung des Hologrammsystems 10, wobei das System mit dem allgemeinen Bezugszeichen 200 bezeichnet ist. Ein Glassubstrat 202 ist mit einem holographischen Material 204 bis zu einer Tiefe gleich T beschichtet. Das kombinierte Substrat 202 und Material 204 werden als eine Platte 206 bezeichnet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Dichromatgelatine als Material 204 verwendet.
Um das Hologramm aufzuzeichnen, ist es notwendig, eine Lichtwellenlänge zu verwenden, die mit dem Hologrammaterial reagiert. Die Aufzeichnungswellenlänge λ&sub2; sollte für Dichromatgelatine ungefähr 488 nm betragen. Ein System 200 verwendet einen Gaslaser 210, der einen Lichtstrahl 212 mit der Aufzeichnungswellenlänge λ&sub2; emittiert. Der Strahl 212 wird durch einen Strahlaufweiter 214 aufgeweitet. Ein Strahlteiler 216 teilt den Strahl 212 in einen Objektstrahl 220 und einen Bildstrahl 222. Der Strahl 222 wird von einem Spiegel 224 zu einer Platte 206 reflektiert. Die Strahlen 220 und 222 schneiden sich bei der Platte 206 unter externen Aufzeichnungseinfallswinkeln θI2A beziehungsweise θI2B. Die Winkel θI2A und θI2B sind durch die Bedingungen des gewünschten Hologramms festgelegt, wobei die oben beschriebenen Formeln verwendet werden. Interne Aufzeichnungseinfallswinkel sind αI2A = θ - π/2 - arcsin[λ&sub2;/2n&sub0;L] und αI2B = θ - π/2 + arcsin[λ&sub2;/2n&sub0;L]. Nach dem Snellschen Gesetz gilt θI2A = arcsin(n&sub0; sin αI2A) und θI2B = arcsin(n&sub0; sin αI2B). Es ist zu erwähnen, daß in Gleichungen in diesem Abschnitt n&sub0; der Brechungsindex des unverarbeiteten Hologrammaterials ist und für unverarbeitete Dichromatgelatine ungefähr 1,53 beträgt. Das Hologrammaterial 204 wird dadurch mit Licht der Wellenlänge λ&sub2; unter Winkeln θI2A und θI2B bestrahlt. Das Resultat ist, daß die gewünschten Bragg-Ebenen in dem Film aufgezeichnet werden. Die genauen Belichtungs- und Prozeßzeiten sind durch den gewünschten Wert für n&sub1; festgelegt.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Diagramm eines Systems zur weiteren Herstellung des Hologrammsystems 10 der vorliegenden Erfindung, wobei das System mit dem allgemeinen Bezugszeichen 250 bezeichnet ist. Nach einer Belichtung und Bearbeitung der Platte 206 wird sie in zwei gleiche Stücke 252 und 254 geschnitten. Das Stück 252 entspricht dem Substrat 12 und dem Hologramm 14, und das Stück 254 entspricht dem Substrat 20 und dem Hologramm 18. Die Stücke 252 und 254 werden unter Zwischenfügung eines sich zwischen den jeweiligen Hologrammen 14 und 18 befindenden, transparenten optischen Kitts 16 aneinandergelegt. Dieser optische Kitt ist durch Belichtung mit ultraviolettem Licht härtbar.
Der resultierende Aufbau (Hologrammsystem 10) wird in den Haltern eines optischen Translations- und Rotationspräzisionstisches 256 angeordnet. Die Stücke 252 und 254 werden rotierend relativ zueinander bewegt, bis die Bragg-Ebenen 120 des Hologramms 14 parallel zu den Bragg-Ebenen 120 des Hologramms 18 liegen. Ein Laser 30 erzeugt einen Strahl 32 mit einer Wellenlänge λ&sub1;. Der Strahl 32 wird durch eine Linse 33 kollimiert. Der Strahl 32 wird so orientiert, daß er das Hologrammsystem 10 unter dem Winkel θI trifft. Da die Bragg-Ebenen 120 in den Hologrammen 14 und 18 ausgerichtet sind, überlappen die Strahlen 36 und 34 beim Austritt aus dem Hologrammsystem 10. Es gibt keine Winkeltrennung. Als nächstes wird das Stück 254 rotierend um eine z-Achse herum bewegt, die senkrecht zu den Oberflächen der Hologramme verläuft, während das Stück 252 stationär bleibt. Mit größer werdender Rotation des Winkels zwischen den Bragg-Ebenen 120 der Hologramme beginnt der Strahl 34, sich von dem Strahl 36 wegzubewegen, und eine Winkeltrennung SA nimmt zu. Durch Einstellen des Betrags der rotierenden Winkelversetzung zwischen den Bragg-Ebenen der Hologramme 14 und 18 wird das gewünschte Maß an Winkeltrennung (SA) erreicht.
Sobald die Stücke 252 und 254 derart orientiert sind, daß das gewünschte Maß an Strahlaufteilung erreicht ist, wird eine ultraviolette Lichtquelle 280 aktiviert und bestrahlt das System mit ultraviolettem Licht. Dies aktiviert den Kitt 16, und die Stücke 252 und 254 werden dauerhaft miteinander verbunden. Das System 10 ist nun fertiggestellt. Alternativ kann der optische Kitt 16 ein normaler zeitgehärteter Kitt sein, und dem Kitt wird ermöglicht, nach der richtigen Positionierung der Hologramme zu härten.
Es ist zu erwähnen, daß viele Hologrammsysteme des genau gleichen Typs leicht und effizient durch Kombinieren von zwei großen Platten 252 und 254, Verbinden derselben nach Justierung und anschließendes Aufschneiden der resultierenden Struktur in viele kleinere Hologrammsysteme hergestellt werden können.
Fig. 6 zeigt eine detaillierte Querschnittsansicht des Hologrammsystems 10. Zu Zwecken dieser Erörterung wird angenommen, daß die Bragg-Ebenen 120 des Hologramms 14 anfänglich parallel zu den Bragg-Ebenen 120 des Hologramms 18 sind. Mit anderen Worten liegt anfänglich keine rotierende Winkelversetzung zwischen ihnen vor.
Die Hologramme 14 und 18 sind identisch und weisen Bragg-Ebenen auf, die senkrecht zu ihren Oberflächen (θ= 90º) orientiert sind, wobei T1 = T2 ist. Aus den vorher beschriebenen Gleichungen ergibt sich, daß α&sub1; = β&sub1; = α&sub2; = β&sub2;.
Der Strahl 32 tritt unter dem Winkel θ&sub1; in das System 10 ein. Nach Brechung an den Oberflächen des Substrats 12 tritt der Strahl 32 unter dem Winkel α&sub1; in das Hologramm 14 ein. Das Hologramm 14 bricht die P-polarisierte Lichtkomponente als Strahl 34 und läßt die S-Polarisationskomponente ungebrochen als Strahl 36 durch. Der Strahl 36 tritt unter einem Winkel α&sub2; in das Hologramm 18 ein. Nach dem Snellschen Gesetz ist α&sub1; = α&sub2;. Da das Hologramm 18 identisch mit dem Hologramm 14 ist, läuft der Strahl 36, der lediglich S-polarisiertes Licht enthält, wiederum ungebrochen durch. Nach Brechung an den Oberflächen des Substrates 20 tritt der Strahl 36 unter einem Winkel θT aus, wobei θT = arcsin[sin α&sub2;(n&sub0;/na)]. Es ist zu erwähnen, daß der Strahl 36 in den bevorzugten Ausführungsformen nach Durchlaufen des Hologramms 14 kein P-polarisiertes Licht enthält. Selbst wenn das Hologramm 14 jedoch nicht zu 100% effizient ist und noch ein kleiner Bruchteil an P-polarasiertem Licht in dem Strahl 36 existiert, wird er durch das Hologramm 18 gebrochen, wie durch den gestrichelten Pfeil 290 gezeigt.
Der Strahl 34 tritt unter einem Winkel α&sub2; in das Hologramm 18 ein. Der Strahl 34 enthält lediglich P-polarisiertes Licht und wird wiederum gebrochen. Der Strahl 34 tritt unter einem Winkel β&sub2; aus dem Hologramm 18 aus. Nach Brechung an den Oberflächen des Substrates 20 tritt der Strahl 34 unter einem Winkel θD aus, wobei θD = arcsin[sin β&sub2;(n&sub0;/na)]. Da α&sub2; = β&sub2;, treten der Strahl 36 und 34 unter dem gleichen Winkel aus, und es gibt keine Winkeltrennung zwischen ihnen.
Dann wird das Hologramm 18 etwas um die z-Achse gedreht, während das Hologramm 14 fest bleibt. Der Strahl 34 wird durch das Hologramm 18 um einen kleinen Winkel aus der Ebene der Figur heraus gebrochen, während der Strahl 36 im wesentlichen in der Ebene der Figur bleibt. Dadurch wird die gewünschte Winkeltrennung erreicht.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf das System 10 von Fig. 6. Man beachte, daß die Winkeltrennung (SA) zwischen den Strahlen 34 und 36 aus dieser Ansicht deutlicher erkennbar ist.
In der bevorzugten Ausführungsform ist eine Winkeltrennung von 1 Grad bis 10 Grad leicht erzielbar, ohne den Brechungswirkungsgrad des Hologrammsystems 10 signifikant zu reduzieren. Mit zunehmendem Drehwinkel wird das zweite Hologramm 18 für das Brechen des P-polarisierten Lichts des Strahls 34 weniger effizient. Jegliches P-polarisierte Licht, das nicht gebrochen wird, wird jedoch transmittiert, wie durch den gestrichelten Pfeil 292 in Fig. 6 gezeigt. Dieses ungenutzte P-polarisierte Licht wird dadurch von den P- beziehungsweise S-Strahlen 34 und 36 weggelenkt und interferiert nicht mit diesen. Somit wird die Polarisierungstrennung weiterhin mit nur einem kleinen Abfall der Gesamtmenge an Licht erreicht, das in dem P-polarisierten Strahl 34 enthalten ist.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine bevorzugte Ausführungsform, bei der die Bragg-Ebenen 120 senkrecht zu der Oberfläche der Hologramme liegen (φ= 90º). Dies hilft sicherzustellen, daß jegliches Schrumpfen der Hologramme aufgrund des Fertigungsablaufs die Winkel der Bragg-Ebenen nicht nachteilig beeinflußt. Wenngleich dies bevorzugt ist, ist es bei sorgfältiger Herstellung möglich, die vorliegende Erfindüng mit Bragg- Ebenen auszuführen, die nicht senkrecht zu der Hologrammoberfläche liegen. Die Auslegung derartiger Hologramme verwendet die gleiche Formel, wie oben beschrieben. Die Herstellung des Hologrammsystems ist ebenfalls die gleiche. Die zwei Hologramme werden zuerst derart justiert, daß ihre Bragg-Ebenen parallel zueinander verlaufen, und dann werden sie rotierend gegeneinander versetzt, bis das gewünschte Maß an Strahltrennung erreicht ist.
Die vorliegende Erfindung kann in optischen Datenspeichersystemen verwendet werden. Fig. 8 zeigt ein schematisches Diagramm eines optischen Datenspeichersystems der vorliegenden Erfindung, das mit dem allgemeinen Bezugszeichen 300 bezeichnet ist. Das System 300 beinhaltet ein optisches Datenspeichermedium 310, das vorzugsweise scheibenförmig ist. Das Medium 310 ist vorzugsweise ein magneto-optisches Medium. Das Medium 310 ist abnehmbar auf einer Klemmwelle 314 montiert, wie auf dem Fachgebiet bekannt. Die Welle 314 ist an einem Wellenmotor 316 befestigt. Der Motor 316 dreht die Welle 314 und das Medium 310. Über dem Medium 310 befindet sich ein Vormagnetisierungs- Elektromagnet 318.
Ein Laser 330 erzeugt einen Lichtstrahl 332. Der Laser 330 kann ein Gallium-Aluminium-Arsenid-Diodenlaser sein, der Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 780 nm erzeugt. Der Strahl 332 wird durch eine Linse 334 kollimiert und durch einen Zirkularisierer 336 zirkularisiert. Der Zirkularisierer 336 kann ein zirkularisierendes Prisma sein. Der Strahl 332 durchläuft einen Strahlteiler 340. Der Strahl 332 wird dann von einem Spiegel 342 zu einer Linse 344 reflektiert. Die Linse 344 fokussiert den Strahl 332 auf das Medium 310. Die Linse 344 ist an einem Linsenhalter 346 angebracht. Der Halter 346 kann relativ zu dem Medium 310 durch einen Fokusstellmotor 350, der ein Schwingspulenmotor sein kann, auf und ab bewegt werden.
Der Spiegel 342, die Linse 344, der Halter 346 und der Motor 350 bilden einen optischen Kopf 352. Der Kopf 352 kann in radialer Richtung relativ zu dem Medium 310 durch einen Linearmotor 360 bewegt werden.
Ein Teil des Strahls 332 wird durch das Medium 310 als Strahl 370 reflektiert. Der Strahl 370 läuft durch die Linse 344 hindurch und wird von dem Spiegel 342 zu einem Strahlteiler 340 reflektiert. An dem Strahlteiler 340 wird der Strahl 370 zu dem Hologrammaufbau 10 reflektiert. An dem Aufbau 10 wird der Strahl 370 in einen Strahl 372 und einen Strahl 374 aufgeteilt, die den Strahlen 36 beziehungsweise 34 entsprechen, wie in Fig. 1 gezeigt.
Die Strahlen 372 und 374 werden durch eine Linse 376 auf einen segmentierten optischen Detektor 380 beziehungsweise einen einzelnen optischen Detektor 382 fokussiert. Die Detektoren 380 und 382 sind mit einem Detektorschaltkreis 390 verbunden. Der Detektorschaltkreis 390 erzeugt ein Datensignal, ein Fokusfehlersignal (FES) ünd ein Spurverfolgungsfehlersignal (TES). Eine Fokusservoeinheit 392 ist mit dem Schaltkreis 390 und dem Motor 350 verbunden. Eine Spurverfolgungs- und Spursuchservoeinheit 394 ist mit dem Detektorschaltkreis 390 und dem Linearmotor 360 verbunden. Eine Lasersteuerung 396 ist mit einem Laser 330 verbunden und liefert ihm Leistung. Eine Magnetsteuerung 398 ist mit einem Magneten 318 verbunden und liefert ihm Leistung. Eine Plattenantriebssteuereinheit 400 ist mit dem Motor 316, den Servoeinheiten 392 und 394, der Lasersteuerung 396 und der Magnetsteuerung 398 verbunden und steuert diese. Die Servoeinheiten 392 und 394, die Lasersteuerung 396, die Magnetsteuerung 398 und die Steuereinheit 400 sind sämtlich auf dem Fachgebiet bekannt.
Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf den Detektor 380. Der Detektor 380 ist in sechs Abschnitte 380A, B, C, D, E und F unterteilt.
Fig. 10 zeigt ein Schaltbild eines Detektorschaltkreises 390. Der Schaltkreis 390 beinhaltet einen Datenschaltkreis 462, einen Fokusfehlerschaltkreis 464 und einen Spurverfolgungsfehlerschaltkreis 466. Der Datenschaltkreis 462 besitzt einen Verstärker 470, der mit dem Detektor 382 verbunden ist, und eine Mehrzahl von Verstärkern 472, 474, 476, 478, 480 und 482, die mit den optischen Detektorsegmenten 380A, B, C, D, E beziehungsweise F verbunden sind. Die Verstärker 472 bis 482 sind mit einem Summierverstärker 486 verbunden. Der Verstärker 470 und der Verstärker 486 sind mit einem Differenzverstärker 488 verbunden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 488 ist das Datensignal.
Der Fokusfehlerschaltkreis 464 beinhaltet ein Paar von Summier verstärkern 490 und 492 sowie einen Differenzverstärker 494. Der Verstärker 490 ist mit den Verstärkern 476 und 478 verbunden. Der Verstärker 492 ist mit den Verstärkern 472, 474, 480 und 482 verbunden. Die Verstärker 490 und 492 sind mit dem Differenzverstärker 494 verbunden, und das Ausgangssignal des Verstärkers 494 ist das Fokusfehlersignal (FES).
Der Spurverfolgungsfehlerschaltkreis 466 beinhaltet ein Paar von Summierverstärkern 500 und 502 sowie einen Differenzverstärker 504. Der Verstärker 500 ist init den Verstärkern 472, 476 und 480 verbunden. Der Verstärker 502 ist mit den Verstärkern 474, 478 und 482 verbunden. Der Verstärker 504 ist mit den Verstärkern 500 und 502 verbunden und erzeugt ein Spurverfolgungsfehlersignal (TES).
Die Betriebsweise des Systems 300 wird nunmehr verständlich. Wenn es gewünscht ist, Daten auf das Medium 310 zu schreiben, werden der Magnet 318 und der Laser 330 eingeschaltet. Der Laser 330 erzeugt einen Schreibstrahl 332, der eine ausreichende Intensität besitzt, um Flecken auf dem Medium 310 auf eine Temperatur über ihrer Curie-Temperatur aufzuheizen. Bei dieser Temperatur richten sich die Flecken bezüglich des durch den Magneten 318 erzeugten Magnetfeldes aus. Der Laser 330 wird so gesteuert, daß er einen gepulsten Strahl 332 bereitstellt, der für die aufzuzeichnenden Daten repräsentativ ist. Die Daten werden somit als Flecken auf dem Medium 310 aufgezeichnet, die eine magnetische Orientierung nach oben oder unten aufweisen.
Während des Schreibvorgangs kehrt der reflektierte Strahl 370 zu dem Hologrammelement 10 zurück. Der Strahl 370 wird in einen P-Polarisationskomponentenstrahl 374 und einen S-Polarisationskomponentenstrahl 372 aufgeteilt. Siehe Fig. 8. Wenn der Strahl 332 exakt auf das Medium 310 fokussiert ist, besitzt der Strahl 372 einen kreisförmigen Querschnitt 510 auf dem Detektor 380. Siehe Fig. 9. Die Menge an Licht, die auf Flächen C und D trifft, ist ungefähr gleich der Menge an Licht, die auf Flächen A, B, E und F trifft und bewirkt, daß der Schaltkreis 464 ein Null-Fokusfehlersignal erzeugt. Wenn der Strahl 332 in der einen oder anderen Richtung etwas defokussiert ist, fällt der Strahl 372 als kreisförmiger Querschnitt 512 oder 514 auf den Detektor 380. Dies bewirkt, daß der Schaltkreis 464 ein positives oder negatives Fokusfehlersignal erzeugt. Das Fokusfehlersignal wird zur Steuerung des Motors 350 verwendet, um die Linse 344 zu bewegen, bis der Fokus wieder erreicht ist.
Wenn der Strahl 332 exakt auf eine Spur des Mediums 310 fokussiert ist, dann fällt der Strahl 372 als kreisförmiger Querschnitt 510 in gleichen Teilen zwischen die Abschnitte A, C und E sowie die Abschnitte B, D und F. Wenn der Strahl 332 außerhalb der Spur ist, fällt er mehr auf die Abschnitte A, C und E und weniger auf die Abschnitte B, D und F oder umgekehrt. Dies führt zu einem positiven oder negativen Spurverfolgungsfehlersignal, das von dem Schaltkreis 466 erzeugt wird. Dieses Spurverfolgungsfehlersignal wird dann zur Steuerung des Motors 360 verwendet, um den Kopf 352 zu bewegen, bis der Strahl wieder auf die Spur fällt.
Wenn es gewünscht ist, Daten zu lesen, die auf der Platte aufgezeichnet sind, wird der Laser 330 erregt, um einen Lesestrahl 332 zu erzeugen. Der Lesestrahl 332 ist von ausreichend geringer Intensität, so daß das Medium 310 nicht über seine Curie- Temperatur aufgeheizt wird. Der Strahl 332 wird durch eine Linse 344 auf das Medium 310 fokussiert. Die Daten wurden bereits als nach oben oder unten orientierte magnetische Domänen auf dem Medium aufgezeichnet. Die Polarisationsebene von Licht, das von dem Medium reflektiert wird, ist in Abhängigkeit von der Orientierung der magnetischen Domänen in der einen oder anderen Richtung gedreht. Der reflektierte Strahl 370 kehrt zurück und wird bei dem Hologrammelement 10 in die Strahlen 372 und 374 aufgeteilt. Der P-Polarisationskomponentenstrahl 374 wird durch einen Detektor 382 detektiert, und der S-Polarisationskomponentenstrahl 372 wird durch den Detektor 380 detektiert. Der Schaltkreis 462 vergleicht die Intensität der zwei Strahlen und erzeugt ein Datensignal, das für die auf dem Medium 310 aufgezeichneten Daten repräsentativ ist.

Claims

1. Holographisches System (10) mit:

einem ersten Volumenhologramm (14) mit einer Mehrzahl von Bragg-Ebenen, wobei jede Bragg-Ebene mit einem Winkel φx relativ zu einer äußeren planaren Oberfläche des ersten Hologramms festgelegt ist und jede Bragg-Ebene mit einem Abstand Lx voneinander angeordnet ist;

einem zweiten Volumenhologramm (18), das identisch mit dem ersten Hologramm ist, wobei das zweite Hologramm mit seiner äußeren planaren Oberfläche im wesentlichen parallel zu der äußeren planaren Oberfläche des ersten Hologramms orientiert ist und seine Bragg-Ebenen um einen Rotationswinkel relativ zu den Bragg-Ebenen des ersten Volumenhologramms versetzt sind, wobei der Rotationswinkel um eine Achse verläuft, die im wesentlichen senkrecht zu den äußeren planaren Oberflächen des ersten und des zweiten Hologramms liegt, wobei die Bragg-Ebenen des zweiten Hologramms nicht parallel zu den Bragg-Ebenen des ersten Hologramms liegen, so daß ein Strahl einer Strahlung, die durch beide Hologramme transmittiert wird, in zwei winkelmäßig getrennte Komponenten unterschiedlicher Polarisierung gebeugt wird, und

Kopplungsmitteln (16), die das erste und das zweite Volumenhologramm in einer optisch gekoppelten Beziehung halten.

2. System, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Dicken sowohl des ersten (14) als auch des zweiten (18) Hologramms 5 Mikrometer betragen.

3. System, wie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch beansprucht, das des weiteren ein erstes (12) und ein zweites (20) Substrat in tragender Beziehung zu dem ersten (14) beziehungsweise dem zweiten (18) Hologramm beinhaltet.

4. System, wie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch beansprucht, wobei das Kopplungsmittel (16) ein strahlungsgehärteter Kitt ist.

5. System, wie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch beansprucht, wobei das Kopplungsmittel (16) ein zeitgehärteter Kitt ist.

6. System, wie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch beansprucht, wobei das erste (14) und das zweite (18) Volumenhologramm aus getrennten Stücken eines einzelnen Volumenhologramms bestehen.

7. System, wie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch beansprucht, wobei die Bragg-Ebenen des ersten (14) und des zweiten (18) Hologramms senkrecht zu den Oberflächen der Hologramme liegen.

8. Verfahren zur Herstellung eines Hologrammsystems (10), das die Schritte umfaßt:

Anbringen eines Kittes (16) zwischen einem ersten (14) und einem zweiten (18) Volumenhologramm, wobei das erste und das zweite Volumenhologramm identisch sind und jedes eine Mehrzahl von Bragg-Ebenen aufweist, wobei jede Bragg-Ebene in jedem der Volumenhologramme mit einem Winkel φx relativ zu einer äußeren planaren Oberfläche des Volumenhologramms festgelegt ist und jede Bragg-Ebene mit einem Abstand Lx entfernt angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Hologramm derart angeordnet sind, daß ihre äußeren planaren Oberflächen im wesentlichen parallel zueinander liegen;

Ausführen einer Drehbewegung des ersten und des zweiten Volumenhologramms relativ zueinander um eine Achse, die im wesentlichen senkrecht zu den äußeren planaren Oberflächen der Hologramme ist, bis ihre jeweiligen Bragg-Ebenen mit einem Rotationswinkel in Bezug zueinander orientiert sind und ihre jeweiligen Bragg-Ebenen nicht parallel in Bezug zueinander liegen, so daß ein Strahl einer Strahlung, die durch beide Hologramme transmittiert wird, in zwei winkelmäßig getrennte Komponenten unterschiedlicher Polarisierung gebeugt wird;

Härten des Kittes, um das erste und das zweite Hologramm dauerhaft miteinander zu verbinden.

9. Verfahren, wie in Anspruch 8 beansprucht, das des weiteren den Schritt des Hindurchführens eines Laserstrahls (32) durch das erste (14) und das zweite (18) Volumenhologramm und des Bestimmens der gewünschten Winkeltrennung zwischen dem gebeugten Strahl und einem ungebeugten Strahl vor dem Härten des Kittes (16) umfaßt.

10. Verfahren, wie in Anspruch 8 oder Anspruch 9 beansprucht, wobei der Kitt (16) ein strahlungsgehärteter Kitt ist.

11. Verfahren, wie in Anspruch 8 oder Anspruch 9 beansprucht, wobei der Kitt (16) ein zeitgehärteter Kitt ist.

12. Verfahren, wie in irgendeinem der Ansprüche 8 bis 11 beansprucht, wobei die Bragg-Ebenen des ersten (14) und des zweiten (18) Hologramms senkrecht zu den Oberflächen der Hologramme liegen.

13. Optisches Datenspeichersystem mit:

einem optischen Datenspeichermedium (310);

einer Strahlungsquelle (330) zum Erzeugen eines Strahls von Strahlung (332);

Transmissionsmitteln (334, 336, 340, 352) zum Transmittieren des Strahlungsstrahls zu dem Medium;

Empfangsmitteln (352, 340, 10) zum Empfangen eines reflektierten Strahlungsstrahls von dem Medium, wobei die Empfangsmittel ein Hologrammsystem beinhalten, wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 beansprucht.