Optische Systeme - KIT
Werbung
12.2 Vorlesungsevaluierung / Prüfungstermine Optische Systeme • Bitte füllen Sie den Fragebogen zur Vorlesungsevaluierung aus! • • Prüfung: mündlich, Termin nach Absprache Terminvorschläge: – 11.02.2008 – 25.02.2008 – 05.03.2008 – 19.03.2008 – Termine danach nur sporadisch, da ich wahrscheinlich zum 01.04.2008 Karlsruhe verlasse! Bitte emailen Sie mir Ihren Terminwunsch! – [email protected] Martina Gerken 21.01.2008 • Universität Karlsruhe (TH) 12.3 12.4 Inhalte der Vorlesung 1. 2. 3. 4. 5. Grundlagen der Wellenoptik Abbildende optische Systeme Optische Messtechnik Optische Materialbearbeitung Optik in der Datenspeicherung 5.1 Kopierer und Laserdrucker 5.2 Einschub: Polarisationskontrolle 5.3 CD-/DVD-Spieler 5.4 Magneto-Optical Discs (MO), MiniDisc (MD) 5.5 Holographische Datenspeicher 6. Mikro- und Nanooptische Systeme Magneto-Optical Discs (MOD), MiniDisc (MD) • • Daten in kleinen ferro-magnetischen Domänen abgelegt, die erzeugt und gelöscht werden können – Ferro-magnetischen Domänen sind Volumenbereiche mit homogener Ausrichtung der Magnetisierung. Erzeugung der Domänen erfolgt in der Kombination von Licht mit einem Magnetfeld. Licht erwärmt Material lokal. – Prinzipien der MOD in den 70ern erforscht – Mit CD 1982 angekündigt – Erste kommerzielle MOD 1988 erschienen Quelle: Imlau Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“ 12.5 12.6 MOD: Lesen • • • MOD: Schreiben Magneto-optischer Kerreffekt (MOKE) bewirkt, dass Polarisationszustand des reflektierten Laserlichtes verglichen zum einfallenden linear polarisierten Laserlichtes um einen geringen Winkelbetrag gedreht ist (ca. 0.5°). – Vorzeichen der Verkippung hängt von Orientierung der ferromagnetischen Domänen ab. • Angelegtes Magnetfeld größer als Koerzitivmagnetfeld Hc bewirkt Änderung in der Ausrichtung der Domänenmagnetisierung. • In MODs benutzt man Materialien, deren Hc stark von der Temperatur abhängt. – Bei Raumtemperatur und bei Erwärmung durch schwachen Lese-Laserstrahl sollte Hc möglichst groß sein, damit geschriebene MODs ihren Zustand beibehalten. – Bei Erhitzung durch intensiven Laserstrahl soll Hc klein werden, damit MOD mit angelegten Magnetfeld geschrieben werden kann. Polarisator wandelt Polarisationsmodulation in Intensitätsmodulation um. Polarisationszustand: Magnetisierung Ms Neukurve Hc Hc Hysteresisschleife Magnetisierung -Ms Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“ www.twysted-pair.com/hyster1.htm 12.7 12.8 Formanisotropie und Orthogonalanisotropie • MOD: Materialien Nur eine Magnetisierung senkrecht zur Schichtebene kann in der typischen senkrechten Lese-Konfiguration ausgelesen werden. – Die meisten Materialien haben jedoch eine Ausrichtung der Domänen in Richtung der Schichtebene (Formanisotropie FA) • • • Nur Materialien, bei denen Orthogonalanisotropie Ku größer als Formanisotropie FA ist: Ku>FA kommen für MODs in Frage. – Dies ist z.B. bei Co der Fall. Co hat allerdings eine kleine Magnetisierung. – Besser ist ein Kombination mehrerer Materialien. Bessere Eigenschaften erhält man durch Kombination von Materialien, bei denen Magnetisierungen der beiden Elemente entgegengesetzt orientiert ist (antiferromagnetische Kopplung). Kombination Seltene-ErdElemente (rare-earth, RE, z.B. Tb, Gd, Dy) und Übergangsmetalle (transition metal, TM, z.B. Fe, Co, Ni). – Gesamtmagnetisierung ist sehr klein Ms≈0. – Bei Tcomp ist Hc sehr groß. – Näher bei Tc ist Hc wesentlich kleiner. – Das TM sorgt für eine große Kerr-Rotation. Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“ 12.9 12.10 TbFeCo-Kombinationen • Schichtenfolge einer MOD Kombination mit ca. 25% Tb liefert ein günstiges Tcomp≈25°C und Tc ≈200°C. • • Al-Schicht reflektiert Licht. Es passiert die TbFeCo-Schicht zweimal. Si3N4-Schichten verhindern, dass Wasser an TbFeCo-Schicht gelangt, und dienen als Antireflexschichten. Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“ Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“ 12.11 12.12 Vergleich MO-Disk und DVD-RAM • 3,5" MO-Disk – hat maximal 2,3 GB, – 16 EUR – Betriebssystem erkennt MOD als Festplatte – höhere physikalische Datensicherheit • MOD lichtunempfindlich • MOD bis ca. 100 °C temperaturunempfindlich • DVD-RAM – 4,7 GB – 2,40 EUR – Bessere Transferleistung – DVD-RAM-Brenner billiger – DVD-RAM teilweise als DVDBrenner eingebunden Quelle: http://de.wikipedia.org Inhalte der Vorlesung 1. 2. 3. 4. 5. Grundlagen der Wellenoptik Abbildende optische Systeme Optische Messtechnik Optische Materialbearbeitung Optik in der Datenspeicherung 5.1 Kopierer und Laserdrucker 5.2 Einschub: Polarisationskontrolle 5.3 CD-/DVD-Spieler 5.4 Magneto-Optical Discs (MO), MiniDisc (MD) 5.5 Holographische Datenspeicher 6. Mikro- und Nanooptische Systeme 12.13 12.14 Holographische Aufnahme • • Aufgabe: Beispielhologramme Interferenzmuster belichtet Glasplatte oder Film mit lichtempfindlicher Schicht – Schicht reagiert nur auf Intensität des Lichtes Durch die Interferenz der Wellenfronten wird relative Phase (zwischen Objektund Referenzwelle) ebenfalls aufgezeichnet. • Skizzieren Sie das Hologramm einer spiegelnden Fläche! – Berechnen Sie die charakteristischen Abstände! • Skizzieren Sie das Hologramm einer kleinen streuenden Kugel! Quelle: http://de.wikipedia.org 12.15 12.16 Hologramm einer ebenen Welle M = ktstr • Beispiel für Zusammenhang zwischen Gitterperiode und Winkel sin ε 2 = λ 2g ⇒g= λ ε 2 sin ε2 I max − I min 2 Eˆ Eˆ = 2 O R2 ˆ I max + I min EO + Eˆ R M : Modulation I : Intensität Eˆ , Eˆ : Amplituden O Obje – Amplitude der Objektwelle im Kontrast des Interferenzmusters gespeichert – Winkel zwischen Objekt- und Referenzstrahl in der Gitterkonstanten gespeichert ahl Holographische Aufnahme eines Interferenzmusters von zwei ebenen Wellenfronten (Referenzwelle und Objektwelle) l strah renz e f e R • Bragg-Bedingung R 2 ε ε 2 . λ ε 2 2g λ : Wellenlänge des verwendet en Lichts ε : Trennungsw inkel zw. Objekt - und Referenzw elle Abb. 2b g : Gitterkonstante Quelle: www.kenneth.ch/download/holography.doc Quelle: www.kenneth.ch/download/holography.doc 12.17 12.18 Hologramm eines einzelnen Punktes • Hologramm eines beliebigen Objektes Interferenz ebener Referenzwelle mit Kugelwelle aus Punkt G – Fresnel‘sche Zonenplatte • Da Objekt aus vielen räumlichen Punkten zusammengesetzt, besteht Hologramm aus Überlagerungen vieler Fresnel'scher Zonenplatten – Hologramm speichert im Kontrast die Amplitude und im Abstand der Interferenzmaxima die Phase (Richtung und Form) der Objektwelle – Farbinformation fehlt (im einfachen Fall) – Hologramm stellt Codierung von Lichtwellen dar, nicht direkt ein Objektbild Resultierendes Interferenzmuster Objektstrahl Referenzstrahl Fresnel'sche Zonenplatte Quelle: www.kenneth.ch/download/holography.doc 12.19 12.20 Bedingungen für holographische Aufnahmen • • Feste Phasenbeziehung zwischen Objekt- und Referenzstrahl notwendig, um Interferenzmuster aufzunehmen – Zeitliche und räumliche Kohärenz der Lichtquelle während Belichtungsdauer notwendig – Stabilität aller Komponenten des optischen Aufbaus einschließlich des aufzunehmenden Gegenstandes während Belichtungsdauer notwendig (Bewegungen im 100 nm Bereich zerstören Interferenzmuster) – Typischerweise werden gepulste, linear polarisierte Laser verwendet Hochauflösender Film notwendig, um Interferenzmuster aufnehmen zu können (Auflösung 1.000-10.000 mm-1) Amplitudenhologramm und Phasenhologramm • Bei Amplitudenhologrammen ist Interferenzmuster in Form von unterschiedlichen Schwärzungen gespeichert, – Transparenter Film wird in belichteten Bereichen geschwärzt und bleibt an den dunklen transparent. – Schwarze Bereiche absorbieren Licht bei der Wiedergabe. • Bei Phasenhologrammen ist Interferenzmuster als Oberflächenrelief ausgebildet – In belichteten Bereichen ist Schichtdicke dünner – Oberflächenrelief erzeugt Phasendifferenz bei Wiedergabe – Helles Bild, da keine Absorption 12.21 12.22 Filmmaterialien Rekonstruktion eines Hologramms • Rekonstruktion des Objektbündels durch Lichtbeugung (Diffraktion) – Holografische Fotoplatte mit Welle beleuchtet, die mit Referenzwelle identisch ist – Licht wird am Interferenzmuster gebeugt und es entsteht die exakte Wellenfront der Objektwelle – Bei Transmissions- (Durchlicht-) hologramm abgebildeter Gegenstand hinter Hologramm sichtbar Quelle: Lecture Holography and optical phase conjugation held at ETH Zürich by Prof. G. Montemezzani in 2002 Quelle: http://de.wikipedia.org 12.23 12.24 Warum wirkt Hologramm dreidimensional? • • • • Warum sehen wir überhaupt dreidimensional? – Durch Augenabstand sehen unsere Augen Objekt aus leicht verschiedenen Richtungen. Gehirn kann dadurch räumlichen Eindruck herstellen. Ganzes Wellenfeld vor und hinter dem aufgezeichneten Objekt wird rekonstruiert Abbild kann ebenfalls durch Augenabstand aus leicht verschiedenen Richtungen betrachtet werden. Räumlicher Eindruck dadurch verstärkt, dass man sich im Wellenfeld hin- und herbewegen und so den Gegenstand aus verschiedenen Richtungen und, in begrenztem Ausmaß, auch um ihn herum sehen kann. Quelle: http://de.wikipedia.org Was passiert bei Beleuchtung mit anderer Wellenlänge? • Einfluss der Wellenlänge auf Rekonstruktion kann an Bragg Bedingung gesehen werden – Gitterkonstante g ist durch Hologramm gegeben – Wellenlänge λ wird variiert – Somit ergibt sich anderer relativer Winkel zwischen Objekt- und Referenz- bzw. Rekonstruktionsstrahl – Daher Lage des rekonstruierten Bildes verändert • Problem bei Beleuchtung mit weißem Licht: Jede Wellenlänge erzeugt anderes Bild und Bilder überlagern sich zu verschwommenem Gesamtbild • Daher lassen sich die bisher besprochenen Flächentransmissionshologramme nur in monochromatischem Licht betrachten. 12.25 12.26 Volumenhologramme (Weißlichthologramme) • Rekonstruktion Weißlichthologramm Aufnahme mit verhältnismäßig dicker Emulsion, so dass Überlagerungsmuster nicht nur in einer Ebene, sondern in Volumen gespeichert. – Nur sinnvoll, wenn Interferenzstreifen nicht senkrecht zur Holoplatte stehen (sonst hätte man sehr dickes Flächenhologramm) – Daher Aufnahmeanordnung mit Objekt- und Referenzstrahl aus entgegen gesetzten Richtungen • • • Betrachtung des Hologramms in Reflektion – Weißlichthologramme werden auch Reflektionshologramme genannt Jede Fotoschicht wirkt wie einzelnes Hologramm Konstruktive Interferenz in Reflektion nur für die richtige Wellenlänge – Volumenhologramm verhält sich wie Bragg-Spiegel – Falsche Wellenlängen werden transmittiert und somit „herausgefiltert“ • Bei Wiedergabe gewisse räumliche Kohärenz für scharfes Bild notwendig – Z.B. punktförmige Lichtquelle wie Sonne • Auf Volumenhologramm können mehrere Bilder gespeichert werden, da Wiedergabe unter einem bestimmten Winkel nur mit einer Wellenlänge – Hologramme mit Bewegung: Andere Bilder bei anderen Winkeln – Hologramme in Echtfarben: Aufnahme von drei Volumenhologrammen mit rotem, grünem und blauem Licht bei gleichem Einfallswinkel • Leider teuer, da keine kostengünstige Vervielfältigung möglich Abb. 9 Quelle: www.kenneth.ch/download/holography.doc 12.27 12.28 Regenbogenhologramm - Aufnahme • • Kopie eines bereits vorhanden Masterhologramms mit Spalt (bzw. streifenförmig geformtem Laserstrahl) auf zweiter Holoplatte aufgenommen – Interferenz von Referenzwelle 1 durch Master und Referenzwelle 2 Kostengünstige Vervielfältigung durch Prägen Regenbogenhologramm - Rekonstruktion • • • Wiedergegebene Objektfront ist vor den Augen des Betrachters nur noch eine Linie, dadurch überlagern sich Bilder verschiedener Wellenlängen nicht – Rekonstruktion mit weißem Licht möglich – Kein dreidimensionales Bild, da vertikale Parallaxe fehlt Farbigkeit des Hologramms durch Rekonstruktion verschiedener Wellenlängen in verschiedenen Winkeln Multiplexhologramme (Stereogramme) möglich – Fotos, die Objekt aus verschiedenen Perspektiven zeigen, werden in Hologramm gespeichert – Jedes Auge sieht eine solche 2dimensionale Perspektive und Bild wird räumlich wahrgenommen Quelle: http://de.wikipedia.org Quelle: http://de.wikipedia.org 12.29 12.30 Holografische Speicher Holografische Speicher • • Holographische Speicher versprechen: – Hohe Datendichte durch Volumenspeicherung – Hohe Datenübertragungsrate durch parallele Informationsverarbeitung • Hologramme können theoretisch ein Bit in einem Würfel mit der Kantenlänge der Wellenlänge des Lichts, das zum Schreiben benutzt wurde, speichern. – z.B. Helium-Neon-Lasers mit Wellenlänge: 632,8 nm – 1 Quadratzoll von perfektem holografischen Speicher enthält 1,61×1013 Bits, was ungefähr 2.014 Terabyte entspricht (2,5×1012 Bit pro cm²) – 1 Kubikzoll von solchem Speicher hätte Speicherkapazität von 8.083.729.105 Terabyte (493.299.416 TB pro cm³). – Speicherdichte ist in der Praxis um Größenordnungen niedriger, da Bits für Fehlerkorrektur benötigt, und Mangelhaftigkeit des optischen Systems ausgeglichen werden muss. Ablauf: – Digitalisierung der Daten – Konvertierung in 2D-Bitmuster (Datei wird in gleichgroße Datenpakete aufgeteilt, meist mehrere) – Bitmuster wird mit „PageComposer“ (z.B. Flüssigkristall 1024 x 1024 Bildpunkten) auf den Laserstrahl aufgeprägt. – Im Brennpunkt der optischen Anordnung wird das Speichermedium platziert, das photosensitiv sein muss, d.h. es verändert seinen Brechwert (photorefraktiv) oder seine Absorption (photochrom) bei Lichtbestrahlung. Quelle: http://de.wikipedia.org Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“ 12.31 12.32 Zwischenbild • • Holografische Disc Problem: PageComposer wirkt aufgrund seiner Gitterstruktur mit einer Periodizität von wenigen Mikrometern als Beugungsgitter auf die einfallende Lichtwelle und die Information wird im weiteren Verlauf gestört. Lösung: Es wird zunächst ein „Zwischenbild“ erzeugt, bei dem die höheren Beugungsordnungen mit einer Blende im Brennpunkt heraus gefiltert werden („Fourierfilterung“). – 4f Optik • Ein holographischer Speicher könnte wie bei CD/DVD/MOD auf einer Disc aufgebracht werden. Dies erlaubt die Nutzung der bekannten PlayerTechnologie. Quelle: Imlau Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“ 12.33 12.34 Beugungswirkungsgrad • • • Multiplexing Wellenlänge und Winkel der Referenzwelle beim Auslesen müssen mit den Bedingungen beim Einschreiben übereinstimmen. Für sehr kleine Abweichungen kann die Rekonstruktion noch erfolgen, dann nimmt der Beugungswirkungsgrad schnell ab. z.B. Beugungswirkungsgrad mit Winkelabweichung: • • Die Empfindlichkeit gegenüber Wellenlänge und Winkel der Referenzwelle kann benutzt werden, um mehrere Hologramme in dasselbe Speichermedium zu schreiben (Multiplexing). Liegt das zweite Hologramm beim Beugungsminimum des ersten Hologramms, so können beide Hologramme ohne Übersprechen ausgelesen werden. – Mit diesem Verfahren können bei ∆θ=0.01° in einen Winkelbereich von 10° 1000 Hologramme eingeschrieben werden! Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“ Quelle: Imlau 12.35 12.36 Winkelmultiplexing Winkel- und Wellenlängenmultiplexing • • Benötigter Winkel- bzw. Wellenlängenabstand für zwei Hologramme ohne Übersprechen (θB ist der halbe Winkel zwischen Signal- und Referenzwelle): Verschiedene Drehachsen sind für das Winkelmultiplexing möglich: Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“ Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“ Quelle: Imlau 12.37 12.38 Ortsmultiplexing • Holographic Versatile Disc (HVD) Zusätzlich zum Winkel- und Wellenlängenmultiplexing wird noch Ortsmultiplexing eingesetzt. – Speichermedium räumlich verschoben • Waser: „Nanoelectronics and Information Technology“ Zur Zeit in Entwicklung durch die „HVD Alliance“ – Kapazität von bis zu 3,9 Terabyte (Blu-ray Disc 200 GB ) – Transferrate von 1 Gbit/s bei einfacher Rotationsgeschwindigkeit (Vergleich: Blu-ray Disc 36 MBit/s, DVD 10.8 MBit/s, CD 1.4 MBit/s) – Laufwerke mit höherer Rotationsgeschwindigkeit (z.B. 8x) sind denkbar Quelle: www.hvd-alliance.org 12.39 Vergleich CD/DVD und HVD Quelle: www.howstuffworks.com 12.40 Simulation eines HVD-Hologramms Quelle: www.howstuffworks.com 12.41 HVD: Struktur 12.42 HVD: Optisches System Quelle: www.hvd-alliance.org Quelle: www.hvd-alliance.org 12.43 HVD: Speichern in überlagerten Hologrammen Quelle: www.hvd-alliance.org 12.44 Vergleich optischer Datenträger Quelle: http://de.wikipedia.org 12.45 Fragensammlung • • • • • • • • • • • • • • • Worauf basiert die Datenspeicherung in einer MOD? Wie ist ein MOD-Spieler aufgebaut? Nennen Sie einen Vorteil einer MOD gegenüber einer DVD-RAM! Was ist ein Hologramm? Wie wird ein Hologramm aufgenommen? Welche Bedingungen müssen bei der Aufnahme erfüllt sein? Wie wird das Hologramm rekonstruiert? Was sehe ich, wenn ich ein Flächenhologramm in Weißlicht betrachte? Warum kann ich ein Volumenhologramm in Weißlicht scharf sehen? Was ist ein Regenbogenhologramm? Warum sind holographische Datenspeicher interessant? Wie ist ein System zur holographischen Datenspeicherung aufgebaut? Was ist Wellenlängenmultiplexing? Was ist Winkelmultiplexing? Wie sieht eine HVD im Querschnitt aus und warum so?
