DE69105595T2

DE69105595T2 - Vorrichtung versehen mit einer photorefraktiven polymeren Dünnschicht zur Behandlung von dynamischen Hologrammen.

Info

Publication number: DE69105595T2
Application number: DE1991605595
Authority: DE
Inventors: Jean-Michel Nunzi
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1990-04-19
Filing date: 1991-04-17
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2011-04-18
Also published as: DE69105595D1; EP0453362B1; EP0453362A1; FR2661260A1; FR2661260B1

Description

Die Erfindung hat eine Hologramm-Behandlungsvorrichtung zum Gegenstand, versehen mit einer photorefraktiven polymeren Dünnschicht. Diese Vorrichtung kann verwendet werden zum Aufzeichnen, Löschen und Rekonstruieren von dynamischen Hologrammen, aber auch zur Verstärkung von Bildern, zum Mischen von Wellen vor allem hinsichtlich einer Wiederherstellung von nichtsinusförmigen Wellenfronten und für die Wellenbeugung.
Wie angegeben in dem Dokument D1 - P. GÜNTER und H.J. EICHLER, Electrooptic and Photorefractive materials, "Introduction to photorefractive materials", veröffentlicht durch P. Günter, Springer Verlag Berlin, S. 206-228, 1987 -, ist der "photorefraktive" Effekt die Modifikation des Brechungsindex eines Materials unter der Wirkung des Lichts. Er wird benutzt, um dynamische Hologramme herzustellen, die eine große Beugungswirkung haben bei einer kleinen Schreiblichtstärke. Die "photorefraktiven" Materialien sind photoleitende und elektrooptische Materialien.
Wenn sie beleuchtet werden, erzeugt das Licht der Stärke I freie Ladungen, die sich durch Photoleitung in dem Material bewegen und ein elektrisches Feld Esc entstehen lassen, zurückzuführen auf die Raumladungen, die aus dieser Migration resultieren. Dieses elektrische Feld Esc hat dieselbe Raummodulation wie die Erregerlichtstärke I. Es wirkt auf den elektrooptischen Koeffizienten r, um lokal den Brechungsindex n des Materials um den Wert dn zu variieren entsprechend der Gleichung (1):
d = n³ r Esc (1)
So werden die dynamischen Hologramme in Kristallen des "photorefraktiven" Materials aufgezeichnet. Die bis heute verwendeten photorefraktiven Materialien sind alle Minerale.
Der Beugungswirkungsgrad dieser Hologramme ist direkt verbunden mit dem Wert von dn. Nun, der elektrooptische Koeffizient r ist eine Konstante für ein gegebenes Material (von 1 bis 100.10&supmin;¹² m/V). Bei den bekannten "photorefraktiven" Materialien besitzt das Raumladungsfeld Esc einen Maximalwert E[max/sc], der begrenzt ist durch die Dichte und die Art der Akzeptoren- oder Donatorenladungsstörstellen (s. zu diesem Zweck das Dokument D1).
Diesen Grenzwert bekommt man durch die Relation (2):
E[max/sc] = e.N.P/2n.&epsi; (2)
wo &epsi; die Ladung des Elektrons ist (1,6.10&supmin;¹&sup9;C), P die Teilung des holographischen Rasters ist, typisch 10&supmin;&sup4;cm, &epsi; die statische dielektrische Konstante ist, typisch 4.10&supmin;¹²F/cm und N die Dichte der eingebauten Störstellen ist, typisch 10¹&sup7;/cm³.
Das Feld Esc ist daher begrenzt auf bestenfalls 10&sup5;V/cm, was somit die Veränderung des Index dn begrenzt. Außerdem ist dieses Feld Esc immer abhängig von der Teilung des geschriebenen holographischen Rasters, was zu einer Verschlechterung der holographischen Bilder führt, verfahrensbedingt.
Seit mehr als 10 Jahren kennt man die Anwendung eines elektrischen Fremdfeldes Eext auf photorefraktive Mineralkristalle, um deren Leistungen zu verbessern (s. zu diesem Zweck das Dokument D1). Dieses elektrische Fremdfeld, das parallel zur Kristallebene angewandt wird, wie die Figur 3 des Dokuments D1 zeigt, dient der Beschleunigung des Migrationsprozesses der elektrischen Ladungen, aber das Raumladungsfeld bleibt noch immer begrenzt durch den Wert E[max/sc] (s. Gleichung (2)).
Außerdem ist die Polarisierung von organischen Dünnschichten bekannt, um die aktiven Moleküle auszurichten, die einen elektrooptischen Effekt erzeugen werden, oder eben diese elektrooptischen Eigenschaften zu messen (s. zu diesem Zweck das Dokument D2 - R. LYTEL u.a. "Organic elektrooptic waveguide modulators and switches", Nonlinear Optical Properties of Organic Materials SPIE, Heft 971, S. 218-229, 1988 -)
Bekannt ist auch, photoleitende Materialien zu polarisieren, um Elektrophotographie zu betreiben, wie es das Dokument D3 - R.M. SCHAFFERT "A new high-sensitivity organic photoconductor for electrophotography", IBM J Res. Develop., 15, S. 75-89, 1971 -.
Außerdem gibt es holographische Vorrichtungen, die ein aktives Dünnschichtenelement umfassen, bei dem das Fremdfeld Arbeit an ein photoleitendes Material liefert, um die Brechungseigenschaften eines elektroaktiven Materials zu verändern: Flüssigkristall, ferroelektrischer oder elastomerischer Kristall (Ruticon-Verfahren) (s. zu diesem Zweck das Dokument D4 - J. BORDOGNA und S.A. KENEMAN, "Other material und devices", Holographic Recordung Materials, herausgegeben durch H.M. Smith, Springer Berlin, S. 229-244, 1977).
Bei diesen Vorrichtungen benutzt man nicht den "photorefraktiven" Effekt. Die optische Nichtlinearität kommt nämlich von langsamen Kollektivphänomenen (in der Größenordnung von 0,1s) wie etwa der Neuausrichtung der Moleküle für die ferroelektrischen Materialien und die Flüssigkristalle oder der Materialkompression, hervorgerufen durch die elektrostatische Oberflächenkraft bei den Elastomeren.
Zudem unterscheidet sich das elektroaktive Milieu vom photoleitenden Milieu. Somit wird das aktive Element gebildet durch eine optisch elektroaktive (oder elektrooptische) Schicht, einer photoleitenden Schicht überlagert, wobei das Ganze enthalten ist zwischen zwei Polaristionselektroden.
Um die Nachteile der bekannten Vorrichtungen zur Behandlung von dynamischen Hologrammen zu beseitigen, schlägt die Erfindung vor, die "photoaktiven" Mineralien zu ersetzen durch polymere Dünnschichten mit "photoreaktivem" Charakter und diese Schichten mittels einer Spannung zu polarsieren, die gleichmäßig an diese Schichten gelegt wird, damit sie einem elektrischen Fremdfeld ausgesetzt sind, senkrecht zur Schicht, das das elektrische Raumladungsfeld ersetzt. Außerdem sind diese polymeren Schichten amorphe plastische Schichten, d.h. formbar und mit ungeordneter Struktur, während die bis heute verwendeten "photorefraktiven" Materialien kristalline Form aufweisen.
Genauer, die Erfindung hat eine Behandlungsvorrichtung für dynamische Hologramme zum Gegenstand, die ein aktives Element umfaßt, gebildet durch eine aktive photoleitende Schicht aus plastischem und amorphem Polymerisat, sowie Einrichtungen zum Adressieren bzw. Richten von wenigstens zwei Lichtbündeln auf die aktive Schicht, zur Erzeugung eines holographischen Rasters befähigt, elektrische Polarisationseinrichtungen der aktiven Schicht, um dort ein elektrisches Feld zu erzeugen entsprechend einer zur Ausdehnung der aktiven Schicht senkrechten Richtung und Annulierungseinrichtungen zum Aufheben des auf die aktive Schicht angewandten elektrischen Felds, wenn sie durch Photoleitung leitend gemacht wird.
In der Folge der Beschreibung bezeichnet man mit "Schicht mit photorefraktivem Charakter" eine photoleitende und elektrooptische Aktivschicht.
Bei der Erfindung benutzt man die augenblickliche elektronische Nichtlinearität von organischen Polymeren, was nicht der Fall der Materialien des Dokuments D4 ist.
Die Beleuchtung des aktiven Elements erzeugt elektrische Ladungen, die, indem sie zur Oberfläche der Aktivschicht wandern, lokal das auf das Material angewandte elektrische Feld verändern. Das elektrische Feld der Raumladungen Esc wird in diesem Fall ersetzt durch das Fremdfeld Eext.
Die erfindungsgemäße Anwendung eines elektrischen Fremdfeldes senkrecht zur Ausdehnung des holographischen Rasters im Gegensatz zur vorhergehenden Technik, wo das elektrische Fremdfeld immer parallel zur Ausdehnung des holographischen Rasters angewandt wurde, ermöglicht es, das elektrische Raumladungsfeld Esc zu ersetzen durch das elektrische Fremdfeld und so den Wert dieses elektrischen Felds Esc zu vergrößern und folglich den der Indexveränderung.
Insbesondere ist es möglich, eine elektrisches Fremdfeld Eext größer als 10&sup5;V/cm anzuwenden, z.B. in der Größenordnung von 10&sup6;V/cm, und folglich ein Raumladungsfeld in der Größenordnung von 10&sup6;V/cm zu erzeugen.
Dies ermöglicht, den Stand der Technik der mineralischen photorefraktiven Materialien in drei wesentlichen Punkten zu verbessern:
a) - Gewinn auf dem elektrischen Gebiet, der zu einer 10 bis 100fach größeren Veränderung des Index dn als üblich führt (s. Gleichung 1);
b) - Gewinn bezüglich der holographischen Schreibqualität, denn die Indexveränderung dn ist nun unempfindlich gegenüber der Teilung P des Rasters (s. Gleichung 2);
c) - Gewinn beim Photoleitungsprozeß, der wirksamer und schneller ist durch die Anwendung eines stärkeren elektrischen Feldes.
Die Verwendung von Polymerisaten in diesem Zusammenhang trägt mehrere entscheidende Vorteile bei zu der Behandlungsvorrichtung für dynamische Hologramme:
1) - gute dielektrische Eigenschaften, die Felder Eext von 10&sup6;V/cm aushalten, und große Resitivität in der Dunkelheit bei starkem elektischem Feld, bis 10¹³Ohm/cm;
2) - kleine relative statische Dielelektrizitätskonstante, kleiner als 5, anstatt 50 wie typisch für Mineralien, was die Reaktionszeit des photoreaktiven Effekts verbessert;
3) - großer elektrooptischer Koeffizient r erreichbar und Schnelligkeit der Reaktion im Subpicosekundenbereich;
4) - gute optische Qualität der amorphen Materialien, was die Herstellung von flachen Lichtleitern mit geringen Verlusten ermöglicht;
5) - Ausführungstechnik kompatibel mit der der Mikroelektronik (Möglichkeit der Hybridisierung).
Außerdem weist die Verwendung von löslichen Polymerisaten den Vorteil von geringen Kosten auf für die Herstellung in Form von Dünnschichten mit großen Abmessungen (von 10 bis 100 cm²), was die Gesamtkosten der erfinddungsgemäßen Behandlungsvorrichtung reduziert.
Bis heute gibt es in der vorhergehenden Technik kein als solches anerkanntes organisches photorefraktives Material. Das Dokument D5 - S. DUCHARME u.a., "Possibility for photorefractive effects in organic electro-optic crystal" Nº WDD9, Quantum Electronics and Laser Science Conference Technical digest of OSA Meeting, 1989 - ist das einzige bis heute zu diesem Thema veröffentlichte Dokument.
Um eine aktive Dünnschicht mit photorefraktiven Eigenschaften herzustellen, schlägt die Erfindung die Verwendung eines Kompositmaterials vor, gebildet durch eine lösliche photoleitende Polymermatrix, in die elektroaktive organische Moleküle eingebaut sind. Indem man die Molekularzusammensetzung der aktiven Schicht oder auch ihre Struktur verändert, kann man die elektrooptischen und die Photoleitungseffekte dosieren, was in jedem Fall eine Optimierung der Betriebsbedingungen der Vorrichtung ermöglicht.
Die photoleitende Matrix schließt 2 bis 20 Gewichtsprozent elektroaktive Moleküle ein und z.B. ungefähr 5 bis 10%. Diese Matrix kann aus einem Homopolymerisat oder aus einem Kopolymerisat bestehen.
Die permanente Polarisation der Aktivschicht unter einem starken elektrischen Feld ermöglicht, die nichtlinearen Moleküle der elektrooptischen amorphen Polymerkomposite in einer zeitlich stabilen Konfiguration zu blockieren, während sie andernfalls relaxieren, wie vor allem angegeben in dem Dokument D6 - G.R. MOHLMANN u.a., "Organic polymers as optically non linear media", Nonlinear Optical Properties of Organic Materials, SPIE, Heft 971, S. 252-259, 1988 -.
Die elektroaktiven organischen Moleküle werden gewählt wegen ihrer Ausrichtungsfähigkeit im Magnetfeld, was einen großen elektrooptischen Koeffizienten r ergibt. In der Praxis verwendet man ein organisches Färbemittel, das in jeder Hinsicht identisch ist mit denen, die bei den elektrooptischen Dünnschichtmodulatoren verwendet werden.
Diese elektroaktiven Moleküle sind insbesondere diejenigen, die beschrieben sind in den Dokumenten D2 und D6 und in der Veröffentlichung D7 - J.E. SOHN u.a., "Orientationally ordered nonlinear optical polymer films", Nonlinear Optical Effects in Organic Polymers, veröffentlicht durch J. Messier u.a., S. 291-297, 1989 -.
Die Methoden der Ausrichtung der elektroaktiven Moleküle und des Einfrierens ihrer Bewegung in einem photoleitenden Polymerisat sind insbesondere diejenigen, die in den Dokumenten D2, D6 und D7 beschrieben werden und in dem Dokument D8 - BOYD u.a. , "Organic materials requirements and design criteria for an electro-optique phase shifter", Nonlinear Optical Properties of Organic Materials, SPIE, Heft 971, S. 230- 238, 1988 -.
Die Orientierung der Moleküle und das Einfrieren ihrer Bewegungen ermöglicht in der Praxis, elektrooptische Koeffizienten r zu erhalten, die von 2 bis 30.10&supmin;¹²m/V gehen (s. Dokument D2).
Generell sind die elektroaktiven (oder nichtlineare optische Eigenschaften aufweisenden) organischen Moleküle der Erfindung Moleküle mit nichtzentrosymetrischer Molekularstruktur mit einem delokalisierten Elektronensystem π. Dieses delokalisierte Elektronensystem beruht im allgemeinen auf dem Vorhandensein von Mehrfachbindungen in der Kohlenstoffkette des organischen Materials. Außerdem umfassen diese Moleküle im allgemeinen unsymetrische Ladungstransfergruppierungen oder polare Gruppen an den Enden der Kette.
Als bei der Erfindung verwendbares elektroaktives Molekül kann man das Metanitroanilin (mNA), das N,N-Dimethylanilin (DMA), das 2-Mehyl-4-Nitroanilin (MNA), das Paranitroanilin (p-NA), das 4-Dimethylamino-4'-Nitrostilben (DANS) und das 4-Methoxy- 4'-Nitrostilben (MONS) nennen.
Die Matrix aus photoleitendem Polymerisat kann erfindungsgemäß hergestellt werden aus Poly-N-Vinyl-Carbazol, als PVCz bezeichnet, einem Kopolymer von PVCz und aus 2,4,7-Trinitro- 9-Fluorenon (TNF) oder auch einem konjugierte Doppelbindungen enthaltenden Polymerisat wie die Polydiacethylene oder die Polythiophene, löslich.
Diese, konjugierte Doppelbindungen enthaltenden Polymerisate weisen den Vorteil einer großen Rekombinationsgeschwindigkeit der freien Träger auf, was einen Zyklus mit einem hohen Arbeitstakt der Vorrichtung ermöglicht (bis 10&sup9;Hz). Der Nachteil ist eine kleinere Photoreaktions- Quantenausbeute.
Wenn die photoleitende Matrix aus Polyvinyl-Carbazol ist, ist es möglich, die Rückkehrzeit zum Gleichgewicht (oder Zykluszeit) des aktiven Elements der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verbessern, indem man ein elektrisches Fremd-Wechselfeld anwendet. Bei allen anderen photoleitenden Polymerisaten wendet man ein Fremd-Gleichfeld an.
Die Polydiacetylene haben die Grundformel (I):
wobei R und R' Alkyl-, Amid-, ...-Radikale von 1 bis 10 Kohlenstoffatomen sind.
Die Polythiophene haben die Grundformel (II):
wobei R'' ein Wasserstoffatom oder ein Alkylradikal aus 1 bis 10 Kohlenstoffatomen darstellt.
Die Erfinder fanden heraus, daß die Aktivschicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung im wesentlichen auch durch ein Polymerisat, ein Homopolymerisat oder ein konjugierte Doppelbindungen enthaltendes Kopolymerisat gebildet werden kann, das zugleich photoleitende und elektrooptische Eigenschaften hat, wenn es polarisiert ist. Dieses Polymerisat ist z.B. ein Polydiacetylen der Formel (I).
Insbesondere:
und diese Verbindung wird Poly(4-BCMU) genannt.
Als konjugierte Doppelbindungen enthaltendes Polymerisat mit zugleich photoleitenden und elektroaktiven Eigenschaften, wenn es polarisiert ist, kann man auch die Polythiophene der Formel (II) nennen.
Insbesondere R''=-(CH&sub2;)&sub5;-CH&sub3;, was dem Poly(3- Hexylthiophen) entspricht.
Man kann auch die Verwendung von vielen anderen, konjugierte Doppelbindungen enthaltenden Polymerisaten vorsehen, wie z.B. Derivate des Polyacethylens, des Polyparaphenylens, des Polypyrrols, des Polyanilins. Diese letzteren sind optisch nicht linear und photoleitend; sie können löslich gemacht und an die Erfindung angepaßt werden durch Substitution entsprechender seitlicher Gruppen R und R'.
Generell sind die Polymerisate, die zugleich photoleitende und elektroaktive Eigenschaften haben, wenn man sie polarisiert, diejenigen, die einen hohen optischen KERR-Effekt aufweisen bei Wellenlängen nahe der Photoleitschwelle.
Die obigen, konjugierte Doppelbindungen enthaltenden Polymerisate haben den Vorteil, eine große optische Nichtlinearität 3. Ordnung der Größenordnung 10&supmin;¹&sup7;(m/V)² im sichtbaren Licht aufzuweisen, an der Grenze zwischen der optischen Transparenzzone und der Absorptionszone (0,4 eV unter dem Absorptionsmaximum). Dies bewirkt, daß, ohne Einbau von elektroaktiven organischen Molekülen in diese Polymerisate, diese - unter der Wirkung eines elektrischen Gleichfeldes Eext in der Größenordnung von 10&supmin;&sup6;V/cm - einen effektiven elektrooptischen Koeffizienten r wie folgt bieten:
r = [X(3) Eext] / [2 n&sup4;] ≈ 30.10&supmin;¹² m/V (mit n = 2)
Dieser Koeffizient, der mit dem des Lithiumnobiats vergleichbar ist, ist bemerkenswert und rechtfertigt allein das Interesse an dem polarisierten Aktivelement der erfindungsgemäßen Behandlungsvorrichtung von dynamischen Hologrammen.
Bei der Erfindung verwendet man eine einzige Schicht, die zugleich elektropotische Eigenschaften und photoleitende Eigenschaften aufweist. Dies ermöglicht, bezogen auf bekannte Vorrichtungen, die einen Stapel aus einer photoleitenden Schicht und einer elektroaktiven Schicht umfassen, alle Grenzflächenprobleme zwischen diesen zwei Schichten zu vermeiden, die der richtigen Funktionsweise der Vorrichtung abträglich sind und insbesondere der Reaktionszeit der Vorrichtung.
Die Anwendung des elektrischen Fremdfeldes kann verwirklicht werden durch ein ionisiertes Gas (auch Polarisation durch Coronaeffekt genannt), direkt auf die Aktivschicht angewandt, oder auch durch zwei Elektroden, beiderseits der Aktivschicht angeordnet, an die man eine Potentialdifferenz legt.
Je nach dem für welche Anwendung die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen ist, können diese Elektroden transparent oder opak sein. Für eine Lichtdurchlaßfunktionsweise sind die beiden Elektroden notwendigerweise transparent, für eine Reflexionsfunktionsweise darf nur eine der Elektroden transparent sein, und für eine Wellenleiterfunktionsweise können beide Elektroden opak sein.
Als für die Herstellung der erfindungsgemäßen transparenten Elektroden geeignetes Material kann man das Indium- und Zinnoxid nennen, bekannt unter der Abkürzung ITO, und das Indiumoxid In&sub2;O&sub3;. Als für die Erfindung verwendbare opake Elektrode kann man Metallelektroden nennen und insbesondere Elektroden aus Aluminium, Kupfer oder Silber.
Erfindungskonform müssen Annullierungseinrichtungen des elektrischen Feldes vorgesehen werden, das auf die Aktivschicht wirkt, wenn sie leitend gemacht wird durch Photoleitung. Die Beschaffenheit dieser Einrichtung hängt im wesentlichen von der für die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehenen Verwendung ab.
Insbesondere können diese Annulierungseinrichtungen verwirklicht werden mit Hilfe von einer oder zwei Pufferschichten aus elektrisch isolierendem oder schwach leitendem Material, eingefügt zwischen die photorefraktive Aktivschicht und die Elektroden. Diese Pufferschichten müssen eine große elektrische Resistivität aufweisen (Faktor 10) gegenüber der Aktivschicht, wenn diese letztere im leitenden Zustand ist. Außerdem müssen sie eine ausreichende dielektrische Widerstandsfähigkeit aufweisen, um ohne Durchschlag die an die Elektroden gelegte Spannung auszuhalten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann verwendet werden bei allen bekannten Anwendungen von Behandlungsvorrichtungen dynamischer Hologramme, die der vorhergehenden Technik entsprechend kristalline mineralische photorefraktive Materialien verwenden. Man unterscheidet zwei Funktionsweisen, nämlich die Funktionsweise mit freien Wellen und die Funktionsweise mit flachem Wellenleiter.
Bei der Funktionsweise mit flachem Wellenleiter müssen die auf das Aktivelement gerichteten Lichtbündel der Aktivschicht entlang geleitet werden.
Wenn man zwei transparente Elektroden verwendet, muß man zwei Pufferschichten anbringen, angeordnet beiderseits der Aktivschicht, und vorsehen, daß der Brechungsindex dieser Pufferschichten kleiner ist als der der Aktivschicht. Diese Bedingung ist praktisch immer erfüllt in der Praxis, da die Aktivschicht in einem Bereich des optischen Spektrums verwendet wird, wo sie das Licht absorbiert und aufgrund dieser Tatsache einen großen Brechungsindex hat (wenigstens gleich 1,6).
Bei der Funktionsweise mit Durchlaß und mit freien Wellen ist es nutzlos, zwei Pufferschichten zu haben; eine einzige Pufferschicht genügt und es gibt keine Bedingung mehr bezüglich des Brechungsindex.
In der Praxis verwendet man als Pufferschicht Polymerisate, die löslich sind in organischen Lösungsmitteln und insbesondere Mikrolithographieharze (des Typs Polysilan oder Polysiloxan) oder auch in Polymethylmethacrylat (PMMA) oder einem Vinylpolyalkohol.
Da das Aufbringen der Polymer-Pufferschichten auf die Aktivschicht erfolgt mittels Beschichtung dieser letzteren mit einer Lösung, die das gewünschte, in einem Lösungsmittel aufgelöste Polymerisat enthält, muß man darauf achten, daß Verträglichkeit besteht zwischen diesem Lösungsmittel und jenem, das man für das Aufbringen der Aktivschicht verwendet hat.
Als Pufferschicht kann man auch eine im Vakuum aufgedampfte Siliciumoxid-Dünnschicht verwenden.
Die Pufferschichten und die Aktivschicht haben jeweils eine Dicke von einigen Mikrometern, typisch 1 bis 3 um, für eine Dicke zwischen den Elektroden von 2 bis 12 um.
Die an die Elektroden gelegte Spannung beträgt einige hundert Volt, um die Aktivschicht einem Feld Eext von ungefähr 100V/um auszusetzen.
Die Querabmessungen des Aktivelements werden der gewünschten Experimentalform angepaßt (einige mm² oder cm²).
Bei der Funktionsweise mit freien Wellen müssen die Lichtbündel dieselbe Polarisation aufweisen, beliebig in bezug auf das Aktivelement.
Hingegen ist es bei der Wellenleiter-Funktionsweise vorzuziehen, mit der TM-Welle zu arbeiten, da die TE-Welle eine ungefähr dreimal kleinere Nichtlinearität erfährt. Dies erhält man durch Verwendung von einfallenden Lichtbündeln, die parallel zu dem auf die Aktivschicht angewandten elektrischen Feld polarisiert sind.
Die Kopplung der Lichtwellen mit dem Wellenleiter erfolgt nach den klassischen Methoden der "Schnittflächenkopplung" (de "couplage par tranche"), der totalen, gedämpften oder Rasterreflexion (de réfléxion totale atténuée ou de réseau). In dieser Situation, in der die Wechselwirkungslänge der Lichtbündel größer ist als die Dicke des Aktivelements, gemessen in der zum Lichtbündel parallelen Richtung, erhält man holographische Diffraktionswirkungsgrade oder Mischungen mit zwei benachbarten Wellen von 100%. Dies ist der Fall mit 630 nm in einer Dünnschicht aus Polydiacethylen und vor allem aus Poly(4-BCMU).
Die photorefraktive Holographiediffraktionsverstärkung ist dann nahe bei 10³/cm².
Es ist möglich, ein Aktivbauteil ohne Pufferschicht zu verwenden. In diesem Fall sind die Polarisationselektroden aus Metall. Der Lichtleiter ist dann ein metallischer Wellenleiter mit großen Fortpflanzungsverlusten, analog denen, die man außerdem dazu verwendet, elektrooptische Koeffizienten zu messen.
Bei einem solchen Leiter ist die Lichtstärke in der Nähe der Metallelektroden null, daher die Nutzlosigkeit von Pufferschichten zum Annullieren bzw. Außerkraftsetzen des elektrischen Feldes, wenn die Aktivschicht durch Photoleitung leitend gemacht wird. Das Resultat ist ein Aktivelement, das im Nanosekundenbetrieb funktionieren kann, unabhängig von der Rekombinationszeit der freien Ladungen in der Aktivschicht und vor allem in der photoleitenden Matrix im Falle einer Aktivschicht, die gebildet wird aus in einer photoleitenden Matrix gefangenen elektroaktiven Molekülen.
Man nutzt einfach die Intensitätsverteilung, die den metallischen Leitern eigen ist und die durch die Aktivschicht eine Modulation der Photoleitung induziert.
Aus Gründen der mechanischen Widerstandsfähigkeit kann das Aktivelement außerdem wenigstens ein Substrat umfassen.
Weitere Eigenschaften und Vorzüge der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden, beispielhaften und nicht einschränkenden Beschreibung hervor, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Figur 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsart einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die die Wiederherstellung nichtsinusförmiger Wellenfronten ermöglicht,
- die Figur 2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsart einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die die Flächenvergrößerung von zweidimensionalen Bilder ermöglicht;
- die Figur 3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung, verwendet für die Volumensvergrößerung von eindimensionalen Bildern;
- die Figur 4 zeigt schematisch das Aktivelement der Vorrichtung der Figur 3 entsprechend einem Schnitt IV-IV,
- die Figur 5 ist eine Ausführungsvariante des Aktivelements der Figur 4, und
- die Figur 6 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung, verwendet für die zweidimensionale Adressierung.
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung funktioniert mit freien Wellen und gewährleistet das Mischen von zwei Lichtwellen. Sie umfaßt einen Erregungslaser 2, der ein monochromatisches Lichtbündel emittiert, das empfangen wird durch zwei 50%-Teilerplatten 4 und 6, kaskadenförmig angeordnet; sie ermöglichen die Bildung von zwei Lichtbündeln 8 und 10, aufgefangen durch das Aktivbauteil 12 der Vorrichtung. Ein Spiegel 14, hinter der Vorrichtung 12 angeordnet, reflektiert das Bündel 8 auf das Aktivelement 12.
Das einfallende Bündel 8 und das durch den Spiegel 14 reflektierte Bündel dienen der Erregung des Aktivbauteils 12.
Das Bündel 10, Testbündel genannt, hat in bezug auf das einfallende und reflektierte Bündel 8 eine deformierte bzw. nichtsinusförmige Wellenfront, zurückzuführen auf das Vorhandensein eines Objekts 11.
Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsart treten die einfallenden Lichtbündel 8 und 10 auf derselben Seite in das Bauteil 12 ein und durchqueren die Vorrichtung von einer Seite zur anderen (Durchlaßbetrieb). Unter diesen Bedingungen müssen die verschiedenen, das Bauteil 12 bildenden Schichten transparent sein für das durch die Quelle 2 emittierte Licht.
Erfindungskonform umfaßt das Bauteil 12 eine Aktivschicht 16 aus Poly(4-BCMU), einem photoleitenden und elektrooptischen Material, ungefähr 10 um dick, eine Pufferschicht 18, angeordnet auf der Seite des Spiegels 14, aus Polymethylmethacrylat (PMMA), elektrisch isolierend, mit 1 um Dicke, und zwei Elektroden 20 und 22 aus ITO von 0,1um, jeweils verbunden mit zwei Anschlüssen einer Gleichspannungsversorgung 24, die ungefähr 1100 V liefert. Die Aktivschicht ist amorph und plastisch.
Um die Steifigkeit des Bauteils 12 zu gewährleisten, vervollständigen ein unteres Substrat 26 und ein oberes Substrat 28 die Struktur. Die Substrate sind insbesondere aus geschmolzenem Siliciumdioxid und haben eine Dicke von 1 mm.
Die Wechselwirkung der Bündel 8 und 10 erzeugt ein dynamisches Hologramm, das sich auf beiden Seiten der Aktivschicht 16 aus photorefraktivem Material erstreckt. Die die Referenz 13 tragenden schraffierten Zonen sind eine Sichtbarmachung der Interferenzstreifen der Erregerbündel in der Aktivschicht 16.
Die Quelle 24 ermöglicht die Anwendung eines elektrischen Feldes entsprechend einer Richtung z, senkrecht zur Ausdehnung des holographischen Rasters, gemessen in der Richtung x, parallel zur Ebene der Schichten.
Dort wo die Lichtintensität maximal ist, erzeugt das durch die Elektroden 20 und 22 auf die Aktivschicht 16 wirkende Fremdfeld einen Indexraster, der die Teilreflexion des Bündels 10 in umgekehrter Richtung gewährleistet (Phasenkonjugation), über die Diffraktion des durch den Spiegel 14 reflektierten Bündels 8, mit einer Reflexionsquote von ungefähr 20%.
Das reflektierte Bündel 10 durchquert dann die halbreflektierende Platte 6; er enthält das trotz des deformierenden Objekts 11 rekonstruierte Einfall-Lichtsignal 8.
Bei der Funktionsweise mit freien Wellen ist die Polarisation der Lichtbündel keine wesentliche Eigenschaft, es sei denn, es wäre vorteilhaft, daß alle Bündel dieselbe Polarisation aufweisen. Diese Polarisation ist vor allem parallel zu der Richtung x oder y, parallel zu den Ebenen der Schichten.
Die Reaktionszeit des Aktivbauteils 12 ist verbunden mit der Beleuchtung des Erregerlasers 2. Damit das System 12 auf die Erregerlaserstrahlen antwortet, müssen diese letzteren genug Elektronen schaffen, um das elektrische Fremdfeld zu annulieren, in der Schicht 16, angewandt als Gleichfeld durch die Elektroden 26 und 28. Dies stellt eine Beleuchtung in der Größenordnung von 10¹³ Photonen/cm² dar (3.10&supmin;&sup6; J/cm).
Mit einem kontinuierlichen CW-Erregerlaser von 0,1 W/cm² Stärke, was einem handelsüblichen Laser entspricht, beträgt die Reaktionszeit t 30 us und die Zeit t ist umgekehrt proportional zur Stärke des Lasers, für eine gegebene Wellenlänge.
Bei der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung kann die Erregung des Aktivbauteils 12 erfolgen durch einen Helium-Neon- Laser, bei dem die Wellenlänge 594 nm, die Leistung 1 mW und der Durchmesser des Bündels 1 mm beträgt.
Die Vorrichtung der Figur 1 ermöglicht eine Wiederherstellung der durch das Objekt 11 deformierten Wellenfronten; sie ermöglicht vor allem eine Kompensation der durch das Objekt 11 hervorgerufenen optischen Deformationen, z.B. die Kompensierung der durch ein gasförmiges Medium (vor allem die Atmosphäre bzw. Außenluft) verursachten Störungen, oder das Durchlaufen einer Mehrmoden-Lichtleitfaser.
Das Aktivbauteil 12 der Figur 1 kann auch verwendet werden, wie dargestellt in Figur 2, in einer zweidimensionalen Oberflächenbildvergrößerungsvorrichtung.
Diese Vorrichtung ist bestimmt zur Vergrößerung von Bildern von Objekten mit großer Oberfläche. Sie umfaßt eine Laserquelle 2, die ein Lichtbündel emittiert, das man kollimatiert und vergrößert mittels eines Systems des Typs Teleskop, symbolisiert durch eine konvergierende Linse 34. Das vergrößerte und kollimatierte Lichtbündel (z.B. Vergrößerung 10) wird dann empfangen durch eine 50%-Teilerplatte 36, die zwei Lichtbündel 38 und 40 herstellt, nämlich ein Erregungs- und ein Testlichtbündel.
Im Teststrahl 40 ist das Objekt 11 angeordnet, dessen Bild zu vergrößern ist. Das Bündel 42, reflektiert durch das Objekt 11, wird durch das Aktivbauteil 12 empfangen.
Außerdem wird der Erregerstrahl 38 reflektiert an einem piezoelektrischen Spiegel 44, erregt durch einen Hochfrequenzgenerator 41 (0,1 bis 100 kHz und typisch 0,3 kHz), und der so reflektierte Strahl 43 wird empfangen durch das Aktivbauteil 12, um mit dem durch das zu vergrößernde Objekt reflektierten Strahl 42 zu interferieren. Der vom Aktivbauteil 12 austretende Strahl 46 liefert das um einen Faktor 2 vergrößerte Bild des Objekts 11. Dieses Bild ist ein Oberflächenbild und weist keinerlei Tiefenwirkung auf.
Der piezoelektrische Spiegel 44 kann ersetzt werden durch einen akustisch-optischen Modulator oder durch den Luftspalt eines Hochtonlautsprechers (Tweeter in angelsächsischer Terminologie), versorgt durch einen Hochfrequenzgenerator 0,10 bis 100 kHz und typisch 0,30 kHz. Die Erregungsfrequenz ist einzustellen in Abgängigkeit von der Lichtstärke des einfallenden Strahls 38 zur Optimierung der Bildvergrößerung (je größer die Stärke um so schneller die Reaktion, daher die hohe Frequenz).
Bei der Vorrichtung der Figur 2 ist die Laserquelle ein Helium-Neon-Laser, der einen Strahl mit 594 nm Wellenlänge und einer Stärke von 0,1W/cm² liefert. Unter diesen Bedingungen hat der Strahl 43 eine Lichtstärke von 0,5uW/cm² bei einer Schwingungsfrequenz von 0,3 kHz des Spiegels.
Die Figuren 3 und 4 zeigen einen Volumensvergrößerer von Bildern mit einer Dimension. Bei dieser Ausführungsart funktioniert das Aktivbauteil 12a der Behandlungsvorrichtung als Wellenleiter.
Das aus dem Laser 47 austretende Lichtbündel ist vertikal polarisiert, d.h. in einer zur Ebene der Schichten des Aktivbauteils 12a senkrechten Richtung. In der Figur 4 symbolisiert P den Polarisationsvektor.
Das vom Laser 47 stammende, polarisierte Lichtbündel wird geteilt in einen Erregerstrahl 38 und einen Teststrahl 40, jeweils reflektiert durch das Objekt 11 des zu vergrößernden Bilds und den piezoelektrischen Spiegel 44, erregt mit 30 kHz. Die so reflektierten Strahlen 42 und 43 werden ausgerichtet und konzentriert auf das Aktivbauteil 12a durch zwei zylinderförmige Linsen 49 und 48, deren Achsen parallel sind zur Ebene der Aktivschicht 16 des Bauteils 12a.
Die Vorrichtung 12a (Figur 4) ist versehen mit zwei isolierenden Pufferschichten 18 und 30 aus PMMA von 1 um Dicke, angebracht beiderseits der amorphen und plastischen Aktivschicht 16 aus Poly(4-BCMU). Die Schichten 18 und 30 haben Brechungsindizes die kleiner sind als der der Aktivschicht, so daß sie einen Wellenleiter bilden für die Strahlen 42 und 43.
Um eine maximale Kopplung dieser Strahlen mit der Vorrichtung 12a sicherzustellen, müssen die Seitenflächen 15 und 17 dieser letzteren, die den Eintritts- und Austrittsflächen der Strahlen entsprechen, optisch poliert und die Brennweite f der Linsen 49 und 48 z.B. f=ah/ λ sein, wo a der Durchmesser des Lichtbündels ist, h die Dicke der Aktivschicht und λ die Wellenlänge des Lasers. Zum Beispiel, wenn a=1mm, λ=630nm und h=10um, f=16mm. Diese Kopplung ist eine des Typs Schnittflächenkopplung (couplage par la tranche).
Beispielsweise stellt die Vorrichtung 12a ein rechteckiges Parallelflach von 1nmx5nmx10um dar.
Bei einer Konfiguration der geleiteten Art verliert man die gesamte optische Information außerhalb der Ebene der Elektroden, d.h. senkrecht zu den Elektroden, was die Größe der Bilder in der Längsachse des Objekts 11 reduziert, parallel zu der Richtung x. Hingegen gewinnt man bei der durchquerten optischen Dicke, d.h. bei der Dicke der Vorrichtung 12a, gemessen in der y- Richtung, senkrecht zur x-Richtung, und folglich bei der Ausbeute und bei der Wiedergabe der Bildtiefe. Diese Wirkung nennt man den stereoskopischen Effekt.
Die in den Figuren 3 und 4 dargestellte Vorrichtung ermöglicht eine Vergrößerung um den Faktor 10. Sie dient der Vergrößerung von Bilder von langen und wenig dicken Objekten. Wenn man andere Teile des Objekts 11 betrachten will, kann man dieses jederzeit abtasten mit dem Strahl 40, in z-Richtung, quer.
Der Gewinn hinsichtlich der durchquerten optischen Dicke ermöglicht außerdem, mit einem Helium-Neon-Laser 47 zu arbeiten, der mit 633nm emittiert, wobei bei dieser Wellenlänge das Poly(4-BCMU) transparenter ist als mit 594nm. Dieser Laser 47 hat den Vorteil, weniger teuer zu sein als der Helium-Neon-Laser mit 594nm. Die Leistung des Lasers 47 beträgt wieder 1mW.
Es ist sogar möglich, den Helium-Neon-Laser durch eine im Rotbereich emittierende Laserdiode zu ersetzen, was einen minimalen Platzbedarf und einen niedrigeren Energieverbrauch sowie geringere Kosten bedeutet.
Es ist auch möglich das Aktivbauteil 12a der Vorrichtung der Figur 3 zu ersetzen durch das in Figur 5 dargestellte. Dieses Aktivbauteil mit der allgemeinen Referenz 12b umfaßt keine isolierenden Pufferschichten mehr. Hingegen sind die Elektroden 20a und 22a, die direkten Kontakt mit der Aktivschicht 16 haben, aus Metall hergestellt.
Beispielsweise verwendet man Silberelektroden mit 0,1um Dicke und eine Aktivschicht 16 aus Poly(4-BCMU) von 0,3 bis 0,5 um, aufgebracht mittels Schleuder (Zentrifugalmethode).
Die erfindungsgemäße Behandlungsvorrichtung kann außerdem verwendet werden zur Wellendiffraktion. Eine solche Vorrichtung ist in Figur 6 schematisiert. Sie umfaßt zwei Erregerstrahlen 38 und 42, ausgehend von einem ersten Laser 2 mit 594nm über die Teilerplatte 36, die interferieren in der Aktivschicht 16 des Aktivbauteils 12, identisch mit dem in Figur 1 beschriebenen; sie funktioniert mit freien Wellen und mit Durchlaß
Dort, wo die Lichtstärke maxial ist, hebt sich das auf die Schicht 16 wirkende Fremdfeld auf, was den durch 13 symbolisierten Indexraster erzeugt, der das Lichtbündel 50 beugt, emittiert durch einen zweiten Laser 48. Die Strahlen 52 und 54 entsprechen jeweils dem von dem Bauteil 12 durchgelassenen und dem gebeugten Strahl.
Durch Modifizieren des Winkels A1, gebildet zwischen den beiden Erregerstrahlen 38 und 42, modifiziert man die Teilung des Rasters 13 und folglich die Richtung des gebeugten Strahls 54, d.h. den Winkel A2, gebildet zwischen dem gebeugten 54 und dem durchgelassenen 52 Strahl.
Für einen gemäß den Bragg-Bedingungen funktionierenden Raster 13 ist der Winkel A2 mit A1 verbunden entsprechend der Gleichung:
sinA2/2 ≈ [λ2.n1] / [λ&sub1;.n2] sin A1/2
wobei λ1 und λ2 jeweils die Emissionswellenlänge der Lasers 2 und 48 darstellen, typisch 594nm und 633nm, n1 und n2 jeweils den Brechungsindex des Umgebungsmediums und der Aktivschicht 16 bezüglich der Wellenlängen λ1 und λ2 darstellen (gleich in erster Annäherung).
Obige Beschreibung ist selbstverständlich nur beispielhaft und es können weitere Behandlungsvorrichtungen für dynamische Hologramme vorgesehen werden, ohne deswegen den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel bei einer Funktionsweise der geleiteten Art kann die Kopplung der Strahlen 42 und 43 mit dem Bauteil 12a oder 12b sichergestellt werden mit Hilfe eines Prismas mit gedämpfter Totalreflexion, wobei die Vorrichtung 12a dann getragen wird durch die Fläche des Prismas, wo sich die Totalreflexion ereignet. Eine solche Vorrichtung ist beschrieben in dem Dokument D9 - Y. LEVY u.a., "Linear electrooptic coefficient of a ferroelectric polymer", Nonlinear Optical Effects in Organic Polymers, veröffentlicht durch J. Messier u.a., S. 337- 342, 1989 -.
Außerdem kann die Kopplung der Lichtbündel in dem Lichtleiter sichergestellt werden mit Hilfe eines z.B. in eine der Pufferschichten geätzten Rasters, wie beschrieben in dem Dokument D8.

Claims

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines dynamischen Hologramms, wobei die besagte Vorrichtung umfaßt:

- ein aktives Bauelement (12), eine aktive Dünnschicht (16) aus einem photorefraktiven Material enthaltend;

- Einrichtungen (4, 6, 36, 44) um wenigstens zwei kohärente Lichtbündel (8, 10, 38, 42, 43) in der besagten aktiven Schicht zu überlagern, um dort einen holographischen Raster (13) zu bilden;

- Einrichtungen zur elektrischen Polarisierung (20, 22, 20a, 22a, 24) der aktiven Schicht, Elektroden zum Erzeugen eines elektrischen Feldes (E) in einer Richtung umfassend, die senkrecht ist zur Ausdehnung (l) der aktiven Schicht;

dadurch gekennzeichnet, daß das photorefraktive Material ein plastisches und amorphes Polymer ist, gebildet durch eine photoleitfähige Polymer-Matrix, in die elektroaktive organische Moleküle eingebaut sind, oder durch ein photoleitendes Polymer mit elektroaktiven Gruppen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (20, 22, 20a, 22a) beiderseits der aktiven Schicht angeordnet sind und gespeist werden durch eine Stromversorgungsquelle (24), wobei diese Elektroden integrierender Bestandteil des aktiven Bauelements sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Elektroden reflektierend sind (20a, 20b), angeordnet direkt auf bzw. an der aktiven Schicht, auf beiden Seiten dieser letzteren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens eine Pufferschicht (13, 30) enthält, elektrisch isolierend oder schwach leitend, eingefügt zwischen die aktive Schicht (16) und eine der Polarisationselektroden (20, 22).

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Pufferschichten (18, 30) umfaßt, elektrisch isolierend oder schwach leitend, angeordnet auf beiden Seiten der aktiven Schicht, zwischen dieser letzteren und den Polarisationselektroden (20, 22).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschichten einen Brechungsindex aufweisen, der kleiner ist als der der aktiven Schicht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix ungefähr 5 bis 10% Gewichtsprozent an elektroaktiven Molekülen einschließt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das photoleitfähige Polymer ein Polymer auf Polyvinyl-Carbazol-Basis ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroaktiven Moleküle Moleküle mit nichtzentrosymetrischer Molekularstruktur sind, die ein System von delokalisierten u-Elektronen enthalten.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (16) erzeugt wird aus einem Polymermaterial, das bei Wellenlängen nahe der Photoleitfähigkeitsschwelle einen hohen bzw. erhöhten optischen Kerr-Effekt aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (16) hergestellt wird aus einem Material, das ausgewählt wird unter den löslichen Polydiacethylenen und den Polythiophenen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht (16) hergestellt wird aus Poly(4-BCMU).

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Bauelement außerdem ein oder zwei Substrate (26, 28) umfaßt, die Elektroden tragend.