Das Prinzip der volumenholographischen Datenspeicherung

 
Das Grundprinzip der Holographie ist es, das von einem Objekt ausgehende Lichtwellenfeld - also die Amplitude und die Phase - zu speichern. Dazu werden zwei kohärente Lichtwellen, die durch Aufteilung eines Laserstrahls erzeugt werden, die Objektwelle und die Referenzwelle, in einem Speichermaterial überlagert. In der Hologrammebene entsteht ein Interferenzmuster, das ähnlich wie bei einer fotografischen Schwarzweißaufnahme aus hellen und dunklen Bereichen besteht. Allerdings besitzt das Muster üblicherweise keine Ähnlichkeit mit dem Objekt. Dieses Helligkeitsmuster wird im Speichermaterial aufgezeichnet, wodurch das Hologramm entsteht. Beleuchtet später nur die Referenzwelle das Hologramm, so entsteht durch Beugung die originale, ursprüngliche Objektwelle. Durch die Aufzeichnung der gesamten Information einer Lichtwelle ermöglicht die Holographie eine räumliche Abbildung eines Objektes.

Versuchsaufbau

Fig. 1: Schematischer Aufbau eines phasenkodierten volumenholographischen Speichersystems (links); Experimentell rekonstruierte Datenseite (rechts)

Im Gegensatz zu solchen planaren Hologrammen wird in der Volumenholographie das Interferenzmuster der Datenwelle und der Referenzwelle in einem in drei Raumrichtungen ausgedehnten Gebiet gespeichert. Die Datenwelle enthält die zu speichernde Information. Abbildung 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines volumenholographischen Speichersystems auf der Basis von Phasenkode-Multiplexing. Der Strahl eines Lasers wird mit einem Strahlteiler (ST) in eine Signal- und eine Referenzwelle aufgespalten. Mit Hilfe eines Flüssigkristallmodulators (AM) wird der aufgeweiteten Signalwelle die zu speichernde Information in Form eines zweidimensionalen Bitmusters, der Datenseite, aufgeprägt. Jedes Pixel des Modulators entspricht dabei gerade einem Bit. Die logische Information 1 wird als Pixel maximaler Helligkeit und die Information 0 als Pixel minimaler Helligkeit dargestellt. Die Signalwelle wird in das Speichermaterial fokussiert, wo sie mit der Referenzwelle interferiert. Während des Auslesens (Beleuchtung des Hologramms mit der Referenzwelle) wird die rekonstruierte Signalwelle von der Kamera CCD1 aufgenommen. Die rechte Seite von Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für eine ausgelesene Datenseite.
Je dicker nun das aufgenommene Hologramm im Material ist, desto exakter muss die Referenzwelle zur Rekonstruktion mit der ursprünglichen, zur Speicherung verwendeten Referenzwelle übereinstimmen. Kleinste Änderungen im Beleuchtungswinkel, der Wellenlänge oder der Phasenverteilung der Welle verhindern eine Rekonstruktion. Auf dieser zunächst als Einschränkung erscheinenden starken Selektivität beruht das enorme Potential der volumenholographischen Datenspeicherung. Mathematisch wird dies durch die so genannte Bragg-Bedingung beschrieben:

Darin sind λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts und θ der halbe Winkel zwischen Signal- und Referenzstrahl, die somit die Gitterperiode Λ des Hologramms festlegen. Durch gezielte Variation dieser Parameter ist es möglich viele Volumenhologramme am selben Ort im holographischen Material zu speichern. Die bekanntesten Verfahren sind entsprechend das so genannte Winkelmultiplexing und das Wellenlängenmultiplexing. Andere Multiplexingverfahren basieren auf Variationen und Kombinationen dieser beiden grundlegenden Methoden. Zusätzlich sind auch minimale räumliche Verschiebungen, zum Beispiel des Speichermaterials, möglich, sodass sich gespeicherte Hologramme teilweise überlappen. Winkel-Multiplexing ist aufgrund seiner einfachen Implementierung die heute am weitesten verbreitete Multiplexingtechnik. Bei dieser Methode wird der Winkel zwischen Signal- und Referenzstrahl variiert. Üblicherweise wird dazu der Signalstrahl unverändert gelassen und der Einfallswinkel des Referenzstrahls zum Beispiel durch das Kippen eines Spiegels eingestellt. Ein Nachteil dieser Adressierungsmethode ist der notwendige Einsatz zusätzlicher, mechanisch beweglicher Komponenten. Aus einer ganzen Reihe weiterer Multiplexingtechniken hat sich daher vor allem die so genannte Phasenkodierung hervorgetan. Dieses Verfahren wurde 1991 von Denz et al. vorgeschlagen und wird heute am Institut für Angewandte Physik weiter optimiert.

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