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Modeling and analysis of holographic microgratings for high-density recording
Grothe, Daniela
Microholographic data storage uses the entire photosensitive volume in a transparent disc the size of a DVD. The data bits, microgratings, are recorded using a high-NA focused laser beam which is mirrored into itself. For readout, the mirrored part of this beam is blocked by a shutter. In this work, an efficient calculation method is devised to analyze the diffraction properties of microgratings in different recording media with and without saturation. This is done by calculating the diffraction efficiency (DE) as a function of the position and wavelength of the readout beam.
Two major tasks are addressed in this thesis: i) to analyze the influence of saturation of the recording material on the diffraction properties of microgratings in linear and quadratic recording media, and ii) to evaluate the implications of limited material resources for multilayer microholographic data storage and the prospects of the two material types for high data capacities.
In a linear medium with saturation, the gratings are localized during readout with much smaller dimensions compared to their real size, which is the benefit of holography. Gratings with a depth (FWHM) of 10 µm, for example, have an effective depth (FWHM) below 3 µm, enabled by Bragg diffraction. With a refractive index contrast of 0.001, the DE of these gratings is of the order of 10^-3.
The spectral analysis also provides an insight into the diffraction effects which take place. The smallest microgratings show a maximum of the diffraction at a larger radius if the readout wavelength is smaller. The results reveal a shift of the diffraction angle, which is supported by the broad angular spectrum of the high-NA beam and the small grating. For larger gratings due to stronger saturation of the recording material, this effect is weaker. These larger gratings also have a stronger spectral selectivity.
To compute recording schedules for equal diffraction efficiencies in multiple layers, an efficient method is devised which accounts for the partially overlapping gratings due to shift multiplexing. Due to the consumption of material resources by the first few layers, the achievable diffraction efficiencies are very small (10^-5 to 10^-6). The results clearly confirm that linear recording media are not suitable for high-capacity microholographic data storage.
Square-law media with a two-photon recording mechanism enable multilayer data storage by constraining the index change to each layer. However, the microgratings are smaller than in a linear recording medium, which leads to a smaller DE. With an index contrast of 0.001 and moderate saturation, the DE is of the order of 10^-6, below the noise level of the recording material. To enhance the DE, the microgratings have to be enlarged by using a smaller NA, which requires an unfavorably large thickness of the recording material.
Mikroholographie ist ein neuer Ansatz für die optische Datenspeicherung. Hierbei werden Daten in Form von holographischen Mikrogittern im lichtempfindlichen Volumen einer transparenten optischen Disc gespeichert. Die Datenbits in Form von Mikrogittern entstehen durch konfokale Überlagerung eines hin- und rücklaufenden, fokussierten Laserstrahls und werden mit dem gleichen Strahl ausgelesen. Im Rahmen dieser Arbeit wird mit einer effizienten Berechnungsmethode die Beugung von Licht an Mikrogittern in verschiedenen Speichermedien analysiert. Hierbei wird die Beugungseffizienz als Funktion der Position und Wellenlänge des Lesestrahls berechnet.
In dieser Arbeit geht es darum, i) den Einfluss der Sättigung des Speichermaterials auf die Beugungseigenschaften der Mikrogitter in linearen und quadratischen Medien zu ermitteln, und ii) die Auswirkung der begrenzten Materialressourcen auf die Beugungseffizienz bei der Speicherung mehrerer Datenebenen zu berechnen, um die Möglichkeiten für hohe Datendichten in diesen Materialtypen auszuloten.
Es werden zunächst die kleinstmöglichen (auflösungsbegrenzten) Mikrogitter untersucht. Das Auftreten von Sättigungseffekten bei der Holographie in Photopolymeren führt zu ausgedehnten Mikrogittern mit anderen Eigenschaften. Aufgrund der Wirkungsweise der Holographie ist die effektive Größe dieser Gitter, also die räumliche Ausdehnung, innerhalb derer die Gitter ein Beugungssignal liefern, deutlich geringer als ihre wirkliche Ausdehnung. Zum Beispiel haben Gitter mit einer Länge von 10 µm (FWHM) eine effektive Länge von unter 3 µm. Die Beugungseffizienz ist im Bereich 10^-3 bei einem Brechungsindexkontrast von 0,001.
Die Analyse der spektralen Eigenschaften erlaubt auch einen Einblick in die auftretenden Beugungseffekte. Mit schwacher Sättigung entstehen kleinere Mikrogitter. Diese zeigen bei kleineren Wellenlängen Beugung unter einem seitlichen Austrittswinkel, der durch das breite Winkelspektrum des Lesestrahls und dieser Gitter abgedeckt wird. Bei größeren Gittern aufgrund stärkerer Sättigung lässt dieser Effekt nach; außerdem verringert sich die spektrale Breite auf wenige Prozent der Wellenlänge.
Die Methode für die Berechnung der Belichtungsreihen für gleiche Beugungseffizienzen in mehreren Datenebenen berücksichtigt den Teilüberlapp der einzelnen Ebenen. Die Resultate bestätigen, dass sich lineare Medien nicht für hinreichend hohe Datendichten mit ausreichender Beugungseffizienz eignen. Hingegen ermöglichen quadratische Medien mit einem Zweiphotonen-Mechanismus prinzipiell hohe Datendichten, da der Materialverbrauch räumlich auf die einzelnen Datenebenen begrenzt ist. Allerdings liegen die Beugungseffizienzen mit 10^-6 noch unter dem Niveau des Rauschens durch Materialinhomogenitäten. Unter diesen Bedingungen müssten größere Mikrogitter bei kleinerer numerischer Apertur geschrieben werden, um die Beugungseffizienz zu verbessern, wobei jedoch die erforderliche Materialdicke steigt.
