ANNEXE A : MATERIAUX PHOTOREFRACTIFS 10 15 20 25 30 35 40 45 Lors de l'enregistrement d'un hologramme, le matériau est illuminé par la figure d'interférence dont la répartition en fonction de la variable d'espace est donnée sur la figure ci-jointe (a) ; les électrons après la photoexcitation se déplacent dans la bande de conduction puis finissent par retomber dans des centres vides par phénomène de recombinaison (b). Ce processus de photoexcitation, puis de recombinaison redistribue ces électrons (dont la densité est proportionnelle à l'éclairement) dans des centres localisés de la bande interdite (c), provoquant un champ électrique E de charge d'espace (d), ce champ électrique étant déphasé d'un quart de la période (soit ∆ϕ = π/2). de la répartition d'éclairement. Par effet électro-optique linéaire (effet Pockels, annexe D), cette variation de champ crée une variation ∆n de l'indice de réfraction, proportionnelle au champ électrique E (e). Cette réplique de la figure d'interférence constitue l'hologramme. Juste après le début de l'illumination, les électrons excités se redistribuent uniformément. La variation d'indice ∆n se construit donc proportionnellement au temps ; au fur et à mesure que le champ électrique croît, il s'oppose au déplacement des charges et finalement un état stationnaire est atteint, pour lequel les électrons retombent quasiment à l'endroit où ils ont été excités. La variation d'indice atteint son maximum ∆nmax et n'évolue plus. E Eclairement de la figure d'interférence (a) espace Energie 5 L'effet photoréfractif, découvert en 1966 par ASHKIN dans un cristal de LiNbO3, apparaît dans certains matériaux photoconducteurs et électro-optiques. Certains sont plus proches des isolants (LiNbO3, BaTiO3), d'autres des semi-conducteurs (AsGa ou CdTe). Cet effet est lié à l'existence de centres localisés dans la bande interdite, dont certains peuvent libérer une charge sous l'effet de la lumière (on suppose que ces charges sont des électrons et qu'il existe des centres vides susceptibles d'accueillir un électron). transport BC recombinaison photoexcitation (b) hν BV ρ espace Distribution des porteurs de charge ----+ + + + + + E (c) ----+ + + + + + espace Champ électrique de charge d'espace (d) espace ∆n Modulation de l'indice de réfraction (e) espace En première approximation, le temps nécessaire pour atteindre cette saturation est inversement proportionnel à l'éclairement ; il est donc possible d'alimenter les montages avec des sources laser peu puissantes (l'énergie nécessaire pour atteindre 70 % de ∆nmax vaut plusieurs J/cm2 -4 dans LiNbO3 pour λ = 488 nm, avec ∆nmax = 10 ). I/IV 50 55 60 65 Une fois les faisceaux éteints, le cristal redevient peu conducteur, ce qui fige la figure de charge. L'hologramme est ainsi mémorisé pour une durée dépendant de cette conductivité dans le noir (plusieurs siècles !) ; un éclairement uniforme redistribue aléatoirement les charges et efface ainsi l'hologramme. Les matériaux existants ne permettent pas d'atteindre les objectifs fixés par l'approche théorique. Il est nécessaire d'améliorer et de concevoir ne nouveaux matériaux photoréfractifs ou des photopolymères. Les efforts doivent porter sur plusieurs points : • Une grande capacité et des débits élevés ne pourront être obtenus que si les variations d'indice importantes sont atteintes. Actuellement les variations les plus élevées sont observées dans -4 LiNbO3 et BaTiO3 dopés (Co, Fe …) ; elles restent inférieures à quelques 10 et sont atteintes pour des géométries (directions de propagation et polarisations des faisceaux optiques) qui ne correspondent pas aux maxima de capacité. • Cet accroissement de la variation d'indice ne doit pas se faire au détriment de la qualité optique -6 du cristal ; les efficacités de diffraction sont toujours faibles (≤ 10 ) et le signal diffracté doit émerger du bruit optique diffusé par les imperfections du matériau (de plus cette qualité optique doit être obtenue sur des échantillons de plusieurs centimètres cubes). • Les matériaux photoréfractifs sont des matériaux dynamiques permettant d'inscrire, effacer et remettre à jour les données ; en contrepartie les informations enregistrées sont volatiles et les techniques actuelles pour éviter les pertes de données (rafraîchissement, fixation par recuit thermique) devront énormément progresser. ANNEXE B : POSITIONNEMENT DES TECHNIQUES DE STOCKAGE DE DONNEES 2 Go 20 Go 50 Go 1 To Capacité 10 s 100 ms 10 ms 100 µs Temps d'accès 10 Mbit/s 100 Mbit/s 100 Gbit/s Débit lecture Intégrité Bande magnétique Disque magnétique II/IV Disque DVD Stockage holographique t ANNEXE C : CALCUL DE L'INTENSITE DIFFRACTEE PAR L'HOLOGRAMME 70 Les ondes Σ et ΣR, de vecteurs d'onde k et k R interfèrent au point H(x,y,0) du film pour donner un 2 ( ) éclairement EH proportionnel à : A 2 + A R + 2. A A R cos k R − k .r . Compte tenu de l'orientation de k et k R , (supposés dans le plan yOz, pour simplifier la géométrie, figure 2) l'éclairement EH est proportionnel à : 2 A + AR 75 2 2π + 2. A A R cos ( sin θR − sin θ ) y λR pente -α t Après développement, la pellicule a pour transparence en amplitude, au point H : 2 t(y) = t 0 − αE = t 0 − α A − α A R u= A 2 2 − 2α A A R cos uy , en posant 2π ( sin θR − sin θ ) . Comme A est beaucoup plus petit que A R , négligeons λR devant A R 2 et posons β = t 0 − α A R 2 0 E ; ainsi : t(y) = β − 2α A A R cos uy . L'hologramme, éclairé par le faisceau de relecture Σ L ( A L , k L ) se comporte comme un réseau de 80 diffraction. L'onde élémentaire ds diffractée dans la direction d'angle γ (par rapport à Oz) par un élément de film d'aire dS = dx dy, entourant le point H(x,y,0) (principe d'Huyghens-Fresnel), est proportionnelle à : 2π t(y) A L exp j ωt − ( sinγ − sin θL ) dxdy , ce qui donne : λL 2π ds = K β − 2α A A R cos uy A L exp { j ( ωt − vy )} dxdy , en posant v = ( sin γ − sin θL ) λL L'amplitude de l'onde diffractée sera alors (après développement du cosinus en exponentielles) : 85 s(sin γ ) = K A L exp ( jωt ) β∫∫ exp(− jvy)dxdy − α A A R pupille 90 ∫∫pupille exp[− j(v − u)y]dxdy −α A AR ∫∫pupille exp[− j(v + u)y]dxdy Pour simplifier l'écriture, considérons que la pellicule est diaphragmée par un écran opaque percé d'une ouverture rectangulaire [centre O, largeur selon Oy et longueur L suivant Ox, avec L >> ]. De plus plaçons-nous tout de suite dans le cas usuel où l'onde de relecture a même longueur d'onde et même direction que l'onde de référence. L'état vibratoire, après intégration s'écrira comme la somme de trois termes : s(sin γ ) = K A L exp ( jωt ) L • v β sin c − α A A R sin c 2 le premier terme, s1 , d'ordre 0, d'amplitude K A Lβ L (v − u) 2 − α A A R sin c ( v + u ) 2 π sin c ( sin γ − sin θL ) présente un maximum λ L pour v = 0 soit sin γ = sin θL (direction de l'onde de relecture, comme l'illustre le schéma ci-dessous, 95 • le second s2 (d'ordre +1) et le troisième s3 (d'ordre -1), d'amplitude K α A A R A L L présentant un maximum d'amplitude pour v = ± u . 100 105 L'onde Σ 2 est proportionnelle à l'onde objet Σ et présente un maximum dans la direction telle que v = u , soit sin γ = sin θ , dans la direction de l'onde Σ ; ainsi, à un coefficient multiplicatif près, Σ 2 restitue l'onde objet en amplitude, en phase et en direction. L'onde Σ3 , obtenue quand v = − u (ce qui correspond à sin γ = 2sin θR − sin θ ), est appelée onde jumelle (sa direction est sensiblement symétrique de celle de Σ 2 par rapport à Σ1 ). III/IV (v ∓ u) sin c 2 ΣR ( A L = A R ) θR H s2 (Σ2) θ s1 (Σ1) s3 (Σ3) ANNEXE D : GLOSSAIRE 110 Bandes d'énergie : Plages d'énergie disponibles pour les électrons dans la matière, issues des multiples niveaux d'énergie possibles des électrons. Les bandes d'énergie les plus basses correspondent aux électrons liés aux noyaux atomiques (bande de valence). Une zone interdite (gap) sépare cette bande de valence de la bande de conduction (bande des orbitales antiliantes délocalisées) totalement vide dans le cas d'un isolant. Bit (Contraction de "binary digit") : Unité élémentaire de quantité d'information dont les valeurs possibles sont 1 ou 0. 115 120 Capteur CCD (Charge Coupled Device) : Récepteur (matrices de pixels) beaucoup plus sensible que les émulsions photographiques. La détection des trois couleurs est assurée par la présence de filtres. Cristal liquide : Matière organique amorphe qui a la propriété de modifier la propagation de la lumière, plus spécialement sa polarisation, dès lors qu'un champ électrique est appliqué (les molécules, de forme allongée, s'ordonnant parallèlement les unes les autres). Diaphonie : Interférence nuisible de signaux provenant de deux zones d'un même enregistrement. 125 Effet acousto-optique : Une contrainte mécanique produite par une onde acoustique qui se propage génère dans un matériau un réseau d'indice périodique. Une onde optique est donc susceptible de se diffracter sur ce réseau d'indice, dans un grand nombre de directions (technique utilisée pour réaliser un déflecteur). Effet électro-optique : L'application d'un champ électrique E à une substance optiquement isotrope la rend biréfringente, la différence des indices étant proportionnelle à E ( ∆n = a + bE , effet Pockels) ou à son carré E2 ( ∆n = kE 2 , effet Kerr). 130 Effet photoréfractif : Phénomène dans lequel l'indice de réfraction d'un matériau est modifié par des variations spatiales d'intensité lumineuse. Efficacité de diffraction ; Rapport de l'intensité diffractée dans l'ordre (+1) à l'intensité du faisceau de référence. 135 140 Modulateur spatial de lumière (SLM) : Panneau LCD (Liquid Crystal Display) de technologie comparable à celle utilisée pour les écrans d'ordinateurs portables, ressemblant à une sorte de grille de mots croisés, où les cases noires et blanches (pixels) représentent respectivement les "0" et les "1" de l'information à stocker. Chaque pixel se comporte comme un interrupteur optique microscopique pouvant bloquer ou laisser passer la lumière selon l'état d'orientation des cristaux liquides. Un modulateur SLM de résolution 1024x1024 bits avec 15-20 µm par pixel peut contenir 1 Mbit par page. Multiplexage : Technique permettant de transmettre plusieurs informations, de sources ou de destinations différentes, sur une même voie ou un même support. Octet ("byte") : Ensemble d'information de huit bits, traités comme un tout pouvant prendre 256 valeurs différentes (pour mémoire, 1 Ko = 210 = 1024 octets). Pixel : Plus petit point référençable sur une image numérique. 145 Photoexcitation : Phénomène d'émission d'électrons sous l'action d'un rayonnement lumineux. IV/IV