Brevet FR2403576A1 — publié le 19790413

L'invention se rapporte à un procédé de stockage dtinformation particu lièrement applicable à l'enregistrement holographique. Pour enregistrer holographiquement des images, on connait des matériaux photoconducteurs et électrooptiques, c'est à dire photoréfractifs, yui, lorsqu'ils sont exposés à un rayonnement nonuniXOrmes libèrent par photoconductivité des charges électriques qui sont transférées de centres d'absorption à des centres de piège. Cette migration crée une charge d'espace et donc un champ de charge d'espace, et ce champ module spatialement l'indice de réfraction par effet électrooptique. Ces matériaux permettent le stockage optique d'hologrammes de phase tridimensionnels.La lecture d'un tel hologramme est effectuée par un rayonnement de meme longueur d'onde que le rayonnement d'enregistrement pour éviter les distorsions lors de la reconstruction, mais comme ce rayonnement est uniforme une redistribution uniforme des charges tend à s'établir dans le matériau, ce qui entraine l'effacement progressif des variations d'indice enregistrées. De plus le matériau ayant la meme absorption à la lecture qu'à l'enregistrement, le rayonnement de lecture est partiellement absorbé et le rendement de diffraction est faible. En conséquence, de tels matériaux s'ils permettent un enregistrement aisé d'hologrammes ne permettent qu'un nombre très limité de lectures,puisque la lecture est destructive > etces lectures ne- peuvent etre effectuées qu'avec un rendement de diffraction faible. L'invention propose un procédé de stockage d'information tel que dans une première étape, le matériau de stockage est traité de manière à etre absorbant à la longueur d'onde du rayonnement pour l'enregistrement et transparent à la longueur d'onde du rayonnement pour la lecture. Ainsi la lecture est moins destructive et le rendement de diffraction à la lecture est plus élevé. Pour cela, un matériau photoréfractif (photoconducteur et électro-optique) est exposé à un flux d'électrons rapides qui amendent le matériau dans une bande d'absorption correspondant à la longueur d'onde d'enregistrement, les photons de ce rayonnement d'enregistrement ramenant progressivement le matériau dans un état transparent, c'est-à-dire dans de bonnes conditions pour la lecture. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées La figure 1 représente les variations du coefficient d'absorp tion d'un matériau en fonction de la longueur d'onde du rayonnement lorsque ce matériau comporte des sites de pièges A vides(courbe 1) et lorsque ce matériau comporte des sites de pièges A occupés (courbe 2). La figure 2 représente schématiquement le matériau de stocka ge optique avant et après irrpslantation et pendant l'enregistrement de lthologramme. La figure 3 représente un dispositif de stockage suivant l'invention destiné à un enregistrement holographique. La figure 4 représente les variations du rendement de diffraction ri en fonction de la durée d'exposition t pour un cristal dopé partiellement réduit (I) et pour un cristal dopé et implanté (Il). Comme indiqué ci-dessus, on connait des matériaux photoréactifs utilisés pour l'enregistrement holographique. Un exemple est le niobate de lithium dopé en fer et partiellement réduit. On sait que les ions de fer s'installent préférentiellement dans le réseau cristallin du niobate de lithium avec la valence 37. En réduisant partiellement le cristal, c'est à dire en créant des lacunes d'oxygène dans le réseau, certains ions fer passent de l'état de valence 3+, à l'état de valence 2 afin que le matériau reste électriquement neutre. Lorsque, lors de l'enregistrement, le matériau reçoit localement des photons d'énergie donnée (dans la bande d'absorption de Fi ), il libère localement des électrons qui sont captés par les centres de pièges Fie3+ qui subsistent.Les concentrations en Fe et en Fe3+ sont inchangées puisqu'il y a transit d'électrons des sites Fe2+ vers les sites Fe 3+ pour créer respectivement des sites Fe3+ et Fie2+, mais il existe une répartition spatiale de charges qui crée une variation d'indice. L'absorption du cristal qui dépend des concentrations est donc inchangée. Lors de la lecture, les centres Fe 2+ qui sont uniformément excités tendent à redistribuer unifor mément les charges. La variation d'indice crée par l'éclairement non uniforme tend donc à s t effacer. De plus comme indiqué précédemment, le faisceau diffracté est en part#ie absorbé par le matériau puisque le coefficient d'absorption de celui-ci n'a pas changé.Par conséquent, le rendement de diffraction est médiocre. Pour éviter ces inconvénients, le procédé de stockage suivant l'invention consiste dans une première étape à traiter un matériau de stockage qui comporte deux types de sites de piège ayant des sections de capturedifférentes (figure 2a), en le soumettant à un flux d' électrons énergétiques, les centres de piège ayant la plus grande section de capture (soient les pièges de type A) étant ainsi totalement occupés avant l'enregistrement (figure 2b). Lors de l'enregistrement, l'illumination locale du matériau,par un rayonnement de longueur d'onde correspondant à la bande d'absorp tion des centres de piège A qui ont capté les electrons,entraine la libération de ces électrons précédemment captés, Comme tous les pièges de type A ont été occupés, les électrons libérés vont se piéger dans des centres de piège disponibles, c'est-à-dire les sites B bien que ceux ci aient une section de capture notablement inférieure à celle des pièges de type A (figure 2c). Une charge d'espace crée par le transfert d'électrons des sites A aux sites B apparait et induit une variation d'indice de réfraction qui n'est cohérentespatialement que si# le transfert d'électrons est orienté.En effet, on utilise un matériau dans lequel il existe des sites de pièges d'électrons de deux types, A et B : lorsque tous les sites de piège sont vides, le matériau a une absorption dite intrinsèque et est pratiquement transparent. Lorsqu'un type de site est occupé, il existe une bande d'absorption correspondante, à une longueur d'onde déterminée. La section de capture de l'un des centres, soit A est supérieure à celle de l'autre, c'est à dire que les électrons sont piégés .préférentiellement d'abord dans les sites A. Lorsque ce matériau est soumis un flux d' électrons énergétiques au moyen d'un accélérateur à électrons avec une énergie incidente de plusieurs MeV, tous les centres de piège A sont occupés et le matériau devient très absorbant à la longueur d'onde RA correspondante comme indiqué sur la figure 1. Lors de l'enregistrement au moyen d'un ra#onner;l#nt-h2, de longueur d'onde AA (Figure 2c), ctest-à-dire dans la bande d'absorption des centres de piège occupés, les électrons pièges sont libérés et sont transférés aux sites de piège B, comme indiqué ci-dessus (figure 2c). Le matériau devient donc transparent à la longueur d'onde #A du rayonnement (mais serait absorbant s'il était illuminé par un rayonnement de longueur d'onde #B ). Simultanément le transfert d'un électron d'un site A à un site B crée une charge d'espace qui elle même induit une variation d'indice.Si les centres A et B sont distribués aléatoirement dans le matériau aucune charge d'espace (et donc aucune variation d'indice) cohérente spatialement ne peut s'installer dans le cristal. Par contre, si le transfert de charges est anisotrope, une variation spatiale de charge d'espace (donc d'indice) est crevé dans le matériau Cette anisotropie peut être spontanée (créée par les photoporteurs eux mêmes ou par la répartition de centres A-B si ceux ci ont la même orientation dans l'ensemble du matériau) ou créée artificiellement par un champ électrique applique de l'extérieur au matériau (un tel champ oriente tous les photoporteurs dans la même direction). Le procédé de sensibilisation par implantation électronique est particulièrement applicable aux matériaux électrooptiques à structure octaedrique d'oxygène tels que LiNb O3, Li Ta O3, Ba Ti O3, KNb O3 KTa O3, Sr Ti O3, Pb Ti O3, (Pb La) (Ti Zr) O3 ou encore Ba Nb2 O6, Ba Na2 Nb2 O6 (Ba Sr) Nb2 O6 dopés en métaux de transition tels que Fe, Cu, Mn,Co. En effet, les dopants jouent le rôle des sites de piège A car ils peuvent exister dans le réseau à deux états de valence différents et ont une grande section de capture .Les ions qui occupent le centre de la cage octaedrique d'oxygène (Nb, Ta, Ti, Zr ...) sont eux aussi des ions susceptibles d'avoir deux états de valence et jouent donc le rôle des sites de piège B et cela d'autant mieux que leur bande d'absorption lorsque les électrons ont été piègés (ions Nb3+, Ti3+, Zr3+)se situe à des longueurs d'onde supérieures aux longueurs d'onde des bandes d'absorption des ions dopants où sont piègés les électrons :(ions Fe2+, Cu2+ ..). A titre d'exemple, la bande d'absorption du fer Fe se situe au voisinage de 500 nm, alors que la bande d'absorption du niobium Nib3 se situe dans ltinfra-rouge. Lorsque le transfert de charges est anisotrope c'est à dire lorsqu'un champ électrique est appliqué à l'extérieur du matériau ou lorsqu'un axe de transfert préférentiel existe dans ce matériau, l'effet de transfert de charges est optimum lorsque l'axe de transfert (ou le champ électrique) est orienté perpendiculairement à la direction moyenne des franges enregistrées. Il est à noter que les électrons implantés dans le cristal créent une charge supplémentaire et le cristal n'est plus electriquement neutre. Le champ électrique interne au cristal Ei peut également être utilisé pour orienter le transfert des charges et peut être suffisant pour créer seul l'anisotropie nécessaire. Il peut également s'ajouter à un champ externe applique pour créer un'champ local supérieur à celui obtenu avec seulement un champ extérieur; ce qui augmente la sensibilité du cristal pour un même champ appliqué. La figure 3 montre schématiquement le dispositif de stockage d'infor- mation. Il comporte un matériau de stockage 1 ayant la forme d'une plaque et dans lequel existe un axe de transfert préférentiel des charges qui est l'axe cristallographique ff du matériau. Deux électrodes 2 et 3 sont fixées au cristal orthogonalement à l'axe C. Le matériau a été soumis à une implantation électronique qui a entraîné l'occupation à saturation d'un type de sites de piège. Les deux électrodes sont reliées aux bornes d'une source de tension 4. Un faisceau objet module 5 et un faisceau de référence 6 de longueur d'onde égale à la longueur d'onde d'absorption du site de piège occupé sont dirigés vers le matériau de stockage de telle manière que la direction moyenne des franges d'interférence soit orthogonale à l'axe C et au champ appliqué. Comme indiqué ci-dessus, les variations d'indice sont enregistrées avec une bonne efficacité puisque le matériau est absorbant à la longueur d'onde d'enregistrement. La lecture est obtenue au moyen du seul faisceau de référence qui insole uniformément le matériau devenu moins absorbant à la même longueur d'onde puisque les électrons excités lors de l'enregistrement ont été piégés dans les pièges d'un type différent, la concentration en pièges occupés du premier type ayant donc diminuée. L'expérience a montré que pour un cristal de niobate de lithium de dimensions 1 x 1 x 0,38 cm donc I'axe C de transfert de charges est orienté parallèlement à un grand côté, comme représenté sur la figure 3 dopé avec des ions fer Fe3+, la concentration étant C = 5 x 10 -4, et soumis à un flux d'électrons d'énergie incidente 6 MeV, le potentiel électrostatique mesuré aux bornes du cristal est Vs = 500 V. Le cristal après implantation montre bien la bande d'absorp tion caractéristique de Fe 2+ Par illumination du cristal dans cette bande, c'est-à-dire à AA 488 nm, on constate que l'absorption du cristal diminue. En effet, les photons ramènent les ions de fer de l'état de valence Fe2+ à l'état de valence Fe3+ et simultanément l'absorption dans la bande correspondant à Fe2+, qui dépend de la concentration de ces ions Fe2 dans le matériau, diminue. Par contre, la répartition spatiale de charges créée par l'excitation des électrons qui sont piégés dans les sites niobium est obtenue avec une bonne efficacité. La lecture par une illumination uniforme du cristal à la même longueur d'onde est donc effectuée sur un cristal moins absorbant. La figure 4 illustre les résultats obtenus pour des enregis- trements holographiques effectués dans un cristal de niobate de lithium dopé en fer d'une part lorsque ce cristal a été partiellement réduit (courbe I) d'autre part lorsque ce cristal n'a pas été réduit mais a été sensibilisé par implantation électronique (courbe II). Ces courbes montrent que, dans les mêmes conditions d'éclaire ment, c'est-à-dire à une longueur d'onde #A = 488 nm, avec un éclai rement d'intensité 10 mW/cm, lerendement de diffraction à satura- tion est supérieur à 0.11 avec le cristal implanté alors qu'il n'est égal qu'à 0.085 avec le cristal non implanté. De plus, l1absor- tion étant supérieure dans le cristal implanté puisque tous les sites fer sont occupés par des électrons pour créer des ions Fe2+, le temps d'enregistrement à saturation est inférieur. Enfin, la sensibilité à l'effacement par éclairage uniforme à la même longueur d'onde est moindre pour le cristal implanté Un tel cristal peut donc être relu plus facilement, la lecture étant peu destructive. Le procédé de stockage d'information décrit ci-dessus consiste donc à effectuer, dans le matériau de stockage, une implantation électronique uniforme puis à insoler le matériau de stockage photoréfractif ainsi sensibilisé par un rayonnement non uniforme. Sans sortir du cadre de l'invention, il est possible d1effec- tuer dans le matériau de stockage photoréfractif une implantation électronique non uniforme puis d'insoler le matériau ainsi sensibi bilisé localement par un rayonnement uniforme ayant une longueur d'onde située dans la bande d'absorption correspondant aux zones sensibilisées de manière à créer une variation d'indice seulement dans ces zones. L'invention n'est pas limitée aux matériaux cités à titre d'exemple. Tous les matériaux photoréfractifs comportant deux types de sites de piège dont l'un peut être sature pa-r implantation elec- tronique et qui possèdent des bandes d1absorption > dans les deux états de valence du site saturé > suffisamment éloignées permet la mise en oeuvre de l'invention et peut être utilisé pour l'obten- tion d'enregistrements holographiques lisibles avec un maximum d'efficacité. REVENDICATIONS 1. Procédé de stockage d'information, caractérisé en ce qu'il consiste dans une première étape, à effectuer une implantation éleCtronique dans un matériau de stockage photoréfractif pour sensibiliser au moins localement le matériau de stockage à un rayonnement ayant une longueur située dans la bande d'absorption correspondant aux sites implantés, puis dans une seconde étape à exposer le matériau au moins localement,à un rayonnement ayant cette longueur d'onde d'absorption. 2. Procédé de stockage d'information selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de stockage photoréfractif comporte deux types de sites de piège pour des électrons ayant des sections de capture différentes, l'implantation électroniqueétanttelle que dans les zones implantées tous les sites de piège du type ayant la plus grande section de capture sont occupés par des électrons. 3 Procédé de stockage d'information selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'implantation électronique est uniforme dans tout le matériau de stockage photoréfractif et en ce que l'exposition est non uniforme spatialement dans ce matériau, cette exposition résultant des interférences créées entre un faisceau objet et un faisceau de référence à la longueur d'onde d'absorption et induisant des variations d'indice. 4. Procédé de stockage d'information selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'information stockée est lisible par un rayonnement uniforme à la longueur d'onde d'absorption. 5. Procédé de stockage d'information selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau de stockage a une structure cristalline octaédrique d'oxygène et est dopé par un métal de transition dans une étape préliminaire du procédé, les ions du métal de transition étant les sites de piège du premier type et les ions occupant le centre des cages octaédriques d'oxygène étant les sites de piège du second type. 6. Procédé de stockage d'information selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'implantation électronique est non uniforme spatialement et constitue l'information, le matériau étant exposé à un rayonnement uniforme spatialement qui crée des variations d'indice dans les zones implantées du matériau de stockage. 7. Dispositif de stockage d'information mettant en oeuvre le procédé de stockage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un matériau de stockage photoréfractif ayant une structure cristalline comportant deux types de sites de piège pour des electrons ayant des sections de capture différentes, les électrons étant implantés lors de l'implantation électronique, dans les sites de piège ayant la plus grande section de capture et étant transférés dans les second sites de piège lors de ltexposition dans les zones implantées. 8. Dispositif dé stockage d'information selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau a une structure cristalline octaédrique d'oxygène et est dopé par un métal de transition, les ions du métal de transition étant les sites de piège du premier type tandis que les ions occupant le centre des cages octaédriques d'oxygène, qui ont une section de capture moins grande, sont les sites de piège du second type.