Brevet FR2509485A1 — publié le 19830114

PROCEDE HOLOGRAPHIQUE D'ENREGISTREMENT-LECTURE ET DISPOSITIF METTANT EN OEUVRE CE PROCEDE L'invention se rapporte à un procédé holographique d'enregistrement- lecture et à un dispositif mettant en oeuvre ce procédé. Dans les dispositifs d'enregistrement-lecture holographiques connus l'hologramme d'un objet est enregistré à partir d'une onde objet diffractée par l'objet dont on souhaite enregistrer l'hologramme et d'une onde de référence correspondante On dispose, actuellement, de matériaux permet- tant l'inscription des réseaux ou hologrammes de phase à efficacité de diffraction élevée, telle la gelatine bicromatée, ou fonctionnant en temps réele tels les cristaux électro-optiques tel l'oxyde de bismuth- silicium Ces matériaux sont "épais" par rapport au pas moyen des strates photoinduites, et leur comportement à l'inscription et à la lecture est décrit par le formalisme des ondes couplées; notamment l'effet Bragg de sélectivité angulaire peut y être utilisé. La lecture des hologrammes s'effectue par éclairage au moyen d'un 1 S rayonnement optique cohérent, par exemple au moyen du faisceau de référence qui a été utilisé à l'enregistrement Pour que cette lecture n'entraine pas l'effacement de l'hologramme inscrit, il est nécessaire que la variation spatiale d'indice précédemment induite ne soit pas sensiblement modifiée par un tel rayonnement. Si l'onde objet est complexe et contient donc un ensemble de vecteurs d'ondes non colinéaires, il résulte dans le support photosensible un spectre de vecteurs résultants de longueurs et d'orientations différentes Dans le do- maine de l'art connu il n'est pas possible alors de diffracter une image dans les conditions optima si la longueur d'onde de lecture est différente de celle utilisée pour l'inscription holographique dans le matériau épais Il s'agit là d'une limitation importante En effet pour une information enregistrée par effet photoréfractif dans les cristaux électro-optiques de type oxyde de bismuth-silicium (BSO), la relecture à la même longueur d'onde efface l'information par relaxation du champ de charge d'espace. Si l'on a affaire à une lecture non destructive, il peut être intéressant de lire avec un rayonnement visible un enregistrement effectué avec des longueurs d'ondes plus faibles Ainsi les composants optiques sur gélatine bicromatée ou blanchie ont un domaine spectral limité qui va de 0,23 micromètres à 0,58 micromètres environ, ce qui limite considérablement leur utilisation La méthode d'enregistrement proposée dans le présent brevet assure une relecture, dans les conditions de Bragg par une longueur d'onde prise en dehors du domaine de sensibilité spectrale des cristaux de type oxyde de bismuth-silicium (BSO) par exemple. L'invention a pour objet un procédé holographique d'enregistrement- lecture par strates d'indice dans le volume d'un milieu de stockage photo- excitable, caractérisé en ce qu'il consiste à faire interférer dans ledit volume un faisceau issu d'un objet et un faisceau de référence au cours de deux étapes d'inscription successives en utilisant deux rayonnements inscrip- teurs de longueurs d'ondes distinctes produits par deux sources de rayon- nements cohérents et projetés dé la même façon en direction dudit objet et en direction dudit milieu; la lecture dudit milieu étant assurée par une troisième source produisant un rayonnement cohérent ayant pour vecteur d'onde dans ledit milieu une combinaison linéaire des vecteurs d'ondes desdits rayonnements inscripteurs. L'invention a, en outre, pour objet un dispositif mettant en oeuvre ce procédé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description ci-après, en référence aux figures annexées o: les figures 1, 2 et 3 sont des figures explicatives du fonctionnement d'un dispositif de l'art connu; les figures 4, 5 et 6 sont des figures explicatives du procédé selon l'invention; la figure 7 illustre le procédé selon l'invention. Pour l'ensemble de la description qui va suivre et pour les figures considérées on se place à l'intérieur du milieu 1 C'est à dire que l'on peut écrire = K o N est l'indice du milieu à la longueur d'onde X et K le vecteur d'onde du rayonnement considéré. Sur la figure 1 on considère deux faisceaux Un faisceau modulé par un objet linéairement transparent de vecteur d'onde K et un faisceau réfé- rence de vecteur d'onde Kr Les franges d'interférence résultant de la super- position de ces deux faisceaux de même longueur d'onde sont enregistrés dans le milieu 1 Ce milieu, à titre d'exemple non limitatif, est constitué d'un matériau photoréfractif polarisé par un champ électrique obtenu au S moyen d'une source de tension V O Son orientation est telle que le champ électrique produit un effet de variation d'indice par des porteurs de charge crées par photoexcitation Les variations spatiales d'intensité lumineuse se traduisent instantanément dans ce milieu par des variations spatiales d'indice de réfraction, les plans d'interférence étant, de préférence, quasi perpendiculaires à la direction du champ appliqué. Il y a donc création d'un réseau de strates de vecteur d'onde spatial K: /K/ = 2 A 1 avec A égal au pas des strates photoinduites Il est connu que les A -' 4 trois vecteurs ainsi définis sont liés par la relation vectorielle: K = Kr Ko ce qui est illustré à la figure 1 Lors de la lecture par le faisceau de lecture de vecteur d'onde K 1, pour obtenir un rendement optimum de la diffraction, il convient de respecter la condition de Bragg qui définit, pour chaque système d'interférence, l'angle e entre ce faisceau parallèle de lecture et les plans de diffraction On obtient alors une onde diffractée de vecteur d'onde Kd Comme cela est illustré à la figure 2, ces différents vecteurs sont liés entre eux par la relation: Kd = K 1 K. Ces relations vectorielles permettent de calculer l'incidence Bragg du faisceau de lecture si la longueur d'onde de celui ci X' est différente de celle utilisée pour l'inscription du réseau X On a: sin e = 2 A, O étant l'angle adéquat à la longueur d'onde X et A le pas des strates photoinduites, on a de même sin O ' = Comme sur la figure 3 si l'onde objet utilisée est complexe, elle contient un ensemble de vecteurs d'ondes ici K et Ko 2 ' il en résulte dans le milieu photosensible 1 un spectre de vecteurs d'onde résultant K de 4 4 +> 4- longueur et d'orientation différentes; ici K 1 et K 2 tels que K 1 = Kr K, et K 2 = Kr K 02 Ainsi, dans le cas o l'onde de lecture et l'onde de référence 2 ro 2 ' + 44- n'ont pas des vecteurs d'onde tels que K 1 = Kr, on ne pourra pas diffracter une image dans les conditions optima si la longueur d'onde de lecture est différente de celle utilisée par l'inscription holographique dans ce milieu épais En effet dans ce cas on a O' $ O avec sin e' = > sin O Le procédé selon l'invention assure une relecture, dans les conditions de Bragg par une onde de lecture de longueur d'onde X différente de la longueur d'onde du faisceau référence, prise en dehors du domaine de sensibilité spectrale des cristaux BSO par exemple. Cette relecture est possible en volume, car on adopte, lors de deux enregistrements successifs, les mêmes conditions d'éclairement-de l'objet, afin que les rayonnements qui interférent dans le milieu donnent aux strates des orientations identiques mais des espacements qui varient en fonction des longueurs d'ondes utilisées. Ceci dit, le procédé de l'invention est basé sur les non-linéarités induites par la diffraction d'une structure de phase enregistrée à deux longueurs d'onde X 1 et À',; comme illustré à la figure 4, si l'on considère un front d'onde plan objet à ces deux longueurs d'ondes correspondent deux vecteurs d'onde K 1 Q et K ' colinéaires il en est de même des vecteurs d'ondes références K Ir et K 1 r'* Ainsi les vecteurs résultants K 1 et K 1 ' sont homothétiques l'un de l'autre, ces deux vecteurs d'onde représentatifs des réseaux de strates sont donc parallèles: K 1 ' = k K 1. Si l'on considère une intensité lumineuse Il à l'enregistrement, elle peut être décomposée en une composante moyenne d'amplitude I O et une composante sinusoïdale d'amplitude Im 1 * Si r est le vecteur position unité de 4 _t > j + ±* 4 l'origine, à n'importe quel point du milieu on a: r = ix + jy+ kz (i, j, k étant les vecteurs unités dirigés suivant les axes x, y, z), on a I = 1 + Im Cos (l +A) On peut considérer Io = Im I, et la constante arbitraire de phase A = o Ainsi I 1 = 10 + I O Cos (K 1 r). Si l'on considère le vecteur i par exemple colinéaire avec K on a: K 1 r = 1 K /il / / Ainsi I 1 =I + 1 Cos /K 11 fi/. Si l'on considère deux vecteurs parallèles K et K 1 ' leurs intensités lumineuses respectives sont de la même forme et on a l'intensité résultante: I = 11 + 11 '= 2 11 + Io Cos 1 K 11 lu + 10 Cos /KI 11 /i/ La variation de l'indice de réfraction est linéairement proportionnelle à l'exposition, aussi l'indice de réfraction peut être exprimé sous une forme similaire à celle de l'intensité lumineuse. Mais les matériaux considérés ne sont pas sensible à la composante continue, ils sont sensibles au gradient d'indice aussi: n = no + Cos /K 1/ /i + Cos i'/i/. La modulation en phase sur l'onde de lecture est fonction de l'illumi- nation résultante, aussi on peut l'exprimer sous la forme: a = Ae Ju Ot e j A 4 o(Cos /Kl//i/ + Cos /K'1//i/) ete o Cos Kx N 3 N o) ejn Kx Cette décomposition en fonction de Bessel montre que si deux vecteurs d'onde K 1 et KI'1 sont enregistrés dans le milieu, on génère par interaction non linéaire à la lecture: K + K 2 KÀ 2 K.l+ +K 2 22 +K 1 2 K 1 + K 2 L'un ou l'autre de ces vecteurs d'onde permettra de diffracter dans le milieu avec les conditions de Bragg pour la longueur d'onde de lecture A 1 telle que si on se place dans le cas du vecteur Kil = 2 K'1 2 K 1 qui est le cas n 2 n'1 2 N 1 considéré à la figure 6, on ait = 2 T (,)l 21 T() >) n étant l'indice de I I, milieu à la longueur fd'onde i dans le vide, et la longueur d'onde dans le Xi C milieu étant ni ette figure 6 illustre le procédé selon l'invention. ni L'enregistrement s'effectue en deux phases successives avec deux longueurs d'ondes distinctes: à une longueur d'onde X I pour laquelle on a les vecteurs Kr, K O et K 20 dont les extrémités sont donc sur un cercle et à une autre longueur d'onde XI '1; KI'r K'10 et k'20 Les vecteurs résultant étant homothétiques, c'est à dire KI 1 = k K 1 et It 2 = k l'2 De par la démons- tration faite précédemment, il existe donc en plus des réseaux de strates -4. élémentaires une série de configurations possibles de vecteurs résultants Kil et Ki 2 correspondant à la combinaison des vecteurs K, et K'1 et K 2 et 2 4 4 4 -). de la forme a K 1 + b K'1, et ak 2 + b K'2; a et b étant des nombres entiers positifs ou négatifs Or chacun des vecteurs résultant iki, et Ki 2 est homothétique des vecteurs K 1 et K 2, en effet Kil =a K 1 + b K'1 = Kl(a+bk) et Ki 2 =a 2 + ble 2 = -2 (a+bk). Ces différents cas de figure sont aussi valables avec un nombre supérieur de vecteurs d'onde du faisceau d'onde complexe modulé par l'objet. On peut ainsi effectuer la lecture à l'incidence Bragg et ce dans une direction parallèle à la direction du faisceau référence du fait de ce rapport homothétique liant les vecteurs 1 il et lk, et i 2 et 2 Sur la figure 6 on a donc pris a = 2 et b = 2. Les extrémités des vecteurs k vecteur d'onde du faisceau de lecture, et Kdl et Kd 2: vecteurs d'onde des faisceaux de diffraction correspondant aux vecteurs d'onde K 1 et K 02 sont sur un même cercle du fait de l'incidence Bragg, K 1 étant parallèle à S Kr. La lecture s'effectue à une nouvelle longueur d'onde telle que défini précédemment. Pour Pensemble de la description qui précède et pour les figures annexées, on s'est placé à lintérieur du milieu 1 Mais ces figures ainsi que les formules restent valable en dehors du milieu, à condition toutefois de considérer un milieu dont l'indice varie peu pour les longueurs d'onde considérées, par exemple à 10 3 près Ceci est vrai pour des matériaux à faible dispersion, ce qui est le cas de la gélatine Pour des matériaux tel le BSO, on peut compenser la variation d'indice due à la dispersion par l'adjonction de deux lames passives transparentes 2 de variation d'indice opposée à celle du milieu 1 et enserrant celui-ci, pour compenser le chromatisme qui existe dans ce milieu Ce qui peut être parfaitement réalisé par un réseau par exemple. La figure 7 représente un exemple de fonctionnement avec les deux longueurs d'onde X 1 et i'1. Le schéma de composition des vecteurs d'ondes est maintenu quelle que soit l'orientation de l'un des vecteurs d'onde k 1 par exemple, une image complexe est donc diffractée dans son intégralité avec changement de longueur d'onde entre l'inscription et la lecture En guise d'exemple, on peut considérer la lecture non destructive d'un hologramme de volume enregistré dans un cristal BSO. On considère une longueur d'onde de lecture (laser semiconducteur) de 800 nm 2 (n -i n> x = 962,5 nm dans le cas considéré précédemment 1 1 On a alors = 962,5 nm comme longueur d'onde de lecture. En choisissant un couple de longueurs d'ondes d'inscription bleu-vert, on peut donc relire l'information de façon non destructive à l'aide d'un laser semiconducteur émettant dans l'infra-rouge Les longueurs d'ondes d'enregis- trement sont pas exemple obtenus à partir d'un laser Krypton, He-Se, ou laser à colorant. Ainsi ce dispositif proposé assure la diffraction d'une structure de phase épaisse pour une longueur d'onde de lecture quelconque visible ou infra-rouge. Ainsi les applications de cette invention se situent dans le domaine des composants optiques holographiques enregistrés par variation d'indice sur des supports du type "gélatine"; l'invention présente également un grand intérêt pour la lecture non destructive (en dehors de la bande d'absorption) d'informations enregistrés par effet photoréfractif dans les cristaux BSO par exemple (enregistrement au voisinage de la bande d'absorption). REVENDICATIONS 1 Procédé holographique d'enregistrement-lecture par strates d'indice dans le volume d'un milieu de stockage ( 1) photoexcitable, caractérisé en ce qu'il consiste à faire interférer dans ledit volume un fai:;Zeau issu d'un objet (F) et un faisceau de référence (F r) au cours de deux étapes d'inscription successives en utilisant deux rayonnements inscripteurs de longueurs d'ondes distinctes ( X '1) produits par deux sources de rayonnements cohérent et projetés de la même façon en direction dudit objet et en direction dudit milieu ( 1); la lecture dudit milieu étant assurée par une troisième source produisant un rayonnement cohérent (F 1) ayant pour vecteur d'onde dans ledit milieu une combinaison linéaire des vecteurs d'ondes desdits rayon- nements inscripteurs. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lecture du milieu de stockage photoexcitable n'est pas destructive. 3 Dispositif comportant un milieu de stockage photoexcitable suivant le procédé holographique d'enregistrement-lecture tel que défini à la reven- dication 1, caractérisé en ce que le milieu de stockage ( 1) est un milieu à plage de photoexcitabilité extérieure à la longueur d'onde de lecture (X 1). 4 Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ce milieu est de la gélatine blanchie. 5 Dispositif comportant un milieu de stockage photoexcitable suivant le procédé holographique d'enregistrement-lecture tel que défini à la reven- dication 2, caractérisé en ce que le milieu de stockage ( 1) est un milieu photoréfractif. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le milieu de stockage ( 1) est une lame d'oxyde de bismuth-silicium. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que deux lames passives transparentes ( 2) de variation d'indice opposée à celle de ce milieu de stockage enserrent ce milieu ( 1). 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ces lames ( 2) sont réalisées chacune par un réseau.