Fényszórási jelenségek modellezése és kísérleti vizsgálata optikai adattároló rendszerekben

Átírás

1 Fényszórási jelenségek modellezése és kísérleti vizsgálata optikai adattároló rendszerekben PhD tézisfüzet Nagy Zsolt Témavezetı: Koppa Pál Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem 2008

2 A kutatások elızménye A Mőszaki Egyetem Atomfizika Tanszéke kiterjedt ipari kapcsolatokkal és nemzetközi kutatási együttmőködésekkel rendelkezik, és a korábbi kutatási témák következtében jelentıs tapasztalat halmozódott fel az optikai adattárolás területén. A különbözı témakörökben már számos diploma és doktori dolgozat született. Ennek a doktori dolgozatnak a témáját is két ilyen együttmőködés határozta meg. Az elsı a Philips Hungary-val CD és DVD rendszerek fejlesztésére és gyártási problémáinak megoldására kötött megállapodás, a második pedig a MICROHOLAS elnevezéső Európai Uniós kutatási project, ami egy nagy kapacitású, mikroholografikus elven mőködı adattároló kifejlesztését tőzte ki célul. A legelterjedtebb optikai adattároló rendszerek (CD, DVD és Bluray) bitszervezésőek, mőködési elvük a CD kifejlesztése óta változatlan. Egy diffrakciókorlátos méretőre fókuszált lézernyaláb a kódolt adatokat egy forgó lemez fényérzékeny tárolórétegére egyesével, bitenként írja be. Kiolvasáskor az adatrétegrıl visszatükrözött fénymennyiség változását detektáljuk. A mikroholografikus adattároló a CD rendszerek továbbfejlesztésének tekinthetı. A mikroholografikus adattároló két egymással szembe terjedı, egy közös pontba fókuszált lézernyaláb interferenciaképét (mikrohologram) rögzíti a fotopolimer tárolóanyag adott térfogatában, és olvasáskor a mikrohologramokról visszavert fényt detektáljuk. Lényeges különbség a meglévı optikai formátumokhoz képest, hogy a mikroholografikus adattárolás több rétegben és térfogati elven mőködik, jelentısen megnövelve ezzel az elérhetı tárolási kapacitást. A kísérleti munka elıre haladásával párhuzamosan egyre nagyobb az igény a mikroholografikus írási és olvasási folyamatot hően leíró modellre, amely alapján optimalizálni lehet a rendszer felépítését.

3 Célkitőzések Az optikai adattároló rendszerekben az egyik leggyakoribb probléma a különbözı fényszórási jelenségek következtében fellépı zaj. Célom az optikai adattároló rendszerekben fellépı fényszórási jelenségeket új modellekkel vizsgálni, a modellezés eredményeit kísérletekkel igazolni, valamint a modelleket alkalmazni létezı és fejlesztés alatt álló adattároló rendszerek kutatására. Munkám során vizsgáltam a CD és DVD rendszereket, valamint a MICROHOLAS project keretében a mai optikai adattároló rendszerek továbbfejlesztésének tekinthetı mikroholografikus adattároló rendszert. Dolgozatomban ismertetem a mikroholografikus rendszerre felállított modellt, a tároló anyag nem lineáris és nem lokális viselkedésének vizsgálatát, valamint javaslatot teszek konfokális szőrés alkalmazására, amellyel a rétegek és hologramok közötti áthallás lényegesen csökkenthetı. Beszámolok eredményeimrıl az optikai adattárolásban használatos objektívlencsék felületi hibáinak vizsgálata területén. Eredményeimet négy tézispontban foglalom össze.

4 Új tudományos eredmények 1. Megalkottam a mikroholografikus adattároló rendszer optikai modelljét. Az elektromágneses szórás perturbációs elmélete alapján modelleztem a fény szóródását a mikrohologramokon. Megmutattam, hogy a gyakorlatban használt holografikus tárolóanyagok esetén a Born közelítés alkalmazható a diffraktált elektromágneses tér kiszámítására. A megalkotott modell háromdimenziós és figyelembe veszi a vastag hologramok esetében fellépı Bragg effektust. Az optikai rendszert ideális lencsékkel és apertúrákkal írtam le, melyben a nyalábok terjedését a Fourier optika módszereivel számoltam ki. A modell alkalmazásával kiszámítható tetszıleges hologram elrendezésrıl diffraktált elektromágneses tér, ezáltal alkalmas az adattárolóban rögzített bitsorozatok visszaolvasásának modellezésére. [1, 4, 5, 9] 2. Kidolgoztam a fotopolimer alapú holografikus tároló anyagok egy új modelljét, amely figyelembe veszi az anyag nemlineáris és nemlokális tulajdonságait. Megmutattam, hogy a fotopolimer tárolóanyag viselkedésének leírásához nem elegendı csupán az anyag nemlineáris voltának modellezése. A modell és a kísérleti eredmények összevetésébıl megmutattam, hogy a fotopolimerben a monomerek diffúziójának figyelembe vétele is szükséges a hologramrögzítési eljárás helyes leírásához. A diffúziós egyenlet leírja a monomer- és polimerkoncentráció változását a fotopolimerben, pontosan modellezve a beírás folyamatát. Megmutattam, hogy a mikroholografikus rendszer paramétereit figyelembe véve a diffúziós egyenlet egyszerősíthetı, a monomerkoncentráció változása a kezdeti monomerkoncentráció és egy Gauss függvény konvolúciójával leírható. A diffúzió figyelembe vételével született szimulációs eredményeim jó egyezést mutatnak a kísérleti eredményekkel. [6, 7, 8, 9]

5 3. Megmutattam, hogy konfokális szőrı alkalmazásával a többrétegő mikroholografikus adattároló rendszerben a hologramok közötti és a rétegek közötti áthallás jelentısen csökkenthetı. A mikroholografikus adattároló rendszer modelljének felhasználásával sok különbözı bitkonfiguráció visszaolvasásának modellezésébıl statisztikát készítettem, ami alapján kiszámítottam a mikroholografikus adattároló rendszer jel-zaj viszonyát és bithiba arányát. Ezen eredményekkel bebizonyítottam, hogy konfokális szőrı alkalmazásával a bithiba arány javítható, valamint a rétegtávolság jelentısen csökkenthetı, ezáltal az adatsőrőség és a tárolókapacitás jelentısen növelhetı. A szimulációs eredményeket kísérletileg is megerısítettem. Az adattároló rendszer modelljét alkalmazva kiszámítottam a rendszer fontos tőrésparamétereit, mint a sávhiba és fókuszhiba. A tőrésszámolások alapján meghatároztam a konfokális szőrı optimális elhelyezését és méretét. Optikai tervezı program segítségével megterveztem egy konfokális szőrı modult, amely a nemzetközi együttmőködésben épülı mikroholografikus adattároló demonstrációs rendszer része lett. [4, 5] 4. Három különbözı szintő modellt alkottam az optikai adattárolásban használt objektívlencsék felületi hibáinak leírására, amelyek az egyszerő geometriai optikai közelítés, Fourier optikai közelítés és egy valós sugárátvezetésen alapuló, diffrakciót is figyelembe vevı modell. Mindháromból kiszámítható egy adott felületi hibával rendelkezı lencse fókuszfoltjában az Airy korongon belül lévı energia. Az objektívlencsék minısítésére alkalmas készüléket építettünk, mely képes megmérni az Airy folton belülre esı energia mennyiségét. A modellek eredményeit összevetettem felületi hibákat tartalmazó objektívlencsék mérésébıl származó eredményekkel. Megállapítottam, hogy a valós sugárátvezetésen alapuló, diffrakciót is figyelembe vevı modell a kísérleti eredményekkel jó egyezést mutat, és alkalmazásával a lencsefelületen lévı hibák ismeretében a rendszer hibás mőködése elıre jelezhetı. [1, 2, 3]

6 Eredmények felhasználása Az általam elkészített szimulációs szoftvert és programrészleteket kollégáim felhasználták a mikroholografikus adattároló rendszer további kutatásai során, az anyagmodellel szerzett tapasztalatokat pedig más holografikus adattároló rendszerek modellezésekor is figyelembe vették. A modell felhasználásával a mikroholografikus optikai adattároló rendszer demonstrátorához konfokális szőrı modult terveztem, melyet a demonstrátorban eredményesen használtak fel. A felületi hibás objektívlencsék minısítésére épített készüléket a Philips Hungary felhasználta gyártási nehézségek kiküszöbölésére. A tézispontokhoz kapcsolódó publikációk 1. Nagy Zsolt, Mi a titka? Optikai adattárolás, Természet Világa, 138. évf. 2. sz., (2007 február). 2. Zs. Nagy, P. Koppa, Gy. Nádudvari, E. Dirix and P. Richter, Modeling air inclusions in high-performance objective lenses, Proc. SPIE, 5249, pp , (2004) 3. Zs. Nagy, P. Koppa, F. Ujhelyi and P. Richter, Modelling local defects on the surface of high performance objective lenses, J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 7, , (2005). 4. Zs. Nagy, E. Dietz, S. Frohmann, S. Orlic and P. Koppa, Theoretical modeling of multilayer microholographic recording and readout, Conference on Laser and Electro Optics 2005, Proceeding pp. 186-, Poster presentation, (2005). 5. Zs. Nagy, P. Koppa, E. Dietz, S. Frohmann, S. Orlic and E. Lırincz, Modeling of multilayer microholographic data storage, Appl. Optics, 46, , (2007) 6. Zs. Nagy, P. Koppa, E. Dietz, S. Frohmann and S. Orlic, Modeling material saturation effects on microholographic

7 recording, Conference on Innovative Mass Storage Technologies, Proceedings pp , Poster presentation, (2006). 7. Zs. Nagy, P. Koppa, F. Ujhelyi, E. Dietz, S. Frohmann and S. Orlic, Modeling material saturation effects in microholographic recording, Optics Express, 15, 4, pp , (2007). 8. P. Koppa, Zs. Nagy, B. Gombkötı, F. Ujhelyi, E. Lırincz, E. Dietz, S. Frohmann, and S. Orlic, " Modeling Multilayer Microholographic Storage with Nonlocal and Nonlinear Storage Material Behavior," in Optical Data Storage, OSA Technical Digest Series (CD) (Optical Society of America, 2007), paper MB3. 9. B. Gombkötı, Zs. Nagy, P. Koppa, E. Lırincz, Modeling high density microholographic data storage: using linear, quadratic, tresholding and hard clipping material characteristics, Optics Communications (elfogadva, 2008)