3.1. Модуляторы оптического излучения

3.1.1. Принципы работы оптических модуляторов

3.1.2. Характеристики и параметры оптических модуляторов

3.2. Оптические дефлекторы

3.2.1. Электрооптические дефлекторы

3.2.2. Применение акустооптического эффекта в дефлекторах и для других преобразований излучения

3.3. Оптические транспаранты

3.3.1. Электрически управляемые транспаранты

3.3.2. Принципы работы оптически управляемых транспарантов

3.3.3. Различные типы оптически управляемых транспарантов

3.4. Оптическая память

3.4.1. Постоянная оптическая память с последовательным способом записи и считывания информации

3.4.2. Оперативная оптическая память

3.4.3. Принципы голографической записи информации

3.5. Цифровые и аналоговые преобразования в оптическом тракте

3.5.1. Выполнение основных логических операций

3.5.2. Преобразования над цифровыми и аналоговыми картинами

3.5.3. Преобразования в когерентных пучках

Человеческая деятельность постоянно связана с потребностью сопоставления, анализа и обобщения информации самого различного характера. Важнейшая тенденция на пути совершенствования используемых для этого методов и средств состоит в непрерывном увеличении объема и скорости обработки данных. Значительных успехов в этом отношении достигла электроника, развитие которой привело, в частности, к созданию ЭВМ на базе интегральных микросхем. Решение все более сложных задач требует дальнейшего увеличения) числа электронных компонентов, блоков памяти, увеличения количества производимых операций.

Привлечение оптических методов позволяет радикально улучшить определяющие показатели систем обработки данных. Действительно, увеличение несущей частоты за счет использования электромагнитных колебаний оптического диапазона) приводит к колоссальному увеличению информационной емкости канала передачи и обработки сигнала. Малая длина световой волны позволяет использовать модуляцию сигнала не только во времени, но и по пространственным координатам, т. е. осуществлять параллельную обработку и хранение огромных массивов информации (например, по 1•10⁶ каналам и более). При этом относительно просто исключается влияние как перекрестных, так и внешних помех.

Оптическая обработка информации предполагает наличие принципиально новых элементов и средств: быстродействующих модуляторов света (одноканальных и двухкоординатных) устройств отклонения оптического луча (дефлекторов), адекватных по информационной емкости и быстродействию запоминающих устройств, многоэлементных фотоприемников средств отображения информации и т. п.

Оптические методы позволяют обрабатывать и записывать информацию как в аналоговой, так и цифровой (бинарной) форме. Нужно иметь в виду, что в первом случае желательна линейная зависимость оптических характеристик устройств от значения управляющего сигнала, во втором—наоборот, лучше если устройство обладает пороговыми свойствами. Цифровые методы, характеризующиеся существенно большей точностью, меньшей чувствительностью к воздействию искажений и внешних помех, удобством записи и преобразования сигналов, требуют более широкой полосы частот. Однако как раз это легко обеспечивают оптические методы, поэтому обработка и запись информации в цифровой форме в оптических устройствах широко распространены. Любой аналоговый сигнал, как известно, можно представить в цифровой форме, переходя к импулъсно-кодовой модуляции (ИКМ).

3.1. Модуляторы оптического излучения

Как и в радиотехнике, модуляция состоит во введении информации в световую волну за счет изменения во времени одной из ее характеристик — амплитуды, фазы, частоты, а также поляризации. Используемые в оптоэлектронике фотоприемники обычно чувствительны только к интенсивности света, поэтому на практике модуляцию фазы, частоты или поляризации света обычно преобразуют в амплитудную.

Если оптическое излучение преобразуется необходимым образом в процессе его генерирования в самом источнике, модуляцию называют внутренней (прямой). В случае светодиодов или полупроводниковых лазеров модуляцию интенсивности излучения можно осуществить за счет изменения возбуждающего тока. Это простой и удобный способ, применяемый на практике. Однако очень часто возникает необходимость производить модуляцию уже вышедшего из источника излучения (внешняя модуляция). Оптические модуляторы могут работать на более высоких частотах по сравнению с частотами, достижимыми при внутренней модуляции. Разумеется, при этом нельзя рассчитывать на использование движущихся шторок, экранов, зеркал, призм, дисков с отверстиями или других механических устройств, быстродействие которых не превышает ~1·10⁴Гц. Модуляторы оптического излучения в системах обработки и передачи информации работают на основе различных физических процессов, протекающих при прохождении света в модулирующей среде под действием внешних факторов.

3.1.1. Принципы работы оптических модуляторов

Для модуляции света широко используют хорошо изученный электрооптический эффект Керра (1875), состоящий в возникновении оптической анизотропии под действием внешнего электрического поля в изотропном веществе. Для наблюдения эффекта (рис. 3.1, а) прозрачное диэлектрическое вещество помещают между обкладками плоского конденсатора, к которому прикладывают напряжение U, создающее в модулирующей среде МС достаточно сильное электрическое поле E. Ячейку Керра помещают между скрещенными поляризатором П и анализатором А. При U=0 интенсивность света на выходе устройства также равна нулю, однако при наложении напряжения модулирующая среда становится в оптическом отношении подобной двулучепреломляющему кристаллу с оптической осью, параллельной направлению электрического поля. Поэтому, пройдя через ячейку Керра световая волна распадается на две линейно поляризованные составляющие. Одна из них поляризована так, что ее электрический вектор ориентирован перпендикулярно внешнему полю E (обыкновенная волна), а другая — параллельно E (не обыкновенная волна). Для обеспечения максимальной глубины модуляции нужно, чтобы главная плоскость поляризатора П составляла с вектором E угол 45°. Обыкновенная и не обыкновенная волны имеют различные показатели преломления (п_о и п_е) и поэтому распространяются в среде с различными скоростями. Пройдя ячейку Керра, свет оказывается эллиптически поляризованным и в большей или меньшей мере проходит через анализатор.

Теория и опыт показывают, что различие п_о и п_е пропорционально E ² (отсюда и используемое название—квадратичный эффект Керра):

, (3.1)

где k_K—коэффициент, не зависящий от E. Разность фаз между обыкновенными и необыкновенными лучами после прохождения пути l в модулирующей среде составляет

, (3.2)

где В =k_к/λ — так называемая постоянная Керра.

Квадратичный эффект Керра объясняется оптической анизотропией молекул модулирующей среды, т. е. отличием их способности к поляризации электрическим полем световой волны в различных направлениях. В отсутствие внешнего электрического поля E анизотропные молекулы ориентированы хаотически и вещество в целом изотропно. Если молекулы обладают собственным электрическим дипольным моментом, то достаточно сильное электрическое поле вызывает их преимущественную ориентацию и вещество становится макроскопически анизотропным.

В веществах, состоящих из молекул, не обладающих собственным дипольным моментом, внешнее электрическое поле может его индуцировать, причем из-за анизотропии молекул дипольный момент не обязательно совпадает с направлением E. Возникает пара сил, заставляющая молекулы ориентироваться определенным образом относительно E. В соответствии со сказанным различают ориентационный и поляризационный эффекты Керра. Время ориентационной релаксации дипольных молекул по порядку величины составляет 10^-9 с. Это означает, что при частотах модуляции, больших 10⁸-10⁹ Гц, ориентационный эффект Керра практически не проявляется и остается эффективным только поляризационный эффект, быстродействие которого ограничено временем 10^-12–10^-13с.

Электрооптические явления наблюдаются не только в изотропных веществах, но и в кристаллах, обладающих естественной оптической анизотропией. Чтобы двойное лучепреломление не проявлялось при E = 0, одноосный кристалл вырезают так, чтобы образовались грани, перпендикулярные его оптической оси, а свет направляют вдоль нее. Управляющее электрическое поле создают в направлении, перпендикулярном направлению распространения света, т. е. так же, как и в ячейке Керра (рис. 3.1, а). Возможно также модулирующее устройство, в котором электрическое поле направлено параллельно распространению света. Для этого на соответствующие грани анизотропного кристалла наносят прозрачные электроды (рис. 3.1,6). В соответствии с рис. 3.1 используют термины — продольный и поперечный электрооптические эффекты. Изменение двойного лучепреломления анизотропного кристалла, помещенного в электрическое поле, называют эффектом Поккельса — по имени обнаружившего его физика (1894). В отличие от эффекта Керра разность п₀и п_ев эффекте Поккельса пропорциональна первой степени E:

, (3.3)

где k_п—электрооптический коэффициент, отличающийся от k_K в формуле (3.1) и по значению, и по размерности. Как

и для эффекта Керра, эффекту Поккельса свойственна малая инерционность, позволяющая модулировать свет до частот ~1·10¹³Гц. Следует, однако, иметь в виду, что верхняя граница частоты модуляции чаще всего определяется не процессами в веществе, а емкостью устройства и оказывается на несколько порядков ниже.

Работа модуляторов оптического излучения может быть основана на магнитооптических эффектах, в частности на эффекте, впервые исследованном Коттоном и Мутоном (1907). Этот эффект аналогичен электрооптическому эффекту Керра (рис. 3.2, а): модулирующая среда помещена между скрещенными поляроидом и анализатором, направление магнитного поля перпендикулярно световому лучу, главные плоскости поляризаторов составляют с направлением магнитного поля 45°. Эффект Коттона—Мутона наблюдается в макроскопически изотропном веществе, состоящем из молекул или агрегатов молекул, обладающих постоянным магнитным моментом, но хаотически ориентированных. Внешнее магнитное поле, взаимодействуя с магнитными моментами молекул, упорядочивает их ориентацию, вследствие чего вещество становится анизотропным, приобретая свойства кристалла с двойным лучепреломлением. Как и в случае эффекта Керра, под действием магнитного поля световой пучок разделяется на два луча—обыкновенный и необыкновенный—и, пройдя модулирующую среду, становится эллиптически поляризованным из-за различия п₀ и п_е, причем это различие пропорционально квадрату напряженности Н магнитного поля:

, (3.4)

где k_KM — коэффициент Коттона — Мутона (иногда под ним подразумевают величину k_км/λ).

В оптических модуляторах может использоваться также эффект Фарадея (1845), заключающийся во вращении плоскости поляризации света, распространяющегося в среде вдоль магнитного поля (рис. 3.2, б). Эффект объясняется тем, что в намагниченном веществе различаются показатели преломления для циркулярно право- и левополяризованного света п₊и п_-. Плоскополяризованный свет представляет собой сумму лево- и правополяризованных составляющих. После прохождения модулирующей среды между ними возникает разность хода, в результате чего плоскость поляризации поворачивается на угол φ, пропорциональный длине l пути света в веществе и первой степени H:

, (3.5)

где ρ — постоянная Верде, названная по имени исследователя, подробно изучившего магнитное вращение плоскости поляризации света.

Действие оптического модулятора может основываться и на ряде других эффектов, рассматриваемых в последующих разделах настоящей главы: акустооптическом, обратном пьезоэлектрическом, в результате изменения коэффициента оптического поглощения, способности материала рассеивать свет и т. п.

3.1.2. Характеристики и параметры оптических модуляторов

Независимо от принципа действия оптические модуляторы характеризуются рядом параметров: глубиной модуляции сигнала, оптическими потерями, полосой прозрачности, полосой модулируемых частот, удельной потребляемой мощностью, значением управляющего напряжения и др.

Если Ф_min обозначить интенсивность света, прошедшего через модулятор в отсутствие управляющего сигнала (при полном затемнении), а Ф_mах — при его подаче (при полном просветлении), то глубина (степень) модуляции определяется как

(3.6)

Под глубиной модуляции часто подразумевают также отношение Ф_mах к Ф_min, которое обычно выражают в децибелах:

(3.7)

Если Ф_min ≈ 0, модулятор можно использовать в качестве оптического затвора (светоклапана), т. е. устройства, включающего-выключающего свет.

Оптические потери модулятора или затвора характеризуют отношением интенсивности света Ф₀ в отсутствие устройства к его значению Ф_max при полном просветлении модулятора и тоже выражают в децибелах:

(3.8)

Полоса прозрачности определяет спектральный диапазон излучения, проходящего через модулятор без заметного ослабления.

Под полосой пропускания Δf модулятора подразумевают диапазон частот модуляции, в котором он может работать. Обычно Δf определяется как разность верхней f_в и нижней f_н частот и, поскольку f_в >> f_н, то Δf ≈ f_в. Оптический затвор характеризуют также временем срабатывания (быстродействием), которое по порядку величины близко к / f_в ^-1.

Для модуляции затрачивается энергия, причем тем большая, чем больше Δf. Поэтому в качестве характеристики модулятора вводится параметр, определяемый потребляемой мощностью на единицу полосы частот модуляции (обычно выражается в милливаттах на мегагерцы).

В случае скрещенных поляризаторов на входе и выходе модулятора амплитуда прошедшей световой волны пропорциональна sinφ, где φ — угол поворота плоскости поляризации, обусловленного приложением напряжения U, a интенсивность света на выходе

, (3.9)

где U_λ/2 — так называемое полуволновое напряжение, равное такому U, при котором достигается максимальное светопропускание устройства, т. е. когда фаза выходящего света изменяется на π.

Электрооптические модуляторы получили широкое распространение. Эффективными материалами для таких устройств являются: ниобат лития LiNbO₃ с областью прозрачности 0,4 — 4,5 мкм, танталат лития LiTaO₃ (0,4 — 5 мкм), титанаты бария и висмута (ВаТiO₃ и Bi₄Ti₃O₁₂), ниобат и танталат калия (KNbO₃ и КТаО₃), а также КТа_xNb_1-xO₃ (KTN) (0,5–4,5 мкм). Применяются также такие «классические» электрооптические материалы, как дигидрофосфат калия КН₂РО₄ (сокращенное обозначение KDP) и его дейтерированная модификация KD₂PO₄ (DKDP) с областью прозрачности 0,3 — 1,2 мкм, дигидрофосфат аммония NH₄H₂PO₄ (ADP), дигидроарсенид аммония NH₄H₂AsO₄ (ADA) и многие другие материалы.

В магнитооптических модуляторах используют ферромагнитные материалы, в частности ферриты, сочетающие в себе ферромагнитные и полупроводниковые (диэлектрические) свойства и представляющие собой сложные оксиды железа и некоторых других элементов. Некоторые их разновидности широко применяют для покрытия лент магнитофонов и видеомагнитофонов. Могут использоваться многие разновидности ферритов, в частности железоиттриевый гранат Y₃Fe₅O₁₂, алюмоиттриевый гранат Y₃A1₅O₁₂ (ИАГ), другие материалы (Bi_xY_1-xFe₅O₁₂, Y₂BiFe₃, ₈Ga_1,2O₁₂), прозрачные в красной и ближней инфракрасной областях спектра.

В оптических модуляторах могут также использоваться многие другие эффекты, описанные в последующих разделах главы.

3.2. Оптические дефлекторы

3.2.1. Электрооптические дефлекторы

Распространенными элементами в системах оптической обработки информации являются устройства для изменения пространственного положения светового луча — так называемые дефлекторы (от лат. deflectio — отклоняю). Различают дефлекторы с дискретным набором положений отклоненного луча, а также предназначенные для его непрерывной развертки — сканеры.

Как уже отмечалось, обыкновенный и необыкновенный лучи, вышедшие из двулучепреломляющего кристалла, линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Если на плоскопараллельную пластину, вырезанную из такого кристалла под углом к его оптической оси, направить свет, поляризованный в плоскости поляризации обыкновенного луча, на выходе кристалла необыкновенный луч будет отсутствовать, а обыкновенный луч пройдет сквозь кристалл, не изменяя своего пространственного положения. Если же плоскость поляризации падающего на пластину луча повернуть на 90°, сквозь кристалл пройдет только необыкновенный луч, который уже не будет продолжением первичного, а параллельно сместится относительно него. Другими словами, с помощью поляризатора можно выделить один из двух пространственно разделенных лучей, выходящих из кристалла. В дефлекторах ориентацию плоскости поляризации первичного луча изменяют не поворотом поляризатора, а используют электрооптическую ячейку, при прохождении через которую в отсутствие управляющего напряжения U поляризация света не изменяется, а при U, равном полуволновому U_λ/2, плоскость поляризации поворачивается на 90°, что и требуется для работы дефлектора. Смещение луча зависит от материала, из которого вырезана двоякопреломляющая пластина, и от ее толщины, т. е. оно не может управляться электрически. Чтобы луч на выходе дефлектора мог иметь множество положений, свет пропускают через последовательность пар «электрически управляемый модулятор поляризации — двоякопреломляющая пластина» (рис. 3.3). Для получения одинакового шага в дискретной последовательности положений светового луча на выходе дефлектора необходимо, чтобы толщина двоякопреломляющих кристаллов, расположенных каскадно друг за другом, отличалась в два раза.

Пусть для определенности главное сечение всех кристаллов (плоскость, проходящая через направление луча света и оптическую ось кристалла) совпадает с плоскостью рисунка. Направим на дефлектор линейно поляризованный луч, так чтобы плоскость электрического вектора в световой волне была перпендикулярной главному сечению кристаллов. Если на все модуляторы поляризации напряжение не подано, плоскость поляризации луча не изменяется, он не отклоняется от первоначального направления распространения и на выходе устройства окажется в положении 1. Подадим теперь на третий модулятор поляризации напряжение U₃, равное полуволновому, т. е. поворачивающее плоскость поляризации света на 90°. Это соответствует плоскости поляризации необыкновенного луча в третьей двоякопреломляющей пластине. В этом случае луч отклонится, выйдя из пластины в направлении 2. Чтобы луч на выходе модулятора занял положение 3, нужно приложить полуволновое напряжение ко второму каскаду модулятора, толщина двулучепреломляющей пластины в котором в два раза больше, чем в третьем, а чтобы луч не отклонился третьим каскадом, нужно подать напряжение U_λ/2 как на второй, так и на третий каскады. Для того чтобы световой луч на выходе попал в точку 4, полуволновое напряжение нужно подать только на второй каскад и т. д. (табл. 3.1).

Для расширения диапазона отклонения луча вдвое (при том же шаге) в устройство, изображенное на рис. 3.3, нужно ввести каскад с двулучепреломляющей пластиной в два раза толще по сравнению с первым каскадом. Дальнейшее расширение диапазона отклонения луча требует введения каскадов с еще более толстыми пластинами.

При помощи m-каскадного дефлектора можно получить 2^т дискретных положений светового луча на выходе. Для получения общего числа положения луча, например равного 256, необходим 8-каскадный дефлектор. Чтобы получить отклонение луча по двум координатам, в дефлектор вводят двулучепреломляющие кристаллы, главные сечения которых взаимно перпендикулярны (при этом вполне достижимы 10⁴—10⁵ разрешаемых положений луча на выходе при времени переключения 10^-6 —10^-7 с). Очевидно, что совершенно не обязательно, чтобы толщина двулучепреломляющих пластин уменьшалась в направлении распространения светового луча. Если она будет не такой, как на рис. 3.3 (в обратном порядке или вперемежку), изменится только коммутация управляющих напряжений.

Таблица 3.1. Коммутация управляющих напряжений трехкаскадного дефлектора, изображенного на рис. 3.3.

Напряжение			Положение луча
U1	U2	U3
0	0	0	1
0	0	+	2
0	+	+	3
0	+	0	4
+	+	0	5
+	+	+	6
+	0	+	7
+	0	0	8

 

Одним из основных параметров дефлектора является разрешающая способность, которая для рассматриваемого устройства определяется материалом и толщиной двулучепреломляющих пластин l, а также их ориентацией относительно оптической оси кристалла. Очевидно, отклонение необыкновенного луча h равно ltgψ, где ψ —угол отклонения луча в пластине (рис.3.3).

В дефлекторах могут применяться те же материалы, что и в электрооптических модуляторах: KDP, ADP, DKDP, LiNbO₃, BaTiO₃ и др. Применяется также минерал кальцит СаСО₃ (56% СаО + 44% СО₂ с примесями) или его особо прозрачная разновидность — исландский шпат, обладающие высоким двойным лучепреломлением. На длине волны 0,63 мкм угол ψ для кристалла KDP, например, равен ~1,5°, для кальцита — около 6°. Следует подчеркнуть, что отклонение луча на выходе дефлектора рассмотренного типа не зависит от напряжения на модуляторе поляризации. Если сделать его не равным U_λ/2, положение необыкновенного луча не изменится, а только уменьшится его интенсивность. Кроме того, на выходе дефлектора появится обыкновенный луч, интенсивность которого будет возрастать по мере уменьшения U по сравнению с U_λ/2. Это позволяет использовать дефлектор в качестве модулятора.

Непрерывное отклонение (сканирование) луча можно получить, используя призму из электрооптического материала (например, KTN, KDP, ВаТiO₃) с нанесенными на ее торцовых гранях металлическими электродами, к которым прикладывается управляющее напряжение U. Угол θ, под которым луч выходит из призмы, зависит от показателя преломления материала призмы, а значит, и от U. Разрешающая способность сканера определяется как отношение максимального изменения угла Δθ к расходимости луча δθ. Значение Δθ / δθ для призменного электрооптического сканера может достигать ~1•10².

3.2.2. Применение акустооптического эффекта в дефлекторах и для других преобразований излучения

Работа акустооптических устройств основывается на взаимодействии одновременно распространяющихся в веществе оптических и звуковых волн. Еще в начале XIX в. Т. Зеебеком и Д. Брюстером было обнаружено изменение под действием упругого механического напряжения показателя преломления света п вещества, что приводит к искусственной оптической анизотропии, проявляющейся в двойном лучепреломлении и дихроизме. Это так называемый упругооптический эффект (фотоупругость, акустооптический эффект), объясняемый деформацией электронных оболочек атомов и молекул, ориентацией анизотропных молекул и т.п. Под действием механических напряжений, вносимых звуковой волной, в веществе возникают чередующиеся полосы с различными показателями преломления, распространяющиеся со звуковой частотой v_зв. Если на вещество направить также световой луч с поперечными размерами, сравнимыми с длиной волны звука λ_зв = v_зв/v_зв, где v_зв—скорость звука, ход светового луча будет периодически искривляться. Такое явление малоинтересно для оптической обработки информации уже из-за его низкочастотности. Однако при повышении частоты v_зв (при переходе к ультразвуку), как было предсказано Л. Бриллюэном еще в 1922 г., свет испытывает на чередующихся полосах с различным п дифракцию, аналогичную дифракции рентгеновских лучей на атомных плоскостях в кристалле.

Для наблюдения акустооптического эффекта (рис. 3.4) звуковую волну в кристалле возбуждают при помощи акустоэлектрического преобразователя, представляющего собой пьезоэлектрическую пластинку, прикрепленную к кристаллу, или тонкую пленку, нанесенную на его поверхность (LiNbO₃, CdS, ZnO). Приложение к преобразователю переменного электрического напряжения U вызывает механические колебания пластинки (пленки) и может возбуждать в кристалле звуковые волны в широком диапазоне частот вплоть до десятков гигагерц (1 ГГц=1 • 10⁹ Гц), уходящие в акустический поглотитель на противоположном конце кристалла (например, эпоксидная смола с наполнителем, сплав висмута с индием и т. п.).

Возможны две схемы дифракции света на звуковых волнах.

Когерентный оптический луч можно послать нормально к направлению распространения звуковой волны (дифракция Рамана — Ната), и тогда на выходе световая волна разбивается на серию пучков, симметрично расходящихся под углами θ_т к падающему лучу

, (3.10)

где т = 0, ±1, ±2, ..., λ—длина волны света. Условию т = 0 соответствует нулевой порядок дифракции, т= ± 1 —первый порядок и т. д. Таким образом, энергия падающего луча распределяется среди множества пучков. Соотношение интенсивности дифрагированных пучков зависит от частоты и интенсивности звука, длины пути, пройденного светом в зоне действия звуковой волны (длины взаимодействия L), Для того чтобы дифракция Рамана—Ната имела место, должно выполняться условие λL/λ_зв²<<1. При противоположном неравенстве наблюдается другой тип дифракции, когда свет падает на кристалл не перпендикулярно направлению распространения звука (дифракция Брэгга).

Если угол между направлением падающего светового луча и нормалью к поверхности кристалла θ_Б (рис. 3.4) удовлетворяет условию, аналогичному условию Брэгга — Вульфа для рассеяния рентгеновских лучей

(3.11)

вся энергия светового луча сосредоточивается практически в пучке, соответствующем первому порядку дифракции.

Соотношение между интенсивностями дифрагированного луча и луча, вышедшего из кристалла параллельно падающему, зависит от длины взаимодействия и амплитуды звуковой волны. Чтобы значительная часть падающего светового потока (50—90%) оказалась дифрагированной при интенсивности звука 1 Вт/см², длина взаимодействия для различных веществ должна по порядку величины составлять 0,1 — 10см. Частота звука v_3B обычно превышает 1• 10⁹ Гц, что соответствует так называемому гиперзвуку (ультразвуком называют упругие волны в диапазоне от 15—20 кГц до 1 • 10⁹ Гц, а гиперзвуком—от 10⁹ до 10¹²—10¹³ Гц).

Согласно (3.11) при sin θ_Б = 1 (рассеяние света назад) должно выполняться равенство 2λ_зв= λ, чему соответствует некоторая предельная частота звука для данной λ. Значение зависит не только от длины волны света, но и от материала акустооптической ячейки, поскольку в разных материалах скорость распространения звука различна. В видимой области спектра значение находится в пределах от нескольких гигагерц до нескольких десятков гигагерц.

Дифракция Брэгга успешно используется в быстродействующих оптических дефлекторах. Несомненным преимуществом таких дефлекторов по сравнению с электрооптическими является возможность изменять угол отклонения луча за счет изменения частоты звука. Однако в соответствии с (3.11) при этом необходимо согласованно изменять и угол падения светового луча так, чтобы каждый раз условие Брэгга выполнялось. Этого можно достичь, изменяя нужным образом направление распространения падающего луча или же звуковой волны, что существенно усложняет работу дефлектора. Однако условие (3.11) для различных углов выполняется при использовании расходящейся, а не плоской, звуковой волны (это схематически показано на рис. 3.4). Такую волну можно рассматривать как совокупность плоских волн, направленных в пределах некоторого углового интервала. Для заданной частоты звука дифракция Брэгга будет наблюдаться на той компоненте звуковой волны, для которой выполняется условие (3.11). Очевидно, что чем больше расходимость звуковой волны, тем в большем угловом интервале можно отклонять световой луч, изменяя частоту звука. При этом, однако, уменьшается длина акустооптического взаимодействия и для получения той же интенсивности дифрагированного луча приходится увеличивать интенсивность звуковой волны.

Если в качестве рабочего тела акустооптической ячейки использовать анизотропный кристалл, картина происходящих явлений усложняется по сравнению с рассмотренной, условия дифракции становятся зависимыми от взаимной ориентации направления распространения звука и оптической оси кристалла, положения плоскости поляризации света и т. п. При этом, однако, может быть заметно расширен диапазон изменения частоты звука, в котором выполняется условие Брэгга, а значит, и увеличен интервал углового положения дифрагированного луча при той же потребляемой мощности.

При помощи аку сто оптических устройств можно осуществлять не только однокоординатное, но и двухкоординатное отклонение светового луча. При этом дефлекторы с взаимно перпендикулярными плоскостями развертки могут быть совмещены в одной акустооптической ячейке. Число различимых положений светового луча (разрешающая способность) акустооптического дефлектора может составлять 10³—10⁴, причем развертка может осуществляться не только по набору фиксированных направлений, но и при непрерывном сканировании, что достигается ступенчатым или плавным изменением частоты акустических колебаний.

Быстродействие акустооптического дефлектора определяется временем, в течение которого звуковая волна пройдет активную зону кристалла, т. е. оно ограничено относительно низкой скоростью звука. Тем не менее время переключения светового луча может составлять менее чем 1 • 10 ^-6 с.

В акустооптических дефлекторах могут использоваться многие материалы, слабо поглощающие звуковые колебания и прозрачные в соответствующей области оптического спектра: плавленый кварц, халькогенидные и другие стекла различного химического состава (например, As₂S₃), диоксид теллура ТеО₂ (парателлурит), молибдат свинца РЬМоО₄ (вульфинит), а также кристаллы KDP, DKDP, LiNbO₃ и др. Доля энергии отклоненного луча по отношению к падающей (эффективность отклонения) акустоэлектрических дефлекторов обычно близка к 50—70%.

Дефлектор на основе акустооптического эффекта можно использовать в качестве модулятора (при этом легче достичь 100%-ной модуляции, если использовать не проходящий, а дифрагированный луч), а также для выполнения других преобразований световой волны.

Если на кристалл с введенной в него звуковой волной направить широкополосное (а не монохроматическое) излучение, то на угол 2θ_Б отклонится свет преимущественно одной длины волны. Это позволяет выделить из падающего луча узкий спектральный интервал излучения. Изменяя частоту звука, длину волны дифрагированного света можно изменить в широком диапазоне, охватывающем видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения. На этом основана работа быстродействующих перестраиваемых акустооптических фильтров. Спектральная полуширина таких фильтров составляет 0,01 — 1 нм.

Поскольку в акустооптической ячейке свет дифрагирует на звуковой волне, т. е. на «движущейся решетке», возникает сдвиг частоты света вследствие эффекта Доплера. Для света, падающего на кристалл в сторону распространения звука, и для света, распространяющегося в противоположную сторону (на квантово-механическом языке этому соответствуют процессы излучения или поглощения фонона), частота света становится равной соответственно v — v_3B и v + v_3B. Это явление можно использовать на практике для сдвига частоты света вверх или вниз на значение v_3B, которое также можно изменять.

3.3. Оптические транспаранты

Оптический транспарант (ОТ) представляет собой плоское устройство, оптические параметры которого (прозрачность, рассеяние, коэффициент преломления, поляризация) под действием управляющего сигнала изменяются от точки к точке по его площади, т. е. световой пучок, прошедший через такое устройство или отраженный от него, оказывается пространственно промодулированным. Пространственная модуляция света оптическим транспарантам не исключает, кроме того, и временной модуляции сигналов. Транспарант, допускающий и ту, и другую возможности, называют динамическим или пространственно-временным модулятором света (ПВМС). При помощи быстродействующих ПВМС можно производить параллельную обработку больших массивов информации (изображений, картин) в реальном масштабе времени, что трудно осуществить в электронных устройствах и системах. Очевидно, что ПВМС могут применяться не только для преобразования, но и для параллельного ввода массивов информации, а также для ее вывода и отображения, в том числе в визуальной форме. Наконец, если свойства материалов и принцип действия транспаранта позволяют сохранять «оптический рельеф» в течение какого-то времени, ПВМС можно использовать в качестве устройства памяти большой емкости.

Для модуляции сигнала в ОТ используют различные физические эффекты. Модуляцию можно осуществлять, либо подавая к различным участкам транспаранта электрическое напряжение (ЭУТ — электрически управляемый транспарант) или же проецируя на него оптическое изображение (ОУТ-оптически управляемый транспарант). Возможны также устройства, в которых ОТ служит мишенью в электронно-лучевой трубке, а управление его параметрами осуществляется с помощью сканируемого электронного луча. Однако такие приборы (типа Титус, Эйдофор и их модификации), как «нетвердотельные», требующие вакуумирования, высоких ускоряющих и управляющих напряжений, ниже рассматриваться не будут.

Большинство параметров, введенных для оптических модуляторов, применимы и к транспарантам. Важнейшими и характерными именно для транспарантов параметрами являются разрешающая способность, определяемая числом различаемых линий на единице длины (обычно выражается в линиях на миллиметр), и энергетическая чувствительность к управляющему сигналу (джоули на квадратные сантиметры). Отношение Ф_mах/Ф_min) интенсивностей излучения, прошедшего через транспарант при максимальных просветлении и при затемнении, называют оптическим контрастом.

3.3.1. Электрически управляемые транспаранты

При создании транспаранта естественно стремление получить как можно большее пространственное разрешение, и если оно превышает ~ 10 лин/мм, что вполне реально, то при площади транспаранта в несколько квадратных сантиметров индивидуальное электрическое подключение каждого элемента при помощи отдельного проводника становится практически невозможным. Поэтому в ЭУТ используется так называемая X-Y-адресация (двухкоординатная, матричная, мультиплексная). В этом случае на тонкий слой модулирующей среды с обеих сторон наносят параллельные проводящие прозрачные полосы (шины), причем так, чтобы на противоположных поверхностях они были ориентированы взаимно перпендикулярно (рис. 3.5, а). Электрическое поле в нужном месте транспаранта создают, подавая на соответствующие X-Y-шины управляющее напряжение, что вызывает в точке их пересечения локальное изменение оптических свойств модулирующей среды. Чтобы осуществить оптическую модуляцию по всей поверхности транспаранта, электрический сигнал должен «пробежать» по всем точкам пересечения шин (при числе строчек и столбцов 100x100 таких точек уже 1·10⁴!). Для этого используют различную последовательность адресации управляющего напряжения к элементам ЭУТ. Оно может подаваться поочередно ко всем элементам (поэлементная адресация), одновременно ко всем элементам целой строки с нужным распределением по элементам в пределах данной строки (построчная адресация), то же самое по столбцам и т. п. Однако во всех случаях управляющее напряжение подается все же не одновременно ко всем элементам транспаранта, т. е. параллельная обработка информации в реальном масштабе времени, строго говоря, исключается. Тем не менее ЭУТ является важнейшим элементом систем обработки информации уже потому, что обеспечивает преобразование электрических сигналов в оптические, без чего невозможно объединение электронных и оптических устройств (аналогичную роль при преобразовании оптических сигналов в электрические играют многоэлементные фоточувствительные матрицы).

Характеристики и параметры ЭУТ в первую очередь определяются материалом, используемым в качестве модулирующей среды.

Для быстродействующих ЭУТ пригодны многие электрооптические кристаллы. В большинстве случаев в качестве модулирующего эффекта используют поворот плоскости поляризации света под действием приложенного электрического напряжения. Чтобы модуляцию поляризации преобразовать в амплитудную, ЭУТ такого типа помещают между скрещенными поляризатором и анализатором. Под действием напряжения транспарант в соответствующем месте просветляется. Широкому применению в ЭУТ традиционных электрооптических кристаллов мешает высокое управляющее напряжение (более 1 • 10³ В).

Электрически управляемые ПВМС могут быть созданы на основе сегнетоэлектрической керамики — спрессованной при высокой температуре смеси цирконата и титаната свинца с добавлением лантана (PbZrO₃ + PbTiO₃ + La, сокращенно PLZT, в русском написании — ЦТСЛ). В зависимости от соотношения компонентов и режима спекания получают пластины ЦТСЛ-керамики, обладающей теми или иными электрооптическими свойствами. Прозрачность пластин толщиной около 0,1 мм в видимой области превосходит 90%, линейные размеры составляют несколько сантиметров, рабочие напряжения находятся в пределах 100—200 В.

Применение ЦТСЛ-керамики в оптических транспарантах основывается на ориентации (переориентации) под действием внешнего напряжения вектора поляризации доменов — областей спонтанной поляризации, имеющих оптические свойства, аналогичные одноосным кристалликам и хаотически ориентированных в исходном состоянии ЭУТ. В результате преимущественной ориентации доменов наводится двулучепреломление. Если же керамика относительно крупнозернистая (4—5 мкм), под действием внешнего электрического поля изменяются ее рассеивающие свойства. В последнем случае проходящий через транспарант свет оказывается промодулированным по амплитуде без применения скрещенных поляроидов. При температурах выше точки Кюри сегнетоэлектрическая фаза ЦТСЛ-керамики сменяется параэлектрической. В соответствии с этим ЭУТ обладает либо долговременной памятью, либо высоким быстродействием (вплоть до 10^-7 — 10^-9с). Столь эффективное устройство, кроме того, имеет достаточно низкую стоимость.

Наиболее чувствительны к управляющим сигналам и экономичны ЭУТ на основе жидких кристаллов (ЖК) — сложных органических веществ, обладающих свойствами жидкости (текучесть) и одновременно кристалла (анизотропия свойств, в том числе и оптических). Жидкокристаллическое состояние (мезофаза) существует только в определенном температурном интервале. За его пределами ЖК превращается при высоких температурах в изотропную жидкость, при низких — в твердую фазу.

Молекулы ЖК имеют удлиненную, сигарообразную форму (представляют собой своеобразный одноосный «кристалл») и поэтому стремятся к взаимной параллельной упаковке, а в конечном счете к анизотропии слоя ЖК. В зависимости от характера расположения молекул различают несколько типов ЖК: нематические, смектические, холестерические. В ЭУТ ЖК помещают в узкое пространство (3—30 мкм) между двумя прозрачными подложками. На внутренних поверхностях подложек создают взаимно перпендикулярные прозрачные шины—электроды. Эти же поверхности полируют (натирают) при поступательном (а не вращательном) движении подложки относительно шлифующего материала или же на них наносят напылением под углом тонкую пленку SiO₂.Такая обработка приводит к тому, что молекулы ЖК ориентируются параллельно плоскости подложки и, кроме того, в одном направлении. Для света, направленного перпендикулярно подложкам, такой слой обладает максимальным двулучепреломлением. Если к ячейке прикладывать напряжение, превышающее некоторое пороговое, молекулы ЖК поворачиваются параллельно действующему электрическому полю и слой ЖК двулучепреломления уже не вызывает. При V=0 достигается большое различие Δп = п_е —п₀ = =0,2÷0,4, что обеспечивает максимальную глубину модуляции уже при толщине слоя ЖК примерно 1 мкм.

Используя ориентирующее действие подложек, поворачивая их относительно друг друга, молекулы ЖК можно закрутить так, что их длинные оси в слоях, прилегающих к одной и другой подложкам, окажутся взаимно перпендикулярными. Такая структура становится оптически активной и поворачивает плоскость поляризации на 90°. Под действием приложенного к ячейке напряжения молекулы поворачиваются параллельно полю и «закрученное» состояние ЖК исчезает. Это так называемый твист-эффект (от англ. twist—закручивать), широко используемый в индикаторах часов, микрокалькуляторов и т. п.

Для получения амплитудной модуляции в ЖК с использованием двойного лучепреломления или твист-эффекта необходимо применить два пленочных поляроида. Возможна также непосредственная амплитудная модуляция света при помощи ЖК. Для этого в ЖК можно ввести незначительную добавку красителя, ориентация молекул которого зависит от ориентации окружающих молекул ЖК. Так как поглощение света красителем зависит от ориентации длинной оси его молекул, то, управляя ориентацией молекул ЖК, можно изменять оптическое поглощение устройства (эффект гость—хозяин). Можно ввести в ЖК не окрашивающие добавки, а легирующие примеси, приводящие к ионной проводимости вещества. Тогда при приложении внешнего напряжения протекание тока вызывает в ЖК вихревое, турбулентное движение и прозрачный в исходном состоянии слой ЖК становится мутно-серым (эффект динамического рассеяния или электрогидродинамический эффект).

Рабочие напряжения ЭУТ, действующих на различных эффектах в ЖК, варьируются от нескольких десятков до нескольких вольт, причем при достаточно малых протекающих токах (например, 1—3 мкА/см²). Жидкокристаллические устройства, характеризующиеся, кроме того, высокой технологичностью и низкой стоимостью, имеют существенный недостаток — относительно низкое быстродействие. Время электрооптического отклика для некоторых ЖК может составлять микросекунды, однако время возвращения молекул в исходное состояние по крайней мере на один-два порядка больше, так что быстродействие ЖК-устройств обычно приходится на миллисекундный диапазон. Время переключения ЭУТ уменьшается при уменьшении толщины слоя ЖК и увеличении управляющего напряжения. Оптимизируя эти параметры и используя другие приемы (как технологические, так и режим питания), частоту переключения устройства удается увеличить до 1 • 10³, а иногда превысить 1·10⁴Гц. Этого все же недостаточно для решения многих задач оптической обработки информации, хотя и вполне приемлемо, например, для индикаторных приборов.

Другой недостаток ЖК-устройств связан с ограниченным температурным интервалом существования мезофазы, составляющим несколько десятков кельвин (например, от —(10—20) до +(40—50)°С).

Высокое быстродействие, а также практически неограниченный срок службы можно получить, используя в ЭУТ магнитооптические эффекты в ферритах. Трудности применения ферритов, в частности ферритов-гранатов и ортоферритов (отличающихся составом редкоземельных элементов и кристаллической структурой), связаны со значительным поглощением света в видимой области спектра. Тем не менее приемлемое для практики оптическое пропускание (—10% в красной области спектра) достигается, например, в транспарантах на основе ортоферритов YFeO₃, YFeGaO₃, ферритов-гранатов YGaScFeO, YGdGaFeO, Y₂BiFeGaO₁₂ и др. Локальное

магнитное поле, вызывающее изменение оптических свойств феррита, можно создать при помощи так называемой токовой петли (рис. 3.5, б). После кратковременного подключения тока (превышающего некоторое пороговое значение) созданная намагниченность участка транспаранта (на рисунке заштрихован) может сохраняться чрезвычайно долго. При считывании информации используется фарадеевское вращение плоскости поляризации света, проходящего через слой феррита, а также при его отражении (магнитооптический эффект Керра), Вполне реальны магнитооптические ЭУТ со временем перемагничения ~ 1 · 10^-8 с, информационной емкостью по крайней мере 100x100 элементов и практически неограниченным ресурсом. Некоторые сложности с использованием магнитооптических транспарантов связаны с коммутацией достаточно больших управляющих токов (~1А).

3.3.2. Принципы работы оптически управляемых транспарантов

В наиболее распространенном случае ОУТ представляет собой (рис. 3.6, а) тонкую пластину электрооптического материала МС с нанесенными на нее слоем фотопроводника ФП и двух сплошных прозрачных электродов 3 (например, слои оксидов олова, индия, индия-олова ITO, прозрачные пленки платины, золота и др.), к которым подключают напряжение U. Такую многослойную структуру помещают между поляризатором П и анализатором А и на нее направляют параллельный пучок света Ф₀, для которого фотопроводящий слой не чувствителен и прозрачен (считывающая световая волна). Между ОУТ и анализатором устанавливают полупрозрачное зеркало 4, при помощи которого на фотопроводящий слой (сквозь МС) проецируют световую управляющую волну Ф_упр, создающую нужную картину и имеющую спектральный состав, соответствующий в отличие от Ф₀ чувствительности фотопроводящего слоя. В отсутствие управляющего света сопротивление ФП велико и практически все приложенное напряжение падает на нем. Под действием Ф_упр сопротивление ФП уменьшается и напряжение перераспределяется между ФП и электрооптическим слоем, локально изменяя его оптический параметр, например, вызывая двойное лучепреломление (продольный эффект Поккелъса). Если в исходном состоянии поляризатор П и анализатор А скрещены, то в отсутствие Ф_упр считывающий свет Ф₀ на выход всего устройства не попадет. В местах, освещенных управляющей волной, свет Ф₀ окажется промодулированным по фазе или поляризации и устройство в меньшей или большей степени станет прозрачным для светового пучка Ф₀. Рассматриваемое устройство позволяет производить ряд преобразований: картина, созданная волной Ф_упр, имеет другой спектральный состав; неполяризованный управляющий свет может быть трансформирован в когерентный (используя лазер в качестве источника Ф₀); интенсивность пучка Ф может превышать интенсивность Ф_упр, т. е. реализуется усиление света; если главные плоскости поляризатора и анализатора в исходном состоянии не перпендикулярны, а параллельны, то изображение, создаваемое волной Ф_упр, будет преобразовано в негативное, и т. д.

Обычно фотопроводник—слабопроводящий материал, и зарядовый рельеф, созданный в результате проецирования на него изображения, сохраняется в течение некоторого времени (волну Ф_упр называют поэтому также записывающей). При необходимости записанную информацию можно стереть кратковременной равномерной засветкой подходящего спектрального состава. Таким образом, ОУТ с фотопроводящим слоем, обладающим большим временем релаксации, можно использовать и в качестве двумерного оперативного запоминающего устройства, и для обработки быстро изменяющейся информации (если время цикла запись — считывание — стирание мало). Следует также отметить, что запись может производиться не только проецированием изображения, но и сканированием сфокусированного и промодулированного по интенсивности луча.

Возможна работа ОУТ не только на просвет, но и на отражение (рис. 3.6, б). При этом изменена сама структура ОУТ: слои ФГТ и МС разделены непрозрачным диэлектрическим зеркалом 5. Считывающий свет Ф₀, пройдя поляризатор П и отразившись от поворотного полупрозрачного зеркала 4, направляется на ОУТ, а затем, проходя сквозь электрооптический материал, отражается от зеркального разделительного слоя 5, снова проходит сквозь МС и направляется на анализатор А. Управляющий (записывающий) световой пучок Ф_упр направляется на ОУТ с противоположной стороны разделительного слоя. В остальном рассматриваемый транспарант работает так же, как и в схеме работы на просвет. Так как диэлектрическое зеркало непрозрачно, вход и выход устройства оказываются оптически изолированными; возникает свобода в выборе спектрального состава считывающего света. Еще одно преимущество схемы работы ОУТ на отражение состоит в том, что за счет двукратного прохождения считывающего луча глубина его модуляции увеличивается также в два раза.

3.3.3. Различные типы оптически управляемых транспарантов

Многообразие задач, которые можно решать с использованием ОУТ, оптимизация их параметров для каждого конкретного случая привели к поиску различных конструкций, используемых материалов для фоточувствительного и модулирующего слоев, привлечению различных механизмов, приводящих к модуляции света, и т. п.

В оптическом транспаранте типа Фототитус (Fototitus) в качестве фотопроводника используется аморфный селен, а модулирующего материала — кристалл KDP или DKDP. Транспарант помещают в вакуумную камеру и понижают его температуру примерно до - 50°С (обычно при помощи термоэлектрического холодильника). Охлаждение уменьшает рабочее напряжение устройства до 100—200В, а время хранения информации увеличивается до 1 ч по сравнению с ~0,2 с при комнатных температурах, т. е. можно считать, что в течение нескольких минут не происходит заметного уменьшения контраста записанного изображения. Запись производят экспонированием изображения в ультрафиолетовой или синей области спектра, считывание — в красной (например, гелий-кадмиевым и гелий-неоновым лазерами). Стирание зарядового рельефа, а значит, и пространственного распределения двойного лучепреломления осуществляют равномерной засветкой от дополнительного источника, например импульсной ксеноновой лампой. Длительность записи и стирания информации в устройстве Фототитус довольно мала и составляет ~1·10^-4с. При толщине кристалла DKDP около 100 мкм пространственное разрешение транспаранта не хуже 20 лин/мм. Широкому использованию устройства в современных системах обработки информации препятствует необходимость вакуумирования и охлаждения.

Интересны аспекты применения в оптически управляемых ПВМС ЦТСЛ-керамики. В этом случае (рис. 3.6, а) на плоскопараллельную керамическую пластину наносят фотопрово-дящий слой, например поливинилкарбазол (ПВК), а затем на обе внешние поверхности — прозрачные электроды. Структуру приклеивают к оргстеклу, которое несколько изгибают, в результате чего в керамике создается механическое напряжение. Это приводит к тому, что электрические домены в керамической пластине, направление которых было в исходном состоянии хаотическим, ориентируются вдоль направления механического напряжения, причем парами и антипараллельно, так что результирующая поляризация керамической пластины равна нулю. К прозрачным электродам прикладывают электрическое напряжение U, однако несколько меньшее, чем требуется для переориентации доменов вдоль направления внешнего электрического поля. Если, не снимая U, структуру осветить, сопротивление фотопроводящего слоя уменьшится, большая часть напряжения окажется приложенной к керамической пластине, что приведет к ориентации электрических доменов вдоль направления электрического поля. Таким образом, при проецировании на транспарант изображения в освещенных местах двойное лучепреломление исчезает. Считывание записанной информации можно произвести, используя поляризатор и анализатор, стирание—засветкой всей пластины при U =0.

Кроме двойного лучепреломления в ОУТ на основе крупнозернистой ЦТСЛ-керамики используют эффект рассеяния. В этом случае механическое напряжение в пластине не создается. Под действием внешнего электрического напряжения и равномерного освещения пластина поляризуется. Затем полярность внешнего источника изменяют на противоположную, но напряжение устанавливается меньшее, так чтобы переполяризация не происходила. Если теперь на ОУТ направить управляющий световой пучок, то в освещенных местах домены разориентируются, что приведет к локальному рассеянию света. Для стирания записанной информации транспарант равномерно засвечивают при включенном поляризующем напряжении, в результате чего домены ориентируются параллельно полю и пластина становится прозрачной.

Наконец, в ОУТ на основе мелкозернистой ЦТСЛ-керамики можно использовать обратный пьезоэлектрический эффект—изменение геометрических размеров тела под действием внешнего электрического поля. В транспаранте такого типа один из электродов представляет собой зеркально отражающий слой (рис. 3.7, а). Сначала пластину равномерно освещают со стороны фотопроводящего слоя и между прозрачным и непрозрачным электродами прикладывают напряжение, необходимое для поляризации керамики. Затем полярность источника изменяют на противоположную, одновременно уменьшив напряжение до уровня, недостаточного для переориентации электрических доменов в темноте. Если на ОУТ спроецировать изображение, то в освещенных местах сопротивление фотопроводящего слоя станет малым, в результате чего произойдет переориентация доменов. Это вызовет локальные механические напряжения и назеркалено отражающем слое возникнет геометрический рельеф, воспроизводящий записанное изображение (рис. 3.7, 6). Искривление поверхности ОУТ при этом обычно не превышает нескольких десятых долей микрометра. Такой разности хода светового луча, однако, достаточно для считывания изображения.

Описанные ПВМС на основе наведенного двулучепреломления, управляемого рассеяния, геометрического рельефа называют соответственно Ферпик (Ferpic—Ferroelectric Picture), Керампик (Cerampic —Ceramic Picture), Ферикон (Fericon — Ferroelectric leonoscope).

Оптически управляемый транспарант может быть построен на материале, обладающем одновременно и фото чувствительными, и электрооптическими свойствами. Так называемое устройство ПРОМ (PROM — Pockels Readont Optical Modulator) сконструировано следующим образом. На пластину силиката висмута Bi₁₂SiO₂₀ (возможно использование Bi₁₂GeO₂₀, ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, ZnO и других материалов, способных длительно сохранять состояние поляризации) толщиной около 100 мкм с двух сторон наносят тонкие диэлектрические слои (~3 мкм), а поверх них —прозрачные слои платины. Специальный слой фотопроводника в устройстве ПРОМ отсутствует, так как используется фотопроводимость электрооптического материала. Чувствительность Bi₁₂Si0₂₀, в частности, приходится на спектральную область 0,4—0,5 мкм, а при λ≥0,5 мкм она резко падает. Структуру подключают к источнику постоянного напряжения (1000—2000 В) и освещают вспышкой ксеноновой лампы. Генерируемые светом в Bi₁₂ SiO₂₀ электроны перемещаются к границе раздела с диэлектрическим слоем, локализуются там на энергетически глубоких центрах и поляризуют пластину (сквозной ток не идет из-за наличия диэлектрических слоев). Перемещение электронов продолжается до тех пор, пока поляризационный заряд не скомпенсирует (заэкранирует) внешнее поле. При закороченных электродах в кристалле за счет поляризации возникает электрическое поле, по направлению противоположное внешнему.

Если на ПРОМ-структуру спроецировать в сине-голубой области (0,4—0,5 мкм) изображение, в светлых местах поляризационное поле исчезнет, а в неосвещенных останется неизменным. Считывание изображения осуществляют линейно поляризованным красным светом (Х> 0,6 мкм), который не вызывает изменений в кристалле, но оказывается пространственно промодулированным по фазе. Фазовая модуляция преобразуется в амплитудную, если, как обычно, структуру поместить между скрещенными поляризатором и анализатором.

Если к структуре подключить источник внешнего напряжения той же полярности, в ранее освещенных местах поляризационное поле скомпенсируется внешним, а в неосвещенных — электрическое поле будет действовать. В результате при считывании позитивное изображение превратится в негативное. Стирание информации производится равномерной засветкой в сине-голубой области спектра при U=0. Время записи — считывания составляет ~1·10^-3с, память может сохраняться 1—2 ч, пространственное разрешение транспаранта составляет несколько десятков или сотен линий на миллиметр. Недостатки устройства ПРОМ — высокое питающее напряжение, низкая частота смены изображений (не более 1 кГц).

Своеобразной модификацией ПРОМ является устройство ПРИЗ (от слов «преобразователь изображения»). Его отличие состоит в том, что пластину электрооптического полупроводникового материала (например, силикат или германат висмута) вырезают не параллельно (как в устройстве ПРОМ), а перпендикулярно оптической оси, т. е. так, чтобы приложенное к структуре внешнее электрическое поле не вызывало модуляции считывающего света. Однако при неравномерном освещении транспаранта в результате миграции генерируемых светом носителей тока возникает поперечная составляющая поля, которая приводит к изменению показателя преломления, обусловленному электрооптическим эффектом. Выделение областей с максимальным градиентом освещенности оказывается очень полезным при обработке изображений, в частности при распознавании объектов. Фактически при помощи устройства ПРИЗ производится пространственное дифференцирование изображения, причем без применения специального оптического процессора.

Еще в одной модификации рассматриваемого ОУТ электродные слои наносят непосредственно на пластину электрооптического кристалла. В этом случае возникающее после начала экспонирования изображения поляризационное поперечное поле из-за прохождения тока постепенно спадает (для силиката висмута с характерным временем около 1 с). Устройство, таким образом, позволяет выделять в изображении изменяющиеся детали, т. е. производить временное дифференцирование изображения.

Самостоятельный интерес представляют жидкокристаллические (ЖК) транспаранты с оптическим управлением. Применяются как структура ЖК-ФП, так и с непрозрачным диэлектрическим зеркалом между слоями. Несомненным достоинством таких транспарантов, как и ЭУТ на основе ЖК, являются низкие рабочие напряжения, простая и дешевая технология изготовления; недостатком—значительная инерционность (~1·10^-2с). Поскольку ЖК — высокоомные материалы, то для электрического согласования в качестве фотопроводника приходится использовать также высокоомные полупроводники (ZnS, ZnSe, CdS, Se и т. п.). Использование низкоомных фотопроводников (в частности, кремния) в сочетании с ЖК (а также другими электрооптическими материалами) возможно в устройствах с фоточувствительными МДП-струк-турами.

В ОУТ могут использоваться не только электрооптические эффекты, но и термооптический (тепловой) способ записи информации, основанный на изменении свойств ЖК при его фазовом переходе под действием нагревания. В ОУТ такого типа тонкую пленку ЖК помещают между электродами из IТО, непрозрачными в инфракрасной области спектра. Если на такую структуру направить лазерный луч, энергия излучения поглотится в электродном слое и вызовет локальный нагрев ЖК. В исходно прозрачном слое ЖК нагрев, а затем быстрое охлаждение приведут к «замороженной» разупорядоченности структуры, интенсивно рассеивающей свет. Запись можно стереть нагревом и последующим охлаждением ячейки в электрическом поле, создаваемом приложенным к электродам напряжением.

Оптически управляемый транспарант может быть построен на основе материала, в котором при определенной температуре происходит переход из металлического состояния в полупроводниковое. Такими пороговыми свойствами обладают, в частности, оксиды ванадия, а среди них наиболее подходящим является диоксид ванадия VO₂ с температурой фазового перехода ~70° С. Изготовление транспаранта сводится к нанесению слоя VO₂ толщиной 0,1—0,2 мкм на подложку из стекла, кварца, ситала или другого подходящего материала. На слой VO₂ направляют сканирующий лазерный луч или же проецируют изображение такой интенсивности, что в освещенных местах в результате поглощения света слой оксида ванадия нагревается и переходит из полупроводникового состояния в металлическое. После прекращения экспонирования изображения транспарант возвращается в исходное состояние. Для считывания информации можно использовать изменение либо коэффициента поглощения, либо показателя преломления. Энергетическая чувствительность транспаранта оказывается не очень низкой (1·10^-2 Дж/см²), пространственное разрешение — несколько тысяч линий на миллиметр, время записи может быть доведено до ~1·10^-8с. Используемое сокращение ОУТ рассматриваемого типа — ФТИРОС (фазово-трансформационный реверсивный отражатель света).

Возможны также другие ОУТ теплового действия, в частности с использованием термопластиков—пластических масс, способных размягчаться при нагревании и сохранять форму после охлаждения (например, полистирол, поливинилхлорид и др.). На стеклянную пластинку с проводящим прозрачным слоем диоксида олова или металла наносят слой фотопроводника (обычно поливинилкарбазол), а поверх него—слой термопластика. Далее поверхность термопластика заряжают при помощи коронного разряда, в результате чего между поверхностью транспаранта и проводящим электродом возникает разность потенциалов. При проецировании на структуру оптического изображения сопротивление фотопроводника в освещенных местах уменьшается и электрическое поле в различных местах термопластика оказывается разным. Если через электрод из SnO₂ пропустить импульс тока, слой термопластика кратковременно нагреется (до точки размягчения) и в местах сильного электрического поля произойдет сжатие пленки, что надолго зафиксируется после охлаждения устройства. В результате образуется поверхностный рельеф, повторяющий записанную картину, а считывающий свет окажется промодулированным по фазе. Стирание изображения производят нагревом пленки в темноте. Возможны ОУТ, в которых используют фоточувствительность самого термопластика (фототермопластика), и тогда необходимость отдельного слоя фотопроводника отпадает. Энергетическая чувствительность устройства на термопластиках высока и сравнима с чувствительностью фотоэмульсии, пространственное разрешение составляет 1000— 4000 лин/мм.

Большинство из рассмотренных ОУТ могут работать в режиме, когда интенсивность как записывающего, так и считываемого света изменяется по координатам сколь угодно плавно. Для обработки цифровой информации в виде двоичных изображений используют матричные ОУТ. Такого типа транспарант включает в себя множество регулярно расположенных ячеек «фотоприемник—электрооптический материал», действующих практически независимо друг от друга и предназначенных для выполнения операций над одним битом информации. Устройство матричного ОУТ отражательного типа поясняется рис. 3.8, а. В отличие от рассмотренных ранее структур светоизолирующий слой между фотопроводником 2 и модулирующей средой 3 выполнен в виде матрицы зеркально отражающих металлических площадок 5, разделенных резистивным слоем 4, непрозрачным и нефоточувствительным. Внешние электроды 1 выполнены в виде металлической маски с окнами, расположенными в створе с отражающими площадками на оптически разделяющем слое. Это обеспечивает независимую работу ячеек транспаранта и высокую надежность записи. Как и в схеме, показанной на рис. 3.1,6, для считывания изображения применяют полупрозрачные зеркала, поляризаторы и т. п. В качестве электрооптического материала в матричных ОУТ могут применяться кристаллы KDP, ADP, LiNbO₃ и др.

Недостатком таких устройств является относительно низкое быстродействие. Чтобы его повысить, электрооптический слой наносят не поверх сплошного резистивного слоя, а на созданную на прозрачной подложке (рис. 3.8, б) интегральную матрицу фоточувствительных кремниевых схем с необходимыми усилительными элементами (транзисторами) 6. Быстродействие таких фоточувствительных ячеек может составлять 10^-6 – 10^-7 с.

Чтобы обеспечить оптическую память, электрооптический материал не обязательно должен обладать гистерезисными свойствами. Для этого подходит, например, сегнетоэлектрическая керамика, но при температуре выше точки Кюри. Оперативная память такого транспаранта (muna Латрииа, как его называют) обеспечивается электронной схемой фоточувствительных ячеек. Ее длительность определяется временем утечки заряда через обратносмещенный кремниевый р-п-переход (обычно до 1· 10^-2 с), что в некоторых случаях вполне достаточно для систем оптической обработки информации.

3.4. Оптическая память

Достоинства оптических модуляторов, дефлекторов, управляемых транспарантов и других элементов систем оптической обработки информации не могут в полной мере реализоваться без адекватных устройств оптической памяти с большой емкостью, плотностью и скоростью записи, малым временем поиска (выборки), высокой долговечностью и надежностью хранения информации.

Как отмечалось выше, оптический транспарант, у которого модулирующая среда даже малое время может сохранять после прекращения внешнего воздействия отличный от равновесного состояния оптический параметр, по существу является устройством оперативной памяти (для многих случаев достаточна длительность хранения информации всего 10^-8—10^-9 с). Ниже, кроме запоминающих устройств (ЗУ) такого типа, будут рассмотрены устройства долговременной (постоянной, архивной) памяти.

Создание оптических ЗУ продиктовано тем, что используемая в электронных устройствах магнитная память сталкивается с серьезными трудностями в связи с возрастающими требованиями, предъявляемыми к системам обработки информации. Кроме кардинального увеличения плотности и скорости записи, существенного уменьшения габаритов, веса и стоимости, устройства оптической памяти позволяют производить параллельную запись и выборку двумерных массивов информации. Тем не менее в оптических ЗУ используют оба способа записи — как параллельный, так и последовательный. Хотя оптические ЗУ допускают запись информации непосредственно в аналоговой форме, ниже будут рассматриваться также устройства с записью в цифровой двоичной форме, что обеспечивает большую точность, помехозащищенность, универсальность записи.

3.4.1. Постоянная оптическая память с последовательным способом записи и считывания информации

Упрощенная структурная схема записи информации последовательного типа при помощи сканирующего луча лазера приведена на рис. 3.9. Чтобы обеспечить высокую плотность записи, излучение лазера стараются сфокусировать в пятно как можно меньших размеров (из-за дифракции эти размеры не могут быть меньше длины волны излучения и обычно близки к 1мкм). Промодулированный необходимым образом луч направляют через объектив на запоминающую среду, а его геометрическое положение задают оптическим двухкоординатным дефлектором. В наиболее простом случае в качестве такой среды используют серебряно-галоидные эмульсии, нанесенные на прозрачную подложку. Фотоэмульсии, обеспечивающие, разумеется, постоянную (нереверсивную) память, имеют высокую разрешающую способность (тысячи линий на миллиметр) и высокую энергетическую чувствительность 10^-4 — 10^-6 Дж/см (для различных типов фотоэмульсии). После проявления и фиксирования изображение проецируют при помощи считывающего объектива на детектор излучения, например на матрицу фотоприемников. Источником света при этом служит сканирующий луч того же лазера (модулятор при считывании открыт).

Поиск сред для оптической памяти с оптимальным сочетанием чувствительности, разрешающей способности и других характеристик привел к использованию кроме фотоэмульсии многих других материалов, в частности фоторезисторов. Все эти материалы требуют обработки с использованием жидкостей, причем достаточно длительной, в лучшем случае—единиц секунд (для некоторых резисторов возможна «сухая» термообработка при температуре 150 — 200^оС).

Побитовую запись информации можно осуществлять прожиганием (проплавлением) при помощи сфокусированного лазерного луча сквозных отверстий размером около 1 мкм в тонких (~0,05 мкм) слоях Pt, Bi, Rh, As, Cr и других веществ, нанесенных на прозрачную, например полиэфирную, основу. Достоинство такой записи, считывание которой может производиться тем же лазером, но с меньшей интенсивностью луча, чтобы не повредить запись, — большое значение отношения сигнал/шум, высокая надежность и большой срок службы. Еще один способ записи в виде кодированной последовательности импульсов состоит в создании микро углублений или пятен (питов) на поливинилхлоридной или полиметакрилатной пластине с нанесенным на ее поверхности слоем теллура (20 — 40 мкм), как легкоплавкого материала, сильно поглощающего инфракрасное излучение.

Наконец, в металлическом слое можно формировать микробугорки. В этом случае используют тугоплавкие материалы (Ti, Pt), а в качестве диэлектрического подслоя — хорошо испаряемый материал. Под действием лазерного луча металлическая пленка не выжигается и не проплавляется, а в результате испарения подслоя в соответствующем месте образуется выпуклость. Пленку с записанной информацией покрывают слоем прозрачного материала, который предназначен прежде всего для защиты носителя информации от повреждений и гарантирует большой срок службы. Если защитный слой относительно толстый (как обычно и делается), инородные частицы, царапины и другие микродефекты на его поверхности оказываются не в фокусе считывающего объекта и, следовательно, слабо искажают сигнал.

Запоминающая пленочная структура может быть укреплена или нанесена на вращающемся диске из стекла, кварца, ситалла или полимера. Информацию записывают на дорожках с шагом 1,5 — 2 мкм, что при диаметре диска 30 см позволяет записывать более 1·10¹⁰ бит информации. Такой емкости достаточно для кодирования 20 — 30-минутной цветной телепрограммы, или нескольких десятков тысяч страниц машинописного текста, что сравнимо с информацией «Большой Советской Энциклопедии».

Трудности использования оптических дисков связаны с необходимостью точной юстировки лазерной головки и носителя информации. Надежное считывание практически невозможно без специальной сервосистемы, обеспечивающей точное слежение и следование сканирующего луча по информационной дорожке. Очевидно, что для того, чтобы при записи метки на диске не «размазывались» из-за его вращения, импульсы излучения лазера должны быть достаточно короткими (~1·10^-8 с). Фотоприемник, используемый при считывании, должен обладать высоким быстродействием (10^-8 — 10^-9 с).

Сравнение магнитной и оптической памяти свидетельстует о несомненных преимуществах последней. Оптическую память отличают высокое качество записи и воспроизведения при намного большем сроке службы (механический контакт считывающего устройства с носителем информации отсутствует), большая плотность записи, длительный срок хранения (десятки лет вместо 1 г при магнитной записи) и намного меньшая стоимость. Недостаток рассмотренных устройств оптической памяти — однократность записи; изготовление копий, разумеется, возможно. Для тиражирования записи с первичного оптического диска (без защитного покрытия) методами гальванотехники изготовляют металлический оригинал, а из него в нужном количестве прессуют пластмассовые копии. На вторичные диски со стороны записи наносят пленку с высокой отражательной способностью (алюминий), а поверх него—прозрачный защитный слой. Используемые для высококачественного звуковоспроизведения оптические диски малого диаметра (11,5 — 12см) называют компакт-дисками. Подобным образом возможно также тиражирование дисков для видеовоспроизведения.

3.4.2. Оперативная оптическая память

Устройства оперативной памяти, в отличие от рассмотренных выше, должны обладать реверсивностью, т. е. после кратковременного стирающего воздействия быть готовыми к записи новой информации. Свойства используемой среды не должны изменяться при большом числе циклов запись—стирание и позволять за как можно короткое время производить запись и стирание информации. В ЗУ оперативной оптической памяти используют многие физические эффекты, в частности, применяют рассмотренные ранее устройства Фототитус, ПРОМ, а также структуры фотопроводник — ЖК, фотопроводник — сегнетоэлектрическая ЦТСЛ-керамика и многие другие.

Возможны устройства оптической памяти, использующие запись на фотохромных материалах — веществах, поглощение которых обратимо изменяется под действием оптического излучения непосредственно, т. е. без какого-либо проявления. Среди большого числа фотохромных материалов достаточно широкое распространение получили полимеры, силикатные стекла, щелочно-галоидные кристаллы (КС1, NaF, CaF и т. д.). При фотохромном процессе вещество, поглощая кванты света, переходит из исходного состояния в фотоиндуцированное, характеризуемое изменением оптического пропускания в другой спектральной области. Для записи и считывания информации, следовательно, требуется излучение с различной длиной волны (например, 0,2 — 0,4 мкм при записи и 0,4 — 0,7 мкм при считывании). Обратный переход в исходное состояние совершается самопроизвольно, но может заметно ускориться под действием света, поглощаемого в фотоиндуцированном состоянии, поэтому при считывании световая энергия должна быть на несколько порядков выше, чем при записи.

Время хранения записанной информации различно для разных материалов: от 1·10^-6 с до нескольких лет. Для фотохромных материалов характерны малые времена записи (~1·10^-8 с) и высокая разрешающая способность (~3000 лин/мм). Запись можно производить в различных плоскостях фотохромного материала, причем переход от одной плоскости к другой осуществляется изменением фокусного расстояния записывающего и считывающего объективов. Несмотря на некоторую потерю оптического контраста, удается использовать для записи множество слоев, что приводит к огромной объемной плотности записи.

В устройствах памяти, основанных на магнитооптических эффектах, используют слои ферромагнитных материалов с большой коэрцитивной силой, способных надолго сохранять намагниченность после выключения внешнего магнитного поля. В тонком слое такого материала под действием излучения лазерного луча происходит локальный нагрев и, если при этом температура превысит точку Кюри, вектор намагниченности скачком изменяется. Вращение плоскости поляризации прошедшего через слой считывающего света (эффект Фарадея) оказывается разным в предварительно освещенных и неосвещенных участках. Считывание можно осуществить и отраженным светом, используя уже упомянутый магнитооптический эффект Керра.

Для стирания информации, записанной ферромагнитным слоем, его нагревают световым импульсом или каким-либо другим способом в присутствии магнитного поля, в результате чего восстанавливается его первоначальное магнитное состояние. Хотя при считывании информации в рассматриваемых случаях используют магнитооптические эффекты, такой способ записи принято также называть термомагнитным. Среди подходящих материалов для термомагнитной записи хорошо изучен марганцевый висмут MnBi, имеющий температуру Кюри примерно 360^оС, достаточно хорошее разрешение (10³ лин/мм), малое время записи (~1·10^-8 с), большой срок хранения записанной информации, а также ресурс работы. В качестве запоминающего материала в магнитооптических дисках используют сплавы MnA1Ge, MnCuBi, оксиды лантаноидов (например, ЕuО и др.), висмутосодержащие гранаты, а также аморфные пленки Tb_1-хFe_x и соединения на их основе (с добавлением кобальта, хрома, кадмия, гадолиния и др.).

Пленки Tb_1-хFe_x являются ферримагнетиками, т. е. магнитные моменты атомов тербия и железа ориентированы антипараллельно, и в определенном интервале х в пленке возникает анизотропия с осью, перпендикулярной плоскости пленки. Запись, считывание и стирание информации производят практически так, как и в случае устройства памяти на основе MnBi. Достоинство аморфных пленок Tb_1-хFe_x состоит в отсутствии эффектов рассеяния на границах зерен, в отличие от поликристаллического MnBi или других подобных материалов. Температура Кюри Tb_1-хFe_x зависимости от х изменяется в пределах 40 — 140^оС, разрешение — более 1·10⁴ лин/мм, время цикла запись — стирание — около 1·10^-8 с. Информационная емкость магнитооптических дисков диаметром 30 см составляет 10⁹ — 10¹⁰ бит.

На локальном нагреве лазерным лучом основывается запись в халькогенидных стеклах, содержащих серу, теллур, мышьяк и другие элементы (например, As — Se, Sb — S, As — Sb — S, As — Bi — S, Ge — S, Те — Ge — As и т. п.). Однако механизм памяти в этом случае другой. При превышении температуры расстеклования, но ниже точки плавления, происходит фазовый переход из аморфного состояния материала в кристаллическое, в результате чего изменяется показатель преломления света, что и используют при считывании информации. Переход пленки в аморфное состояние (стирание) производят нагревом до температуры плавления и последующим быстрым охлаждением. Запись на таких пленках, как и при термомагнитной записи, сохраняется длительное время, энергетическая чувствительность примерно такая же, разрешение превышает 1·10 лин/мм, однако оптическое пропускание стекол может достигать ~~80% ( 1·10^-3 для MnBi). Для реверсивной записи применяют также получаемый вакуумным испарением аморфные пленки ТеОх(х=1,1÷1,2). Под действием лазерного луча происходит фототермический переход, в результате чего заметно изменяются оптическое пропускание и отражение пленки. Работающие на этом принципе оптические диски позволяют производить многократную перезапись (например, музыкальных программ) вплоть до 1·10^-6 раз.

Работа быстродействующих многоканальных транспарантов, обладающих реверсивной памятью, может основываться на элементе, предложенном в начале 80-х годов и названном трансфазором. В этом устройстве используют оптическую нелинейность материала, проявляющуюся в изменении коэффициента преломления при увеличении интенсивности падающего света. В трансфазоре световой пучок направляют на плоско параллельную пластинку из нелинейного кристалла, образующую интерферометр Фабри — Перо, роль зеркал в котором могут играть либо естественные (отполированные) грани кристалла, либо нанесенные на них тонкие полупрозрачные металлические пленки. Толщину пластинки выбирают такой, чтобы при низких интенсивностях света, когда кристалл можно считать линейным, разность фаз лучей, многократно отражающихся от зеркальных граней, была равна нечетному числу π и интенсивность пучка на выходе была малой (Ф_вых=0). Такое условие нарушается в области больших световых потоков (вполне достижимых при использовании ОКГ), когда значение п, а значит, и оптическая длина пути начинают возрастать. Это вызывает увеличение интенсивности света внутри резонатора, что, в свою очередь, приводит к еще большему возрастанию п и т. д. Устройство скачкообразно переходит в состояние с пропусканием, близким к единице.

На практике на трансфазор направляют два лазерных луча. Один из них имеет постоянную интенсивность Ф_пост соответствующую низкому пропусканию, но близкую к пороговому состоянию. Небольшая подсветка другим лучом (Ф_упр) переключает трансфазор в состояние с максимальным Ф_вых. За счет Ф_пост такое состояние может поддерживаться как угодно долго, а при отключении Ф_пост кристалл скачкообразно переходит в исходное состояние, т. е. он уже не пропустит второго луча Ф_упр. Таким образом, трансфазор является оптически бистабильным элементом, который можно рассматривать как оптический аналог электронного транзистора.

Трансфазор переключается намного быстрее, чем транзистор. Действительно, быстродействие трансфазора ограничено временем установления светового поля внутри резонатора, а оно по порядку величины равно hn/с, т. е. при толщине пластинки h=10 мкм составляет ~1·10^-13 с. Во всяком случае работа трансфазора в пикосекуцдном диапазоне (10^-12 с) вполне реальна. Его поперечные размеры ограничены сечением лазерного пучка, т. е. трансфазор может быть таким же миниатюрным, как и транзистор. При использовании в качестве материала для трансфазора, например, сурьмянистого индия или моноселенида галлия энергия переключения составляет всего 1·10^-15 Дж при мощности постоянной предпороговой подсветки ~10 мВт. Трудности на пути реализации устройств на базе трансфазоров связаны с тем, что используемые для этого материалы требуют охлаждения.

В устройствах оперативной памяти могут использоваться и другие эффекты и материалы (см. д 3.3).

3.4.3. Принципы голографической записи информации

Голографическая память основывается на записи интерференционной картины, образованной в результате сложения световой волны, отраженной от объекта или прошедшей через него (объектной волны), и когерентной волны, идущей непосредственно от источника света (опорной волны). Если зафиксированную картину (голограмму) затем осветить тем же опорным источником, расположенным относительно нее точно так же, как и при записи, то в результате взаимодействия опорной волны с голограммой в пространстве образуется волна, восстанавливающая изображение объекта, совпадающее с ним по форме и пространственному положению (обязательно требование для используемых световых потоков — их когерентность).

Важно, что голограмма, в отличие от фотографического снимка, фиксирует не только распределение амплитуд, но и распределение фаз объектной волны относительно опорной. Информация о соотношении фаз объектной и опорной волн отражается рисунком и частотой полос интерференционной картины, а об амплитуде — ее контрастом. При помощи голограммы, таким образом, восстанавливается амплитудно-фазовое распределение волнового поля, т. е. создается копия объектной волны, а не только светоконтрастная характеристика объекта, как при обычном фотографировании. Этим объясняется чрезвычайно высокая информационная емкость голографического способа записи информации.

Поскольку при записи свет от каждой точки объекта падает на всю поверхность голограммы, каждый малый ее участок способен восстановить изображение объекта, хотя и с меньшим соотношением сигнал/шум и с потерей разрешения мелких деталей. Поэтому на качество записи голограммы слабо влияют различные дефекты — пятна, пылинки, царапины и т. п. Это обусловливает высокую надежность и помехозащищенность голографической записи. Количественную характеристику, отражающую способность голограммы трансформировать опорную волну в восстановленное изображение, называют дифракционной эффективностью и определяют как отношение мощности светового потока в восстановленном изображении к мощности светового потока в восстанавливающей волне.

Часто голограммы регистрируют на фотопластинках, причем различные участки фотопластинки можно использовать для записи разных голограмм. Минимальные размеры этих участков теоретически определяются дифракционными явлениями, однако на практике плотность записи оказывается заметно меньшей.

Оптическая схема голографической записи (рис. 3.10) обычно включает в себя светоделитель (например, полупрозрачное зеркало), который устанавливают на пути лазерного луча, освещающего записываемый объект и образующего объектную волну. При помощи отклоняющих устройств (дефлекторов, зеркал и т. п.) опорную волну направляют на нужный участок фотопластинки (как и объектную волну). Если объектом записи служит оптический транспарант, то на каждом таком участке, обычно не превышающем 1 — 2 мм², записывается не один бит информации, а целое изображение (страница информации емкостью 1·104 — 1·10⁵ бит). Один и тот же участок регистрирующего материала может содержать несколько наложенных голограмм, не влияющих друг на друга, если при записи каждый раз изменять угол падения опорного луча. Разумеется, при считывании его направление должно соответственно изменяться, чтобы быть таким же, как и при записи. Нужно, однако, иметь в виду, что увеличение числа наложенных голограмм приводит к уменьшению дифракционной эффективности.

До сих пор предполагалось, что толщина регистрирующей среды намного меньше периода интерференционной картины (двумерные голограммы). В противоположном случае голограмма представляет собой не плоскую картину интерференционных полос, а объемную структуру, повторяющую пространственную картину интерференции объектной и опорной волн. Трехмерный способ записи голограмм как наиболее общий предложил и обосновал в 1962 г. Ю.Н. Денисюк. При восстановлении изображения объемная голограмма действует подобно трехмерной дифракционной решетке. Отражение света от интерференционных слоев (брэгговское) происходит только при выполнении условия, аналогичного (3.11): , где d—расстояние между соседними слоями; θ_Б — угол между падающим светом и плоскостью слоев.

Таким образом, трехмерная голограмма обладает спектральной избирательностью (селективностью), т. е. для восстановления изображения можно применять источники со сплошным спектром (например, лампу накаливания, Солнце). При этом голограмма «выберет» излучение той длины волны, которое использовалось при записи (двумерные голограммы не обладают спектральной селективностью и восстанавливаемое изображение окажется размытым). Свойство трехмерных голограмм воспроизводить спектральный состав записывающего излучения позволяет значительно увеличить информационную емкость за счет записи в одной и той же области регистрирующей среды множества изображений, используя каждый раз излучение с разной длиной волны. Нужное изображение может быть считано независимо, для чего его нужно восстанавливать излучением соответствующей длины волны. Еще одно достоинство трехмерной голограммы состоит в том, что она восстанавливает только одно изображение. Двумерная голограмма трансформирует опорную волну как в объектную, так и в так называемую сопряженную волну, создающую ложное изображение, что может усложнить считывание информации.

Голографическую запись можно произвести как в цифровой, так и аналоговой форме; использовать в устройствах как постоянной, так и реверсивной памяти, включая системы обработки данных в реальном масштабе времени.

Развитие голографических методов записи привело к использованию многих пригодных для этого материалов. При этом важнейшее требование, предъявляемое к ним,— высокая разрешающая способность. Для специальных серебряно-галоидных фотоэмульсий она достигает 3000 — 5000 лин/мм (в красной области спектра). Некоторую потерю разрешающей способности, но выигрыш по дифракционной эффективности, можно получить, применяя для записи голограмм бихромированной желатины и фоторезисторы различных типов. Голограмма, зафиксированная на фотоэмульсии, за счет почернения модулирует световой поток по амплитуде, однако при этом происходит и его фазовая модуляция, так как одновременно изменяются толщина и коэффициент преломления эмульсии. Голограмма, полученная на прозрачном материале, модулирует свет только по фазе. В соответствии с этим различают фазовые и амплитудные голограммы. В первом случае дифракционная эффективность голограммы может приближаться к 100%, во втором, обычно составляет несколько процентов (фотоэмульсию с записанной голограммой поэтому отбеливают).

Для голограмм, допускающих многократную перезапись, применяют многие из материалов, используемых при других оптических методах записи. Для получения фазовых голограмм сразу же после экспозиции используют фототермопластики, обеспечивающие высокую дифракционную эффективность, а также другие реверсивные материалы: фотохромные, магнитооптические, халькогенидные стекла и др.

Для трехмерной записи голограмм применяют материал реоксан-полимер с добавлением красителя-сенсибилизатора и антрацена. Запись в реоксане основывается на фотоиндуцированной реакции окисления антрацена, в результате чего происходит изменение коэффициента преломления практически без уменьшения оптического пропускания. При этом глубина записи голограммы может достигать нескольких миллиметров.

3.5. Цифровые и аналоговые преобразования в оптическом тракте

3.5.1. Выполнение основных логических операций

Рассмотренные устройства позволяют реализовать разнообразные вычисления и преобразования информации как в аналоговой, так и в цифровой формах. Аналоговая форма обработки привлекательна тем, что всевозможные датчики, приемники и средства отображения физических величин работают в режиме непрерывного изменения входных и выходных сигналов, а цифровая, как уже отмечалось, характеризуется более высокой точностью, надежностью и помехоустойчивостью, поскольку основывается на идентификации легко различимых состояний.

Рассмотрим сначала, как оптическими методами выполняются элементарные логические операции. Будем изображать (рис. 3.11) оптический элемент, пропускающий свет при наличии управляющего сигнала х, незаштрихованным прямоугольником (Т), а элемент, пропускающий свет в отсутствие управляющего сигнала,— заштрихованным прямоугольником (Т). На рис. 3.11 стрелками показаны как управляющие сигналы (х, х₁, х₂), так и управляемый пучок (оптическое «питание»). Оптический сигнал на выходе обозначен у.

В случае, когда оптический пучок проходит последовательно через управляемые элементы Т, реализуется операция логического умножения (у = х₁ ^ х₂, И). В этом легко убедиться на примере устройства с двумя входами (рис. 3.11, а). Свет через устройство не пройдет (у = 0) как при отсутствии обоих управляющих сигналов (х₁ =0, х₂ =0), так и при подаче сигнала только на один из элементов (х₁=l, х₂=0 или х₁=0, х₂ =1); свет попадает на выход (у = 1), только если управляющие сигналы подать и на один, и на другой входы (х₁=l, х₂=1).

Для выполнения операции логического суммирования (у= х₁х₂, ИЛИ) управляемые оптические элементы Т «включены» параллельно (рис. 3.11, б). В этом случае для попадания света на выход (у = 1) достаточно, чтобы управляющий сигнал был подан хотя бы на один из элементов (х₁=0, х₂ =1 или х₁=l, х₂=0). Разумеется, y=l и при подаче управляющего сигнала на оба элемента (х₁=l, х₂ =1).

Операции инверсии (у = , НЕ выполняется при помощи одного элемента, пропускающего свет в отсутствие управляющего сигнала, т. е. при помощи элемента (рис. 3.11, в). Легко убедиться в том, что если два элемента включить параллельно, реализуется операция И—НЕ (штрих Шеффера, у = х₁↑ х₂ ), а операция ИЛИ — НЕ (стрелка Пирса, у = х₁↓ х₂ )—при их последовательном включении (рис. 3.11, г, д). Если же свет проходит последовательно через элементы Т и , выполняется операция запрета у= х₁← х₂ (рис. 3.11, е). Смысл этого преобразования состоит в том, что при отсутствии запрещающего сигнала (х₂=0) свет проходит через устройство при х₁ =1 и не проходит при х₁ =0. При подаче запрещающего сигнала (х₂ = 1) свет на выход не попадает при любом значении х₁.

На рис. 3.11, ж, з продемонстрировано, как оптическими методами можно выполнить операции равнозначности (у = х₁~ х₂) и неравнозначности (у = х₁ х₂). В этом случае управляющий сигнал х₁, как и х₂, попадает сразу на два оптических элемента Т и . Из рисунка видно, что в схеме равнозначности свет попадает на выход при совпадении состояний входных сигналов, т. е. как при х₁ =0, х₂ =0, так и при х₁ =1, х₂ =1. Если же на один из входов управляющий сигнал подавать, а на другой нет, свет на выходе отсутствует. В схеме неравнозначности, наоборот, свет на выходе попадает при различных состояниях х₁ и х₂ (х₁ =1, х₂ =0 или х₁ =0, х₂=1) и не попадает при одинаковых х₁ и х₂ (х₁ =1, х₂ =1 или х₁ =0, х₂ =0). Комбинируя элементы Т и , можно выполнять и другие преобразования.

3.5.2. Преобразования над цифровыми и аналоговыми картинами

В качестве оптических элементов Т и могут использоваться ячейки матричных оптических транспарантов, управляемых либо оптически, либо электрически. Важно, что при помощи транспарантов можно производить обработку информации сразу по многим каналам параллельно, т. е. выполнять преобразования над картинами. Одна из возможных схем предназначенного для этого оптического процессора (вычислителя) представлена на рис. 3.12.

Коллимированный пучок света Ф_упр направляют на ОУТ, работающий на отражение и фиксирующий результат вычислений. В схему считывания ОУТ (при помощи пучка Ф₀) входят скрещенные поляризатор П и анализатор А, так что при отсутствии управляющего оптического сигнала Ф_упр на входе интенсивность света на выходе (Ф_вых) также равна нулю. Этот транспарант должен обладать памятью и, кроме того, позволять за счет изменения режима питания U преобразовывать позитивное изображение в негативное и наоборот (см. § 3.3). На пути пучка Ф_упр помещен работающий на просвет транспарант Т, предназначенный для формирования нужных картин и проецирования их на ОУТ.

Запишем на ОУТ заданное транспарантом Т изображение, а затем, не снимая напряжения U, другое изображение. При считывании окажутся светлыми те места ОУТ, на которые попал управляющий сигнал при проецировании первого, второго, либо того и другого изображений. Очевидно, что таким образом производится операция сложения изображений (картин). Операцию умножения картин можно осуществить, если на пути пучка Ф_упр за транспарантом Т (или перед ним) поместить еще один транспарант Т'. Если транспарантами Т и Т' задать нужные картины, то при их одновременной записи на ОУТ свет попадет только в те его места; против которых прозрачны как Т, так и Т', что и требуется для операции умножения.

Если после записи одного изображения при напряжении U записать другое изображение при напряжении — U (используя один транспарант Т), то произойдет взаимное стирание сигналов в тех местах ОУТ, на которые попал свет при проецировании как одного, так и другого изображений. При считывании (U=0) на выходе сигнал будет присутствовать только в тех местах, на которых свет в одном изображении присутствовал, а в другом нет, или же наоборот. Такому преобразованию соответствует операция вычитания картин.

Изменяя последовательность записи, режим питания ОУТ при записи и считывании, можно выполнять и многие другие преобразования над изображениями. Если, например, из картины, содержащей множество элементов, вычесть такую же, но отличающуюся отсутствием или наличием некоторых новых деталей, то на результирующем изображении те и другие будут представлены светлыми местами на черном фоне. Часто такие «лишние» или «отсутствующие» детали удобнее наблюдать на фоне слабого, малоконтрастного изображения исходной картины, что довольно просто осуществить, вводя при записи одной из картин однородную подсветку всего ОУТ подходящей интенсивности, т. е. вводя так называемое оптическое смещение. Этот прием можно использовать и для устранения фона, если таковой имеется в какой-либо картине (например, вуаль на фотографии). Для этого нужную картину записывают на ОУТ при напряжении U, а затем при напряжении — U производят запись равномерной засветки. При определенной экспозиции засветки фон в результирующей картине исчезнет (разумеется, если фон и засветка строго равномерны).

При помощи процессора, схема которого изображена на рис. 3.12, можно производить пространственное дифференцирование изображений. Для этого нужно записать на ОУТ исходное изображение, а затем вычесть из него изображение той же картины, но несколько сдвинутое или расфокусированное. При этом на результирующей картине на черном фоне будут изображены не сами объекты, а их контуры. Вводя оптическое смещение, можно одновременно наблюдать малоконтрастное изображение исходной картины, детали которой окаймлены светлыми линиями. Польза от такого преобразования становится очевидной, если производить пространственное дифференцирование не цифровой картины, а полутонового изображения. В этом случае на выходе ОУТ черные места останутся черными, белые также станут черными, а проявятся только те места, которые соответствуют наибольшему градиенту освещенности. При помощи такого аналогового преобразования, следовательно, на отображенном объекте можно выделить трудно различимые мелкие детали.

Важные прикладные аспекты имеет использование и других операций над изображениями. Операция умножения, например, может эффективно использоваться для ослабления влияния на изображение мешающих помех. Для этого на транспарантах Т и Т' (рис.3.12) формируются два изображения одного и того же объекта. Если эти изображения содержат случайные помехи (некоррелированный шум), то, производя умножение изображений, т. е. пропуская пучок света последовательно через транспаранты Т и Т' и записывая результирующую картину на ОУТ, на его выходе получают изображение с увеличением соотношения сигнал/шум по сравнению с изображениями на Т и Т'. Некоторые помехи все же пройдут на выход, но только те, пространственное положение которых на транспарантах Т и Т' случайно совпадет.

3.5.3. Преобразования в когерентных пучках

Использование когерентного излучения расширяет и обогащает возможности оптической обработки информации.

На рис. 3.13 показана упрощенная схема, объясняющая работу оптического процессора с использованием пространственной фильтрации. На плоскость S_BX (входную) направлен параллельный, коллимированный от точечного источника пучок когерентного излучения. Схема включает в себя две сферические собирающие линзы с фокусным расстоянием F, расположенные на расстоянии F и 3F от входной плоскости. Если в плоскости S_BX поместить оптический транспарант (например, ЭУТ), формирующий какую-либо картину Ф_вх, то в соответствии с законами лучевой оптики в плоскости S_вых (выходной или корреляционной) будет воспроизведена картина, перевернутая по отношению к Ф_вх. В плоскости S_ф, которую называют частотной или плоскостью фильтрации, сформируется распределение амплитуды и фазы светового поля, пропорциональное спектру пространственных частот картины Ф_вх (будет выполнено преобразование Фурье функции Ф_вх). Любой транспарант, помещенный в плоскости S_ф, по существу выполняет функцию пространственного фильтра. Экран с прямоугольным отверстием, например, является двумерным пространственным фильтром нижних частот, непрозрачный прямоугольник — двумерным фильтром высоких частот, узкая щель—одномерным пространственным фильтром низких частот и т. д. Привлекательно применение в качестве пространственного фильтра ЭУТ, что позволяет производить фильтрацию, изменяющуюся во времени.

Практически недоступные для ЭВМ возможности открывает использование в системах оптической обработки информации голографических методов. Введение в плоскость S_ф голограмм позволяет анализировать пространственный спектр картины, сформированной во входной плоскости S_BX, в частности решать такую важную прикладную задачу, какой является распознавание образов.

Выделение нужного объекта включает в себя предварительное изготовление так называемого согласованного фильтра и последующую идентификацию объекта в массиве информации, поступающей на входную плоскость процессора. Предположим, что на странице текста необходимо опознать и определить координату какого-либо знака, например цифры или буквы. Для изготовления согласованного фильтра во входной плоскости S_BX помещают транспарант с изображением этого знака. В плоскости S_ф сформируется световая волна, соответствующая его пространственному спектру. Если при помощи светоделителя и зеркал на плоскость S_ф одновременно направить опорную волну, когерентную с волной, освещающей входную плоскость S_BX (схема Вандер Люгта), то в плоскости S_ф образуется интерференционная картина, представляющая собой голограмму Фурье-образа объекта, помещенного в плоскости S_ВХ. Зафиксированная голограмма и представляет собой согласованный фильтр пространственных частот этого объекта. Эта голограмма содержит амплитудную и фазовую информацию о знаке, который изображен на входе, и ее можно использовать для распознавания данного знака. Для этого голограмму-фильтр оставляют в плоскости S_ф, убирают опорную волну, а в плоскости S_BX помещают страницу с текстом, осветив ее тем же источником света. Голографический метод распознавания образов основывается на том, что если голограмму восстанавливать излучением объекта, который использовался при ее регистрации, т. е. его световое поле использовать в качестве считывающей волны, то при этом будет восстановлено изображение используемого точечного источника. В выходной плоскости S_ВЫХ, следовательно, в местах, соответствующих изображению заданного знака, появятся изображения источника света, т. е. яркие пятна. Свет, исходящий от других знаков в плоскости S_BX, не восстановит изображения точечного источника и в соответствующих местах выходной плоскости свет отсутствует.

Очевидно, что описанным способом можно опознать сколь угодно сложные знаки, целые слова, словосочетания, рисунок, например, отпечатки пальцев, изображение участка местности и т. д. Используя, опять-таки, для записи голограмм реверсивную среду с достаточно высоким быстродействием, можно вести обработку целого массива информации в реальном масштабе времени. Уникальные применения оптических процессоров рассматриваемого типа открываются, если использовать возможность синтеза пространственно-частотных фильтров при помощи ЭВМ.