На головну

дефлектори

Пристрої відхилення лазерного пучка (дефлектори) в основному застосовують в ГЗУ. Дефлектор дозволяє направити лазерний пучок в будь-яку з МH2 позицій на носії інформації. Завдяки цьому стало можливим створення ГЗУ з дво- і трикоординатної вибіркою при довільному доступі до будь-голограмі, записаної на накопичувальної середовищі. Необхідно відзначити, що основні характеристики- ємність і швидкодія - в значній мірі визначаються відповідними характеристиками дефлектора. Основними характеристиками дефлектора є роздільна здатність і швидкодія. Роздільна здатність дефлектора в одному з двох взаємно перпендикулярних напрямків, наприклад напрямку осі Ох (Nх), Визначається відношенням максимального відхилення світлового пучка в площині хОz (Dq) до його кутовий ширині (dq): Nx= (Dq) / (dq). кутова ширина світлового пучка залежить від дифракційного yrлового розмиття пучка. Так як дифракційне розмиття l / d, де d- діаметр відхиляється світлового пучка, то Nx= (D / el) Dq, де e- параметр, що залежить від необхідного ступеня дозволу (критерію) двох сусідніх напрямків з урахуванням закону розподілу інтенсивності світла в поперечному перерізі пучка. Зазвичай двокоординатні дефлектори, які використовуються в ГЗУ, мають однакову роздільною здатністю в двох взаємно перпендикулярних напрямках. Тому роздільна здатність таких дефлекторов Nx= [(D / el) Dq]2. Швидкодія дефлектора визначається часом in необхідним для перемикання світлового пучка з деякою позиції в будь-яку іншу. час in - Час довільного доступу до голограмам або до відповідних сторінок. Часто під швидкодією дефлектора розуміють швидкість перемикання світлового пучка vп, Яка вимірюється числом відхилень в одиницю часу і vп = 1 / in. Дефлектори оцінюють також по ряду інших характеристик: ефективності, споживаної потужності, стабільності відхилення та ін. Найбільшого поширення, внаслідок високих вимог, що пред'являються до швидкодії, роздільної здатності, стабільності відхилення і споживаної потужності, знайшли акустооптичні і електрооптичні пристрою.

Акустооптіческіе дефлектори (Егуд).. Акустооптіческіе відхиляють пристрої використовують явище дифракції світла на акустичних хвилях, що поширюються в середовищі взаємодії. Отклоняющая осередок Егуд (рис. 3.1) складається з наступних основних елементів: светозвукопровода 1, в якому відбувається акустооптичні взаємодія і електроакустичного перетворювача 2 для збудження в середовищі акустичних хвиль. Як матеріал для светозвукопровода використовують кристали молибдата свинцю РЬМоО, a-йодноватої кислоти a = НI0, парателлурита Тео, галогенідів галію КРС-5 і КРС-б та ін. Найбільш відповідними матеріалами для отримання перетворювачів виявилися кристали ниобата літію LiNbO, иодата літію LiIO, н Ва, ха Nb50. Припустимо, що перетворювач збуджує в середовищі плоску акустичну хвилю, що поширюється в напрямку осі Ох. Акустична хвиля, поширюючись в середовищі, викликає синусоидальное зміна показника заломлення середовища. Ця зміна приводить до утворення фазового об'ємної дифракційної решітки, період якої дорівнює довжині акустичної хвилі. Щодо падаючого світлового пучка ця решітка є практично нерухомою, так як швидкість поширення акустичної хвилі мала в порівнянні зі швидкістю світла. Для того щоб падаюче світло дифрагованим на цій решітці з максимальною ефективністю, його потрібно направити під кутом, обумовленим з умови Брегга 2Lsinq = l. L, l- довжини акустичної та світлової хвиль в повітрі. Кут відхилення діфрагованого світлового пучка q »l / L = (l / v) n, n - акустіческая- частота; v - швидкість поширення акустичної хвилі. Якщо акустичну частоту міняти в смузі частот шириною Dn, то кут відхилення діфрагованого пучка Dq »(l / v) Dn. Визначимо роздільну здатність і швидкодія акустичної системи, що відхиляє осередки. Згідно (3.2) з урахуванням (3.7), N = (d / ve) Dn.

Беручи до уваги, що i = d / v - час, протягом якого оптична хвиля поширюється на відстань рівне діаметру вхідного світлового пучка, співвідношення (3.9) можна записати у вигляді 1 / i N = C Dn; C = d / eD, де D- діаметр отвору діафрагми, що виділяє центральну частину лазерного випромінювання. Це співвідношення встановлює зв'язок, між роздільною здатністю і швидкодією акустичної системи, що відхиляє осередки. З нього випливає, що при фіксованій Dv збільшення роздільної здатності можна досягти тільки за рахунок підвищення швидкодії, і навпаки. Одночасне збільшення роздільної здатності і швидкодії можливо лише при збільшенні ширини смуги частот Dv. Таким чином, параметр Dv є важливою характеристикою акустооптичні відхиляє осередки. Значення Dv обмежується шириною смуги частот перетворювача, так як умова Брегга вдається виконати шляхом застосування спеціальних методів управління акустичним пучком. Сучасна технологія дозволяє отримувати перетворювачі з центральною частотою 400 - 600 МГц. Отже може бути досягнута ширина смуги частот до 300 МГц. За допомогою Егуд може бути досягнута адресація светового- пучка в N = 100 х 100 позицій з часом перемикання i = 1 мкс. Для промислової реалізації Егуд ще належить вирішити ряд проблем, пов'язаних з ефективним збудженням в середовищі акустичних хвиль з частотою до 1 ГГц; пошуком нових акустооптичних матеріалів з високою добротністю і малим коефіцієнтом акустичного ослаблення: вдосконаленням методів управління акустичним пучком.

Електрооптичні дефлектори (ЕОД). Електрооптичні відхиляють пристрої на відміну від акустооптичних можуть бути як аналогового, так і дискретного типу. Вони мають деякі переваги перед акустооптичні: малу інерційність, а отже і більш високу швидкість перемикання світлового пучка. Типовим прикладом ЕОД аналогового типу є призменний дефлектор, в якому в якості відхиляє елемента використана призма з електрооптичного матеріалу, вміщена в електричне поле. При зміні показника заломлення призми шляхом зміни керуючого електричного поля відбувається відхилення переломленого світлового пучка. Більшість з відомих електрооптичних матеріалів має незначний електрооптичнихвластивостям ефектом, тому потрібні дуже високі керуючі напруги (приблизно 1 кВ) для відхилення світлового пучка на 1 мрад. Таким чином, для отримання достатньої кутового діапазону відхилень необхідні напруги в кілька кіловольт. Діапазон зміни кутів відхилення переломленого пучка обмежується також максимально можливою зміною показника заломлення призми (Dn = 10). Роздільну здатність ЕОД аналогового типу визначають за формулами (3.2), як і для Егуд. Діапазон кутових відхилень, одержуваних за допомогою призматичних ЕОД, такий же, як і у Егуд, тому їх дозволяють здібності приблизно однакові. Швидкодія ЕОД залежить від струму, необхідного для перезарядки паразитних ємностей З дефлектора при перемиканні, т. Е. Потужності W, що підводиться до пристроїв управління i = 4CV / W

Швидкодія ЕОД обмежується потужністю, що розсіюється в відхиляє елементі. Для наявних електрооптичних матеріалів воно становить 0,1 - 1 мкс,

Для роботи в складі ГЗУ більш придатними є ЕОД дискретного типу, які називають цифровими дефлекторами. Для них характерна відсутність жорсткого зв'язку між швидкодією і роздільною здатністю, подібної (3.10), завдяки чому вони можуть поєднувати високу швидкодію з великою роздільною здатністю. Крім того, в цифрових дефлекторах адресація світлового пучка здійснюється традиційними методами, використовуваними в цифровий обчислювальної техніки.

Розглянемо принцип дії цифрового ЕОД. Основна відхиляє осередок цифрового ЕОД (рис. 3.3) складається з електрооптичного перемикача поляризації 1 і двоякопреломляющіе елемента 2. Як електрооптичного перемикача використовують осередки Поккельсона і Керра. Двоякопреломляющіе елементом служить кристал кальциту або призма Волластона. Принцип дії системи, що відхиляє осередку полягає в наступному. На вхід перемикача надходить лінійно поляризований лазерний пучок. Перемикач дозволяє управляти напрямком поляризації вхідного світлового пучка і вводити його в двоякопреломляющіе елемент в одній з двох взаємно ортогональних поляризацій. Перемикання напрямку поляризації здійснюється шляхом подачі на перемикач півхвильового напруги U. Елемент орієнтований таким чином, що нормально падає лазерний пучок для нього є звичайним. Отже, в залежності від того, який з двох ортогональних видів поляризації заданий перемикачем, світловий пучок на виході двоякопреломляющіе елемента буде займати одне з двох можливих положень "відповідних звичайному і незвичайному пучках Обидва пучка виходять з елемента у напрямку падаючої хвилі, але один зміщений відносно іншого .

Розглянута система, що відхиляє осередок є один каскад цифрового дефлектора. Якщо об'єднати в один блок М послідовно розташованих і однаковим чином орієнтованих каскадів, кожен з яких дає вдвічі більше лінійний зсув в порівнянні з попереднім, то вийде одномірний відхиляє пристрій, здатний адресувати світловий пучок в одну з N = 2M позицій на лінії.

Двокоординатний дефлектор складається з двох послідовно розташованих одне мірних блоків відхилення, кожен з яких виробляє відхилення в напрямку, перпендикулярному іншому. Висока роздільна здатність досягається при використанні сфокусованого світлового пучка. Лінза Л, фокусуються світловий пучок в вихідний площині дефлектора, розташовується між блоками Х- і У-відхилення. Незважаючи на простоту роботи, цифрові ЕОД складні в розробці. Причиною цього є складність оптичної схеми, яка накладає жорсткі вимоги до точності конструкції і властивостями використовуваних матеріалів, а також труднощі здійснення робочого режиму з малою споживаною потужністю. Крім того, складно отримати електрооптичні матеріали, що володіють високими оптичними властивостями при досить великих площах. Для створення електрооптичних перемикачів використовують кристали KDP, DKDP, LiNbO. Для роботи таких перемикачів необхідні керуючі напруги від декількох сотень вольт (LiNbO,) до, 7 - 8 кВ (KDP). В даний час досліджуються нові матеріали типу барій-стронцієвого ниобата, здатні працювати при невеликих керуючих напругах порядку декількох десятків вольт. Таким чином, найбільш перспективними з точки зору застосування в ГЗУ є цифрові ЕОД. Проте в даний час більш широко використовують Егуд, що пояснюється відносною простотою їх практичної реалізації.

Керовані транспаранти. Керований транспарант (УТ) служить для просторової модуляції світлового пучка по амплітуді. фазі або поляризації. УТ в оптичних системах знаходять широке застосування: введення - виведення даних, кодування і розпізнавання оптичних сигналів, реалізація логічних операцій, посилення яскравості зображень, перебудовуються фільтри. За способом управління модуляцією світлового пучка розрізняють електрично (ЕУТ) і оптично (ОУТ) керовані транспаранти. Обидва типи транспарантів можуть здійснювати дискретну або аналогову модуляцію світлового пучка. У першому випадку УТ повинні володіти нелінійної характеристикою. УТ, призначені для перетворення інформації в аналоговому вигляді, навпаки, повинні мати лінійну залежність зміни оптичних властивостей елемента. УТ, використовуваний в ГЗУ, являє собою цифровий просторовий модулятор матричного типу, керований електричними: Сигналами; його називають пристроєм кількох сторінок (УНС). УНС може бути виконано в двох варіантах: 1) при порядкової завантаженні (по одному або по кілька слів); 2) при поелементного (побитной) завантаженні. Електрична схема управління станами елементів УНС першого типу може бути зібрана за звичайною схемою матричної вибірки, заснованої на принципі збігів. Тому завантаження УНС цього типу виробляють послідовно. Робочий матеріал для побудови УНС повинен задовольняти трьом основним вимогам: (1) мати порогову оптичну характеристику в залежності від керуючого сигналу; 2) зберігати заданий оптичне стан на час набору всієї сторінки і подальшої експозиції реєструючого середовища; 3) мати властивість стабільності оптичних станів при багаторазовій дії імпульсів полувиборкі. Для управління УНС другого типу необхідно підвести індивідуальний привід до кожного його елементу від відповідного елемента буферної пам'яті, який конструктивно може бути об'єднаний з УНС. У цьому випадку кожен елемент УНС управляється незалежно від інших і діє як світловий модулятор. Тому робочий матеріал, який використовується для побудови УНС даного типу, може не мати пам'яттю. Також не потрібно забезпечення стійкості оптичних станів матеріалу по відношенню до полуселектірующім імпульсам. Дані можуть вводитися як послідовно, так і паралельно. В останньому випадку досягається значне підвищення швидкодії. Для оптичної сторінки, сформованої УНС, характерна більш висока контрастність. Однак практична реалізація таких УНС при великій ємності і високої щільності розташування елементів утруднена через складність організації електронних схем управління. Тому при практичній розробці УНС в більшості випадків перевага віддається першому типу УНС, незважаючи на його порівняно мале швидкодію. Аналіз ГОЗУ показує, що УНС, призначені для роботи в його складі, повинні мати наступні характеристики: (1) високою швидкістю набору даних в сторінку. Час повної (завантаження УНС ємністю 104 біт (наприклад, УНС, що містить 128х 128 елементів) <0,1 мс. У перспективі цей час бажано скоротити до 1 мкс і більше; 2) крок розташування елементів q = 0,2 - 0,3 мм при діаметрі робочої апертури окремого елемента 0,1 мм; 3) ємність 104 біт (наприклад, 128 х 128), що узгоджується з оптимальним обсягом сторінки, що забезпечує ефективну щільність зберігання інформації, близьку до граничної; 4) контраст вхідної сторінки, сформованої УНС> 100: 1; 5) неоднорідність оптичних властивостей елементів УНС не повинна перевищувати 10%; 6) оптична ефективність елементів q> 50%; 7) термін служби повинен становити 2 - 3 роки; при цьому УНС має допускати (до 109) Перемикань без порушення і зміни характеристик. Існують різні підходи до конструювання УНС, що залежать від використовуваних матеріалів і фізичних ефектів. Хоча було досліджено безліч матеріалів, проте моделі УНС з задовільними характеристиками вдалося побудувати лише на PLZT- кераміці та рідких кристалах [7].

УНС на PLZT-кераміці. PLZT-кераміка - клас прозорою сегнетоелектричної кераміки з сильно вираженими електрооптичними властивостями, що залежать від електричної поляризації матеріалу. Зміна поляризації супроводжується зміною двулучепреломления матеріалу. PLZT-кераміка має і упругооптіческімі властивостями, подібними електрооптичнихвластивостям. Створення механічної напруги вздовж певного напряму викликає поява двулучепреломления.

Для просторової модуляції світла використовують такі основні ефекти, що спостерігаються в PLZT-кераміці, вміщеній в електричне поле: наведене двулучепреломление (електрооптичний ефект); динамічне розсіювання, крайовий ефект і зміну товщини керамічної пластинки (зворотний п'єзоефект). Використовуючи той чи інший ефект, на основі PLZT-кераміки можна побудувати УНС, здатні здійснювати просторову модуляцію об'єктного пучка як за амплітудою, так і по фазі або поляризації.

Основною перевагою PLZT-кераміки являєшся можливість її використання в режимі роботи із запам'ятовуванням, заснованим на Гістерезисні характер залежності поляризації P від ??напруги керуючого електричного поля V. Зазвичай стан з залишкову поляризацію приймається за двійкову одиницю (1), поляризоване (P == 0) - за двійковий нуль (0). Для перемикання з одного стану в інший потрібні імпульси напруги порядку 50 - 300 В тривалістю 1 - 10 мкс.

Розглянемо принцип дії УНС на PLZT-кераміці в режимі з деформаційних зміщенням. Для роботи в такому режимі УНС будують з використанням PLZT-пластинки в механічно напруженому стані. Це дозволяє створювати керуюче електричне поле паралельно напрямку поширення об'єктного пучка, що легко здійснюється за допомогою прозорих електродів, нанесених на платівку. Принцип дії модулятора світла полягає в наступному. Вектор механічної напруги, прикладеного до платівці, лежить в її площині і коллініарен осі х, внаслідок чого оптична вісь в матеріалі пластинки спрямована уздовж цієї осі. Так як електричне поле Е = Е1k, прикладена між прозорими електродами, нанесеними на ненапряженную пластинку, поляризує її і встановлює напрямок оптичної осі в матеріалі уздовж осі z, то для механічно напруженої пластини напрямок оптичної осі складе деякі кути з осями х, z. Якщо прикласти електричне поле Е = - Е1k, деполярізуется PLZT-платівку, то її оптична вісь знову суміститься з віссю х. Зміна в двопроменезаломленні пластинки, яке має місце, є керований параметр, який використовується для модуляції проходить світлового пучка. Якщо описаний елемент помістити між схрещеними поляризаторами, то зміна в його двопроменезаломленні перетвориться в зміну інтенсивності світла, що пройшло систему поляризаторів і модулятор світла. Таким чином, кожен елемент УНС працює як електрооптичний модулятор амплітуди проходить світлового пучка. Матриця таких елементів виходить на перетинах керуючих електродів, які наносяться на PLZT-пластинку з обох сторін у вигляді системи паралельних смужок, орієнтованих у взаємно перпендикулярних напрямках. Адресація будь-якого елементу УНС проводиться двома полуселектірующімі імпульсами за принципом збігів.

УНС на рідких кристалах. Рідкі кристали (РК) мають електрооптичні властивості і є майже досконалими модуляторами світла, легко керованими електричним полем. Особливістю тонких рідкокристалічних, шарів є їх здатність змінювати оптичні властивості під дією низьких робочих напруг (1 - 50 В) при малому споживанні потужності (1 мкВт / см '). Завдяки цьому ЖК знаходять широке застосування в оптичних системах. Відомі три типи ЖК (нематические, холестерические і смектичні), з яких для побудови УНС найбільший інтерес представляють нематические. Для просторової модуляції світла використовують два електрично керованих ефекту, що спостерігаються в ЖК: наведене двулучепреломление і динамічне розсіювання. Процес зміни оптичних властивостей шару РК носить пороговий характер, що також є перевагою ЖК. УНС на основі ЖК, що використовує ефект динамічного розсіювання, застосовують для амплітудної модуляції як проходить, так і відбитого світлового пучка. Ефект динамічного розсіювання полягає в наступному. У збудженому стані шар ЖК абсолютно прозорий. При створенні електричного поля в ЖК відбуваються два процеси - під дією електричного поля молекули орієнтуються паралельно або перпендикулярно полю в залежності від того, чи має РК позитивну або негативну діелектричну анизотропию; 2) потік зарядів через шар РК порушує орієнтацію молекул, в результаті чого виникає турбулентність, що, в свою чергу викликає розсіювання світла внаслідок просторового зміни коефіцієнта заломлення. При цьому виходить сильне ослаблення інтенсивності світлового пучка в напрямку його поширення, а також втрата його когерентності. Після закінчення дії електричного поля шар РК знову набуває вихідну структуру і стає прозорим. Тривалість процесу вимірюється мілісекундами. Якщо необхідний час експонування реєструючого середовища становить частки мілісекунд, то достатньо природної пам'яті ЖК-шару. В іншому випадку кожен елемент рідкокристалічного УНС повинен бути забезпечений інтегральної керуючої схемою з пам'яттю.

Оптично керовані транспаранти. Характерною особливістю ОУТ є можливість паралельного перетворення сторінки даних. У зв'язку з цим вимоги до часу зберігання оптичного стану значно знижуються. Характеристики різних типів ОУТ (табл. 3.3) пов'язані з використовуваними в них фізичними принципами. ОУТ можуть працювати як на просвіт, так і на відображення. . оут пропускає типу відрізняв більшою помехозащищенностью і простіше узгоджуються з іншими. р пристроями оптичних систем. Розглянемо ОУТ на DKDP з фотопровідним шаром (фототітус). Даний транспарант. має, багатошарову структуру що складається з електрооптичного кристала - сегнетоелектріка DKDP, плівки фотонапівпровідника - селену і прозорих електродів. Запис інформації на фототітус проводиться шляхом експозиції модулированного світлового пучка (ультрафіолетового або синього) з одночасною подачеq постійної напруги порядку 80 В. Модульований світловий пучок (ультрафіолетовий або синій) створює заряджені носії, що дрейфують до поверхні сегнетоелектрік -фотопроводнік, за рахунок чого на DKDP з'являється поле , просторово змінюється відповідно до модулирующим пучком. Зчитування записаної інформації проводиться в поточному або відбитому світлі. При роботі в відбитому світлі між DKDP-фотопровідником поміщається діелектричне дзеркало, що дозволяє значно зменшити вплив зчитувального пучка на збудження фотопровідника і завдяки цьому збільшити яскравість оптичних сигналів. Для стирання записаного зображення полярність прикладеної напруги змінюють, в результаті чого і фотопровідник висвітлюється ультрафіолетовим або синім світлом. Перспективні також ОУТ на основі МДП-структури (PROM). У пристроях типу PROM додатковий фотопровідний шар не використовується, так як кристал має електрооптичні властивості і фотопроводимостью. Як кристалів застосовують напівпровідникові електрооптичні кристали германата (Bi12Ge O20 ) І силікату вісмуту (Bi12 Si Про20 ). Для рівномірного розподілу напруги, що подається на поліровані боку пластинки кристала наносять тонкі (близько 3 мкм) плівки ширяв, а зверху розміщують електроди. Утворена таким чином структура метал - діелектрик - метал чутлива до дії випромінювання, що відбувається в області поглинання кристала, і здатна зберігати записану інформацію. Для запису інформації транспарант висвітлюється модульованим світловим пучком з одночасною подачею постійної напруги. Генеруються в напівпровіднику носії заряду дрейфують до кордону кристала з діелектричної кому, де захоплюються пастками. Створюваний носіями просторовий заряд компенсує заряд на електродах. Отже, електричне поле всередині провідника, наведене полем двулучепреломле- кристала, завдяки ефекту Поккельса призводить до фазової або амплітудної (при наявності поляроидов) модуляції зчитувального світлового пучка, в якості якого може бути використано випромінювання, напівпровідникового лазера. Зчитування можна виконувати і за допомогою видимого світла, до якого кристал в 103 - 104 більш чутливий, ніж до випромінювання напівпровідникових лазерів. Якщо змінити полярність прикладеної при зчитуванні постійної напруги, то можна отримати негативне зображення. При закорочених електродах спостерігається позитивне зображення, так зміна двопроменезаломлення відбувається в результаті утворення просторових зарядів. Для стирання записаного зображення необхідно знизити до нуля напруга і висвітлити кристал ультрафіолетовим або синім світлом.

реєструють матеріали Реєструючий матеріал (носій інформації) є основним компонентом ГЗУ і служить для реєстрації і зберігання даних, представлених в голографічного формі. Існуючі реєструють матеріали і пристрої чутливі тільки до інтенсивності світла і змінюють свої оптичні властивості відповідно до її просторовим розподілом. У різних матеріалах це відбувається по-різному: в одних змінюється амплітудне пропускання. в інших показник заломлення або рельєф поверхні. У першому випадку, утворюється амплітудна голограма, а в другому - фазова. У деяких матеріалах (наприклад, халькогенідні стеклообразниє напівпровідники) спостерігається одночасна зміна як амплітудного пропускання, так і показника заломлення, що призводить до утворення амплітудно-фазових голограм .. Магнітні голограми, одержувані термомагнітним способом на тонких магнитооптических плівках, являють собою третій тип голограм - поляризаційний . Найважливішою особливістю реєструючого матеріалу є властивість оборотності, завдяки якому можна оновлювати інформацію на носії, т. Е. Прати записану голограму і записувати нову. Необоротні реєструють матеріали придатні для використання тільки в ГПЗУ. До необоротних матеріалів відноситься звичайний фотоматеріал. Для побудови ГОЗУ необхідні оборотні реєструють матеріали. До числа оборотних реєструють матеріалів відносяться магнитооптические плівки, термопластичні і фотохромні матеріали, електрооптичні кристали, халькогенідні стеклообразниє напівпровідники і ін. Особливий інтерес представляють матеріали з об'ємними змінами оптичних властивостей показника заломлення, які дозволяють здійснити тривимірне зберігання інформації у вигляді матриці накладених об'ємних голограм з високою дифракційною ефективністю. До таких матеріалів відносяться електрооптичні кристали і, зокрема, добре відомий ніобат літію. Характеристики, якими повинен володіти реєструючий матеріал, придатний для використання в ГЗУ оперативного типу наступні: Роздільна здатність понад 1000 лін / мм, дифракційна ефективність більше 0.1%, енергія записи мкДж / мм2 не більше 5, час запису менше 0.1мс, час стирання менш 0.1мс, допустиму кількість циклів перезапису М> 108. Було досліджено велике число реєструють матеріалів. Однак матеріал, що задовольняє одночасно всім перерахованим вимогам, поки що не знайдено. Але ряд матеріалів повністю задовольняє здебільшого вимог і добре узгоджується з іншими.

Галогенідосеребряних фотоматеріали знайшли широке застосування в голографії завдяки високій світлочутливості і роздільної здатності, а також доступності., Так як такі фотоматеріали не допускають перезапису, вони не можуть бути використані в ГЗУ оперативного типу; їх застосовують в якості носіїв інформації для ГПЗУ. Термопластичні матеріали відносяться до числа реєструючих середовищ, в яких поєднуються сталість зберігання, можливість стирання і знову записати слово. Термопластик сам по собі нечутливий до світла, тому його з'єднують з фотопроводніковим матеріалом в одну плівкову структуру. Готовий носій являє собою багатошарову структуру і складається зі скляної підкладки з струмопровідних покриттям (зазвичай з оксиду індію In0) з нанесеними на неї шарами фотопровідника і термопластика. Струмопровідний шар служить для нанесення електричного заряду на поверхню термопластика за допомогою установки коронного розряду, а також використовується в якості тепловиділяючого елемента при тепловому прояві зареєстрованої фазової голограми. Для існуючих способів запису голограм на фототермопластіке характерні два основних моменти: 1) створення електричного поля в шарі термопластика, відповідного розподілу інтенсивності світла при експонуванні; 2) тепловий прояв, при якому під дією короткочасного теплового імпульсу температура термопластика підвищується до температури розм'якшення, в результаті чого електростатичні сили деформують поверхню термопластика відповідно до розподілу електричного поля на ній, утворюючи двовимірну фазову голограму. Фіксація отриманої голограми здійснюється шляхом швидкого охолодження до кімнатної температури.

Найбільш дослідженим електрооптичнихвластивостям кристалом є ніобат літію. Він, як і інші електрооптичні кристали, має високу дифракційної ефективністю, необхідної для носія ГЗУ, роздільною здатністю, необмеженої циклічністю і незначним світлорозсіювання. За допомогою цього кристала були отримані голограми з дифракційної ефективністю 60 - 80%. Huoбат | літію в чистому вигляді має дуже низьку світлочутливість. Однак введення домішки дозволяє її значно підвищити. Наприклад введення добавок заліза дає можливість підвищити світлочутливість ниобата літію в сотні разів. Ніобат літію допускає високу швидкість запису голограм. Важливим його перевагою є можливість запису великого числа голограм з необхідною дифракційної ефективністю на одному і тому ж ділянці кристала шляхом накладення їх один на одного. Число накладених голограм обмежується діапазоном зміни показника заломлення. Найбільша спостерігалася модуляція показника заломлення ниобата літію становить 4 10-4. Але навіть при такому невеликому динамічному діапазоні показника заломлення можна записати сотні голограм шляхом накладення їх один на одного. Завдяки високій кутовий селективності тривимірних голограм легко здійснюється селективне відновлення накладених голограм. Можливо також їх селективне стирання. До недоліків кристалів ниобата літію відносяться мала світлочутливість, нестабільність і низька термостійкість записаних голограм. Нестабільність особливо проявляється при накладенні один на одного. Так як при цьому не проводиться фіксування записаних голограм, при накладенні наступних відбувається часткове руйнування (стирання) попередніх. Незважаючи на зазначені недоліки, ніобат літію за своїми фізичними властивостями найбільш близький до ідеального реєструючого матеріалу для ГОЗУ з трикоординатної вибіркою.

Фотоприймальні матриці. Матриця фотоприймачів (фотоматриця) служить для перетворення оптичного зображення в електричні сигнали. При використанні фотоматриці в ГЗУ число її елементів (фотоприймачів) відповідає обсягу сторінки, причому кожен елемент функціонує як пороговий детектор, який вказує наявність або відсутність світлового сигналу у відповідній позиції. Основними характеристиками, за якими вибирають фотоматриці є: порогова потужність детектування, швидкодія. Розрізняють два режими роботи фотоприймачів: 1) режим безпосереднього відліку; 2) режим роботи з накопиченням заряду. У першому випадку вихідний електричний сигнал фотоприймача в кожен момент часу пропорційний інтенсивності падаючого на нього оптичного сигналу, а в другому - повного світлового потоку, що падає за час накопичення. Так як потужність оптичного сигналу, що надходить на вхід окремого елемента фотоматриці, дуже мала, то робота фотоприймачів в режимі накопичення заряду переважніше. Останнім часом при розробці фотоматриці спостерігається тенденція об'єднання фотоприймачів з елементами транзисторної пам'яті ,. При цьому до вихідним сигналам фотоприймачів пред'являється єдина вимога - встановлювати тригер, який є елементом пам'яті, в потрібний стан. Оскільки при цьому може статися локальне посилення, фотоматриця з пам'яттю має більш високу чутливість в порівнянні зі звичайною фотоматрицею. Як фотоматриці з безпосереднім відліком розглянемо фотодіодних матрицю. Кожен елемент даної фотоматриці складається з р-i-n фотодіода і двох МОП-транзисторів р-типу, які служать для комутації фотодіодів. Завдяки надзвичайно малим розмірам, високому вхідному опору, двосторонньої провідності і простий технології виготовлення, МОП-транзистори є майже ідеальним приладом для комутації р-i-n фотодіодів. Катоди фотодіодів пов'язані один з одним і зміщені в позитивному напрямку, а аноди пов'язані з витоками МОП-транзисторів. А, А стоки - до парафазним розрядних шин Р - P. У робочому режимі при по- дачі позитивного зсуву на n-область фотодіоди зміщуються в зворотному напрямку. Якщо фотоматриця не освітлені, то через фотодіоди тече тільки невеликий темновой ток (порядку декількох наноампер). При висвітленні фотоматриці через ті фотодіоди, на які падає світло, потече фототок, який у багато разів більше темнового струму. Вибірка потрібного слова проводиться за допомогою парафазних шин А - А. У початковому стані шини А мають низький, а шини А - Високий потенціал. Отже, за відсутності сигналу зчитування весь фототок замикається на землю через МОП-транзистор, відкритий низьким потенціалом шини А так як МОП-транзистор, підключений до розрядної шині, закритий високим потенціалом шини А. Для вибірки потрібне слово на відповідну адресну шину А подається високий потенціал, а на шину А - низький, При цьому фототок кожного розряду обраного слова надходить в Відповідаю розрядну шину і збуджує сигнал на вході підсилювача зчитування. Комутація фотоприймачів може бути здійснена і однополярним сигналом, для чого достатньо заземлити одну з двох адресних шин. Фотоматриці описаного типу мають високу швидкодію (~ 0,3 мкс), низькою порогової потужністю детектування (0,5 мВт / біт) і хорошою стійкістю до перешкод від невибраних елементів. Основною перевагою таких фотоматриці є порівняльна простота виготовлення.

Для матриць, які працюють з накопиченням заряду, кожен фотодіод матриці включений послідовно з ключовим МОП-транзистором. Детектування оптичного зображення сторінки за допомогою фотоматриці здійснюється наступним чином. На початку циклу на затвори МОП-транзисторів подаються комутуючі імпульси і через відкриті транзистори виробляється заряд ємностей р-n переходів фотодіодів до максимального напруги джерела живлення. Потім фотоматриця висвітлюється оптичним зображенням сторінки. При цьому під дією падаючого світлового потоку відбувається розряд ємностей р-n переходів фотоприймачів і напруга на них падає на значення, пропорційне потужності світлового потоку і тривалості освітлення. Для зчитування потрібне слово на відповідну адресну шину подається коммутирующий імпульс, який відкриває ключові транзистори, з'єднані з обраної шиною. Тоді через фотодіоди, відкриті транзистори і вхідні кола усілітелей- зчитування потечуть струми дозаряда. Струм, що протікає через окремий фотодіод, залежить від втрати заряду за період накопичення і пропорційний числу фотонів світла, що потрапили на фотодіод за час накопичення. Виділення корисного сигналу з перешкод проводиться підсилювачами зчитування. Таким чином потрібно ввести виявляється лічених. Основною перевагою матриць, що працюють в режимі накопичення заряду, є підвищена чутливість (10-14 Дж / біт). Крім того, вони мають властивості пам'яті з обмеженим часом зберігання та одноразовим зчитуванням, Недоліками таких фотоматриці в порівнянні з фотодіодних матрицями безпосереднього відліку є більш жорсткі допуски на робочі характеристики елементів. Наприклад, для надійної роботи фотоматриці темновой ток фотодіода не повинен перевищувати наноампер. До сих пір розглядалися фотоматриці, що використовують як світлочутливі елементи фотодіоди. Застосовуючи фототранзистори, можна досягти більш високої чутливості. Основна перевага фототранзісторних матриць полягає в можливості отримання більш високих рівнів вихідних сигналів. Були досліджені фототранзісторние матриці, зібрані з невеликих підматриць (чіпів об'ємом 8 х 8 елементів) з наступними характеристиками; вихідний сигнал 130 мВ з відхиленням в 2,5 рази і ставлення сигнал / шум більше 10 при енергії падаючого світлового потоку, що дорівнює 5 10-12 Дж / біт. Час накопичення не перевищувало 0,3 мкс. Недоліком таких матриць є складність отримання однорідних характеристик при дотриманні жорстких допусків. Найбільш досконалою є фотоматриця з вбудованою пам'яттю. У такій матриці кожен фотоприймач включається в схему тригера, який є елементом транзисторної пам'яті. Число тригерів дорівнює числу бітів на одній сторінці. Фотоматриця з вбудованою пам'яттю функціонує наступним чином. Перед зчитуванням інформації з голограми тригери встановлюють в стан 0. Під час зчитування фотоприемники, що прийняли оптичний сигнал, переводять відповідні тригери в стан "1". Це стантригерів зберігається як завгодно довго. Зчитування інформації з транзисторної пам'яті проводиться звичайними методами з часом довільної вибірки 0,05 - 0,1 мкс при ємності - 104 - 105 біт. Транзисторная пам'ять фотоматриці є додатковою буферною пам'яттю, а в окремих випадках вона може бути використана в якості СОЗУ. Було виготовлено і досліджено фотоматриці з вбудованою пам'яттю, які збиралися з чіпів (до 256 х 256 елементів). Була досягнута низька порогова потужність детектування - 0,1 мкВт / біт. При такій потужності сигналу час накопичення заряду не перевищувало 50 мкс, енергія перемикання елемента дорівнювала 5.10-12 Дж.

Оптичні дискові ЗУ. На відміну від голографічних ЗУ, які знаходяться на стадії дослідно-конструкторських розробок, оптичні дискові ЗУ з побітової записом широко застосовуються в архівних цілях пам'яті ЕОМ для організації баз даних і тиражування програмних засобів. Вже перше покоління таких ЗУ набагато перевершило за своєю місткістю традиційні накопичувачі на магнітних дисках (НМД). Оптичні диски з однією робочою поверхнею і діаметром 304,8 або 203,2 мм мають ємність відповідно 1,4 і 0,7 Гбайт, що на два порядки перевершує ємність подібних магнітних дисків. Оптичні ЗУ найбільш високої продуктивності використовують змінні диски діаметром 355,6 мм, ємністю до 4 Гбайт і допускають швидкість обміну 3 Мбайт / с згодом доступу не більше 100 мс. В даний час розроблені оптичні ЗУ для персональних ЕОМ, що використовують диски діаметром 133 мм і ємністю близько кілька гігобайт. Структура типового оптичного ЗУ, що допускає операції записи - зчитування, показана на рис. 4.1. Як джерело світлового променя записи - читання використовується напівпровідниковий лазер 4. Носій інформації 10 являє собою диск з полірованого скла або пластику, покритий світлочутливим реєструючим матеріалом. На диску формуються канавки, що містять адресну інформацію і використовувані для управління позиціонуванням. Адресна інформація наноситься шляхом створення на підкладці мікрорельєфу з поглиблень глибиною l / 8, де l - довжина хвилі випромінювання лазера. Для раціонального позиціонування на диск наносяться концентричні доріжки глибиною l / 4. Періодична модуляція глибини доріжки з амплітудою l / 20 забезпечує формування синхросерії і сигналів для системи контролю швидкості обертання. Запис інформації виробляється в такий спосіб. Вхідний сигнал 1 надходить в блок посилення і корекції помилок 2, а потім в модулятор 3, який здійснює модуляцію випромінювання лазера 4. Лазерний промінь проходить оптичний коллиматор 5 і падає на дзеркало стеження за доріжкою 11, відбившись від якого потрапляє через фокусуються лінзу 8 на оптичний диск 10. У процесі запису на реєструє середовищі 9 формується послідовність оптичних міток. У найпростішому випадку реєструє середовище являє собою тонку металеву плівку з високим коефіцієнтом поглинання світла, напилену безпосередньо на підкладку товщиною близько 300 А0, В якій промінь лазера пропалює або НЕ пропалює отвір в залежності від значення вхідного сигналу. Одиночний лазерний імпульс записи має енергію порядку 0,75 нДж. Середовище повинне мати досить високу чутливість, щоб за допомогою такого світлового імпульсу нанести оптичну мітку діаметром близько 1 - 2 мкм, що забезпечується фокусує лінзою S. Отже, щільність за- писи може досягати 106 біт / мм2-. Адреса оптичної мітки на носії визначається її положенням щодо міток синхросерії. У режимі зчитування на вхід лазера 4 надходить низька постійна напруга, так що лазер генерує безперервне випромінювання щодо малої інтенсивності, яке не може змінити стан реєструючого середовища. Як і в режимі запису, цей промінь фокусується на зчитується доріжці. Записані на доріжці "мітки" модулюють інтенсивність відбитого променя, оскільки під час запису шляхом марнотратства отвори в середовищі оптичні мітки призводять до зниження коефіцієнта відображення. Вихідний промінь лазера плоско поляризований, тому Чвертьхвильова пластина 7 і расщепитель поляризованого променя 6 відокремлюють відбитий промінь і направляють його на напівпрозоре дзеркало 18, яке частина променя направляє на фотоприймач даних 19, а частина - на фотоприймач помилки позиціонування 17. Фотоприймач 19 перетворює прийшли світлові сигнали в імпульси струму, які декодуються за допомогою демодулятора 20, потім піддаються посиленню і корекції в блоці 21. Вихідний сигнал зчитування 22 передається в центральні пристрої ЕОМ. Позиціонування є однією з основних проблем оптичного ЗУ. Стежать 15, 16 і 14, керуючі фокусує лінзою 8, дзеркалом стеження за доріжкою 11 і механізмом фіксації диска 13, повинні забезпечувати поєднання площині фокусування лазерного променя з поверхнею реєструючий середовища з відхиленням не більше - ~ 0,5 мкм і точність радіального позиціонування променя на доріжці близько 0,1 мкм. Фокусуються лінза відстоїть від поверхні диска на 1 - 2 мм, в той час як плаваюча головка запису зчитування в магнітних дисках на 0,2 - 0,4 мм. Оптична головка запису - читання 12 конструктивно виготовляється у вигляді прямокутної призми розміром 4 х 1 х 10 мм із загальною масою близько 50 г. Мала маса головки дозволяє знизити час доступу до даних при локальном- пошуку (менше 1 мс на ± 10 доріжок).

Напівпровідникові лазери, які використовуються в оптичних ЗУ тільки для зчитування, в режимі безперервного випромінювання генерують потужність близько 1 мВт і є відносно дешевими. У ЗУ із записом - -счітиванія застосовуються більш потужні лазери з потужністю 15 - 30 мВт. Як реєструючого середовища архівних ЗУ в основному використовуються субокісли телуру з селеном або миш'яком. Телур обраний через низьку температури плавлення (450 С) і здатності легко окислюватися у вологому атмосфері. Він дозволяє формувати поглиблення з високим коефіцієнтом відображення на темному тлі при енергії записуючого лазерного променя 5 мВт і l = 0,8 мкм. Недоліком телуру є неможливість стирання і перезапису інформації. Телурової реєструючий шар застосовують в оптичних дисках з повітряним зазором. Це два односторонніх диска, складені реєструючими шарами всередину і розділені в центрі і по периферії кільцевими вкладишами. У зазорі міститься ретельно очищене повітря з певним вмістом кисню, що визначає коефіцієнт відображення субокісі телуру. Для оптичних ЗУ зі стиранням і перезаписом інформації найбільш перспективними вважаються магнитооптические матеріали. Механізм дії магнітооптичних дисків полягає в наступному. Реєструючий шар являє собою тонку плівку магнітного матеріалу. Спочатку вся вона намагнічена в напрямку, перпендикулярному площині диска. У режимі запису на диск діє постійне магнітне поле зміщення, що має протилежну орієнтацію. При нагріванні середовища світловим імпульсом до температури Кюрі відбувається локальне перемагничивание. Таким чином, оптичні мітки в цьому випадку є локальні ділянки реверсування осі намагніченості реєструючого середовища. При зчитуванні даних напрямок намагніченості оптичних міток середовища змінює кут повороту площини поляризації відбитого променя відповідно до ефекту Керра. Найкращими параметрами серед магнітооптичних матеріалів володіє недавно відкритий матеріал МП Cu - Bi з температурою Кюрі близько 2000 С. Кут керровской обертання для цього матеріалу складає ± 1,30 . Сигнали зчитування за допомогою Керр-ефекту мають високе відношення сигнал / шум.

 




 Білоруський державний університет |  ВСТУП |  структура |  Поширення і дифракція світла. Інтеграл Френеля-Кірхгофа |  Дифракційні формули Френеля і Фраунгофера |  Оптичні системи, що виконують перетворення Фур'є. |  Дискретне перетворення Фур'є. |  ОПТИЧНА ГОЛОГРАФІЯ. |  Асоціативні властивості голограм |  Перспективи створення трехмерногоголографіческого дисплея. |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати