Способ оптической обработки информации Советский патент 1992 года по МПК G02F3/00 

(Л

с

Изобретение относится к голографии. Целью изобретения является упрощение реализации и повышение надежности способа оптической обработки. Для реализации цели в способе записывают в резонансной среде динамические голограммы, считывают их пучками той же длины волны. Дифрагированные на динамических голограммах пучки попадают на матрицу статических голограмм, выполняющих функцию коммутирующей системы. Каждая элементарная статическая голограмма согласована с соответствующей динамической голограммой и восстанавливает определенную комбина цию световых пучков, которые направляются на определенные злементы матрицы динамических голограмм и стирают динамические голограммы по требуемой логике. Таким образом реализуют определенную логическую функцию. 2 ил.

Изобретение относится к голографии и оптической обработке информации и предназначается для построения оптических ЭВМ, осуществляющих обработку информации как параллельно, так и в последовательности, определяемой микропрограммными принципами.

Целью изобретения является упрощение реализации и повышение надежности способа.

На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема реализации способа оптической обработки информации: на фиг. 2 - пример организации RS-триггера,

На фиг. 1 обозначены блок формирования когерентных пучков 1, 2, записывающих динамические голограммы, матрица 3 динамических голограмм, блок 4 формирования считывающих пучков, матрица 5 статических голограмм, усилитель 6, блок 7 формирования входных пучков, 8, 9, 10, 10 - блоки

приемников выходных пучков (приемников обработанного сигнала).

Блок формирования когерентных пучков 1, 2, например система интерферометров типа Маха-Цендера, формирует n-m пар когерентных световых пучков, непрерывно записывающих в резонансной динамической среде, например в парах металлов или растворе органического красителя, матрицу 3 пхт динамических голограмм. Блок 4 формирования считывающих пучков, включающий, например, светоделители и систему отверстий в непрозрачном экране, формирует матрицу пхт световых пучков той же длины волны, попадающих на матрицу динамических голограмм в области их записи и считывающих их. Дифрагированные на динамических голограммах пучки попадают на матрицу 5 пхт статических голограмм, выполняющих функцию коммутирующей системы. Каждая элементарная статическая

ел

00

ю

00 CJ 00

голограмма мятрицы статических голо- |рамм согласопана с соответствующей динамической голограммой посредством оосстянонленногос последней луча. Каждая злемеитариая статическая голограмма при попадании на нее луча, восстанозлениого с динамической голограммы, в свою очередь )осстанавливает опре.целеннук-.i комбинацию световых пучков, направляемых ею же на определенные элементы матрицы динамических голограмм и стирающих динамические голограммы, записанные в этих элементах, организуя таким образом обратную связь (на фиг. 1 стертые элементы матрицы динамических голограмм зачерчены). Стирание можно осуществить, например, при просветлении резонансной среды. Для юго, чтобы мощность восстановленных со статических голограмм пучков была достаточна для стирания динамических голограмм (просветления среды), на пути их распространения от статических голограмм к динамическим расположен оптический усилитель. Усилитель представляет собой, например, матрицу усиливающих элементов, каждый из которых содержит инверсную среду (например. инверт1 рованный органический ), обладающую для длины волны, используемой для обработки : :1-;формйции, возможностью усиливать про- хгдйитее через него мзлу--:еиие.

Входной сигнал фop L pyeтcя бло :ом 7 форм Чровэпия входных пучков в виде мат- р щы пхт дополнительных пучкоа, направ- л п е м ь; х и а м а т р и ц у д и н а г и ч е с к и х голограмм н области их записи. Те дополнительные пучки, мощносль которых достаточна для просветления резонансной среды, с i/;p3 0г соответствующие динамические голограммы. Считывающие пучки, попадаю- щУ -з на стертые дополнительными пучками области резонансной сре,цы. не дифрагируют и в результате не попадают на соответствующие элементы матрицы статических голограмм. Следовательно, прекращ,ается воздействие дифрагированных на статических голограммах и усиленных, т.е. стирающих пучкоа обратной связи, на некоторые элементы матрицы динамических голо- rpaf ми возникает дифракция считывающих .эти элементы пучков. Таким образом, под воздейстаием входного сигнала происходит процесс, в результате которого исчезает ряд дифрагированных на динамических голо- трамм х пучков, появляется ранее отсутствовавшие и устанавливается новое распределение стертых и нестертых динамических голограмм в сС Ответствии с алгоритмом функционирования, задаваемым матрицей статических голограмм, осуществляющей коммутацию. Обрабоганный сигнал регистрируется в следующих видах (одном или нескольких): матрицы дифрагированных на динамических голограммах 5 считывающих пучков (например, в виде нулевых порядков дифракции на статических голограммах) блоком 9 приемников выходных пучков; матрицы недифрагированных на динамических голограммах считываю- 0 щих пучков - блоком 8 приемников; матрицы недифрагированных дополнительных пучков - блоком 10 приемников; матрицы дифрагированных дополнительных пучков- блоком 10 приемников. При низких значени- 5 ях дифракционной эффективности динамических голограмм для регистрации обработанного сигнала целесообразнее использовать дифрагированные на них пучки (дополнительные пучки могут дифрагиро0 вать на динамических голограммах, если их мощность меньше необходимой для отпирания, а направления их распространения согласованы с контуром угловой селективности динамической голограммы).

5 Рассмотрим процесс записи и стирания динамических голограмм в резонансной среде.

Процесс записи динамических голограмм состоит в поглощении средой резо0 нанснь х фотонов интерференционного светового поля и образовании разности заселенности уровней, а следовательно, и решетки коэффициента поглощения и показателя преломления среды, на которой

5 дифрагирует считывающее излучение той же длины волны. Такой сродой могут быть. н.апример. пары щелочных металлов (Na. К, Rb, Cs), обладающие высокой энергетической чувствительностью к записи динамиче0 ских голограмм - , 10 Дж/см, на линию или полосу поглощения которых настроена длина волны записывающих и считывающих пучков.

Стирание основано на уменьшении глу5 бины модуляции решетки коэффициента поглощения и показателя препомления среды под действием излучения достаточной мощности. Действие стирающей волны приводит к насыщению поглощения среды, т.е.

0 уменьшению коэффициента поглощения в заданное число раз в соответствии с формулой

55;c /Co/(),

1на(

где Ко - ненасыщенное значение коэффициента поглощения;

1стир-интенсивностьстираюи1ей зопны: 1нас - интенсивность насыщения.

Уменьшение коэффициента поглощения приводит к уменьшению оптической плотности, т.е. просветлению среды, которое, в свою очередь, приводит к изменению дифракционной эффективности динамической голограммы. Начальная оптическая плотность среды выбирается таким образом, чтобы ее уменьшение приводило к уменьшению дифракционной эффективности голограммы. Уменьшение дифракционной эффективности (ДЭ) может быть оценено по формуле

ДЭ ( Ф2)2 еЛ1 - ,

нас

где 1фор - интенсивность формирующего голограмму излучения;

D - оптическая плотность среды.

Из этой формулы следует, что при значении начальной оптической плотности D 0,3 увеличение 1стир от О до 3 1нас, что соответствует уменьшению л: и D в четыре раза, приводит к уменьшению величины дифракционной эффективности и, следовательно, интенсивности востановленного с динамической голограммы пучка более чем на порядок, что соответствует стиранию голограммы. Из данной оценки следует, что усилитель должен обеспечивать усиление дифрагированных на статических голограммах волн не менее, чем до 31нас.

Важнейшим параметром, влияющим на возможность реализации способа, является энергия переключения из нестертого состояния динамической голограммы в стертое. Оценка этой величины может быть дана на основе вычислений насыщенного значения плотности энергии, например, для паров металлов. Так, для атомарного цезия при настройке излучения в резонанс с D2 - линией (А 8521 А) 1нас 5 10 Дж/см.

1перекл 1стир 31нас 1,5 10 Дж/СМ. ЧТО

более чем на восемь порядков ниже, чем в прототипе. При площади элементарной динамической голограммы 10 см , что соответствует примерно десяти минимально разрешенным элементам в парах металлов (разрешающая способность паров 30 лин/мм), абсолютное значение энергии переключения составляет 1,5 10 Дж.

Для стирания элементарной динамической голограммы достаточно воздействия одного или нескольких попадающих на нее пучков от матрицы статических голограмм. Это равнозначно действию логической функции ИЛИ. Поскольку после стираний соответствующей элементарной динамической, голограммы прекращается дифракция на ней считывающего луча, то логическая функция ИЛИ дополняется функцией НЕ. Так

образуется множество логических элементов ИЛИ-НЕ, являющихся функционально полным базисом логических элементов. Их ко.ммутация с помощью матрицы статических голограмм позволяет организовать любую логическую функцию, а при достаточном количестве логических элементов - цифровой процессор.

На фиг. 2 приводится пример организа0 ции одного из элементов цифрового процессора - RS-триггера. На фиг. 2 обозначены источник 11 когерентного излучения, частично прозрачные 12, 13 и полностью отражающие И, 15 зеркала, блоки 16. 17

5 формирования - пучков, записывающих динамические голограммы, блок 18 формирования считывающих пучков, элементы 19,20 матрицы динамических голограмм, элементы 21, 22 матрицы статических голограмм,

0 элементы 23, 24 усилителя, блоки 25.26формирования входных пучков с S- и R-входами, блоки 27, 28 приемников выходных пучков. В RS-триггере коммутация организована следующим образом. Дифрагированный

5 из элементе 20 матрицы динамических голо- грамм луч элемента 22 матрицы статических голограмм через элемент 24 усилителя направляется в область записи элемента 19 матрицы динамических голограмм, и наобо0 рот, луч, дифрагированный на элементе 19 матрицы динамических голограмм элемента 21 матрицы статических голограмм через элемент 23 усилителя направляется на элемент 20 матрицы динамических голограмм.

5 При появлении на S-входе блока 26 сигнала с уровнем мощности, достаточным для стирания динамической голограммы 20, уменьшается дифракционная эффективность динамической голограммы 20, что приводит

0 к ослаблению ее воздействия на динамическую голограмму 19. Это приводит к увеличению дифракционной эффективности динамической голограммы 19 и усилению ее стирающего воздействия на динамическую

5 голограмму 20 и замыканию цепи обратной связи. Динамическая голограмма 20 оказывается стертой (закрытой), считывающий луч не дифрагирует на ней, что соответствует нулю на выходе блока 27. Динамическая го0 лограмма 19, наоборот, не стерта (открыта для считывания), дифракция на ней считывающего луча формирует единицу на выходе блока 28. При подаче сигнала на R-вход блока 26 процессы стирания развиваются в об5 ратном порядке, триггер переходи в другое состояние с единицей на выходе блока 27 и нулем на выходе блока 28.

Изобретение имеет прримушог.тва по сравнению с прототипом. .чаклк1 |;го111меся в повышении надежности и упрг (рмпи peaлизэции. Повышение надежности достигается за счет применения голографического принципа выделения информации в виде интенсивности дифрагированного пучка вместо интерференционного. В прототипе любое случайное изменение фаз интерферирующих пучков на порядка я приводит к изменению вида интерференционной картины информационного и опорного пучков и появлению ложных единиц и нулей информации. В предлагаемом способе изменение фаз любого из пучков на ту же величину jr не изменяет интенсивности и направления дифрагированных лучей.

Более высокая надежность достигается за счет существенно более низкой знергии переключения логических элементов, что позволяет использовать менее мощные световые пучки, исключающ Л9 возможность перегрева или разрушения элементов опти- ческой схемы.

. Предлагаемый способ более прост в реализации, поскольку не требует дополнительного источника излучения, работаю- щего на другой длине волны, второй динамической среды и ряда дихроичных оптических элементов.

Использование голограф ческих принципов организации логическмх элементов и схем соединенмй з сочетании с короткими зременаг.™ епвксац лт возбуждения дина- р мческой среды (10 -10 с) позволяет создать мощный быстродейстоующий цифре вой процессор с высокой степенью интеграции.

Предлагаемый способ оптической обработки информации может быть использован для автоматизации производства и проектирования, а также в объемных устройствах отображения информации.

Формула изобретения Способ оптической обработки информации, заключающийся в том, что входной сигнал направляют на динамическую среду, характеристики которой изменяют пучками, восстановленными статическими голограммами, отличающийся тем, что, с целью упрощения реализации и повышения надежности, записывают непрерывно направляемыми когерентными пучками в резонансной среде nxm пучками той же длины волны, направляют дифрагированные на статических голограммах пучки после их усиления на резонансную среду в области записи динамических голограмм с уровнем мощности, достаточным для стирания динамических голограмм, входной сигнал в виде матрицы nxm дополнительных пучков также направляют на матрицу динамических голограмм, а обработанный сигнал наблюдают в виде матрицы дифрагированных или/и не- дифраг1 :рованных нз динамических голограммах дополнительных или/и считывающих пучков.

Фиг. 2