Оптическое бистабильное устройство Советский патент 1992 года по МПК G02F3/02 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для создания элементной базы оптических- вычислительных машин таких, как элементы памяти и переключающие устройства.

Известны безрезонаторные оптические бистабильные устройства, в которых оптическая бистабильность (ОБ) возникает в рб- зультате увеличения поглощения полупроводниковых материалов при возрастании входной интенсивности. В таких устройствах поглощение зависит от температуры, плотности носителей, которые зависят от уровня оптического возбуждения. Переключение из одного состояния в другое осуществляется изменением интенсивности возбуждающего излучения.

К недостаткам таких устройств следует отнести тепловую нелинейность полупроводниковых элементов, приводящую к сложности фиксации температуры, соответствующей рабочей точке переключающего элемента.

Наиболее близким к изобретению является оптическое бистабильное устройство, основанное на принципе создания биста- бильности статической поляризации в системенецентросимметрическихдвухуровневых атомов, ориентированных в одном направлении. Устройство включает источник излучения накачки (лазер), безре- зонаторный оптический элемент и фотоприемник. Оптический элемент представляет собой молекулярный кристалл, например LilMbOa, УТаОз с примесными ионами Сг или Nd +. Переключения,т.е. переход из одного устойчивого состояния в другое, производят путем изменения интенсивности лазерного излучения, возбуждающего оптический элемент.

Недостатком прототипа является сужение функциональных возможностей устройства за счет узкой области применения

Ч 00 4 О

ы ее

используемых материалов, т.к. в качестве примесей в кристаллах оптического элемента используются ионы, атомы которых ап- роксимируютсядвухуровневыми

энергетическими системами. В частности, прототи/i не позволяет осуществить управление одним световым лучом Другого.

Цель изобретения - рас ширение функциональных возможностей реализацииоптического управления переключением моно- и полихроматического излучения при уменьшении габаритов.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем последовательно оптически связанные источник излучения накачки, безрезонаторный оптический элемент и фотоприемник, оптический элемент выполнен в виде упорядоченного ассоциата многоатомных молекул, нанесенных на оптически прозрачную подложку и характеризующихся оптически управляемым сдвигом полосы поглощения и эффектом люминесценции, а ь устройство введены источник полихроматического излучения или источник излучения на частоте люминесценции ассоциата многоатомных молекул и второй фотоприемник, которые расположены на одной оптической оси с оптическим элементом, но по разные стороны от последнего.

На фиг.1 представлено устройство: на фиг 2 - энергетическая схема индивидуальной молекулы упорядоченного ассоциата многоатомных молекул, входящего в состав оптического элемента.

Устройство содержит источник 1 излучения накачки, безрезонаторный оптический элемент 2, источник 3 излучения на частоте люминесценции ассоциата многоатомных молекул (или источник полихроматического излучения) и фотоприемники А, 5.

Источник возбуждающего оптического излучения накачки 1 представляет собой мощную (с мощностью Вт/см2) лампу, сфокусированное излучение которой пропущено через интерференционные фильтры, или лазер со сфокусированным излучением. Мощность излучения накачки установлена исходя из условия соизмеримости скорости вынужденного перехода 1-4 и скорости электронной релаксации, T.e.w-v W32 (фиг.2).

Необходимо, чтобы ширина полосы частот излучения накачки источника 1 была соизмерима или меньше ширины полосы частот поглощения молекул ассоциата, входящего в оптический элемент, Есл и источник оптического излучения накачки - импульсный, то длительность его импульса должна превышать время электронной релаксации молекул ассоциата (т е. длительность испускания молекулами кванта люминесценции) для того, чтобы система перешла в стационарное состояние.

Частота источника 1 излучения накачки

должна быть такой, чтобы центр полосы излучения находился бы на крыле полосы поглощения молекулярного ассоциата, входящего в состав оптического элемента; сдвиг максимума полосы поглощения молекулярного ассоциата при увеличении интен- сивности накачки, обусловленный диполь-дипольным взаимодействием между молекулами ассоциата, происходил по полосе частот в сторону частоты излучения

накачки, в результате чего уменьшалась бы (компенсировалась) расстройка резонанса. П р и м е р 1. Оптический элемент 2 может быть выполнен в виде подложки, прозрачной для оптического излучения, с нанесенным на ее поверхность молекулярным димером - комплексом из двух одинаковых многоатомных люминесцирующих молекул, образованный, например, из амфильных красителей под действием электронного луча или в растйоре при соответствующем подборе концентрации молекул красителей. При изготовлении димеров необходимо исключить взаимно перпендикулярную ориентацию молекулярных диполей в димере. т.к.

при этом энергия диполь-дипольного взаимодействия равна нулю и локальные поля, приводящие к сдвигам уровней ассоциата, отсутствуют. Во всех остальных случаях ориентации диполей реализация бистабильного режима работы достигается подбором такой частоты накачки, чтобы при возбуждении ассоциата уменьшалась расстройка резонанса с накачкой.

П р и м е р 2. Оптический элемент 2

может быть выполнен в виде подложки, прозрачной для оптического излучения, с нанесенной на ее поверхность пленкой из. многоатомных люминесцирующих молекул, образованную по методике ЛенгмюраБлоджет. либо J-агрегат, в котором молекулы упакованы по типу кирпичной кладки.

Для пленок Ленгмюра-Блоджет из не- центросимметричных молекул сдвиг мзксимума поглощения при варьировании интенсивности накачки, а, следовательно, и создание ОБ устройства, возможен лишь тогда, когда диполи выстроены & одном направлении, т.е. в слоях X и 2 типов, и невозможно для пленок Ленгмюра-Блоджет Y-типа, где происходит компенсация статического Лоренцевского поля и уширение по- лосы поглощения мультислоев по сравнению с полосой поглощения индивидуальных молекул.

ПримерЗ. В общем случае оптический элемент 2 может представлять собой подложку, прозрачную для оптического излучения, с нанесенным на ее поверхность ансамблем димеров, отличающихся по своим оптическим параметрам, или многослойные ленгмюровские пленки, в которых молекулы в разных слоях отличаются по своим оптическим параметрам. В этом случае световое излучение, провзаимодействовав- шее с одним димером или мономолекулярным слоем, будет являться управляющим для последующего, примыкающего к нему молекулярного ассоциата,

Для молекул ассоциата разница статических дипольных моментов в возбужденном и основном энергетических состояниях не должна равняться дипольному моменту перехода 1-4 (фиг,2), т.е. необходимо использовать ассоциаты либо мз сильно поглощающих центросимметричных молекул, либо из слабопоглощающих нецентросим- метричных молекул.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника излучения .накачки 1 пропускается через безрезонатор- ный оптический элемент 2 и принимается фотоприемником 5. Одновременно излучение на частоте люминесценции ассоциата многоатомных молекул от источника 3 также пропускается через безрезонаторный оптический элемент 2 и принимается фотоприемником 4. Переключение оптического элемента из одного устойчивого (исходного) состояния в другое (конечное) осуществляется увеличением интенсивности излучения накачки, а обратный переход (возврат в исходное состояние) - уменьшением интенсивности излучения накачки. Таким образом, можно переключать интенсивности следующих излучений, проходящих через оптический элемент: излучения люминесценции молекулярного ассоциата на оптическом элементе, когда световой поток на частоте люминесценции отсутствует; низкоинтенсивных моно-и полихроматических потоков с частотами, попадающими в полосу люминесценции молекулярного ассоциата; излучения накачки и низкоинтенсивного полихроматического светового потока, частоты излучения которого попадают в полосу поглощения возбуждаемого молекулярного ассоциата.

При этом варьированием интенсивности излучения накачки можно управлять интенсивностью (модулировать) моно- и

полихроматического светового потока с полосами частот, попадающими в полосы поглощения и люминесценции возбуждаемого молекулярного ассоциата. Использование 5 полихроматических световых потоков, каждая спектральная компонента которых будет независимо переключаться оптическим элементом, позволяет проводить параллельную обработку информации.

0 Изобретение по сравнению с прототипом обладает более широкими функциональными возможностями. Так, способность к люминесценции, а также ши- рокополосность спектров поглощения и ис5 пускания многоатомных молекул позволяет осуществить управление одним световым лучом другого, а также переключать полихроматические световые потоки. Кроме того, устройство позволяет использовать для

0 создания молекулярных ассоциатов не только нецентросимметричные, но и неполярные молекулы, что значительно расширяет класс используемых молекул. Кроме того, устройство (оптический триггер) обладает

5 меньшими размерами по сравнению с известными, поскольку его габариты фактически определяются размерами молекулярных пленок или димеров, которые значительно меньше по размерам любых объемных при0 месных или молекулярных кристаллов. Миниатюрность данного оптического триггера позволяет создавать компактные оптические процессоры или устройства динамической памяти с плотной упаковкой

5 элементов,

Формула изобретения Оптическое бистабильное устройство, содержащее последовательно оптически связанные источник излучения накачки,

0 безрезонаторный оптический элемент и фотоприемник, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем реализации оптического управления переключением моно- и поли5 хроматического излучения при уменьшении габаритов, оптический элемент выполнен в виде упорядоченного ассоциата многоатомных молекул, нанесенных на оптически прозрачную подложку и характеризующихся

0 оптическч управляемым сдвигом полосы по- . глощения и эффектом люминесценции, а в устройство введены источник полихроматического излучения или источник излучения на частоте люминесценции ассоциата мно5 гоатомных молекул и второй Фотоприемник, которые расположены на одной оптической оси с оптическим элементом, но по разные стороны от последнего.

2

S

Использование: в качестве оптического логического элемента. Сущность изобретения: на пересечении двух оптических осей расположен нанесенный на оптически прозрачную подложку упорядоченный ассоциат многоатомных молекул, характеризующийся оптически управляемым сдвигом полосы поглощения и эффектом люминесценции. На первой оптической оси расположены источник излучения накачки и первый фотоприемник, на второй оптической оси - источник полихроматического излучения либо излучения на частоте люминесценции и второй фотоприемник. 2 ил.

Шиа

Фие,2