Способ записи и считывания голограмм Советский патент 1980 года по МПК G03H1/18 

1

Изобретение относится к голографии и может быть применено в вычислительной технике.

Известен способ записи и считывапия голограмм в усиливающих средах 1J.

Воздействием когерентного света в активной среде, в красителе, создается пространственное распределение концентрации возбужденных состояний одной составляющей раствора красителя (запись). Одновременно с записью нри помощи когерентного света, спектрально соответствующего излучению данной составляющей раствора, инициируются вынужденные переходы, при помощи которых восстанавливается пространственное изображение записанного объекта. Полученные голограммы называют динамическими.

Однако при таком способе полученные голограммы не обладают памятью, так как запись, запрос и считывание могут быть осуществлены только одновременно.

riaибoлee близким к предлагаемому является способ записи и считывапия голограмм, заключающийся в записи информации в активированном щелочно-галоидном кристалле когерентным светом путем создания или частичного разрушения пространственного распределения концентрации пар рабочих центров и считывания путем

формирования сигнала запроса освещением некогерентным светом, спектрально соответствующим f-полосе поглощения и ответного сигнала из-за электронно-колебательных переходов в активаторе 2.

В этом способе ответный сигнал считывания формируется из совокупности квантов света (lгvз), которые в спонтанном процессе испускаются активатором. Быстродействие или оперативность этого способа обработки информации определяется средним временем жизни возбужденного состояния активатора для спонтанных переходов. Кроме того, при таком способе мала дифракционная эффективность (до 10%) и ограничено быстродействие цикла запись - считывание-стирание.

Цель изобретения - повышение дифракционной эффективности голограмм и быстродействия цикла запись-считывание-стирание.

Для достижения цели ответный сигнал формируют дополнительным воздействием когерентного света из спектральной области

излучения активатора, вызывающим вынуладенные электронно-колебательные переходы в активаторе.

При физических исследованиях было выяснено, что осуществляя электронно-колебательные переходы на возбужденном активаториом состоянии при реальных мощностях F света можно достичь населенность, когда излучение с этого уровня в основном осуществляется в виде вынужденных электронно-колебательных переходов. Характер вынужденных переходов в активаторном свечении был установлен по следующим трем физическим параметрам: сокращению времени жизни возбужденного состояния активатора; сулсению спектра испускания активатора; эффекту усиления проходящего через кристалл света, спектрально совпадающего с областью испускания дапного активатора. Упомянутые результаты, свидетельствующие о -наличии вынужденного испускания активатора, были обнаружены в целом ряде активированных щелочногалоидных кристаллов. В качестве примера конкретные экспериментальные данные нрнведены для системы йодистого калия, активированного таллием (KJ-Т1), где концентрация активатора составляла 10 см и концентрация рабочих центров - 10 см-. В данной системе в области комнатных температур максимум излучения таллия находится при 420 нм с полушириной 70 нм и максимум поглощения F центров - при 690 нм с нолущинной 70 нм. В качестве источника F света в данном случае использовался рубиновый импульсный лазер типа «Арзни (694,3 нм, 30 НС, 0,1 Дж).

На фиг. 1-3 приведены осцилограммы - интенсивность активаторного излучения / в полосе 420 нм в завнсимости от времени. Каждая из осцилограмм является ответным сигналом на единичный лазерный импульс, интенсивность которого возрастает в сторону увеличения номера кадра. Короткий выброс в начале импульса представляет вынужденное испускание активатора, а последующее более длительное затухание - спонтанное испускание с характерным (неизменным) временем т 3, с. На фиг. 4 показана зависимость времени затухания вынужденного испускания Тв от интенсивности F света IF по мере увеличения интенсивности F света IF время затухания вынужденного испускания Тв уменьщается. На фиг. 5 иллюстрируется распределение интенсивностей / короткого выброса и длительного затухания ответного сигнала (см. фиг. 1, 2, 3) в зависимости от энергии кванта испускания активатора Е, т. е. - спектр вынужденного I и спонтанного II иснускания данного активатора. Как и следовало ожидать, спектр вынужденного испускания уже спонтанного.

Далее для системы KJ-Т1 с максимальной концентрацией возбужденного состояния активатора порядка 10 см- (соответствующий импульс излучения имеет форму, близкую к представленной на фиг. 3) был измерен эффект усиления проходящего через кристалл света из спектральной области максимума излучения активатора. При длине активной (возбужденной) области 5 мм, проходящий через нее свет усиливается нримерно в 4 раза (ощибка эксперимента 50%), при этом коэффициент отрицательного поглощения имеет значение 2,5-1 см-1.

Все перечисленные результаты физических исследований подтверждают наличие

вынужденного испускания активатора (при заселенности уровня активатора .F-центрами). Вынужденное испускание, как известно, является фазочувствительным явлением. Это нозволяет весь полный цикл обработки

информации (запись, запрос, ответный сигнал) перестроить на обработку с амплитудно-фазовой чувствительностью. На первом этапе осуществляется запись амплитуднофазовой картины объекта в виде голограммы. Записанная информация хранится в виде пространственного градационного распределения концентрации рабочих пар А++, F.

Следующим этапом является запрос.

Однако в данном случае к F свету предъявляются определенные требования по отношению интенсивности, так как он должен создавать «отрицательные температуры на активаторном уровне.

В связи с этим интенсивность этого света не должна быть меньше, чем 10 кВ/с см. Необходимо отметить, что промежуток времени между записью и запросом информации может быть произвольным, т. е. время хранения записанной информации до запроса неограничено. Этой характеристикой, которая существенна для обработки информации, предлагаемый способ в принципе отличается от способа записи динамической голограммы, где запись, запрос и считывание могут быть осуществлены только лишь одновременно.

При формировании ответного сигнала дополнительный когерентный свет, дифрагируя на неоднородностях записанной голограммы, вызывает вынужденное испускание активатора.

Независимо от когерентного сигнала одновременно с ним и сигналом запроса возникают также спонтанные переходы. Но эти спонтанные электронно-колебательные переходы ввиду их малой интенсивности излучения в данном случае являются только «шумами. Совокупность квантов, возникающих вследствие вынужденных электронноколебательных переходов активатора, является сигналом считывания, который формирует пространственное изображение записанного объекта, т. е. восстанавливает

записанную информацию с учетом амплитудно-фазовых характеристик последней.

Как следует из вышеизложенного, формирование ответного сигнала происходит в усиливающей среде. Это означает, что в

предлагаемом способе обработки информации дифракционная эффективность считывания может превысить 100%.

Увеличение оперативности или быстродействия обработки информации достигается путем использования вынужденных переходов активатора для формирования ответного сигнала считывания и путем применения сигналов большой интенсивности для инициирования данных вынужденных . переходов. Как известно, вероятность вынужденных переходов выражается произведением аз-4/з4, где 0з-4 - эффективное сечение отрицательного поглощения для уровней 3 и 4 и Лз4 - интенсивность совокупностей потока квантов когерентного сигнала.

аз-4 является постоянной величиной, имеющей значения порядка 10 см и 10 см для активаторов Т1 и In соответственно. Яз4 может иметь различные значения, увеличением значений /34 можно увеличить вероятность данных вынужденных переходов. Выбирая интенсивность такой, чтобы вероятность вынужденных переходов превысила вероятность спонтанных переходов (это в конкретном случае имеет силу, если 10 кВ/с-см, получаем ответный сигнал считывания, который, по крайней мере, на порядок меньше, чем самый короткий сигнал считывания в прототипе и имеет значение порядка 10 с.

Применение сигналов большой интенсивности для инициирования вынужденных переходов имеет еще и то преимущество, что помимо сокращения времени считывания, т. е. увеличения оперативности работы памяти, сильно подавляются «шумы, обусловленные спонтанным испусканием.

Таким образом, предлагаемым способом можно добиться оперативной обработки

оптической аналоговой информации с учетом амплитудных и фазовых свойств последней и увеличения оперативности обработки, по крайней мере, на порядок по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Способ записи и считывания голограмм, заключающийся в записи информации в активированном щелочногалоидном кристалле когерентным светом путем создания или частичного разрушения пространственного распределения концентрации пар рабочих центров и считывания путем формирования сигнала запроса освещением некогерентным светом, спектрально соответствующим f-полосе поглощения и ответного

сигнала из-за электронно-колебательных переходов в активаторе, отличающийся тем, что, с целью повышения дифракционной эффективности голограмм и быстродействия цикла запись-считывание-стирание,

ответный сигнал формируют дополнительным воздействием когерентного света из спектральной области излучения активатора, вызывающим вынул-сденные электронндколебательные переходы в активаторе.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе 1. Ивакин Е. В. и др. Динамические голограммы в усиливающей среде «Квантовая электроника, 1975, т. 2, № 7, с. 1556.

2. Стадник Б. и Троннер 3. Дифракционная эффективность объемных голограмм, зарегистрированных в кристаллах КС1 и КВг с F-центрами «Оптика и спектроскопия 1976, т. 41, вып. I, с. 118 (прототип).

zoo. too

фиг- 1

WO чао

t,HC

фиг. i

fOO t,HC

сриг. 3

fa,

HC

т

50

0,51,0 Op,

Риг.

,33