Способ голографической записи электрических сигналов Советский патент 1985 года по МПК G03H1/04 

Изобретение относится к области голографической записи информации и может быть использовано в радиотехнике. Известны способы голографической записи электрических сигналов, вклю чающее преобразование входного сигнала в акустическую волну в ультразвуковом модуляторе света (УМС), дифракцию светового пучка на акусти ческой волне и регистрацию дифрагированного светового пучка вместе с опорным пучком lj . Блин айшим техническим решением к изобретению является способ голографической запрши электрических сигналов путем преобразования входного сигнала в акус ическую волну, дифракции светового пучка на акустической волне, регистрации дифрагированного светового пучка с плоской опорной световой волной, угол падения которой на плоскость регист рации голограммы непрерывно меня- ., ется в течение времени регистрации zj Сущность способа записи состоит в преобразовании входного электрического сигнала в акустическую волIну, распространяющуюся в направлении к в звукопроводе УМС, дифракции светового пучка на акустической волне и регистрации дифрагированного светового пучка с использовани ем плоской опорной световой волны, угол падения которой на плоскость регистрации голограммы непрерывно меняется в течение времени регистра ции. Регистрации подвергается свето вое распределение, представляющее собой Фурье-спектр входного электри ческого сигнала (осью частот является координатная ось в задней фокальной плоскости линзы), Запись голограммы осуществляется, когда входной сигнал полностью вошел в апертуру УМС, так как только тогда в фoкaJ ьнoй плоскости линзы формируется Фурье-спектр- всего записываемого сигнала. Из-за ограниченной чувствительности регистрирующих голограмму фотоматериалов и конечной мощности источников когерентного света голограмму невозможно зарегис рировать мгновенно. Поэтому временную апертуру УМС делают больше длительности сигнала для того, чтобы сигнал, войдя в епертуру УМС, мог некоторое времяперемещаться в ней. находясь в апертуре полностью. Это время и является временем регистрации голограммы. Оно равно разности между временной апертурой УМС и длительностью сигнала. Но перемещение сигнала вдоль оси Л в апертуре УМС вызывает изменение фазового спектра сигнала в плоскости регистрации голограммы в соответствии с известной теоремой из теории преобразования Фурье о сдвР1ге функции во временной области. В данном случае изменение фазового спектра сигнала выразится в том, что частота света будет иметь различные допплеровские сдвиги в различных точках оси пространственных частот . В результате этого интерференционная картина, образованная с помощью плоской опорной световой волны,, падающей под фиксированным углом на плоскость регистрации, флюктуирует во времени. Максимальная частота флюктуации равна максимальной частоте в спектре сигнала. При этом допустимое время регистрации голограммы оказывается меньше полупериода флюктуации интерференционной картины. Для увеличения допустимого времени регистрДции производят компенсацию допплеровского сдвига частоты в предметной световой волне, г зменяя определенным образом onopHyio световую волну. Различают случаи частичной и полной компенсации. При частшгной компенсации сдвигают частоту света в опорном пучке на среднюю частоту в спектре записываемого сигнала. Это легко сделать с помощью дополнительного УМС в опорном канале При этом максимальная частота флюктуации интерференционной картины становится численно равной полуширине спектра сигнала. Частичная компенсация позволяет увеличить допустимое время регистрации в несколько раз. Однако практически этого часто оказывается недостаточно. Тогда применяют полную компенсацию допплеровского сдвига частоты. Такую компенсацию можно осуЕдествить непрерывно, изменяя угол падения плоской опорной световой волны на плоскость голограммы в течение всего времени регистрации. При этом комплексная амплитуда опорной световой волны имеет следующий вид: ЁОП(, ) - Bexp(j|-tv). (О

3

где В - комплексная постоянная;

j - мнимая единица;

k - волновое число света;

F - фокусное расстояние интегрирующей линзы;

V - скорость акустической волны

в звукопроводе УМС. При полной компенсации допплеровского сдвига частоты интерференционная картина не флюктуирует во времени и может быть реализовано время регистрации, равное разности между временной апертурой УМС и длительностью сигнала, В работе Арма и Кинга предложены схемы, реализующие генера тор опорного пучка как с частичной, так и с полной компенсацией допштеровского сдвига частоты в предметном пучке.

Существенным недостатком прототипа является то, что апертура УМС используется не эффективно Б том смысле, что для обеспечения требуемого временй регистрации голограммы значительная часть апер- туры должна оставаться не заполненной сигналом. С другой стороны, когда длительность записываемого сигнал приближается к величине временной апертуры УМС, время регистрации голограммы сокращается, что приводит к необходимости использовать более чувствительный фотоматериал или более мощный источник света. Так, например, используя жидкостной УМС на воде с апертурой 30 мкс и применяя полную компенсацию опорного пучка, можно записывать сигнал длительностью 15 МКС в течение 15 мкс. Очевидно, что, если с помощью данного УМС требуется записать сигнал длительностью 25 мкс, то для регистрации голограммы остается лишь 5 мкс и т.д. Известно, что величина апертуры современных УМС ограничена (затуханием акустических волн в звукопроводах - для ткидкостных и аморфных твердотельных УМС и технологическими условиями выращивания кристаллов - для многокристаллических УМС) значением в несколько десятков

микросекунд. Поэтому увеличение времени регистрации голограммы за счет увеличения временной апертуры УМС практически невозможно.

Целью изобретения является увеличение эффективности записи з счет

7. 4

увеличения времени регистрации голограммы .

Поставленная цель достигается тем, что по способу голографической записи электрических сигналов путем преобразования входного сигнала в акустическую волну в УМС, освещения УМС световым пучком, регистрации голограммы дифрагированным световым пучком на акустической волне плоской опорной световой волны, угол падения которой на плоскость регистрации голограммы непрерывно меняется в течение времени регистрации, процесс регистрации начинают с момента входа переднего фронта акустической волны в освещенную световьгм пучком часть звукопровода УМС и оканчивают моментом выхода из нее заднего фронта акустической волны.

При использовании такого режима записи время регистрации голограммы всегда численно равно временной апер туре УМС независимо от того, какую часть от нее составляет длительность записываемого сигнала. Возвращаясь к приведенному выше численному примеру, отметим, что при использовании предлагаемого режима записи время регистрации голограммы для УМС с временной апертурой 30 мкс будет равно 30 мкс как при записи сигнала длительностью 15 мкс, так и длительностью 25 мкс.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего предложенный способ записи сигналов.

Устройство содержит лазер 1, систему линз 2, коллимирующих световой пучок, делитель светового пучка 3, генератор опорного пучка 4, КОТОРЕЛИ обеспечивает необходимый закон изменения во времени угла падения Cf(t) опорного светового пучка на плоскость регистрации голограмм :, зеркало 5, УМС 6, пьезопреобразователь 7, возбуждающий акустическ то волну в звукопроводе УМС, источник записываемого сигнала 8, интегрирующую линзу 9, осуществляющую пространственное преобразование Фурье, и регистрирующую среду Ю,

Записываемый сигнал U(t) подают на пьезопреобразователь 7, который возбуждает акустическую волну в звукопроводе УМС 6. Когда передний фронт акустической волны достигает освещенной световым пучком части звукопровода УМС, генератор опорного пу ка начинает изменять угол падения опорного пучка cp(t) на плоскость р гистрации по закону sinq(t) sinCf(O) - --, где (f(0) - начальный угол падения опорного пучка. При этом комплексная амплитуда опорной световой волны имеет вид Eon(.t) Bexpf-jk sint|p(0) -г. т.е. закон изменения угла падения опорного пучка тот же, что и для способа, описанного в прототипе. Р гистрирующая среда 10, помещенная в области первого дифракционного порядка предметного пучка в задней фокальной плоскости интегрирующей линзы 9, регистрирует интерференци онную картину, образованную предме ным и опорным пучками. Процесс регистрации заканчивается в момент, когда задний фронт акустической во выходит из области звукопровода УМ освещенной световым пучком. Можно показать, что функция пропускания полученной голограммы будет содержать ряд слагаемых, одно из которы имеет следующий вид: Р(Р D (|)Ju(S)(K - P)xldK,(А D - комплексная постоянная; Т - длительность сигнала; К - волновое число акустическ волны в УМС; 2L - размер апертуры УМС. Сомножитель в виде интеграла в приведенном выражении есть не что ино как пространственный Фурье-спектр и(К - --) входного сигнала U(t). Сомножитель означает, что гистрация спектра сигнала осуществ лялась в течение времени, равного временной апертуре УМС. Этот результат можно пояснить с дующим образом. Рассмотрим произвольную, достаточно малую часть си нала U4X, распространяющегося в ви акустической волны в УМС. Очевидно что при использовании предложенног способа записи регистрации Фурьеспектра любой части сигнала на голограмму осуществляется в течение 2L времени -, т.е. пока часть сигнала идх проходит всю временную апертуру УМС., освещенную световым пучком. Опорный же пучок обеспечивает надлежащую фазу записываемой на голограмму информации при перемещении UAX по апертуре УМС. Так как спектр любой части сигнала Uux регистрируется в 2L течение времени -, то естественно ожидать, что и спектр всего сигнала 2L записывается в течение времени .--. Проводя аналогичные рассуждения для способа записи, описанного в прототипе, легко видеть,что там любая часть сигналов Одх и спектр всего сигнала регистрируется в течение времени, равного разности между временной апертурой УМС и длительностью записываемого сигнала. Восстановление оптического аналога сигнала по записи его Фурье-спектра на голограмме производят в простом оптическом спектроанализаторе аналогично тому, как это описано в статье Арма и Кинга. При восстановлении голограммы световые пучки, соответствующие постоянной составляющей и комплексно сопряженному спектру сигнала,могут быть отфильтрованы диафрагмой. Отметим, что при регистрации голограммы предложенным способом интерференционная картина имеет существенно нестационарный характер. А именно, если во время регистрации голограммы способом, описанным в прототипе, {менялся лишь фазовый спектр сиг-, нала, то при записи предложенным спо собой происходит изменение как фазового, так и амплитудного спектра сигнала в плоскости регистрации. Изменение амплитудного спектра имеет место, когда сигнал входит в апертуру УМС, освещенную световым пучком, и когда выходит из нее. Однако при соблюдении указанного режима записи и характера изменения опорного пучка Фурье-спектр всего сигнала регистрируется без искажений в течение времени равного временной апертуре УМС. Таким образом, предложенный способ записи позволяет увеличить время регистрации голограммы с нескольких

микросекунд (при записи с полной ком пенсацией опорного пучка по способу, описанному в прототипе) до нескольких десятков микросекунд. При этом не требуется каких-либо дополнительных аппаратурных усложнений по сравнению с реализацией способа записи прототипа с полной компенсацией опорного пучка.

Описываемый способ голографической записи электрических сигналов существенно улучшает известньй, увеличивая время регистрации голограммы, и может быть применен при создании голографических запоминающих устройств и при записи радиосигналов ,

СПОСОБ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ путем преобразования входного сигнала в акустическую волну в ультразвуковом модуляторе света (УМС), освещения УМС световым пучком, регистрации голограммы дифрагированного на акустической волне светового пучка с плоской опорной световой волной, угол падения которой на плоскость регистрации голограммы непрерывно меняется в течение времени регистрации, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффективности записи, процесс регистрации начинают с момента входа переднего фронта акустической волны в осве щенную световым пучком часть звуко(Л провода УМС и оканчивают моментом выхода из нее заднего фронта акустис ческой волны. чо ы 5