Оптикоэлектроника (стр. 2 из 2)
Обычно внутренняя (световедущая) жила изготавливается из чистого кварца, а светоотражающая оболочка, имеющая меньший показатель преломления, из кварца, легированного бором. Диаметр внутренней жилы световода обычно не превышает десятков мкм, диаметр оболочки — 100 мкм. Как показывают экспериментальные исследования, такие световоды отличаются высокой прочностью и в то же время устойчивы к изгибам и скручиванию.
Двухслойные световоды могут объединяться в кабели, содержащие до нескольких сот двухслойных волокон (рис. 10.6). Типовые технические данные оптических кабелей следующие: наружный диаметр 2...20 мм; прочность на разрыв—от десятков до сотен
ньютонов, масса—2...200 г/м (минимальные значения порядка 0,3 г/м), допустимый радиус изгиба 5...50 см.
Весьма сложную задачу представляет собой ввод излучения в световод. Наилучшее сопряжение достигается при использовании в качестве излучателя твердотельного лазера, создающего когерентное излучение. Более сложно об" стоит дело при соединении световодов со светоизлучающими диодами, имеющими широкую диаграмму направленности. В этом случае световедущая сердцевина волокна размещается непосредственно над активной областью светодиода (рис. 10.7, и). Эффективность ввода может быть повышена с помощью специальных фокусирующих линзовых систем (рис. 10.7, б), однако это существенно усложняет конструкцию устройства ввода.
Оптоэлектронные устройства находят все более широкое применение в вычислительной технике. Наиболее перспективными в настоящее время считаются так называемые голографические устройства памяти ЭВМ, основанные на принципах голографии — нового, быстро развивающегося направления оптоэлектроники.
Прежде чем познакомиться с работой оптического запоминающего устройства (ЗУ), необходимо хотя бы в общих чертах рассмотреть сущность голографического отображения информации.
В 1947 г. английский ученый Д. Габор разработал метод записи и восстановления пространственной структуры световой волны (волнового фронта), который получил название голографии.
Известно, что обычное фотографическое изображение того или иного объекта не дает представления о его объемных свойствах. Это происходит потому, что фотопластинка реагирует только на среднюю интенсивность света при экспонировании и не способна реагировать на фазу световой волны, которая зависит от расстояния между объектом и фотопластинкой. Д. Габор обратил внимание на то, что при фотографировании всегда приходится осуществлять наводку на резкость, иначе изображение будет нечетким. Между тем, независимо от наводки на резкость, с лучами света, образующими изображение на фотопластинке, никаких изменений на участке между объектом и фотопластинкой не происходит. В связи с этим Д. Габор предположил, что изображение объекта присутствует в скрытом от наблюдателя виде в любой
Рис. 10.7. Ввод излучения в световод:
а—безлинзовая система (1—кристалл световода; активная излучающая область; 3—световод: 4— оптический клей); б—с помощью фокусирующей линзы (1—излучатель; 2 — фокусирующий элемент; 3 - световод)
плоскости между объектом и фотопластинкой. Иначе говоря, изображение в том или ином виде содержится в самой структуре световой волны, распространяющейся от объекта к объективу фотоаппарата. Именно эта волна несет наиболее полную информацию об объекте, причем эта информация оказывается зашифрованной в амплитудных и фазовых изменениях волнового фронта. Таким образом, для получения необходимой информации об объекте, в том числе и о его объеме, достаточно зафиксировать (записать) пространственную структуру световой волны, а затем, используя эту запись, восстановить изображение объекта. Этот двухступенчатый процесс записи и восстановления волнового фронта, несущего информацию об объекте, и называется голографией, а зафиксированная пространственная структура световой волны — голограммой.
Каким же образом можно зафиксировать на фотопластинке ч амплитуду, и фазу световой волны? Д. Габор предложил использовать для записи голограммы явление интерференции двух когерентных световых лучей, а для восстановления изображения с голограммы — явление дифракции света.
Как известно, при интерференции волны от двух одинаковых источников света, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, в любой точке пространства будут накладываться друг на друга, причем в некоторых точках произойдет удвоение амплитуды, а в некоторых амплитуда колебаний окажется равной нулю. Это дает основание утверждать, что в интерференционной картине содержится определенная фазовая информация, позволяющая определить расстояние от какого-то места интерференционной картины до источника (или источников) изучения. Величина максимумов распределения поля в интерференционной картине позволяет оценить интенсивность излучения, а соотношение между максимумами и минимумами — когерентность. Следовательно, в интерференционной картине (голограмме) записана вся возможная информация об излучении источников.
Когерентный луч света, который освещает объект и рассеивается им, называют сигнальным; луч, создающий когерентный фон — опорным.
Одна из важнейших особенностей голографии — возможность записи большого числа голограмм на одной и той же фотопластинке при использовании по-разному направленных опорных лучей.
Если для записи голограммы необходимы два источника когерентного изучения, то для восстановления изображения объекта голограмму достаточно осветить только одним опорным лучом. Для извлечения информации из голограммы обычно пользуются той же установкой, что и для голографирования. Голограмма устанавливается на то же место, где находилась фотопластинка при изготовлении голограммы, и облучается лучом лазера.
За счет явления дифракции луч света после прохождения голограммы разделяется на три составляющих: одна из них проходит через голограмну без изменения направления (так называемый луч нулевого дифракционного порядка); два других отклоняются от первоначального направления на некоторый угол, зависящий от длины волны и шага интерференционных полос, зафиксированных на голограмме (лучи первого и второго дифракционного порядков). Эти лучи содержат всю информацию о голограмме, а наблюдатель, фиксирующий их, получает наиболее полное представление о форме и объеме соответствующего объекта.
.'Рассмотрим теперь возможности записи информации в голографических ЗУ вычислительных машин (рис. 10.8).
.Объектом записи в вычислительной технике обычно является .'вумерная матрица двоичных знаков. При записи информации луч лазера с помощью системы зеркал разделится на два: сигнальный, проходящий через запоминаемый объект, и опорный. Направление опорного луча управляется дефлектором — устройством, состоя-
Рис. 10.8. Структурная схема голографического запоминающего устройства (ЗУ)
щим из модулятора поляризации света и лучепреломляющего кристалла. В зависимости от комбинации управляющих напряжений, поступающих на вход модулятора, можно получить множество пространственных положений светового луча. Изменение дефлектором направления опорного луча позволяет последовательно записать необходимое .число голограмм.
Цифровая информация, подлежащая записи, наносится на так называемый транспарант, представляющий собой двумерную матрицу прозрачных и непрозрачных участков, соответствующих единицам и нулям двоичного кода.
При воспроизведении информации дефлектор настраивается на определенное положение опорной волны и таким образом выбирается изображение требуемого транспаранта. Сигнальный луч при этом перекрывается затвором. Дальнейшая выборка нужной информации осуществляется электронным путем при обработке сигналов, зафиксированных при воспроизведении на матрице фотоприемников.
Стандартные фотопластинки, используемые в голографических ЗУ, обеспечивают сочетание высокой разрешающей способности (до 3 • 103 .линий/мм) и фото чувствительности (порядка 10 в -5Дж/см2). Емкость памяти типичного голографического ЗУ составляет 106 бит/с.
Повышенный интерес к топографическим ЗУ объясняется не только большой информационной емкостью голограмм. Основным фактором является высокая помехоустойчивость голографической записи, поскольку при любых видах помех интерференционная картина записанного изображения практически не нарушается.