Способ записи и считывания голограмм

бифиятоа а Б 011683578 ОПИСХ Союз Соьетских Социалистических Республик.77 (21) 2459837/18-25 2) Заявлен 51) М. Кл ЗН 118 присоединением заявк 23) Приоритет43) Опубликова Государстееннык коми СССРпо делам изобретеии открытий 772,99 (088.8 45) Дата опубликования описания 72) Авторы изобретения Нагли явинь Институт физики АН Латвийской С(71) Заявитель ГОЛО ГРАМ 4) СПОСОБ ЗАПИСИ И СЧИТЪВ Изобретение относится к голографии и может быть применено в вычислительной технике.Известен способ записи и считывания голограмм в усиливающих средах 1).Воздействием когерентного света в активной среде, в красителе, создается пространственное распределение концентрации возбужденных состояний одной составляющеи раствора красителя (запись). Одновременно с записью при помощи когерентного света, спектрально соответствующего излучению данной составляющей раствора, инициируются вынужденные переходы, при помощи которых восстанавливается пространственное изображение записанного объекта.11 олученные голограммы называют динамическими.Однако при таком способе полученные голограммы не обладают памятью, так как запись, запрос и считывание могут быть осуществлены только одновременно,Наиболее близким к предлагаемому является способ записи и считывания 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 1.80. Бюллетень М 41 (53) формирования сигнала запроса освещением некогерентным светом, спектрально соответствующим г-полосе поглощения и ответного сигнала из-за электронно-колебательных переходов в активаторе 121.Б этом способе ответный сигнал считывания формируется из совокупности квантов света (й 34), 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 быст родействия цикла запись - считывание - стирание.Для достижения цели ответный сигналформируют дополнительным воздействием когерентного света пз спектральной области излучения активатора, вызывающим вынужденные электронно-колебательные переходы в активаторе.При физических исследованиях было выяснено, что осуществляя электронно-коле бательные переходы на возбужденном активаторном состоянии при реальных мощностях Р 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; сужению спектра испускания активатора; эффекту усиления проходящего через кристалл света, спектрально совпадающего с областью испускания данного активатора. Упомянутые результаты, свидетельствующие о наличии вынужденного испускания активатора, были обнаружены в целом ряде активированных щелочногалоидных кристаллов. В качестве примера конкретные экспериментальные данные приведены для системы иодистого калия, активированного таллием (К) - Т 1), где концентрация активатора составляла 10" см ви концентрация рабочих центров - 15" - 10" см в . В данной системе в области комнатных температур максимум излучения таллия находится при 420 нм с полушириной 70 нм и максимум поглощения Р центров - при 690 нм с полу- шинной 70 нм. В качестве источника Р 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 1 в полосе 420 нм в зависимости 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 = =3,10 -с. На фиг. 4 показана зависимость времени затухания вынужденного испускания т, от интенсивности Р света 1 по мере увеличения интенсивности Р света 1 время затухания вынужденного испускания т, уменьшается. На фиг. 5 иллюстрируется распределение интенсивностей 1 короткого выброса и длительного затухания ответного сигнала (см. фиг. 1, 2, 3) в зависимости от энергии кванта испускания активатора Е, т. е. - спектр вынужденного 1 и спонтанного 11 испускания данного активатора, Как и следовало ожидать, спектр вынужденного испускания уже спонтанного.Далее для системы КЯ - Т 1 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 обла 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 4сти максимума излучения активатора. При длине активной (возбужденной) области 5 мм, проходящий через нее свет усиливается примерно в 4 раза (ошибка эксперимента 50), при этом коэффициент отрицательного поглощения имеет значение 2,5 - 1 см - .Все перечисленные результаты физических исследований подтверждают наличие вынужденного испускания активатора (при заселенности уровня активатора Р-центрами). Вынужденное испускание, как известно, является фазочувствительным явлением. Это позволяет 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, Р,Следующим этапом является запрос.Однако в данном случае к Р свету предьявляются 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 1 УкВ/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 электронно- колебательных 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 ц/юУвеличение 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 оз - Рз 4, где оз- эффективное сечение отрицательного поглощения для уровней 3 и 4 и Р,4 - интенсивность совокупностей потока квантов когерентного сигнала.оз; является постоянной величиной, имеющей значения порядка 10 в " см и 10 в " см- для активаторов Т 1 и 1 п соответственно. Р 4 может иметь различные значения, увеличением значений Р,4 можно увеличить вероятность данных вынужденных переходов. Выбирая интенсивность Р,4 такой, чтобы вероятность вынужденных переходов превысила вероятность спонтанных переходов (это в конкретном случае имеет силу, если Рз 4=10-4 - 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. с. 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 5 сравнению с прототипом.Формула изобретения10 Способ записи и считывания голограмм,заключающийся в записи информации вактивированном щелочногалоидном кристалле когерентным светом путем созданияили частичного разрушения пространствен 15 ного распределения концентрации пар рабочих центров и считывания путем формирования сигнала запроса освещением некогерентным светом, спектрально соответствующим г-полосе поглощения и ответного20 сигнала из-за электронно-колебательных переходов в активаторе, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения дифракционной эффективности голограмм и быстродействия цикла запись - считывание - стирание,Ы ответный сигнал формируют дополнительным воздействием когсрентного света изспектральной области излучения активатора, вызываюгцим вынужденные электронноколебательные пеоеходы в активаторе.30 Источники информации,принятые во внимание прп экспертизе1. Ивакин Е. В. и др. Динамические голограммы в усиливающей среде Квантоваяэлектроника, 1975, т. 2,7, с. 1556.2, Стадник Б. и Троннер 3. Дифракцион.ная эффективность обьемных голограмм,зарегистрированных в кристаллах КС 1 иКВг с Г-центрами Оптика и спектроскопия 1976, т. 41, вып. 1, с. 118 (прототип).683578 оо, аа Фиг. 1 70 ог. 7 нс Е,з Составитель ртамонов едактор Т. Колодцева Техред А. Камышникова Корректор В. До аказ 27051 Изд.597 Тираж 545 Подписно НПО Поиск Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 Типография, пр, Сапунова, 2