Голография и нелинейная оптика

3.5 Голографические запоминающие устройства

Способность голограмм Фурье хранить информацию успешно реализуется в голографических запоминающих устройствах (ГЗУ). При построении последних стандартным стало использование принципа страничной записи информации в виде матрицы голограмм с их адресацией лучом лазера.

Преимущества оптической памяти состоят в большой емкости (и, соответственно, высокой плотности хранения информации) и высоком быстродействии, возможности параллельной обработки информации, высокой надежности хранения, быстром доступе к массивам информации, отсутствии энергопотребления в статическом состоянии, а главное - большой помехоустойчивости голограмм.

Все ГЗУ можно разделить на следующие основные типы:

- оперативные ГЗУ (на двумерных голограммах и трехмерных с трехкоординатной адресацией);

- массовые ГЗУ;

- ГЗУ постоянного типа;

- архивные ГЗУ.

Архивные ГЗУ предназначены для записи и хранения документов без предварительного кодирования. Запись позволяет получить уменьшение документов в 100-200 раз и записать страницу формата 210 Ч 297 мм в виде фурье-голограммы размером 1-2 мм. На одном носителе записывается около 104 голограмм, но можно довести емкость носителя и до 107. Такие ГЗУ обеспечивают длительное хранение (5-10 лет) без перезаписи, что обусловлено устойчивостью к дефектам носителя, пыли и т.д., а также независимостью от действия внешних электромагнитных и радиационных воздействий. Подобной системой могут оснащаться непосредственно читальные залы крупных библиотек.

Массовые ГЗУ сверхбольшой емкости можно получить, если нанести регистрирующую среду на движущийся носитель типа диска или ленты. В качестве регистрирующей среды для таких систем используют магнитооптические пленки. В ГЗУ с движущимся носителем может быть достигнута высокая плотность записи (порядка 105 бит/мм2), близкая к теоретическому пределу, что на два порядка превышает плотность хранения, достигнутого в ЗУ на магнитных носителях. Емкость таких ГЗУ можно довести до 1013 бит. Чтобы избежать размазывания из-за движения носителя, запись голограмм производится коротким световым импульсом.

Голографические запоминающие устройства постоянного типа (ГЗПУ) не требуют реверсивного регистрирующего материала, обладающего свойством стирания. Наиболее высокое быстродействие среды подобных систем имеют ГПЗУ со страничной организацией и адресуемым лучом. Запись голограмм на носитель информации.

3.6 Носители информации для голографических ЗУ

Проблемы применения. Использование лазерной техники для ввода, хранения и выдачи информации в форме объемных изображений позволило создать голографические средства отображения (СО). Объемными изображениями удобно располагать при компьютерном проектировании и производстве, при моделировании сложных объектов, например, летательного аппарата. Такую модель которого можно "прокрутить" на все 360°; при решении уравнений, описывающих трехмерные фигуры (рис.); при наблюдении за поведением живых организмов, клеток, молекул; в устройствах тренажеров для имитации обстановки, максимально приближенной к реальной, при обучении летного состава навыкам пилотирования и в обучающих системах; для тиражирования качественных объемных изображений музейных ценностей; для создания стереоскопических кинофильмов, а также в других специальных приложениях. Богатейшие возможности голографии еще не до конца изучены даже крупнейшими специалистами в этой области.

Рис. Пример результата решения уравнения на ЭВМ в форме пространственного тела.

Дальнейший прогресс в развитии современной вычислительной техники связывают с созданием полностью оптического компьютера, в котором не только обработка информации, но и запись информации и ее считывание осуществляются с помощью лазера.

В последние годы интенсивно развиваются различные направления создания голографических ЗУ, использующих оптические методы записи и считывания информации и обеспечивающих высокое быстродействие и произвольный порядок выборки. Объем памяти голографических ЗУ практически неограничен: теоретически достижимая плотность записи с помощью двумерных голограмм 4-108 бит/см2, а с помощью объемных голограмм 4-1012 бит/см3 .

Центральной проблемой создания голографических ЗУ является выбор подходящего материала для создания рабочего регистрирующего слоя носителя информации. Регистрирующая среда для голографических ЗУ должна удовлетворять целому ряду требований, наиболее существенными среди которых являются:

- низкий энергетический порог записи, требующий минимальной плотности энергии записи (от 2-106 Дж/см2 для наиболее распространенных фоточувствительных материалов марки Kodak 649, до 100 Дж/см2 для нелегированного фотополимера типа РММА);

- высокая разрешающая способность;

- высокая дифракционная эффективность, определяемая той частью считывающего опорного луча, которая используется на воспроизведение изображения;

- возможность многократного использования материала для повторных циклов запись-считывание-стирание без существенного ухудшения качества хранимой информации (обратимость материала);

- большая продолжительность хранения информации;

- возможность хранения при отключении питания.

Некоторые из перечисленных требований могут оказаться несовместимыми в применении к конкретной регистрирующей среде. Регистрация голограмм может быть реализована на целом ряде веществ, в которых происходят различные физические процессы при взаимодействии с лазерным излучением. Наиболее часто используются следующие материалы: аморфные полупроводники, термопластические материалы, магнитные пленки, окислы ванадия, фотохромные материалы, сегнетоэлектрические фотопроводники.

Первые голограммы создавались на обычных фотоносителях, допускавших только однократную запись. Использование серебра в фототехнике повышало стоимость записи информации. В настоящее время наиболее интенсивно исследуются и используются аморфные полупроводники, в частности, халькогенидные полупроводниковые стекла, технология изготовления которых проста и дешева. К ним относятся соединения, содержащие один или несколько халькогенов, к которым относятся сера, селен и теллур.

При их взаимодействии с кремнием, германием, висмутом, мышьяком создаются разнообразные аморфные системы -халькогенидные стекла, характеризующиеся тем, что лазерное излучение влияет на их оптические, электрические и структурные параметры. Тонкие слои халькогенидных стекол в виде пленки получают напылением на подложки из слюды или окисных стекол.

Воспроизведение голограмм. Для воспроизведения объемного изображения голограмма помещается под излучение лазера той же длины волны, которая использовалась при записи голограммы. Зеркальный экран освещается потоком опорного света лазера и отраженного от голограммы (рис.). Происходит сложение этих волн, обратное тому сложению, которое производилось при записи голограммы, и на экране возникает объемное изображение объекта. Разумеется, при перемещении оператора по дуге около экрана его глаза не смогут увидеть больше того, что "увидел", т. е. просканировал ранее, лазер - изометрическую проекцию объекта. Однако оператору не потребуется стереоскопических очков, как при использовании стереоскопических установок.

Рис. Процесс воспроизведения голограммы

Возможно большое увеличение масштаба изображения, для чего не требуется сложная оптическая система. Увеличение достигается кратным изменением частоты волн, излучаемых считывающим лазером. Благодаря этому возможно создание коллективного средства объемного отображения информации.

Голографические устройства - это своеобразные ВЗУ. Возможно составление картотеки разных объектов, которые могут воспроизводиться по мере надобности. Голограмма может быть введена в ЭВМ с помощью устройства считывания изображений - сканера, и выведена из ЭВМ и восстановлена на носителе. Для этого ее выводят на экран электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) дисплея и затем фотографируют. При этом важное значение имеют вопросы синхронизации развертки ЭЛТ и сканирования лазерного луча. Для получения цветных изображений объект облучается последовательно тремя лазерами - красным, синим и зеленым и создаются три голограммы по красному, синему и зеленому цветам. При воспроизведении голограммы необходима установка также с тремя лазерами. В настоящее время разработан метод воспроизведения голограмм, использующий освещение голограммы обычным белым светом, что делает голограммы более доступными и удобными.

Создание голограмм. Для записи информации на носитель используются процессы кристаллизации и аморфизации в слоях аморфной системы теллур - мышьяк - германий. Пленка предварительно закристаллизовывается с помощью инжекционного лазера. Запись информации происходит вследствие быстро протекающего, порядка 10-4с, процесса аморфизации в тех участках, куда попадает луч лазера. При этом скорость записи ограничивается лишь быстродействием лазера, а не скоростью протекания процессов в пленке.

Стирание записанной информации может осуществляться двумя способами: продвижением носителя (подложки с пленкой) под слабым лучом инжекционного лазера или нагреванием всей пленки до температуры 393 К. В таблице приведены некоторые технические характеристики лазерной системы голографического ЗУ.

Длина волны излучения лазера для пленок рассматриваемой системы особой роли не играет. Частота записи информации инжекционным лазером порядка 106 бит/с. При использовании соответствующей техники достигнута плотность записи 107 бит/см2.

Ограничения, накладываемые на допустимое число обратимых циклов, носят механический характер из-за растрескивания пленки и отслоения ее от подложки. Стирание информации на отдельных участках пленки затруднительно, так как при селективном нагреве лазерным лучом происходит процесс испарения. В связи с этим разрабатываются новые принципы стирания, в том числе с использованием защитных покрытий из окисла кремния.

Рассмотрим процесс создания голограммы - голографического изображения какого-нибудь объемного объекта. В обычной черно-белой фотографии на фотоносителе фиксируется только интенсивность света, отражаемого объектом, и отсутствуют сведения о фазе приходящего на носитель светового луча.

В отличие от обычной фотографии на голограмме записывается интерференционная картина, образованная наложением опорного светового луча и луча, отраженного от объекта. При этом на голограмме фиксируется информация как об амплитуде, так и о фазе световых волн, отраженных от объекта.

Стереоскопичность зрения человека. Т. е. способность воспринимать глубину пространства и оценивать относительное расположение предметов в пространстве, объясняется тем, что изображения расположенного в трехмерном пространстве рассматриваемого объемного объекта, поступающие на сетчатку правого и левого глаза, неодинаковы, так как получены с разных точек зрения, отстоящих друг от друга на расстояние между центрами зрачков.

Сочетание этих двух изображений называется стереопарой. Существуют разные способы получения объемного восприятия стереопар. На основе воспроизведения на специальном экране стереопар, полученных при съемке кинокадров, было создано стереокино

В лазерных голографических установках используется одно из свойств лазерного луча - когерентность световых волн, т.е равенство фаз монохроматических волн Объект освещается сканирующим лазерным лучом Сканирование осуществляется с помощью отклоняющей системы, представляющей собой решетку вращающихся призматических полупрозрачных зеркал Когерентные линейно поляризованные в одной плоскости волны достигают разноудаленные части объекта в разных фазах. Носитель освещается опорным когерентным светом; на него также направляются и отраженные волны. В зависимости от соотношения фаз опорных и отраженных световых волн происходит усиление в 4 раза (когда волны находятся в фазе) и ослабление в 4 раза (когда они в противофазе) интенсивности света, достигающего носитель.

При других значениях разностей фаз получаются промежуточные значения интенсивности поступающего на носитель света. В результате на носителе образуются светлые, затемненные и темные пятна, складывающиеся в интерференционную картину, даже отдаленно не напоминающую объект и регистрируемую на рабочем слое носителя.

Заключение

Основоположниками голографии являются Д. Габор - изобретатель голографии, который впервые сформулировал данное понятие и ввел термин «голография», и Ю.Н. Денисюк - первооткрыватель и основатель голографии в трехмерных средах, чье открытие «трехмерная голограмма» перевело голографический метод из области инструментальной оптики в область фундаментальной физики.

Начало широкому практическому применению голографии положили Э. Лейт и Ю. Упатниекс, применившие для регистрации голограмм лазер и внеосевую схему расположения интерферирующих пучков.

Появились исследования, которые заложили основы ряда современных направлений: цифровая голография, динамическая голография - направление, объединяющее голографию и нелинейную оптику, поляризационная голография, акустическая, изобразительная и другие.

Массовая печать и научно-фантастическая литература часто преподносят голографию в довольно искаженном, неверном свете. Нередко они создают в общем неправильное представление об этом методе. Увиденная впервые голограмма завораживает, но физическое объяснение того, как она работает, производит не меньшее впечатление. Только после этого начинаешь понимать как потенциальные возможности, так и пределы применимости голографии - не только сегодня, но и в будущем.

Голография ? очень важная область современной науки и техники. Она может быть использована как в бытовых целях (развлечения, 3-D камеры), так и в разных областях науки: от медицины (изучение внутренностей без хирургического вмешательства) до физики (создание теории, проливающей свет на устройство Вселенной). Сейчас раскрыт не весь потенциал голографии, но огромные перспективы, скорее всего, со временем привлекут множество учёных и инвесторов к развитию этого интересного предмета.

Согласованные усилия многих исследователей позволили накопить ряд сведений и фактов о свойствах трехмерных голограмм. За этими на первый взгляд разрозненными фактами достаточно отчетливо вырисовывается то единое явление природы, которое лежит в их основе. Оказывается, что материализованная объемная картина волн интенсивности способна воспроизводить волновое поле со всеми его параметрами - амплитудой, фазой, спектральным составом, состоянием поляризации и даже с изменениями этих параметров во времени.

В качестве заключения также необходимо указать, что наряду с рядом практических задач, решенных методами голографической проекции, существует целый спектр проблем, решение которых методами голографии является задачей будущего. В основном это связано, что общая картина этого явления пока еще далека от завершения. И дело здесь не только в том, что в ряде случаев мы не знаем полностью набор отображающих свойств некоторых видов голограмм. Есть все основания считать, что будут открыты новые неожиданные оптические свойства голограмм.

Вполне вероятно, что ряд новых эффектов будет обнаружен при применении светочувствительных материалов, обладающих специфическими свойствами, подобно тому, как применение резонансных и поляризационных сред открыло возможность записи временных и поляризационных характеристик волновых полей. И наконец, прецедент объединения голографии и нелинейной оптики в динамическую голографию показывает, что внесение идей голографии в смежные с ней области знаний может привести к появлению совершенно новых направлений.

Литература

1. Ландсберг Г. С «Общий курс физики: оптика.» - М: «Наука.»,1976 г.

2. Дзюбенко А.Г. «Применение голографии в технике.» - М: «Знание»,1976 г.

3. Островский Ю.И. «Голография и ее применение.» - М: «Наука»,1976 г.

4. Андреева О. В. Прикладная голография: учебное пособие. / О. В. Андреева. - СПб: СПбГУИТМО, 2008. - 184 с.

5. Денисюк Ю. Н. Принципы голографии / Ю. Н. Денисюк. - Л.: ГОИ, 1978. - 125 с.

6. Корешев С. Н. Основы голографии и голограммной оптики / С. Н. Корешев - СПб: СПбГУИТМО, 2009. - 97 с.

7. Комар В., Серов А. «Изобразительная голография и голографический кинематограф», 1987 г.

8. Марипов А. «Радужная голографии» М: «Наука», 1988 г.

9. Морозов А., Кононов И. «Оптические голографические приборы», 1988 г.

10. Строук Дж. «Введение в когерентную оптику и голографию», 1967 г.

11. Милер М. «Голография», 1979 г.

12. Ярославский Л.П., Мерзляков Н.С. «Цифровая голография» М: «Наука». 1982 г., 219с

13. Короленко П.В. «Оптика когерентного излучения», М., 1997 г.

14. Воробьев С.П. «Наблюдение отражающих голограмм», 1971 г.

15. Интернет источники:

А) «Принципы голографии», В.В. Слабко, 1997г. http://www.pereplet.ru/

Б) Свободная Интернет-энциклопедия Википедия //ru.wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru