10.1.2. Виды голографической памяти

10.1.2.1. Основные конструктивные содбражения

Основные конструктивные решения для создания голографической памяти в общих чертах были разработаны к 1970 г. (см., например, [3, 24, 27, 28, 31, 33]). Именно эти основы мы и обсудим в данном разделе. В разд. 10.1.4 мы подробно рассмотрим количественные аспекты технического воплощения этих конструктивных решений. Обширные обзоры по устройствам голографической памяти выполнили Хилл 116], Хаскол и Чен , а также Вандер Люгт [40].

а. Голограммы Фурье. Информацию предпочтительно хранить в голографической форме, а не в виде прямого изображения или

двоичных чисел. В типичном случае голограмма представляет собой запись интерференционной картины от фурье-образа распределения двоичной информации и плоской опорной волны. Благодаря тому что информация в голограмме содержится в распределенной форме, она защищена от локальных потерь, связанных с дефектами материала и пылью на поверхности. Голограммы Фурье обладают также тем достоинством, что они дают воспроизводимое изображение, инвариантное к смещениям вбок от опорного пучка. Более подробно голограммы Фурье рассматриваются в § 4.3 (см. т. 1 настоящей книги).

б. Хранение информации в плоском формате. Информацию предпочтительно хранить в виде страниц, а не в трехмерном виде. Способность голографии давать трехмерные изображения объектов не играет роли в случае хранения информации. Восстановленная информация представляется в виде двумерных массивов, называемых страницами.

в. Цифровая информация. Информацию лучше хранить в виде двоичного кода, а не в виде изображения. Восстановленная страница с двоичными данными представляет собой совокупность светлых и темных пятен, соответствующих единицам и нулям цифровых данных.

Рис. 3. Голографическая запись и считывание страницы двоичных данных.

Можно также использовать представления в виде картины, отпечатанной страницы, рисунка, карты или фотографии. Однако при очень больших плотностях информации, например для

составителей страниц и матриц детекторов, предпочтительно использовать двоичный код. На рис. 3 схематически представлены основные операции записи и считывания страницы с цифровыми данными.

г. Толстые фазовые голограммы. Информацию предпочтительно хранить в виде толстых фазовых, а не в виде тонких или поглощательных голограмм. Такое конструктивное решение связано с тем, что фазовые голограммы по сравнению с поглощательными, а толстые по сравнению с тонкими имеют наивысшую информационную емкость. Данный вывод следует из сравнения максимальных дифракционных эффективностей этих основных типов голограмм.

Обычно голограммы различают по толщине с помощью параметров

здесь длина волны света в воздухе, толщина голограммы, ее показатель преломления, основной период решетки, определяемый выражением

где — половина угла между объектным и опорным пучками в воздухе, причем длина волны относится к записывающему свету (а не к считывающему). Для тонких голограмм

а для толстых

В случае пропускающих голограмм с синусоидальной модуляцией дифракционная эффективность в первом порядке при падении входного пучка под первым углом Брэгга обозначается буквой

Дифракционная эффективность тонких поглощательных голограмм дается выражением

где средний коэффициент поглощения света, — амплитуда синусоидальной модуляции поглощения, половина угла между объектным и опорным пучками внутри среды, модифицированная функция Бесселя первого рода и первого порядка. Максимальная возможная величина равна а; таким образом, максимальная дифракционная эффективность тонкой синусоидальной поглощательной голограммы равна

Дифракционная эффективность тонкой синусоидальной фазовой голограммы записывается в виде

где обычная функция Бесселя первого порядка, амплитуда модуляции показателя преломления. Максимум дифракционной эффективности соответствует, максимальной величине следовательно,

Дифракционная эффективность толстой синусоидальной поглощательной голограммы дается выражением

В этом случае максимальное значение дифракционной эффективности равно

Дифракционная эффективность толстой синусоидальной фазовой голограммы имеет вид

Следует отметить, что в этом выражении аргумент функции равен половине аргумента функции входящей в выражение (7). Если в выражении (11) аргумент равен нечетному числу то

Таким образом, толстые фазовые голограммы характеризуются наибольшей потенциальной емкостью хранения информации.

д. Немеханическая система. Система оптической памяти не должна содержать движущихся частей. Это необходимо для того, чтобы достичь реальных скоростей обработки, совместимых с требованиями ЭВМ. Кроме того, механические перемещения в сложной системе памяти, как правило, снижают ее надежность до недопустимого уровня.

10.1.2.2. Двумерная система хранения

Оптические голографические системы памяти можно классифицировать по толщине среды для записи голограммы, используемой в процессах хранения и восстановления. В двумерной системе хранения используются тонкие (поверхностные) голограммы, тогда как в трехмерной — толстые (объемные).

На рис. 4 схематически показана типичная система двумерной голографической памяти с произвольной выборкой. В такой системе роль тонкой среды для записи голограммы могут выполнять,

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

например, термопластик или фотографическая пленка, имеющая высокое разрешение. Здесь используется схема двумерного хранения (одна голограмма в плоскости среды для записи) в отличие от более емких и сложных систем трехмерного хранения, описываемых в п. 10.1.2.3. На рис. 4 изображены основные элементы, присутствующие в любой голографической системе памяти, — это источник света, дефлекторы пучка, составитель страниц, материал для записи голограммы и матрица детекторов. Эти элементы связаны между собой с помощью различных электронных и оптических устройств. Схема, изображенная на рис. 4, является типичной. В литературе рассматриваются и другие схемы голографических систем памяти, устройство которых зависит от того, какие бы хотелось получить характеристики памяти [1, 11, 14, 21, 34, 37, 39].

На рис. 5 показано, как работает сложная двумерная голографическая система хранения информации, приведенная на рис. 4. На рис. 5, а иллюстрируется процесс записи для регистрации страницы данных, имеющей координаты в среде для записи голограммы. В материале для записи голограмм регистрируется распределение амплитуд объектного пучка, которое представляет собой фурье-образ (приближенно) страницы данных из составителя страниц. Это амплитудное распределение интерферирует с опорным пучком в плоскости записи. Оптические элементы системы заставляют объектный и опорный пучки пересекаться (посредством дефлекторов пучка) в любой выбранной плоскости памяти принадлежащей среде для хранения информации. Таким образом объектный и опорный пучки автоматически следят друг за другом. Процесс считывания при восстановлении страницы данных показан на рис. 5, б. При этом считываемая страница находится в той же плоскости с координатами что и страница, записанная на рис. 5, а. Но теперь присутствует лишь опорный пучок. проходит через среду для записи голограммы так, как это показано на рис. 5, б. Но на решетке голограммы часть опорного пучка дифрагирует, образуя комплексный волновой фронт, копирующий амплитуду, фазу и направление распространения волнового фронта исходного объектного пучка, используемого при записи. Падающее на нее распределение световых пятен (цифровые данные) считывается матрицей фото детекторов.

10.1.2.3. Трехмерная система хранения

На рис. 6 схематически показана типичная система трехмерной памяти с произвольной выборкой. В роли толстой среды для записи здесь может выступать электрооптический или фотохромный кристалл. В настоящее время разработан ряд трехмерных голографических систем хранения (см., например, работу [6]). В таких системах осуществляется суперпозиция множества голограмм в

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

одной и той же плоскости с координатами ху внутри толстой среды для записи, причем для различных голограмм опорный пучок имеет разные направления. Эти голограммы обнаруживают очень сильную угловую селективность, обусловленную их объемной природой [22]; таким образом, для считывания голограммы необходимо, чтобы опорный пучок падал на нее внутри узкого углового коридора относительно угла Брэгга для данной голограммы. Освещение вне этого углового коридора вызывает быстрое падение интенсивности в восстановленном изображении. Кроме того, чем толще голограмма, тем уже становится угловой коридор, в котором возможно восстановление (см. п. 10.1.4.6). Суперпозиция многих голограмм в одном месте влечет за собой дополнительную проблему записи новых голограмм таким образом, чтобы последние не оказывали влияния на записанные ранее. Например, если в качестве трехмерной среды для записи голограммы использовать электрооптический кристалл ниобата лития, то данную проблему можно решить с помощью внешнего электрического поля [2]. При этом значительно возрастает чувствительность при записи, тогда как чувствительность при стирании остается неизменной и составляет меньшую величину. Таким образом, когда записывается новая голограмма, другие голограммы, расположенные в том же месте, стираются лишь незначительно. Кроме того, осуществлялось хранение множества голограмм на ниобате лития с помощью метода градиента температуры [32]. При этом благодаря возникающей асимметрии свойств удалось получить селекцию по записи и стиранию, требуемую для хранения наложенной голограммы. Данный метод позволил записать на ниобате лития, легированном 0,01% железа, 500 голограмм, каждую с дифракционной эффективностью более чем 2,5%. Проблема селективного стирания отдельной голограммы среди множества наложенных голограмм была решена путем записи добавочной голограммы, в которой показатель преломления изменяется таким образом, что нейтрализует голограмму-оригинал [17].

На рис. 7 схематически показано, как действует сложная система трехмерной голографической памяти, изображенная на рис. 6. На рис. 7, а иллюстрируется процесс записи с целью регистрации страницы данных в некотором объеме среды с координатами При этом используется та же оптическая система, что и в двумерном случае, за исключением лишь дополнительного устройства отклонения, добавленного для того, чтобы менять угол падения опорного пучка на среду для записи голограммы. Оптическая система, так же как и в предыдущем случае, заставляет опорный и объектный пучки пересекаться в среде для хранения информации независимо от того, в какое место с координатами мы адресуем информацию (с помощью дефлекторов света). Таким образом, автоматическое слежение снова осуществляется с помощью оптического устройства. На рис. 7, б иллюстрируется процесс считывания в

трехмерной голографической памяти. На этом рисунке показано, как восстанавливается голограмма, хранимая в объеме с координатами Здесь все происходит точно так же, как и в двумерном случае, за исключением лишь того, что теперь каждому адресату с координатами соответствует множество угловых координат