8. СВЕРХПЛОТНАЯ И АССОЦИАТИВНАЯ ПАМЯТЬ НА ОСНОВЕ ТРЕХМЕРНЫХ ГОЛОГРАММ С ГЛУБОКОЙ ЗАПИСЬЮ

Развитие голографии с записью на относительно большую глубину стимулируется в основном попытками осуществить идею американского исследователя ван Хирдена, который предложил использовать уникальные возможности трехмерной голографии для создания оптической памяти с чрезвычайно большой емкостью [6]. По мнению ван Хирдена, сходство некоторых свойств голограммы и мозга подтверждает гипотезу английского физиолога Берля о том, что мозг хранит каждый бит информации не в одиночной пространственно-локализованной ячейке, а в виде одиночной пространственной гармоники возбуждения, заполняющей весь объем мозга [31]. Такой способ хранения информации имеет ряд достоинств. Например, в этом случае повреждение одного или нескольких участков мозга не вызывает полного исчезновения какой-либо части записанной в нем информации.

Вход в такую «нелокализованную» память весьма удобен. В отличие от памяти на пространственных ячейках, когда каждая расположенная внутри объема ячейка должна быть соединена с входным устройством специальным нервным волокном, в данном случае каждый элемент соединен только с ближайшими соседями.

Потенциальная емкость такого рода памяти грандиозна. Ван Хирден показал, что число независимых гармоник, с помощью которых можно записать информацию, равно объему голограммы, деленному на кубик с линейными размерами порядка длины волны света, используемого при ее записи. Для видимого света эта величина составляет порядка .

Практическое уплотнение записи при использовании трехмерной голограммы достигается за счет того, что на один и тот же - участок фотоматериала впечатывается одновременно много голограмм, отличающихся либо длиной волны записи, либо направлением опорного луча. Благодаря селективным свойствам трехмерной голограммы последующее считывание каждой из записанных голограмм можно провести независимо. Например, изображения могут быть одновременно записаны в виде голограмм на одном и том же участке фотоматериала либо с помощью опорных волн, характеризующихся одним и тем же волновым фронтом и различными длинами волн либо с помощью опорных волн характеризующихся одной и той же длиной волны, но различными направлениями распространения (рис. 9).

Появление оптической памяти с емкостью, приближающейся к предельной теоретической емкости трехмерной голограммы, должно оказать существенное влияние на развитие вычислительных машин. В такой памяти можно было бы записать, например,

громадную таблицу данных, полученных в результате различных математических операций, по аналогии с тем, как это делается при составлении таблиц логарифмов или синусов, и затем по мере надобности извлекать эти данные из памяти, не производя громоздких вычислений.

Рис. 9. К рассмотрению сверхплотной и ассоциативной памяти, реализуемой в трехмерных глубоких голограммах. V — объем голограммы, объекты, записываемые последовательно с помощью опорных волн отли чающихся направлением и длиной волны. Количество независимых ячеек при записи равно количеству кубиков кхкхк, помещающихся в объеме Безопорная трехмерная голограмма формируется в случае, когда опорная волна отсутствует, и запись осуществляется только излучением точек самого объекта, например точек стрелки О]. Такая голограмма восстанавливает «по ассоциации» целое изображение объекта, если на нее падает излучение какой-либо части — например, излучение точек острия стрелки

Аналогия трехмерной голограммы с мозгом простирается, по-видимому, гораздо дальше возможности создания сверхплотной памяти, нечувствительной к повреждению ее отдельных участков. В упомянутой работе ван Хирдена показано, что трехмерная голограмма может быть безопорной и что ей, как и мозгу, присуще свойство ассоциативной памяти.

Схему получения и восстановления трехмерной безопорной голограммы, т. е. такой, при записи которой не используется опорная волна, можно также уяснить из рис. 9. В этом случае при записи на голограмме регистрируется только излучение самого объекта, например стрелки при этом опорная волна отсутствует. Излучение каждой точки объекта, интерферируя с излучением всех его остальных точек, запишет в объеме голограммы множество пространственных гармоник, отличающихся значением пространственного периода и ориентацией в пространстве (гармоники на рис. 9).

Такая голограмма восстанавливается излучением от какой-либо отдельной части записанного на ней объекта, например

излучением точек острия стрелки Излучение каждой из таких точек в силу селективных свойств объемных пространственных гармоник будет взаимодействовать только с теми гармониками, в формировании которых это излучение участвовало во время записи 1). При этом, поскольку излучение любой из точек острия стрелки взаимодействовало с излучением всех остальных точек стрелки, каждая из точек острия восстановит изображение всей стрелки в целом. Эти изображения, складываясь, усиливают друг друга, и в результате образуется единое яркое изображение стрелки. Таким образом, по отдельной части записанной на ней сцены (по острию стрелки) голограмма «вспомнила» всю сцену, т. е. восстановила изображение всей стрелки.

Замечательной особенностью этого на первый взгляд простого процесса является то, что он весьма схож с ассоциативной памятью. Любой человек пользуется этим фундаментальным свойством мозга: коснулся нашего слуха небольшой отрывок полузабытой мелодии — и вот уже вспомнилась вся песня, принес ветер какой-то аромат — и в памяти возникает образ цветка.

Аналогия между трехмерной голограммой и мозгом весьма глубока и далеко не ограничивается лишь свойством ассоциативной памяти. В качестве примера иного свойства человеческого мозга, которым может обладать голограмма, следует упомянуть операцию, напоминающую «концентрацию внимания» [32]. Этот эффект имеет место при считывании голограммы, записанной в динамической среде, реагирующей на свет непосредственно в момент его воздействия. При восстановлении такой голограммы восстановленная волна, проходя далее через объем голограммы, начинает снова записываться, что приводит к усилению записи и постепенному «раз-горанию» восстановленного изображения.

Однако рассмотренные выше свойства трехмерной голограммы, позволяющие моделировать некоторые функции головного мозга, пока не нашли практического применения в основном из-за отсутствия светочувствительного материала, обладающего необходимыми качествами. Первоначально глубокие трехмерные голограммы пытались регистрировать на щелочно-галогенидных кристаллах [6, 33], а затем на кристаллах ниобата лития [34]. Однако следует заметить, что в том и другом случае запись не фиксируется, поэтому при считывании голограммы записанная на ней информация быстро стирается под действием считывающего излучения.

В самое последнее время перед голограммами с глубокой записью в трехмерной среде открылись широкие перспективы практического использования в связи с появлением нового светочувствительного материала «реоксан», который был предложен в 1978 г. советскими физиками Г. И. Лашковым и В. И. Сухановым [35—37].

В основе механизма светочувствительности этого материала лежит так называемая сенсибилизированная реакция фотоокисления, а фазовая модуляция осуществляется за счет использования дисперсионных соотношений Крамерса — Кронинга. В общих чертах схема записи в этом случае сводится к тому, что сенсибилизатор, поглощая свет в видимой части спектра, инициирует химические реакции, вызывающие изменение показателя поглощения в ближнем ультрафиолете, что в соответствии с соотношениями Крамерса — Кронинга приводит к изменению показателя преломления в видимой области спектра.

Светочувствительные компоненты реоксана растворены в полимерной матрице (органическом стекле), которая перед экспозицией насыщается кислородом на глубину до 3 мм; на этой глубине матрица становится светочувствительной. После экспозиции кислород удаляется, и слой теряет светочувствительность. Таким способом осуществляется фиксирование. При необходимости слой можно снова пропитать кислородом и затем записать на нем дополнительную информацию. Предыдущая запись при этом не стирается.

Уже первые эксперименты показали, что на одном и том же участке поверхности реоксана можно записать несколько десятков голограмм [38]. Таким образом, в этом случае практическое увеличение плотности записи за счет увеличения глубины голограммы составляет около двух порядков. Светочувствительность материала равна приблизительно нескольким а достижимая величина дифракционной эффективности около 100%. Существенно также, что в отличие от кристаллов ниобата лития реоксан очень дешев и его предельные размеры практически не ограничены.