Дефлекторы

Устройства отклонения лазерного пучка (дефлекторы) в основном применяют в ГЗУ. Дефлектор позволяет направить лазерный пучок в любую из М_H² позиций на носителе информации. Благодаря этому стало возможным создание ГЗУ с двух- и трехкоординатной выборкой при произвольном доступе к любой голограмме, записанной на накопительной среде. Необходимо отметить, что основные характеристики— емкость и быстродействие — в значительной степени определяются соответствующими характеристиками дефлектора. Основными характеристиками дефлектора являются разрешающая способность и быстродействие. Разрешающая способность дефлектора в одном из двух взаимно перпендикулярных направлений, например направлении оси Ох (N_х), определяется отношением максимального отклонения светового пучка в плоскости хОz (Dq) к его угловой ширине (dq): N_x=(Dq)/(dq).Угловая ширина светового пучка зависит от дифракционного yrлового размытия пучка. Так как дифракционное размытие l/d, где d- диаметр отклоняемого светового пучка, то N_x=(d/el)Dq, где e— параметр, зависящий от требуемой степени разрешения (критерия) двух соседних направлений с учетом закона распределения интенсивности света в поперечном сечении пучка. Обычно двухкоординатные дефлекторы, используемые в ГЗУ, обладают одинаковой разрешающей способностью в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Поэтому разрешающая способность таких дефлекторов N_x=[(d/el)Dq]². Быстродействие дефлектора определяется временем i_n необходимым для переключения светового пучка из некоторой позиции в любую другую. Время i_n — время произвольного доступа к голограммам или к соответствующим страницам. Часто под быстродействием дефлектора понимают скорость переключения светового пучка v_п, которая измеряется числом отклонений в единицу времени и v_п =1/i_n. Дефлекторы оценивают также по ряду других характеристик: эффективности, потребляемой мощности, стабильности отклонения и др. Наибольшее распространение, вследствие высоких требований, предъявляемых к быстродействию, разрешающей способности, стабильности отклонения и потребляемой мощности, нашли акустооптические и электрооптические устройства.

Акустооптические дефлекторы (АОД).. Акустооптические отклоняющие устройства используют явление дифракции света на акустических волнах, распространяющихся в среде взаимодействия. Отклоняющая ячейка АОД (рис. 3.1) состоит из следующих основных элементов: светозвукопровода 1, в котором происходит акустооптическое взаимодействие и электроакустического преобразователя 2 для возбуждения в среде акустических волн. В качестве материала для светозвукопровода используют кристаллы молибдата свинца РЬМоО, a-йодноватой кислоты a = НI0, парателлурита ТеО, галогенидов галлия КРС-5 и КРС-б и др. Наиболее подходящими материалами для получения преобразователей оказались кристаллы ниобата лития LiNbO, иодата лития LiIO, н Ва,Ха Nb50. Предположим, что преобразователь возбуждает в среде плоскую акустическую волну, распространяющуюся в направлении оси Ох. Акустическая волна, распространяясь в среде, вызывает синусоидальное изменение показателя преломления среды. Это изменение приводит к образованию фазовой объемной дифракционной решетки, период которой равен длине акустической волны. Относительно падающего светового пучка эта решетка является практически неподвижной, так как скорость распространения акустической волны мала по сравнению со скоростью света. Для того чтобы падающий свет дифрагировал на этой решетке с максимальной эффективностью, его нужно направить под углом, определяемым из условия Брэгга 2Lsinq =l . L, l- длины акустической и световой волн в воздухе. Угол отклонения дифрагированного светового пучка q»l/L=(l/v)n, n - акустическая- частота; v - скорость распространения акустической волны. Если акустическую частоту менять в полосе частот шириной Dn, то угол отклонения дифрагированного пучка Dq»(l/v)Dn. Определим разрешающую способность и быстродействие акустической отклоняющей ячейки. Согласно (3.2) с учетом (3.7), N =(d/ve)Dn.

Принимая во внимание, что i = d/v - время, в течение которого оптическая волна распространяется на расстояние равное диаметру входного светового пучка, соотношение (3.9) можно записать в виде 1/i N = C Dn; C = d/eD, где D- диаметр отверстия диафрагмы, выделяющей центральную часть лазерного излучения. Это соотношение устанавливает связь ,между разрешающей способностью и быстродействием акустической отклоняющей ячейки. Из него следует, что при фиксированной Dv увеличения разрешающей способности можно добиться только за счет повышения быстродействия, и наоборот. Одновременное увеличение разрешающей способности и быстродействия возможно лишь при увеличении ширины полосы частот Dv. Таким образом, параметр Dv является важной характеристикой акустооптической отклоняющей ячейки. Значение Dv ограничивается шириной полосы частот преобразователя, так как условие Брэгга удается выполнить путем применения специальных методов управления акустическим пучком. Современная технология позволяет получать преобразователи с центральной частотой 400 – 600 МГц. Следовательно может быть достигнута ширина полосы частот до 300 МГц. С помощью АОД может быть достигнута адресация светового- пучка в N =100 х 100 позиций со временем переключения i = 1 мкс. Для промышленной реализации АОД еще предстоит решить ряд проблем, связанных с эффективным возбуждением в среде акустических волн с частотой до 1 ГГц; поиском новых акустооптических материалов с высокой добротностью и малым коэффициентом акустического ослабления: совершенствованием методов управления акустическим пучком.

Электрооптические дефлекторы (ЭОД). Электрооптические отклоняющие устройства в отличие от акустооптических могут быть как аналогового, так и дискретного типа. Они имеют некоторые преимущества перед акустооптическими: малую инерционность, а следовательно и более высокую скорость переключения светового пучка. Типичным примером ЭОД аналогового типа является призменный дефлектор, в котором в качестве отклоняющего элемента использована призма из электрооптического материала, помещенная в электрическое поле. При изменении показателя преломления призмы путем изменения управляющего электрического поля происходит отклонение преломленного светового пучка. Большинство из известных электрооптических материалов обладает незначительным электрооптическим эффектом, поэтому требуются очень высокие управляющие напряжения (примерно 1 кВ) для отклонения светового пучка на 1 мрад. Таким образом, для получения достаточного углового диапазона отклонений необходимы напряжения в несколько киловольт. Диапазон изменения углов отклонения преломленного пучка ограничивается также максимально возможным изменением показателя преломления призмы (Dn = 10). Разрешающую способность ЭОД аналогового типа определяют по формулам (3.2), как и для АОД. Диапазон угловых отклонений, получаемых с помощью призменных ЭОД, такой же, как и у АОД, поэтому их разрешающие способности примерно одинаковы. Быстродействие ЭОД зависит от тока, необходимого для перезарядки паразитных емкостей С дефлектора при переключении, т.е. мощности W, подводимой к устройствам управления i=4CV/W

Быстродействие ЭОД ограничивается мощностью, рассеиваемой в отклоняющем элементе. Для имеющихся электрооптических материалов оно составляет 0,1 - 1 мкс,

Для работы в составе ГЗУ более подходящими являются ЭОД дискретного типа, которые называют цифровыми дефлекторами. Для них характерно отсутствие жесткой связи между быстродействием и разрешающей способностью, подобной (3.10), благодаря чему они могут сочетать высокое быстродействие с большой разрешающей способностью. Кроме того, в цифровых дефлекторах адресация светового пучка осуществляется традиционными методами, используемыми в цифровой вычислительной технике.

Рассмотрим принцип действия цифрового ЭОД. Основная отклоняющая ячейка цифрового ЭОД (рис. 3.3) состоит из электрооптического переключателя поляризации 1 и двоякопреломляющего элемента 2. В качестве электрооптического переключателя используют ячейки Поккельсона и Керра. Двоякопреломляющим элементом служит кристалл кальцита или призма Волластона. Принцип действия отклоняющей ячейки заключается в следующем. На вход переключателя поступает линейно поляризованный лазерный пучок. Переключатель позволяет управлять направлением поляризации входного светового пучка и вводить его в двоякопреломляющий элемент в одной из двух взаимно ортогональных поляризаций. Переключение направления поляризации осуществляется путем подачи на переключатель полуволнового напряжения U. Элемент ориентирован таким образом, что нормально падающий лазерный пучок для него является обыкновенным. Следовательно, в зависимости от того, какой из двух ортогональных видов поляризации задан переключателем, световой пучок на выходе двоякопреломляющего элемента будет занимать одно из двух возможных положений„соответствующих обыкновенному и необыкновенному пучкам Оба пучка выходят из элемента по направлению падающей волны, но один смещен относительно другого.

Рассмотренная отклоняющая ячейка представляет собой один каскад цифрового дефлектора. Если объединить в один блок М последовательно расположенных и одинаковым образом ориентированных каскадов, каждый из которых дает вдвое большее линейное смещение по сравнению с предыдущим, то получится одномерное отклоняющее устройство, способное адресовать световой пучок в одну из N = 2^M позиций на линии.

Двухкоординатный дефлектор состоит из двух последовательно расположенных одно мерных блоков отклонения, каждый из которых производит отклонение в направлении, перпендикулярном другому. Высокая разрешающая способность достигается при использовании сфокусированного светового пучка. Линза Л, фокусирующая световой пучок в выходной плоскости дефлектора, располагается между блоками Х- и У- отклонения. Несмотря на простоту работы, цифровые ЭОД сложны в разработке. Причиной этого является сложность оптической схемы, которая накладывает жесткие требования к точности конструкции и свойствам используемых материалов, а также трудность осуществления рабочего режима с малой потребляемой мощностью. Кроме того, сложно получить электрооптические материалы, обладающие высокими оптическими свойствами при достаточно больших площадях. Для создания электрооптических переключателей используют кристаллы KDP, DKDP, LiNbO. Для работы таких переключателей необходимы управляющие напряжения от нескольких сотен вольт (LiNbO,) до,7 - 8 кВ (KDP). В настоящее время исследуются новые материалы типа барий-стронциевого ниобата, способные работать при небольших управляющих напряжениях порядка нескольких десятков вольт. Таким образом, наиболее перспективными с точки зрения применения в ГЗУ являются цифровые ЭОД. Тем не менее в настоящее время более широко используют АОД, что объясняется относительной простотой их практической реализации.

Управляемые транспаранты. Управляемый транспарант (УТ) служит для пространственной модуляции светового пучка по амплитуде. фазе или поляризации. УТ в оптических системах находят широкое применение: ввод - вывод данных, кодирование и распознавание оптических сигналов, реализация логических операций, усиление яркости изображений, перестраиваемые фильтры. По способу управления модуляцией светового пучка различают электрически (ЭУТ) и оптически (ОУТ) управляемые транспаранты. Оба типа транспарантов могут осуществлять дискретную или аналоговую модуляцию светового пучка. В первом случае УТ должны обладать нелинейной характеристикой. УТ, предназначенные для преобразования информации в аналоговом виде, наоборот, должны иметь линейную зависимость изменения оптических свойств элемента. УТ, используемый в ГЗУ, представляет собой цифровой пространственный модулятор матричного типа, управляемый электрическими :сигналами; его называют устройством набора страниц (УНС). УНС может быть выполнено в двух вариантах: 1) при построчной загрузке (по одному или по несколько слов); 2) при поэлементной (побитной) загрузке. Электрическая схема управления состояниями элементов УНС первого типа может быть собрана по обычной схеме матричной выборки, основанной на принципе совпадений. Поэтому загрузку УНС этого типа производят последовательно. Рабочий материал для построения УНС должен удовлетворять трем основным требованиям:(1) иметь пороговую оптическую характеристику в зависимости от управляющего сигнала; 2) хранить заданное оптическое состояние на время набора всей страницы и последующей экспозиции регистрирующей среды; 3) обладать свойством стабильности оптических состояний при многократном воздействии импульсов полувыборки. Для управления УНС второго типа необходимо подвести индивидуальный привод к каждому его элементу от соответствующего элемента буферной памяти, который конструктивно может быть объединен с УНС. В этом случае каждый элемент УНС управляется независимо от других и действует как световой модулятор. Поэтому рабочий материал, используемый для построения УНС данного типа, может не обладать памятью. Также не требуется обеспечения устойчивости оптических состояний материала по отношению к полуселектирующим импульсам. Данные могут вводиться как последовательно, так и параллельно. В последнем случае достигается значительное повышение быстродействия. Для оптической страницы, сформированной УНС, характерна более высокая контрастность. Однако практическая реализация таких УНС при большой емкости и высокой плотности расположения элементов затруднена ввиду сложности организации электронных схем управления. Поэтому при практической разработке УНС в большинстве случаев предпочтение отдается первому типу УНС, несмотря на его сравнительно малое быстродействие. Анализ ГОЗУ показывает, что УНС, предназначенные для работы в его составе, должны обладать следующими характеристиками: ( 1) высокой скоростью набора данных в страницу. Время полной ( загрузки УНС емкостью 10⁴ бит (например, УНС, содержащее 128х 128 элементов) < 0,1 мс. В перспективе это время желательно сократить до 1 мкс и более; 2) шаг расположения элементов q =0,2 - 0,3 мм при диаметре рабочей апертуры отдельного элемента 0,1 мм; 3) емкость 10⁴ бит (например, 128 х 128), что согласуется с оптимальным объемом страницы, обеспечивающим эффективную плотность хранения информации, близкую к предельной; 4) контраст входной страницы, сформированной УНС > 100:1; 5) неоднородность оптических свойств элементов УНС не должна превышать 10%; 6) оптическая эффективность элементов q> 50 %; 7) срок службы должен составлять 2 - 3 года; при этом УНС должно допускать ( до 10⁹) переключений без нарушения и изменения характеристик. Существуют различные подходы к конструированию УНС, зависящие от используемых материалов и физических эффектов. Хотя было исследовано множество материалов, однако модели УНС с удовлетворительными характеристиками удалось построить лишь на PLZT- керамике и жидких кристаллах [7].

УНС на PLZT-керамике. PLZT-керамика - класс прозрачной сегнетоэлектрической керамики с сильно выраженными электрооптическими свойствами, зависящими от электрической поляризации материала. Изменение поляризации сопровождается изменением двулучепреломления материала. PLZT-керамика обладает и упругооптическими свойствами, подобными электрооптическим. Создание механического напряжения вдоль определенного направления вызывает появление двулучепреломления.

Для пространственной модуляции света используют следующие основные эффекты, наблюдающиеся в PLZT-керамике, помещенной в электрическое поле: наведенное двулучепреломление (электрооптический эффект); динамическое рассеяние, краевой эффект и изменение толщины керамической пластинки (обратный пьезоэффект). Используя тот или иной эффект, на основе PLZT-керамики можно построить УНС, способные осуществлять пространственную модуляцию объектного пучка как по амплитуде, так и по фазе или поляризации.

Основным достоинством PLZT-керамики являешься возможность ее использования в режиме работы с запоминанием, основанным на гистерезисном характере зависимости поляризации P от напряжения управляющего электрического поля V. Обычно состояние с остаточной поляризацией принимается за двоичную единицу (1), поляризованное (P == 0) - за двоичный нуль (0). Для переключения из одного состояния в другое требуются импульсы напряжения порядка 50 - 300 В длительностью 1 - 10 мкс.

Рассмотрим принцип действия УНС на PLZT-керамике в режиме с деформационным смещением. Для работы в таком режиме УНС строят с использованием PLZT-пластинки в механически напряженном состоянии. Это позволяет создавать управляющее электрическое поле параллельно направлению распространения объектного пучка, что легко осуществляется с помощью прозрачных электродов, нанесенных на пластинку. Принцип действия модулятора света заключается в следующем. Вектор механического напряжения, приложенного к пластинке, лежит в ее плоскости и коллиниарен оси х, вследствии чего оптическая ось в материале пластинки направлена вдоль этой оси. Так как электрическое поле Е = Е₁k, приложенное между прозрачными электродами, нанесенными на ненапряженную пластинку, поляризует ее и устанавливает направление оптической оси в материале вдоль оси z, то для механически напряженной пластины направление оптической оси составит некоторые углы с осями х, z. Если приложить электрическое поле Е = - Е₁k, деполяризующее PLZT-пластинку, то ее оптическая ось вновь совместится с осью х. Изменение в двулучепреломлении пластинки, которое имеет место, представляет собой управляемый параметр, используемый для модуляции проходящего светового пучка. Если описанный элемент поместить между скрещенными поляризаторами, то изменение в его двулучепреломлении преобразуется в изменение интенсивности света, прошедшего систему поляризаторов и модулятор света. Таким образом, каждый элемент УНС работает как электрооптический модулятор амплитуды проходящего светового пучка. Матрица таких элементов получается на пересечениях управляющих электродов, которые наносятся на PLZT-пластинку с обеих сторон в виде системы параллельных полосок, ориентированных во взаимно перпендикулярных направлениях. Адресация любого элемента УНС производится двумя полуселектирующими импульсами по принципу совпадений.

УНС на жидких кристаллах. Жидкие кристаллы (ЖК) обладают электрооптическими свойствами и являются почти совершенными модуляторами света, легко управляемыми электрическим полем. Особенностью тонких жидкокристаллических, слоев является их способность изменять оптические свойства под действием низких рабочих напряжений (1 - 50 В) при малом потреблении мощности (1 мкВт/см'). Благодаря этому ЖК находят широкое применение в оптических системах. Известны три типа ЖК (нематические, холестерические и смектические), из которых для построения УНС наибольший интерес представляют нематические. Для пространственной модуляции света используют два электрически управляемых эффекта, наблюдающихся в ЖК: наведенное двулучепреломление и динамическое рассеяние. Процесс изменения оптических свойств слоя ЖК носит пороговый характер, что также является достоинством ЖК. УНС на основе ЖК, использующее эффект динамического рассеяния, применяют для амплитудной модуляции как проходящего, так и отраженного светового пучка. Эффект динамического рассеивания заключается в следующем. В невозбужденном состоянии слой ЖК совершенно прозрачен. При создании электрического поля в ЖК происходят два процесса - под действием электрического поля молекулы ориентируются параллельно либо перпендикулярно полю в зависимости от того, имеет ли ЖК положительную или отрицательную диэлектрическую анизотропию; 2) поток зарядов через слой ЖК нарушает ориентацию молекул, в результате чего возникает турбулентность, что, в свою очередь вызывает рассеяние света вследствие пространственного изменения коэффициента преломления. При этом исходит сильное ослабление интенсивности светового пучка в направлении его распространения, а также потеря его когерентности. По окончании действия электрического поля слой ЖК вновь приобретает исходную структуру и становится прозрачным. Длительность процесса измеряется миллисекундами. Если требуемое время экспонирования регистрирующей среды составляет доли миллисекунд, то достаточно естественной памяти ЖК-слоя. В противном случае каждый элемент жидкокристаллического УНС должен быть снабжен интегральной управляющей схемой с памятью.

Оптически управляемые транспаранты. Характерной особенностью ОУТ является возможность параллельного преобразования страницы данных. В связи с этим требования к времени хранения оптического состояния значительно снижаются. Характеристики различных типов ОУТ (табл. 3.3) связаны с используемыми в них физическими принципами. ОУТ могут работать как на просвет, так и на отражение. .ОУТ пропускающего типа -отличаются большей помехозащищенностью и проще согласуются с другими .р устройствами оптических систем. Рассмотрим ОУТ на DKDP с фотопроводящим слоем (фототитус). Данный транспарант . имеет , многослойную структуру состоящую из электрооптического кристалла - сегнетоэлектрика DKDP, пленки фотополупроводника - селена и прозрачных электродов. Запись информации на фототитус производится путем экспозиции модулированного светового пучка (ультрафиолетового или синего) с одновременной подачеq постоянного напряжения порядка 80 В. Модулированный световой пучок (ультрафиолетовый или синий) создает заряженные носители, дрейфующие к поверхности сегнетоэлектрик -фотопроводник, за счет чего на DKDP появляется поле, пространственно изменяющееся в соответствии с модулирующим пучком. Считывание записанной информации производится в проходящем или отраженном свете. При работе в отраженном свете между DKDP-фотопроводником помещается диэлектрическое зеркало, позволяющее значительно уменьшить влияние считывающего пучка на возбуждение фотопроводника и благодаря этому увеличить яркость оптических сигналов. Для стирания записанного изображения полярность приложенного напряжения изменяют, в результате чего и фотопроводник освещается ультрафиолетовым или синим светом. Перспективны также ОУТ на основе МДП-структуры (PROM). В устройствах типа PROM дополнительный фотопроводящий слой не используется, так как кристалл обладает электрооптическими свойствами и фотопроводимостью. В качестве кристаллов применяют полупроводниковые электрооптические кристаллы германата (Bi₁₂Ge O₂₀ ) и силиката висмута (Bi₁₂ Si О₂₀ ). Для равномерного распределения подаваемого напряжения на полированные стороны пластинки кристалла наносят тонкие (около 3 мкм ) пленки парилена, а сверху размещают электроды. Образованная таким образом структура металл - диэлектрик - металл чувствительна к действию излучения, происходящего в области поглощения кристалла, и способна хранить записанную информацию. Для записи информации транспарант освещается модулированным световым пучком с одновременной подачей постоянного напряжения. Генерируемые в полупроводнике носители заряда дрейфуют к границе кристалла с диэлектри- ком, где захватываются ловушками. Создаваемый носителями пространственный заряд компенсирует заряд на электродах. Следовательно, электрическое поле внутри проводника, наведенное полем двулучепреломле- кристалла, благодаря эффекту Поккельса приводит к фазовой или амплитудной (при наличии поляроидов) модуляции считывающего светового пучка, в качестве которого может быть использовано излучение, полупроводникового лазера. Считывание можно выполнять и с помощью видимого света, к которому кристалл в 10³ – 10⁴ более чувствителен, чем к излучению полупроводниковых лазеров. Если изменить полярность приложенного при считывании постоянного напряжения, то можно получить негативное изображение. При закороченных электродах наблюдается позитивное изображение, так изменение двулучепреломления происходит в результате образования пространственных зарядов. Для стирания записанного изображения необходимо снизить до нуля напряжение и осветить кристалл ультрафиолетовым или синим светом.

Регистрирующие материалы Регистрирующий материал (носитель информации) является основным компонентом ГЗУ и служит для регистрации и хранения данных, представленных в голографической форме. Существующие регистрирующие материалы и устройства чувствительны только к интенсивно- света и изменяют свои оптические свойства в соответствии с ее пространственным распределением. В различных материалах это происходит по-разному: в одних изменяется амплитудное пропускание. в других показатель преломления или рельеф поверхности. В первом случае , образуется амплитудная голограмма, а во втором - фазовая. В некоторых материалах (например, халькогенидные стеклообразные полупроводники) наблюдается одновременное изменение как амплитудного пропускания, так и показателя преломления, что приводит к образованию амплитудно-фазовых голограмм.. Магнитные голограммы, получаемые термомагнитным способом на тонких магнитооптических пленках, представляют собой третий тип голограмм - поляризационный. Важнейшей особенностью регистрирующего материала является свойство обратимости, благодаря которому можно обновлять информацию на носителе, т. е. стирать записанную голограмму и записывать новую. Необратимые регистрирующие материалы пригодны для использования только в ГПЗУ. К необратимым материалам относится обычный фотоматериал. Для построения ГОЗУ необходимы обратимые регистрирующие материалы. К числу обратимых регистрирующих материалов относятся магнитооптические пленки, термопластические и фотохромные материалы, электрооптические кристаллы, халькогенидные стеклообразные полупроводники и др. Особый интерес представляют материалы с объемными изменениями оптических свойств показателя преломления, которые позволяют осуществить трехмерное хранение информации в виде матрицы наложенных объемных голограмм с высокой дифракционной эффективностью. К таким материалам относятся электрооптические кристаллы и, в частности, хорошо известный ниобат лития. Характеристики, которыми должен обладать регистрирующий материал, пригодный для использования в ГЗУ оперативного типа следующие: Разрешающая способность более 1000 лин/мм , дифракционная эффективность более 0.1%, энергия записи мкДж/мм² не более 5, время записи менее 0.1мс, время стирания менее 0.1мс, допустимое число циклов перезаписи М > 10⁸. Было исследовано большое число регистрирующих материалов. Однако материал, удовлетворяющий одновременно всем перечисленным требованиям, пока еще не найден. Но ряд материалов полностью удовлетворяет большей части требований и хорошо согласуется с остальными.

Галогенидосеребряные фотоматериалы нашли широкое применение в голографии благодаря высокой светочувствительности и разрешающей способности, а также доступности., Так как такие фотоматериалы не допускают перезаписи, они не могут быть использованы в ГЗУ оперативного типа; их применяют в качестве носителей информации для ГПЗУ. Термопластические материалы относятся к числу регистрирующих сред, в которых сочетаются постоянство хранения, возможность стирания и повторной записи. Термопластик сам по себе нечувствителен к свету, поэтому его соединяют с фотопроводниковым материалом в одну пленочную структуру. Готовый носитель представляет собой многослойную структуру и состоит из стеклянной подложки с токопроводящим покрытием (обычно из оксида индия In0) с нанесенными на нее слоями фотопроводника и термопластика. Токопроводящий слой служит для нанесения электрического заряда на поверхность термопластика с помощью установки коронного разряда, а также используется в качестве тепловыделяющего элемента при тепловом проявлении зарегистрированной фазовой голограммы. Для существующих способов записи голограмм на фототермопластике характерны два основных момента: 1) создание электрического поля в слое термопластика, соответствующего распределению интенсивности света при экспонировании; 2) тепловое проявление, при котором под действием кратковременного теплового импульса температура термопластика повышается до температуры размягчения, в результате чего электростатические силы деформируют поверхность термопластика в соответствии с распределением электрического поля на ней, образуя двумерную фазовую голограмму. Фиксация полученной голограммы осуществляется путем быстрого охлаждения до комнатной температуры.

Наиболее исследованным электрооптическим кристаллом является ниобат лития. Он, как и другие электрооптические кристаллы, обладает высокой дифракционной эффективностью, требуемой для носителя ГЗУ, разрешающей способностью, неограниченной цикличностью и незначительным светорассеянием. С помощью этого кристалла были получены голограммы с дифракционной эффективностью 60 - 80 %. Huoбат| лития в чистом виде имеет очень низкую светочувствительность. Однако введение примеси позволяет ее значительно повысить. Например введение добавок железа дает возможность повысить светочувствительность ниобата лития в сотни раз. Ниобат лития допускает высокую скорость записи голограмм. Важным его достоинством является возможность записи большого числа голограмм с необходимой дифракционной эффективностью на одном и том же участке кристалла путем наложения их друг на друга. Число наложенных голограмм ограничивается диапазоном изменения показателя преломления. Наибольшая наблюдавшаяся модуляция показателя преломления ниобата лития составляет 4 10^-4. Но даже при таком небольшом динамическом диапазоне показателя преломления можно записать сотни голограмм путем наложения их друг на друга. Благодаря высокой угловой селективности трехмерных голограмм легко осуществляется селективное восстановление наложенных голограмм. Возможно также их селективное стирание. К недостаткам кристаллов ниобата лития относятся малая светочувствительность, нестабильность и низкая термостойкость записанных голограмм. Нестабильность особенно проявляется при наложении друг на друга. Так как при этом не производится фиксирования записанных голограмм, при наложении следующих происходит частичное разрушение (стирание) предыдущих. Несмотря на указанные недостатки, ниобат лития по своим физическим свойствам наиболее близок к идеальному регистрирующему материалу для ГОЗУ с трехкоординатной выборкой.

Фотоприемные матрицы. Матрица фотоприемников (фотоматрица) служит для преобразования оптического изображения в электрические сигналы. При использовании фотоматрицы в ГЗУ число ее элементов (фотоприемников) ответствует объему страницы, причем каждый элемент функционирует как пороговый детектор, указывающий наличие или отсутствие светового сигнала в соответствующей позиции. Основными характеристиками, по которым выбирают фотоматрицы являются: пороговая мощность детектирования, быстродействие. Различают два режима работы фотоприемников: 1) режим непосредственного отсчета; 2) режим работы с накоплением заряда. В первом случае выходной электрический сигнал фотоприемника в каждый момент времени пропорционален интенсивности падающего на него оптического сигнала, а во втором - полному световому потоку, падающему за время накопления. Так как мощность оптического сигнала, поступающего на вход отдельного элемента фотоматрицы, очень мала, то работа фотоприемников в режиме накопления заряда предпочтительнее. В последнее время при разработке фотоматриц наблюдается тенденция объединения фотоприемников с элементами транзисторной памяти,. При этом к выходным сигналам фотоприемников предъявляется единственное требование - устанавливать триггер, являющийся элементом памяти, в нужное состояние. Поскольку при этом может произойти локальное усиление, фотоматрица с памятью обладает более высокой чувствительностью по сравнению с обычной фотоматрицей. В качестве фотоматрицы с непосредственным отсчетом рассмотрим фотодиодную матрицу. Каждый элемент данной фотоматрицы состоит из р-i-n фотодиода и двух МОП-транзисторов р-типа, которые служат для коммутации фотодиодов. Благодаря чрезвычайно малым размерам, высокому входному сопротивлению, двусторонней проводимости и простой технологии изготовления, МОП-транзисторы являются почти идеальным прибором для коммутации р-i-n фотодиодов. Катоды фотодиодов соединены вместе и смещены в положительном направлении, а аноды связаны с истоками МОП-транзисторов. Затворы МОП-транзисторов подключены к парафазным адресным шинам А - А, а стоки - к парафазным разрядным шинам Р – P. В рабочем режиме при по- даче положительного смещения на n-область фотодиоды смещаются в обратном направлении. Если фотоматрица не освещена, то через фотодиоды течет только небольшой темновой ток (порядка нескольких наноампер). При освещении фотоматрицы через те фотодиоды, на которые падает свет, потечет фототок, который во много раз больше темнового тока. Выборка нужного слова производится с помощью парафазных шин А - А. В исходном состоянии шины А имеют низкий, а шины А - высокий потенциал. Следовательно, при отсутствии сигнала считывания весь фототок замыкается на землю через МОП-транзистор, открытый низким потенциалом шины А, так как МОП-транзистор, подключенный к разрядной шине, закрыт высоким потенциалом шины А. Для выборки требуемого слова на соответствующую адресную шину А подается высокий потенциал, а на шину А - низкий, При этом фототок каждого разряда выбранного слова поступает в ответствующую разрядную шину и возбуждает сигнал на входе усилителя считывания. Коммутация фотоприемников может быть осуществлена и однополярным сигналом, для чего достаточно заземлить одну из двух адресных шин. Фотоматрицы описанного типа обладают высоким быстродействием ( ~0,3 мкс), низкой пороговой мощностью детектирования ( 0,5 мВт/бит) и хорошей устойчивостью к помехам от невыбранных элементов. Основным достоинством таких фотоматриц является сравнительная простота изготовления.

Для фотоматриц, работающих с накоплением заряда, каждый фотодиод матрицы включен последовательно с ключевым МОП-транзистором. Детектирование оптического изображения страницы с помощью фотоматрицы осуществляется следующим образом. В начале цикла на затворы МОП-транзисторов подаются коммутирующие импульсы и через открытые транзисторы производится заряд емкостей р-n переходов фотодиодов до максимального напряжения источника питания. Затем фотоматрица освещается оптическим изображением страницы. При этом под действием падающего светового потока происходит разряд емкостей р-n переходов фотоприемников и напряжение на них падает на значение, пропорциональное мощности светового потока и длительности освещения. Для считывания требуемого слова на соответствующую адресную шину подается коммутирующий импульс, который открывает ключевые транзисторы, соединенные с выбранной шиной. Тогда через фотодиоды, открытые транзисторы и входные цепи усилителей- считывания потекут токи дозаряда. Ток, протекающий через отдельный фотодиод, зависит от потери заряда за период накопления и пропорционален числу фотонов света, попавших на фотодиод за время накопления. Выделение полезного сигнала из помех производится усилителями считывания. Таким образом требуемое слово оказывается считанным. Основным достоинством фотоматриц, работающих в режиме накопления заряда, является повышенная чувствительность ( 10^-14 Дж/бит). Кроме того, они обладают свойствами памяти с ограниченным временем хранения и однократным считыванием, Недостатками таких фотоматриц по сравнению с фотодиодными матрицами непосредственного отсчета являются более жесткие допуски на рабочие характеристики элементов. Например, для надежной работы фотоматрицы темновой ток фотодиода не должен превышать наноампера. До сих пор рассматривались фотоматрицы, использующие в качестве светочувствительных элементов фотодиоды. Применяя фототранзисторы, можно достигнуть более высокой чувствительности. Основное достоинство фототранзисторных матриц состоит в возможности получения более высоких уровней выходных сигналов. Были исследованы фототранзисторные матрицы, собранные из небольших подматриц (чипов объемом 8 х 8 элементов) со следующими характеристиками; выходной сигнал 130 мВ с отклонением в 2,5 раза и отношение сигнал/шум более 10 при энергии падающего светового потока, равной 5 10^-12 Дж/бит. Время накопления не превышало 0,3 мкс. Недостатком таких матриц является трудность получения однородных характеристик при соблюдении жестких допусков. Наиболее совершенной является фотоматрица со встроенной памятью. В такой матрице каждый фотоприемник включается в схему триггера, который является элементом транзисторной памяти. Число триггеров равно числу битов на одной странице. Фотоматрица со встроенной памятью функционирует следующим образом. Перед считыванием информации с голограммы триггеры устанавливают в состояние 0. Во время считывания фотоприемники, принявшие оптический сигнал, переводят соответствующие триггеры в состояние "1". Это состояние триггеров сохраняется сколь угодно долго. Считывание информации из транзисторной памяти производится обычными методами с временем произвольной выборки 0,05 - 0,1 мкс при емкости – 10⁴ – 10⁵ бит. Транзисторная память фотоматрицы является дополнительной буферной памятью, а в отдельных случаях она может быть использована в качестве СОЗУ. Были изготовлены и исследованы фотоматрицы с встроенной памятью, которые собирались из чипов (до 256 х 256 элементов). Была достигнута низкая пороговая мощность детектирования - 0,1 мкВт/бит. При такой мощности сигнала время накопления заряда не превышало 50 мкс, энергия переключения элемента равнялась 5.10^-12 Дж.

Оптические дисковые ЗУ. В отличие от голографических ЗУ, которые находятся на стадии опытно-конструкторских разработок, оптические дисковые ЗУ с побитовой записью широко применяются в качестве архивной памяти ЭВМ для организации баз данных и тиражирования программных средств. Уже первое поколение таких ЗУ намного превзошло по своей емкости традиционные накопители на магнитных дисках (НМД). Оптические диски с одной рабочей поверхностью и диаметром 304,8 или 203,2 мм имеют емкость соответственно 1,4 и 0,7 Гбайт, что на два порядка превосходит емкость подобных магнитных дисков. Оптические ЗУ наиболее высокой производительности используют сменные диски диаметром 355,6 мм, емкостью до 4 Гбайт и допускают скорость обмена 3 Мбайт/с со временем доступа не более 100 мс. В настоящее время разработаны оптические ЗУ для персональных ЭВМ, использующие диски диаметром 133 мм и емкостью порядка несколько гигобайт. Структура типичного оптического ЗУ, допускающего операции записи - считывания, показана на рис. 4.1. В качестве источника светового луча записи - чтения используется полупроводниковый лазер 4. Носитель информации 10 представляет собой диск из полированного стекла или пластика, покрытый светочувствительным регистрирующим материалом. На диске формируются канавки, содержащие адресную информацию и используемые для управления позиционированием. Адресная информация наносится путем создания на подложке микрорельефа из углублений глубиной l/8, где l - длина волны излучения лазера. Для рационального позиционирования на диск наносятся концентрические дорожки глубиной l/4. Периодическая модуляция глубины дорожки с амплитудой l/20 обеспечивает формирование синхросерии и сигналов для системы контроля скорости вращения. Запись информации производится следующим образом. Входной сигнал 1 поступает в блок усиления и коррекции ошибок 2, а затем в модулятор 3, который осуществляет модуляцию излучения лазера 4. Лазерный луч проходит оптический коллиматор 5 и падает на зеркало слежения за дорожкой 11, отразившись от которого попадает через фокусирующую линзу 8 на оптический диск 10. В процессе записи на регистрирующей среде 9 формируется последовательность оптических меток. В простейшем случае регистрирующая среда представляет собой тонкую металлическую пленку с высоким коэффициентом поглощения света, напыленную непосредственно на подложку толщиной порядка 300 А⁰, в которой луч лазера прожигает или не прожигает отверстие в зависимости от значения входного сигнала. Одиночный лазерный импульс записи имеет энергию порядка 0,75 нДж. Среда должна иметь достаточно высокую чувствительность, чтобы с помощью такого светового импульса нанести оптическую метку диаметром порядка 1 - 2 мкм, что обеспечивается фокусирующей линзой S. Следовательно, плотность за- писи может достигать 10⁶ бит/мм²-. Адрес оптической метки на носителе определяется ее положением относительно меток синхросерии. В режиме считывания на вход лазера 4 поступает низкое постоянное напряжение, так что лазер генерирует непрерывное излучение относительно малой интенсивности, которое не может изменить состояние регистрирующей среды. Как и в режиме записи, этот луч фокусируется на считываемой дорожке. Записанные на дорожке "метки" модулируют интенсивность отраженного луча, поскольку при записи путем прожигания отверстия в среде оптические метки приводят к снижению коэффициента отражения. Выходной луч лазера плоско поляризован, поэтому четвертьволновая пластина 7 и расщепитель поляризованного луча 6 отделяют отраженный луч и направляют его на полупрозрачное зеркало 18, которое часть луча направляет на фотоприемник данных 19, а часть - на фотоприемник ошибки позиционирования 17. Фотоприемник 19 преобразует пришедшие световые сигналы в импульсы тока, которые декодируются с помощью демодулятора 20, затем подвергаются усилению и коррекции в блоке 21. Выходной сигнал считывания 22 передается в центральные устройства ЭВМ. Позиционирование является одной из основных проблем оптического ЗУ. Следящие системы 15, 16 и 14, управляющие фокусирующей линзой 8, зеркалом слежения за дорожкой 11 и механизмом фиксации диска 13, должны обеспечивать совмещение плоскости фокусировки лазерного луча с поверхностью регистрирующий среды с отклонением не более -~0,5 мкм и точность радиального позиционирования луча на дорожке порядка 0,1 мкм. Фокусирующая линза отстоит от поверхности диска на 1 - 2 мм, в то время как плавающая головка записи считывания в магнитных дисках на 0,2 - 0,4 мм. Оптическая головка записи - чтения 12 конструктивно изготовляется в виде прямоугольной призмы размером 4 х 1 х 10 мм с общей массой порядка 50 г. Малая масса головки позволяет снизить время доступа к данным при локальном- поиске (менее 1 мс на ±10 дорожек).

Полупроводниковые лазеры, используемые в оптических ЗУ только для считывания, в режиме непрерывного излучения генерируют мощность порядка 1 мВт и являются относительно дешевыми. В ЗУ с записью - -считывания применяются более мощные лазеры с мощностью 15 - 30 мВт. В качестве регистрирующей среды архивных ЗУ в основном используются субокислы теллура с селеном или мышьяком. Теллур выбран из-за низкой температуры плавления (450 С) и способности легко окисляться во влажной атмосфере. Он позволяет формировать углубления с высоким коэффициентом отражения на темном фоне при энергии записывающего лазерного луча 5 мВт и l = 0,8 мкм. Недостатком теллура является невозможность стирания и перезаписи информации. Теллуровый регистрирующий слой применяют в оптических дисках с воздушным зазором. Это два односторонних диска, сложенные регистрирующими слоями внутрь и разделенные в центре и по периферии кольцевыми вкладышами. В зазоре содержится тщательно очищенный воздух с определенным содержанием кислорода, определяющим коэффициент отражения субокиси теллура. Для оптических ЗУ со стиранием и перезаписью информации наиболее перспективными считаются магнитооптические материалы. Механизм действия магнитооптических дисков заключается в следующем. Регистрирующий слой представляет собой тонкую пленку магнитного материала. Первоначально вся она намагничена в направлении, перпендикулярном плоскости диска. В режиме записи на диск действует постоянное магнитное поле смещения, имеющее противоположную ориентацию. При нагреве среды световым импульсом до температуры Кюри происходит локальное перемагничивание. Таким образом, оптические метки в этом случае представляют собой локальные участки реверсирования оси намагниченности регистрирующей среды. При считывании данных направление намагниченности оптических меток среды меняет угол поворота плоскости поляризации отраженного луча согласно эффекту Керра. Наилучшими параметрами среди магнитооптических материалов обладает недавно открытый материал Мп- Cu - Bi с температурой Кюри около 200⁰ С. Угол керровского вращения для этого материала составляет ± 1,3⁰ . Сигналы считывания с помощью керр-эффекта имеют высокое отношение сигнал/шум.