Figura 7. Schema di Denisyuk

In questo schema, il raggio laser viene ampliato da una lente e diretto da uno specchio su una lastra fotografica. Parte del raggio che lo attraversa illumina l'oggetto. La luce riflessa dall'oggetto forma l'onda dell'oggetto. Come si può vedere, l'oggetto e le onde di riferimento sono incidenti sulla lastra da diversi lati (il cosiddetto schema a fascio collidente). In questo schema viene registrato un ologramma riflettente, che ritaglia indipendentemente una sezione (s) stretta (s) dallo spettro continuo e riflette solo esso (agendo così come un filtro di luce).

Per questo motivo, l'immagine dell'ologramma è visibile nella solita luce bianca del sole o di una lampada. Inizialmente, l'ologramma ritaglia la lunghezza d'onda alla quale è stato registrato (tuttavia, durante l'elaborazione e durante la conservazione dell'ologramma, l'emulsione può cambiare il suo spessore e anche la lunghezza d'onda cambia), il che consente di registrare tre ologrammi di un oggetto su una lastra con laser rossi, verdi e blu, risultando in un colore un ologramma quasi indistinguibile dall'oggetto stesso.

Questo schema è estremamente semplice e, nel caso di un laser a semiconduttore (che ha dimensioni estremamente ridotte ed emette un raggio divergente senza l'uso di lenti), si riduce ad un solo laser e ad alcune basi su cui il laser, la lastra e l'oggetto sono fissi. Sono questi schemi che vengono utilizzati durante la registrazione di ologrammi amatoriali.

1. Ologramma di trasmissione di I.Leita e J.Upatnieks

Nel 1962, I. Leiti J. Upatnieks ricevette il primo ologrammi trasmissivi oggetti tridimensionali realizzati con un laser. Lo schema da loro proposto è usato ovunque nell'olografia pittorica.

Un raggio di radiazione laser coerente viene diretto su uno specchio traslucido, con l'aiuto del quale si ottengono due raggi - materia e riferimento. Il raggio di riferimento è diretto direttamente sulla lastra fotografica. Il raggio soggetto illumina l'oggetto il cui ologramma viene registrato. Il raggio di luce riflesso dall'oggetto - il raggio dell'oggetto cade sulla lastra fotografica. Nel piano della lastra, due fasci - l'oggetto e il riferimento - formano un complesso pattern di interferenza, che, per la coerenza dei due fasci di luce, rimane inalterato nel tempo ed è l'immagine di un'onda stazionaria.

Figura 8. Registrazione di un ologramma di trasmissione

Con un tale schema di registrazione, si forma un ologramma trasmissivo, che richiede per il suo ripristino una sorgente luminosa con la stessa lunghezza d'onda alla quale è stata effettuata la registrazione, idealmente un laser.

È interessante notare che l'immagine recuperata dall'ologramma potrebbe essere registrata su un altro ologramma, cambiando non solo la sua posizione rispetto alla lastra fotografica (ad esempio, è possibile spostare un oggetto davanti all'ologramma), ma anche il tipo di ologramma si.

Lo schema di Leith e Upatnieks, con il suo nome, sottolinea la priorità storica degli autori nell'applicare la disposizione fuori asse dei raggi interferenti. Attualmente, quando si registrano ologrammi, vengono utilizzati schemi fuori asse con una varietà di disposizioni di fasci interferenti.

1. Ologramma arcobaleno di Benton

Il metodo di Benton comprende due fasi successive di registrazione di 2 ologrammi secondo lo schema di Leith e Upatnieks. Innanzitutto, viene registrato un normale ologramma, ad esempio, secondo lo schema mostrato in Fig. 9.

Figura 9. Schema dell'ologramma di Leith e Upatnieks

In questo caso, l'oggetto viene posizionato dall'ologramma alla migliore distanza di visione di 25-30 cm, quindi viene ripristinata un'immagine olografica volumetrica pseudoscopica reale da questo ologramma primario. Per fare ciò viene utilizzato un raggio di luce laser di ripristino, coniugato al raggio di riferimento (Fig. 10a). In questo caso, l'ologramma è coperto da una fenditura verticale stretta e lunga in modo che l'immagine reale venga ripristinata solo da una stretta striscia verticale sull'ologramma. Uno strato fotosensibile viene posizionato nella regione dell'immagine reale e un raggio di riferimento viene diretto per registrare il secondo ologramma, che è coerente con il raggio di luce che ripristina l'immagine reale dal primo ologramma. In questo modo viene registrato l'ologramma principale dell'arcobaleno.

Se ora l'ologramma risultante viene illuminato con un fascio di luce bianca coniugato a quello di riferimento, allora, contemporaneamente all'immagine ortoscopica dell'oggetto, verrà ripristinata anche l'immagine della striscia-fessura che ricopriva l'ologramma primario. L'immagine della fenditura in diversi colori, per la dipendenza dell'angolo di diffrazione dalla lunghezza d'onda λ, occuperà una diversa posizione spaziale, e quindi, in quest'area, si osserva una banda colorata con alternanza di tutti i colori dell'arcobaleno . (Fig. 10b).

Figura 10. Schemi ottici per la registrazione di un ologramma arcobaleno (a) e il ripristino di immagini multicolori in luce bianca (b)

La pupilla dell'occhio dell'osservatore, posta in questa regione, selezionerà una componente di colore dall'intero spettro, alla luce della quale l'osservatore percepirà l'immagine olografica ricostruita. Ogni immagine della fenditura svolge il ruolo di finestra di osservazione dell'immagine olografica ricostruita nel colore corrispondente. Spostare gli occhi dell'osservatore lungo la striscia arcobaleno o inclinare l'ologramma sarà accompagnato da un cambiamento nel colore dell'immagine percepita. Quando la testa dell'osservatore è spostata all'interno di una banda di colore, come per un ologramma convenzionale, si osserva la parallasse dell'immagine olografica volumetrica ricostruita.

Un'immagine a colori può essere ottenuta anche su un ologramma arcobaleno se nella fase di registrazione vengono utilizzati laser con luce rossa, blu e verde. Quando le immagini vengono ricostruite da tali ologrammi alla luce bianca, la distribuzione iniziale del colore sull'immagine viene osservata solo in una direzione di osservazione dell'ologramma. In altre posizioni verticali della testa dell'osservatore, tutti i colori dell'immagine ricostruita cambiano continuamente. In questo caso, si verificano rapporti di colore molto insoliti e la gamma di colori dell'immagine ripristinata risulta essere più diversa di quella dell'oggetto originale.

Gli ologrammi arcobaleno vengono replicati meccanicamente trasferendo il rilievo su un supporto speciale. Ma lo sviluppo del design, così come lo stesso processo di goffratura e finitura, che richiedono conoscenze e abilità speciali, alta tecnologia, attrezzature costose e materiali moderni per la replica, non consentono la produzione di ologrammi arcobaleno di alta qualità in condizioni artigianali.

3. Elaborazione ottica delle informazioni. Introduzione all'optoelettronica

3. Elaborazione ottica delle informazioni

L'attività umana è costantemente associata alla necessità di confrontare, analizzare e generalizzare informazioni di natura molto diversa. La tendenza più importante sulla via del miglioramento dei metodi e dei mezzi utilizzati a tal fine è il continuo aumento del volume e della velocità di elaborazione dei dati. Significativi progressi in tal senso sono stati compiuti dall'elettronica, il cui sviluppo ha portato, in particolare, alla realizzazione di elaboratori basati su circuiti integrati. La soluzione di problemi sempre più complessi richiede un ulteriore aumento del numero di componenti elettronici, blocchi di memoria e un aumento del numero di operazioni eseguite.

L'uso di metodi ottici consente di migliorare radicalmente gli indicatori di definizione dei sistemi di elaborazione dati. Infatti, un aumento della frequenza portante attraverso l'uso di oscillazioni elettromagnetiche del campo ottico) porta ad un colossale aumento della capacità di informazione del canale di trasmissione e di elaborazione del segnale. La piccola lunghezza dell'onda luminosa consente di utilizzare la modulazione del segnale non solo nel tempo, ma anche in coordinate spaziali, ovvero per eseguire l'elaborazione parallela e la memorizzazione di enormi quantità di informazioni (ad esempio oltre 1 10 6 canali o più ). In questo caso, l'influenza sia del cross-talk che dell'interferenza esterna viene eliminata in modo relativamente semplice.

L'elaborazione ottica dell'informazione presuppone la presenza di elementi e mezzi fondamentalmente nuovi: modulatori di luce ad alta velocità (monocanale e bicoordinata) dispositivi ottici di deviazione del fascio (deflettori), dispositivi di memorizzazione adeguati in termini di capacità e velocità di informazione, fotorivelatori multielemento di dispositivi di visualizzazione delle informazioni, ecc.

I metodi ottici consentono di elaborare e registrare informazioni sia in forma analogica che digitale (binaria). Va tenuto presente che nel primo caso è desiderabile una dipendenza lineare delle caratteristiche ottiche dei dispositivi dal valore del segnale di controllo, nel secondo caso, viceversa, è meglio se il dispositivo ha proprietà di soglia. I metodi digitali, caratterizzati da una precisione significativamente maggiore, una minore sensibilità alla distorsione e alle interferenze esterne e la comodità di registrare e convertire i segnali, richiedono una banda di frequenza più ampia. Tuttavia, questo è esattamente ciò che i metodi ottici forniscono facilmente, quindi l'elaborazione e la registrazione di informazioni in forma digitale in dispositivi ottici è molto diffusa. Qualsiasi segnale analogico, come è noto, può essere rappresentato in forma digitale andando a modulazione del codice di impulso(PCM).

3.1. Modulatori di radiazione ottica

Come in ingegneria radio, modulazione consiste nell'introdurre informazioni in un'onda luminosa a causa di un cambiamento nel tempo di una delle sue caratteristiche: ampiezza, fase, frequenza e anche polarizzazione. I fotorivelatori utilizzati nell'optoelettronica sono solitamente sensibili solo all'intensità della luce, quindi, in pratica, la modulazione della fase, della frequenza o della polarizzazione della luce viene solitamente convertita in modulazione di ampiezza.

Se la radiazione ottica viene convertita nel modo necessario nel processo di generazione nella sorgente stessa, si parla di modulazione interno (diretto). Nel caso di diodi emettitori di luce o laser a semiconduttore, la modulazione dell'intensità della radiazione può essere ottenuta variando la corrente di eccitazione. Questo è un metodo semplice e conveniente utilizzato nella pratica. Tuttavia, molto spesso diventa necessario modulare la radiazione che è già uscita dalla sorgente (modulazione esterna). I modulatori ottici possono operare a frequenze più elevate rispetto a quelle ottenibili con la modulazione interna. Naturalmente, in questo caso non si può contare sull'uso di persiane mobili, schermi, specchi, prismi, dischi forati o altri dispositivi meccanici, la cui velocità non superi ~1·10 4 Hz. I modulatori di radiazione ottica nei sistemi di elaborazione e trasmissione delle informazioni operano sulla base di vari processi fisici che si verificano durante il passaggio della luce in un mezzo modulante sotto l'influenza di fattori esterni.

3.1.1. Principi di funzionamento dei modulatori ottici

Per modulare la luce, la ben studiata elettro-ottica Effetto Kerr(1875), che consiste nella comparsa di anisotropia ottica sotto l'azione di un campo elettrico esterno in una sostanza isotropa. Per osservare l'effetto (Fig. 3.1, a), una sostanza dielettrica trasparente viene posta tra le piastre di un condensatore piatto, a cui viene applicata una tensione u, che crea un campo elettrico sufficientemente forte nel mezzo modulante MC e. La cella di Kerr è posta tra polarizzatori incrociati P e analizzatore MA. In u=0 anche l'intensità luminosa all'uscita del dispositivo è pari a zero, tuttavia, quando viene applicata una tensione, il mezzo modulante diventa otticamente simile ad un cristallo birifrangente con asse ottico parallelo alla direzione del campo elettrico. Pertanto, passando attraverso la cella di Kerr, l'onda luminosa si rompe in due componenti polarizzate linearmente. Uno di questi è polarizzato in modo che il suo vettore elettrico sia orientato perpendicolarmente al campo esterno e(ondata ordinaria), l'altro è in parallelo e(non un'onda normale). Per garantire la massima profondità di modulazione, è necessario che il piano principale del polarizzatore P composto da vettore e angolo 45°. Le onde ordinarie e straordinarie hanno indici di rifrazione differenti ( P Oh e P f) e quindi si propagano nel mezzo con velocità differenti. Dopo essere passata attraverso la cella di Kerr, la luce viene polarizzata ellitticamente e passa più o meno attraverso l'analizzatore.

Teoria ed esperienza mostrano che la differenza P Oh e P e proporzionalmente e 2 (da cui il nome utilizzato) effetto Kerr quadratico):

dove kKè un coefficiente indipendente da e. Differenza di fase tra raggi ordinari e straordinari dopo aver superato il percorso l nel mezzo modulante è

, (3.2)

dove B =Ka/λ - cosiddetto costante di Kerr.

L'effetto Kerr quadratico è spiegato dall'anisotropia ottica delle molecole del mezzo modulante, ovvero dalla differenza nella loro capacità di essere polarizzate dal campo elettrico di un'onda luminosa in direzioni diverse. In assenza di un campo elettrico esterno e le molecole anisotrope sono orientate in modo casuale e la sostanza nel suo insieme è isotropa. Se le molecole hanno il loro momento di dipolo elettrico, allora un campo elettrico sufficientemente forte provoca il loro orientamento preferito e la sostanza diventa macroscopicamente anisotropa.

Nelle sostanze costituite da molecole che non hanno un proprio momento di dipolo, un campo elettrico esterno può indurlo e, a causa dell'anisotropia delle molecole, il momento di dipolo non coincide necessariamente con la direzione e. Sorge una coppia di forze, che costringe le molecole a orientarsi in un certo modo rispetto a e. In accordo con quanto detto, ci sono orientativo e Effetti di polarizzazione Kerr. Il tempo di rilassamento orientativo delle molecole di dipolo è di 10 -9 s in ordine di grandezza. Ciò significa che a frequenze di modulazione superiori a 10 8 -10 9 Hz, l'effetto orientativo Kerr praticamente non si manifesta e rimane attivo solo l'effetto di polarizzazione, la cui velocità è limitata dal tempo di 10 -12 -10 -13 s .

I fenomeni elettro-ottici si osservano non solo nelle sostanze isotrope, ma anche nei cristalli con anisotropia ottica naturale. Per evitare che la doppia rifrazione appaia quando e= 0, un cristallo uniassiale viene ritagliato in modo che si formino facce perpendicolari al suo asse ottico e la luce sia diretta lungo di esso. Il campo elettrico di controllo viene creato nella direzione perpendicolare alla direzione di propagazione della luce, cioè allo stesso modo della cella di Kerr (Fig. 3.1, a). È anche possibile un dispositivo modulante in cui il campo elettrico è diretto parallelamente alla propagazione della luce. Per fare ciò, vengono applicati elettrodi trasparenti sulle facce corrispondenti del cristallo anisotropo (Fig. 3.1.6). Secondo la fig. 3.1 termini di utilizzo - longitudinale e effetti elettro-ottici trasversali. Viene chiamata la variazione della birifrangenza di un cristallo anisotropo posto in un campo elettrico Effetto tasche- dal nome del fisico che lo scoprì (1894). In contrasto con l'effetto Kerr, la differenza n 0 e p e nell'effetto Pockels è proporzionale al primo grado e:

, (3.3)

dove K p è un coefficiente elettro-ottico diverso da K K nella formula (3.1) sia in valore che in dimensione. Come

e per l'effetto Kerr, l'effetto Pockels è caratterizzato da una piccola inerzia, che permette di modulare la luce fino a frequenze di ~1·10 13 Hz. Tuttavia, va tenuto presente che il limite superiore della frequenza di modulazione è spesso determinato non dai processi nella sostanza, ma dalla capacità del dispositivo e risulta essere inferiore di diversi ordini di grandezza.

Il funzionamento dei modulatori di radiazione ottica può essere basato su effetti magneto-ottici, in particolare sull'effetto studiato per la prima volta da Cotton e Mouton (1907). Questo effetto è simile all'effetto Kerr elettro-ottico (Fig. 3.2, un): il mezzo modulante è posto tra la polaroid incrociata e l'analizzatore, la direzione del campo magnetico è perpendicolare al fascio luminoso, i piani principali dei polarizzatori sono con la direzione del campo magnetico 45°. Effetto cotone-ovino osservato in una sostanza macroscopicamente isotropa costituita da molecole o aggregati di molecole che hanno un momento magnetico costante, ma sono orientate in modo casuale. Un campo magnetico esterno, interagendo con i momenti magnetici delle molecole, ne ordina l'orientamento, a seguito del quale la sostanza diventa anisotropa, acquisendo le proprietà di un cristallo con birifrangenza. Come nel caso dell'effetto Kerr, sotto l'azione di un campo magnetico, il fascio luminoso si divide in due fasci - ordinario e straordinario - e, passato attraverso il mezzo modulante, si polarizza ellitticamente per la differenza P 0 e P e, e questa differenza è proporzionale al quadrato dell'intensità H campo magnetico:

, (3.4)

dove kKM - Coefficiente di cotone- ovino(a volte significa il valore K km/λ).

Può essere utilizzato anche nei modulatori ottici Effetto Faraday(1845), che consiste nella rotazione del piano di polarizzazione della luce che si propaga in un mezzo lungo un campo magnetico (Fig. 3.2, b). L'effetto è spiegato dal fatto che in una sostanza magnetizzata gli indici di rifrazione per la luce polarizzata circolarmente destra e sinistra sono diversi n+ e P - . La luce polarizzata piana è la somma delle componenti polarizzate sinistra e destra. Dopo aver attraversato il mezzo modulante, si verifica una differenza di percorso tra loro, a seguito della quale il piano di polarizzazione ruota di un angolo φ proporzionale alla lunghezza l percorsi di luce nella materia e la prima potenza di H:

dove p - Verde costante, prende il nome dal ricercatore che studiò in dettaglio la rotazione magnetica del piano di polarizzazione della luce.

L'azione di un modulatore ottico può anche basarsi su una serie di altri effetti considerati nelle sezioni successive di questo capitolo: acusto-ottico, piezoelettrico inverso, a seguito di una variazione del coefficiente di assorbimento ottico, la capacità del materiale di luce diffusa, ecc.

3.1.2. Caratteristiche e parametri dei modulatori ottici

Indipendentemente dal principio di funzionamento, i modulatori ottici sono caratterizzati da una serie di parametri: profondità di modulazione del segnale, perdite ottiche, banda di trasparenza, banda di frequenza modulata, consumo specifico di potenza, valore della tensione di controllo, ecc.

Se Ф min indica l'intensità della luce che è passata attraverso il modulatore in assenza di un segnale di controllo (con attenuazione completa) e Ф m х - quando è stata fornita (con illuminazione completa), allora profondità(livello) modulazione definito come

La profondità di modulazione è spesso intesa anche come il rapporto Ф m ах a Ф min, che di solito è espresso in decibel:

Se Ф min ≈ 0, il modulatore può essere utilizzato come otturatore ottico(valvola luminosa), ovvero un dispositivo che accende e spegne la luce.

Perdita ottica modulatore o tapparella è caratterizzato dal rapporto tra l'intensità luminosa Ф 0 in assenza di un dispositivo e il suo valore Ф max con piena illuminazione del modulatore ed è espresso anche in decibel:

(3.8)

Fascia di trasparenza determina l'intervallo spettrale della radiazione che passa attraverso il modulatore senza attenuazione evidente.

Sotto larghezza di bandaΔ f modulatore indica la gamma di frequenze di modulazione in cui può operare. Di solito Δ fè definita come la differenza tra la tomaia f dentro e sotto f n frequenze e, poiché f in >> f n, quindi Δ f ≈ f in. Si caratterizza anche l'otturatore ottico tempo di risposta (velocità), che è vicino in ordine di grandezza a / f in 1 .

Per la modulazione, l'energia viene spesa e maggiore è il maggiore Δ f. Pertanto, come caratteristica del modulatore, viene introdotto un parametro, determinato da consumo energetico per unità di larghezza di banda di modulazione(di solito espresso in milliwatt per megahertz).

Nel caso di polarizzatori incrociati all'ingresso e all'uscita del modulatore, l'ampiezza dell'onda luminosa trasmessa è proporzionale a sinφ, dove φ è l'angolo di rotazione del piano di polarizzazione dovuto all'applicazione della tensione u, un intensità luminosa in uscita

, (3.9)

dove uλ/2- il cosidetto tensione a semionda uguale a tale u, in cui si ottiene la massima trasmissione luminosa del dispositivo, ovvero quando la fase della luce in uscita cambia di π.

I modulatori elettro-ottici sono ampiamente utilizzati. I materiali efficaci per tali dispositivi sono: niobato di litio LiNbO 3 con un intervallo di trasparenza di 0,4 - 4,5 μm, tantalato di litio LiTaO 3 (0,4 - 5 μm), titanati di bario e bismuto (ВаТiO 3 e Bi 4 Ti 3 O 12 ), niobato di potassio e tantalato (KNbO 3 e KTaO 3), nonché KTa x Nb 1- x O 3 (KTN) (0,5–4,5 μm). Vengono utilizzati anche tali materiali elettro-ottici "classici", come il potassio diidrogeno fosfato KH 2 RO 4 (denominazione abbreviata KDP) e la sua modifica deuterata KD 2 PO 4 (DKDP) con un intervallo di trasparenza di 0,3 - 1,2 μm, diidrogeno fosfato di ammonio NH 4 H 2 PO 4 (ADP), diidroarsenide di ammonio NH 4 H 2 AsO 4 (ADA) e molti altri materiali.

Nei modulatori magneto-ottici vengono utilizzati materiali ferromagnetici, in particolare le ferriti, che combinano proprietà ferromagnetiche e semiconduttrici (dielettriche) e sono ossidi complessi di ferro e alcuni altri elementi. Alcune delle loro varietà sono ampiamente utilizzate per coprire nastri di registratori e videoregistratori. Si possono utilizzare molti tipi di ferriti, in particolare ittrio ferro granato Y 3 Fe 5 O 12, ittrio alluminio granato Y 3 A1 5 O 12 (YAG), altri materiali (Bi X Y 1- x Fe 5 O 12, Y 2 BiFe 3, 8 Ga 1.2 O 12), trasparente nelle regioni dello spettro rosso e vicino infrarosso.

I modulatori ottici possono anche utilizzare molti degli altri effetti descritti nelle sezioni successive di questo capitolo.

3.2. Deflettori ottici

3.2.1. Deflettori elettro-ottici

Gli elementi comuni nei sistemi ottici di elaborazione delle informazioni sono i dispositivi per modificare la posizione spaziale di un raggio di luce, i cosiddetti deflettori(dal lat. deflectio - rifiuto). Ci sono deflettori con una serie discreta di posizioni del raggio deviato, oltre a quelli progettati per il suo movimento continuo - scanner.

Come già notato, i raggi ordinari e straordinari che emergono da un cristallo birifrangente sono polarizzati linearmente su piani reciprocamente perpendicolari. Se la luce polarizzata nel piano di polarizzazione di un raggio ordinario viene diretta su una lastra parallela al piano tagliata da un tale cristallo ad angolo rispetto al suo asse ottico, non ci sarà alcun raggio straordinario all'uscita del cristallo e il raggio ordinario attraverserà il cristallo senza cambiarne la posizione spaziale. Se il piano di polarizzazione del raggio incidente sulla lastra viene ruotato di 90°, solo un raggio straordinario passerà attraverso il cristallo, che non sarà più una continuazione di quello primario, ma si sposterà parallelamente ad esso. In altre parole, uno dei due fasci spazialmente separati che emergono dal cristallo può essere isolato utilizzando un polarizzatore. Nei deflettori, l'orientamento del piano di polarizzazione del raggio primario viene modificato non ruotando il polarizzatore, ma utilizzando una cella elettro-ottica, quando lo attraversa in assenza di tensione di controllo u La polarizzazione della luce non cambia u, mezza onda Uλ/2 , il piano di polarizzazione ruota di 90°, necessario per il funzionamento del deflettore. Lo spostamento del raggio dipende dal materiale da cui viene tagliata la lastra birifrangente e dal suo spessore, ovvero non può essere controllato elettricamente. Affinché il raggio all'uscita del deflettore abbia molte posizioni, la luce viene fatta passare attraverso una sequenza di coppie di "modulatori di polarizzazione controllati elettricamente - piastra birifrangente" (Fig. 3.3). Per ottenere lo stesso passo in una sequenza discreta di posizioni del fascio luminoso all'uscita del deflettore, è necessario che lo spessore dei cristalli birifrangenti disposti in cascata uno dopo l'altro differisca di un fattore due.

Sia, per certezza, che la sezione principale di tutti i cristalli (il piano che passa per la direzione del raggio di luce e l'asse ottico del cristallo) coincida con il piano della figura. Dirigiamo un raggio polarizzato linearmente sul deflettore in modo che il piano del vettore elettrico nell'onda luminosa sia perpendicolare alla sezione principale dei cristalli. Se la tensione non viene applicata a tutti i modulatori di polarizzazione, il piano di polarizzazione del raggio non cambia, non si discosta dalla direzione di propagazione originale e all'uscita del dispositivo sarà nella posizione 1. Applichiamo ora la tensione al terzo modulatore di polarizzazione u 3 , uguale a semionda, cioè ruotando il piano di polarizzazione della luce di 90°. Ciò corrisponde al piano di polarizzazione del fascio straordinario nella terza lastra birifrangente. In questo caso il raggio devierà, lasciando la piastra nella direzione 2. Affinché il raggio prenda la posizione all'uscita del modulatore 3, è necessario applicare una tensione a semionda al secondo stadio del modulatore, lo spessore della piastra birifrangente in cui è grande il doppio del terzo, e in modo che il raggio non si discosti dal terzo stadio, è necessario applicare la tensione uλ/2 sia sulla seconda che sulla terza cascata. Affinché il raggio di luce all'uscita colpisca il punto 4, la tensione a semionda deve essere applicata solo al secondo stadio, ecc. (Tabella 3.1).

Per espandere il raggio di deflessione del raggio due volte (contemporaneamente) nel dispositivo mostrato in Fig. 3.3, è necessario introdurre una cascata con una lastra birifrangente di spessore doppio rispetto alla prima cascata. Un'ulteriore espansione della gamma di deflessione del raggio richiede l'introduzione di cascate con piastre ancora più spesse.

Con aiuto m- deflettore a cascata puoi ottenere 2 t posizioni discrete del fascio luminoso in uscita. È necessario un deflettore a 8 stadi per ottenere un numero di posizione totale del raggio, ad esempio 256. Per ottenere una deflessione del raggio in due coordinate, nel deflettore vengono introdotti cristalli birifrangenti, le cui sezioni principali sono tra loro perpendicolari (in questo caso, 10 4 -10 5 posizioni del raggio risolvibili in uscita sono abbastanza ottenibili con un tempo di commutazione di 10 -6 -10 -7 s). È ovvio che non è assolutamente necessario che lo spessore delle lastre birifrangenti diminuisca nella direzione di propagazione della luce. trave. Se non è la stessa di Fig. 3.3 (in ordine inverso o alternato), cambierà solo la commutazione delle tensioni di comando.

Tabella 3.1.Commutazione delle tensioni di controllo deflettore a tre stadi mostrato in Fig. 3.3.

Voltaggio			Posizione trave
U 1	U2	U3

Uno dei parametri principali del deflettore è risoluzione, che per il dispositivo in esame è determinato dal materiale e dallo spessore delle lastre birifrangenti l, nonché il loro orientamento rispetto all'asse ottico del cristallo. Ovviamente la deviazione del raggio straordinario hè uguale a l tgψ, dove ψ è l'angolo di deflessione della trave nella piastra (Fig. 3.3).

Gli stessi materiali possono essere utilizzati nei deflettori come nei modulatori elettro-ottici: KDP, ADP, DKDP, LiNbO 3 , BaTiO 3, ecc. La calcite minerale CaCO 3 (56% CaO + 44% CO 2 con impurità) o è particolarmente trasparente varietà - Spar islandese, con alta birifrangenza. Ad una lunghezza d'onda di 0,63 μm, l'angolo ψ per un cristallo KDP, ad esempio, è ~1,5°, per la calcite è di circa 6°. Va sottolineato che la deflessione del fascio all'uscita del tipo di deflettore considerato non dipende dalla tensione ai capi del modulatore di polarizzazione. Se lo fai non uguale Uλ / 2, la posizione del raggio straordinario non cambierà, ma solo la sua intensità diminuirà. Inoltre, all'uscita del deflettore apparirà un raggio ordinario, la cui intensità aumenterà come u paragonato a Uλ / 2. Ciò consente di utilizzare il deflettore come modulatore.

Deflessione continua (scansione) il raggio può essere ottenuto utilizzando un prisma di materiale elettro-ottico (ad esempio KTN, KDP, ВаТiO 3) con elettrodi metallici depositati sulle facce terminali, a cui viene applicata una tensione di controllo u. L'angolo θ al quale il raggio esce dal prisma dipende dall'indice di rifrazione del materiale del prisma, e quindi da u. La risoluzione dello scanner è definita come il rapporto tra la variazione angolare massima Δθ e la divergenza del raggio δθ. Il valore di Δθ / δθ per uno scanner elettro-ottico a prisma può raggiungere ~1 10 2 .

3.2.2. Applicazione dell'effetto acusto-ottico nei deflettori e per altre trasformazioni di radiazione

Il funzionamento dei dispositivi acusto-ottici si basa sull'interazione di onde ottiche e sonore che si propagano simultaneamente nella materia. Già all'inizio del 19° secolo. T. Seebeck e D. Brewster hanno scoperto un cambiamento nell'indice di rifrazione della luce sotto l'azione di sollecitazioni meccaniche elastiche P sostanze, che porta all'anisotropia ottica artificiale, che si manifesta nella birifrangenza e nel dicroismo. Questo cosiddetto effetto elasto-ottico (fotoelasticità, effetto acusto-ottico), spiegato dalla deformazione dei gusci elettronici di atomi e molecole, dall'orientamento delle molecole anisotropiche, ecc. Sotto l'azione di sollecitazioni meccaniche introdotte da un'onda sonora, nella sostanza compaiono bande alternate con diversi indici di rifrazione che si propagano con una frequenza audio v suono Se un raggio di luce con dimensioni trasversali paragonabili alla lunghezza d'onda del suono è diretto anche alla sostanza λ suono = v suono / v sv, dove v sv è la velocità del suono, il percorso del raggio luminoso sarà periodicamente piegato. Un tale fenomeno è di scarso interesse per l'elaborazione ottica dell'informazione già a causa della sua bassa frequenza. Tuttavia, all'aumentare della frequenza v sv (durante il passaggio agli ultrasuoni), come predetto da L. Brillouin già nel 1922, esperienze di luce su bande alternate con P diffrazione, simile alla diffrazione dei raggi X sui piani atomici in un cristallo.

Per osservare l'effetto acusto-ottico (Fig. 3.4), un'onda sonora in un cristallo viene eccitata utilizzando un trasduttore acustoelettrico, che è una piastra piezoelettrica attaccata a un cristallo, o una pellicola sottile depositata sulla sua superficie (LiNbO 3, CdS, ZnO). Applicazione convertitore di tensione CA u provoca vibrazioni meccaniche della lastra (pellicola) e può eccitare onde sonore nel cristallo in un'ampia gamma di frequenze fino a decine di gigahertz (1 GHz = 1 10 9 Hz), che vanno all'assorbitore acustico all'estremità opposta del cristallo (ad esempio resina epossidica con carica, lega di bismuto con indio, ecc.).

Ci sono due possibili schemi per la diffrazione della luce dalle onde sonore.

Un raggio ottico coerente può essere inviato normalmente nella direzione di propagazione dell'onda sonora (Diffrazione Raman- Nata), e quindi in uscita l'onda luminosa viene suddivisa in una serie di fasci simmetricamente divergenti ad angoli θ t alla trave cadente

dove t= 0, ±1, ±2, ..., λ è la lunghezza d'onda della luce. condizione t= 0 corrisponde all'ordine zero di diffrazione, t= ± 1 - primo ordine, ecc. Pertanto, l'energia del raggio incidente è distribuita tra molti raggi. Il rapporto tra l'intensità dei raggi diffratti dipende dalla frequenza e dall'intensità del suono, dalla lunghezza del percorso percorso dalla luce nell'area dell'onda sonora (lunghezze di interazionel), Affinché avvenga la diffrazione Raman-Nath, la condizione deve essere soddisfatta λ l/λ zv 2<<1 . Con la disuguaglianza opposta si osserva un altro tipo di diffrazione, quando la luce cade sul cristallo non perpendicolarmente alla direzione di propagazione del suono (Diffrazione di Bragg).

Se l'angolo tra la direzione del raggio di luce incidente e la normale alla superficie del cristallo θ B (Fig. 3.4) soddisfa una condizione simile alla condizione di Bragg-Wulf per la diffusione dei raggi X

l'intera energia del fascio luminoso è concentrata praticamente nel fascio corrispondente al primo ordine di diffrazione.

Il rapporto tra le intensità del fascio diffratto ed il fascio emergente dal cristallo parallelo al fascio incidente dipende dalla lunghezza di interazione e dall'ampiezza dell'onda sonora. Affinché una parte significativa del flusso luminoso incidente (50-90%) venga diffratta con un'intensità sonora di 1 W / cm 2, la lunghezza di interazione per varie sostanze dovrebbe essere 0,1 - 10 cm in ordine di grandezza. La frequenza del suono v 3 B di solito supera 1 10 9 Hz, che corrisponde al cosiddetto ipersuono (ultrasuoni chiamate onde elastiche nell'intervallo da 15-20 kHz a 110 9 Hz e ipersuono - da 10 9 a 10 12 -10 13 Hz).

Secondo (3.11), per sin θ B = 1 (retrodiffusione della luce), l'uguaglianza 2 λ sv = λ , che corrisponde a una certa frequenza sonora limite per un dato λ . Il valore dipende non solo dalla lunghezza d'onda della luce, ma anche dal materiale della cella acusto-ottica, poiché la velocità di propagazione del suono in diversi materiali è diversa. Nella regione visibile dello spettro, il valore varia da diversi gigahertz a diverse decine di gigahertz.

La diffrazione di Bragg è stata utilizzata con successo nei deflettori ottici ad alta velocità. L'indubbio vantaggio di tali deflettori rispetto a quelli elettro-ottici è la possibilità di modificare l'angolo di deflessione del raggio variando la frequenza del suono. Tuttavia, in accordo con (3.11), anche in questo caso è necessario modificare costantemente l'angolo di incidenza del raggio luminoso in modo che la condizione di Bragg sia soddisfatta ogni volta. Ciò può essere ottenuto modificando la direzione di propagazione del raggio incidente o dell'onda sonora nel modo necessario, il che complica notevolmente il funzionamento del deflettore. Tuttavia, la condizione (3.11) per vari angoli è soddisfatta quando si utilizza un'onda sonora divergente piuttosto che piana (questo è mostrato schematicamente in Fig. 3.4). Tale onda può essere considerata come un insieme di onde piane dirette entro un certo intervallo angolare. Per una data frequenza sonora, si osserverà la diffrazione di Bragg su quella componente dell'onda sonora per la quale la condizione (3.11) è soddisfatta. È ovvio che maggiore è la divergenza dell'onda sonora, maggiore è l'intervallo angolare in cui il raggio luminoso può essere deviato variando la frequenza del suono. In questo caso, però, la durata dell'interazione acusto-ottica diminuisce, e per ottenere la stessa intensità del fascio diffratto è necessario aumentare l'intensità dell'onda sonora.

Se si utilizza un cristallo anisotropo come corpo di lavoro di una cella acusto-ottica, il quadro dei fenomeni che si verificano diventa più complicato di quello considerato, le condizioni di diffrazione diventano dipendenti dall'orientamento reciproco della direzione di propagazione del suono e dell'asse ottico del cristallo, la posizione del piano di polarizzazione della luce, ecc. In questo caso, tuttavia, può essere l'intervallo di variazione della frequenza del suono in cui è soddisfatta la condizione di Bragg, e quindi l'intervallo della posizione angolare del fascio diffratto a lo stesso consumo energetico, può essere notevolmente ampliato.

Con l'aiuto di dispositivi acusto-ottici, è possibile eseguire non solo una deviazione a una coordinata, ma anche a due coordinate di un raggio di luce. In questo caso, i deflettori con piani di scansione reciprocamente perpendicolari possono essere combinati in una cella acusto-ottica. Il numero di posizioni distinguibili del raggio luminoso (risoluzione) del deflettore acusto-ottico può essere 10 3 -10 4 e lo sweep può essere effettuato non solo lungo un insieme di direzioni fisse, ma anche con scansione continua, che è ottenuto mediante una variazione graduale o regolare della frequenza delle oscillazioni acustiche.

La velocità del deflettore acusto-ottico è determinata dal tempo durante il quale l'onda sonora passa attraverso la zona attiva del cristallo, cioè è limitata dalla velocità relativamente bassa del suono. Tuttavia, il tempo di commutazione del raggio luminoso può essere inferiore a 1 10 -6 s.

Molti materiali che assorbono debolmente le vibrazioni sonore e sono trasparenti nella corrispondente regione dello spettro ottico possono essere utilizzati nei deflettori acusto-ottici: quarzo fuso, calcogenuro e altri vetri di varie composizioni chimiche (ad esempio, As 2 S 3), biossido di tellurio TeO 2 (paratellurite), molibdato di piombo PbMoO 4 (wulfinite), nonché cristalli KDP, DKDP, LiNbO 3, ecc. La frazione dell'energia del raggio deviato in relazione all'incidente (efficienza di deflessione) dei deflettori acustoelettrici è solitamente vicino al 50-70%.

Il deflettore basato sull'effetto acusto-ottico può essere utilizzato come modulatore (in questo caso è più facile ottenere una modulazione del 100% se si utilizza un raggio diffratto al posto di uno trasmesso), nonché per eseguire altre trasformazioni delle onde luminose .

Se la radiazione a banda larga (piuttosto che monocromatica) viene diretta a un cristallo con un'onda sonora introdotta in esso, la luce di prevalentemente una lunghezza d'onda viene deviata di un angolo 2θ B. Ciò consente di isolare un ristretto intervallo spettrale di radiazione dal raggio incidente. Modificando la frequenza del suono, la lunghezza d'onda della luce diffratta può essere modificata su un'ampia gamma, comprese le radiazioni visibili, ultraviolette e infrarosse. Questa è la base per il funzionamento dei filtri acusto-ottici sintonizzabili ad alta velocità. La metà spettrale di tali filtri è 0,01 - 1 nm.

Poiché la luce in una cellula acusto-ottica diffrange su un'onda sonora, cioè su un "reticolo mobile", si verifica uno spostamento della frequenza della luce dovuto a Effetto Doppler. Per la luce incidente su un cristallo nella direzione di propagazione del suono, e per la luce che si propaga nella direzione opposta (in termini di meccanica quantistica, ciò corrisponde ai processi di emissione o assorbimento di un fonone), la frequenza della luce diventa rispettivamente uguale v - v 3B e v + v 3B. Questo fenomeno può essere utilizzato in pratica per aumentare o diminuire la frequenza della luce di un valore v 3 B , anch'esso modificabile.

3.3. Banner ottici

trasparenza ottica(OT) è un dispositivo piatto, i cui parametri ottici (trasparenza, scattering, indice di rifrazione, polarizzazione) sotto l'azione di un segnale di controllo cambiano da punto a punto lungo la sua area, cioè un raggio di luce che è passato attraverso tale dispositivo o riflesso da esso, risulta essere modulato spazialmente. La modulazione spaziale della luce alle trasparenze ottiche non esclude, inoltre, la modulazione temporale dei segnali. Viene chiamato un banner che consente entrambe le possibilità dinamico o modulatore di luce spazio-temporale(PVM). Con l'aiuto di SLM ad alta velocità, è possibile eseguire l'elaborazione parallela di grandi quantità di informazioni (immagini, immagini) in tempo reale, che è difficile da implementare in dispositivi e sistemi elettronici. Ovviamente, gli SLM possono essere utilizzati non solo per la trasformazione, ma anche per l'input parallelo di array di informazioni, nonché per il suo output e la sua visualizzazione, anche in forma visiva. Infine, se le proprietà dei materiali e il principio di funzionamento della trasparenza consentono di preservare per qualche tempo il "rilievo ottico", l'SLM può essere utilizzato come dispositivo di memoria ad alta capacità.

Vari effetti fisici vengono utilizzati per modulare il segnale in OT. La modulazione può essere effettuata sia applicando una tensione elettrica a varie sezioni del trasparente (EUT - banner a comando elettrico) o proiettando un'immagine ottica (OUT- banner a controllo ottico). Sono anche possibili dispositivi in ​​cui l'OT funge da bersaglio in un tubo a raggi catodici e i suoi parametri sono controllati utilizzando un raggio di elettroni scansionato. Tuttavia, tali dispositivi (come Titus, Eidofor e loro modifiche), come "non allo stato solido", che richiedono evacuazione, elevate tensioni di accelerazione e di controllo, non saranno considerati di seguito.

La maggior parte dei parametri introdotti per i modulatori ottici sono applicabili anche alle trasparenze. I parametri più importanti e caratteristici per le trasparenze sono risoluzione, definito come il numero di linee distinguibili per unità di lunghezza (di solito espresso in linee per millimetro), e sensibilità energetica al segnale di controllo(joule per centimetro quadrato). Viene chiamato il rapporto Ф m ax /Ф min) delle intensità di radiazione trasmesse attraverso la trasparenza alla massima illuminazione e all'oscuramento contrasto ottico.

3.3.1. striscioni elettrici

Quando si crea una trasparenza, è naturale sforzarsi di ottenere la massima risoluzione spaziale possibile e, se supera ~ 10 linee/mm, il che è abbastanza realistico, quindi con un'area di trasparenza di diversi centimetri quadrati, collegamento elettrico individuale di ciascuno elemento che utilizza un conduttore separato diventa praticamente impossibile. Pertanto, l'EUT utilizza il cosiddetto X- Y-indirizzamento(a due coordinate, matrice, multiplex). In questo caso, strisce trasparenti conduttive parallele (pneumatici) vengono applicate su uno strato sottile del mezzo modulante su entrambi i lati, in modo che siano orientate perpendicolarmente tra loro su superfici opposte (Fig. 3.5, un). Il campo elettrico al posto giusto del trasparente si crea applicandolo al corrispondente X- Y- pneumatici tensione di controllo, che provoca una variazione locale delle proprietà ottiche del mezzo modulante nel punto della loro intersezione. Per effettuare la modulazione ottica sull'intera superficie del trasparente, il segnale elettrico deve "correre" attraverso tutti i punti di intersezione dei pneumatici (con il numero di righe e colonne di 100x100, esistono già 1·10 4 di tali punti !). Per fare ciò, utilizzare una sequenza diversa di indirizzamento della tensione di controllo agli elementi dell'EUT. Può essere applicato in sequenza a tutti gli elementi (indirizzamento elemento per elemento), contemporaneamente a tutti gli elementi dell'intera riga con la distribuzione desiderata sugli elementi all'interno della riga data (indirizzamento riga per riga), lo stesso per le colonne, ecc. Tuttavia, in tutti i casi, la tensione di controllo non è ancora applicata contemporaneamente a tutti gli elementi della trasparenza, ovvero è esclusa l'elaborazione parallela di informazioni in tempo reale, a rigore. Tuttavia, l'EUT è l'elemento più importante dei sistemi di elaborazione delle informazioni già perché prevede la conversione di segnali elettrici in segnali ottici, senza i quali è impossibile combinare dispositivi elettronici e ottici (le matrici fotosensibili multi-elemento svolgono un ruolo simile nella conversione di segnali ottici in segnali elettrici).

Le caratteristiche ei parametri dell'EUT sono determinati principalmente dal materiale utilizzato come mezzo modulante.

Molti dei cristalli elettro-ottici considerati in 3.1.2 sono adatti per EUT ad alta velocità. Nella maggior parte dei casi, la rotazione del piano di polarizzazione della luce sotto l'azione di una tensione elettrica applicata viene utilizzata come effetto modulante. Per convertire la modulazione di polarizzazione in modulazione di ampiezza, questo tipo di EUT è posto tra il polarizzatore incrociato e l'analizzatore. Sotto l'azione della tensione, si chiarisce la trasparenza nel luogo corrispondente. L'uso diffuso dei tradizionali cristalli elettro-ottici negli EUT è ostacolato da un'elevata tensione di controllo (oltre 1 10 3 V).

È possibile creare PVMS a controllo elettrico sulla base di ceramiche ferroelettriche- una miscela di zirconato di piombo e titanato pressata ad alta temperatura con aggiunta di lantanio (PbZrO 3 + PbTiO 3 + La, abbreviato in PLZT, in ortografia russa - TsTSL). A seconda del rapporto tra i componenti e la modalità di sinterizzazione, si ottengono lastre di ceramica CTSL, che hanno determinate proprietà elettro-ottiche. La trasparenza delle lastre con uno spessore di circa 0,1 mm nella regione visibile supera il 90%, le dimensioni lineari sono di alcuni centimetri e le tensioni di esercizio sono comprese tra 100 e 200 V.

L'uso della ceramica CTSL nelle trasparenze ottiche si basa sull'orientamento (riorientamento) del vettore di polarizzazione sotto l'azione di una tensione esterna domini- aree di polarizzazione spontanea aventi proprietà ottiche simili a cristalli uniassiali e caoticamente orientate nello stato iniziale dell'EUT. Come risultato dell'orientamento preferenziale dei domini, viene indotta la birifrangenza. Se la ceramica è a grana relativamente grossa (4–5 μm), le sue proprietà di dispersione cambiano sotto l'azione di un campo elettrico esterno. In quest'ultimo caso, la luce che attraversa la trasparenza viene modulata in ampiezza senza l'uso di polaroid incrociate. A temperature superiori al punto di Curie, la fase ferroelettrica della ceramica CTSL viene sostituita da una paraelettrica. In base a ciò, l'EUT ha una memoria a lungo termine o un'alta velocità (fino a 10 -7 - 10 -9 s). Un dispositivo così efficace, inoltre, ha un costo abbastanza basso.

Il più sensibile ai segnali di controllo ed economico basato su EUT cristalli liquidi(LC) - sostanze organiche complesse che hanno le proprietà di un liquido (fluidità) e allo stesso tempo di un cristallo (anisotropia delle proprietà, comprese quelle ottiche). stato a cristalli liquidi (mesofase) esiste solo in un determinato intervallo di temperatura. Oltre i suoi limiti, il LC si trasforma alle alte temperature in un liquido isotropo, alle basse temperature in una fase solida.

Le molecole LC hanno una forma allungata a forma di sigaro (sono una specie di "cristallo" uniassiale) e quindi tendono a impaccarsi in parallelo reciproco e, infine, all'anisotropia dello strato LC. A seconda della natura della disposizione delle molecole, si distinguono diversi tipi di FA: nematico, smettico, colesterico. In EUT, un LC viene posizionato in uno spazio ristretto (3–30 µm) tra due substrati trasparenti. Sulle superfici interne dei substrati vengono creati elettrodi bus trasparenti reciprocamente perpendicolari. Le stesse superfici vengono lucidate (sfregate) durante il movimento di traslazione (piuttosto che di rotazione) del substrato rispetto al materiale di macinazione, o su di esse viene depositato un sottile film di SiO 2 ad angolo.Tale trattamento porta al fatto che il LC le molecole sono orientate parallelamente al piano del substrato e, inoltre, in una direzione. Per la luce diretta perpendicolarmente ai substrati, tale strato ha la massima birifrangenza. Se alla cella viene applicata una tensione superiore a una certa soglia, le molecole LC girano parallelamente al campo elettrico agente e lo strato LC non causa più birifrangenza. In V=0 una grande differenza Δ P = P e- P 0 = =0.2÷0.4, che garantisce la massima profondità di modulazione già ad uno spessore dello strato LC di circa 1 μm.

Utilizzando l'azione di orientamento dei substrati, ruotandoli l'uno rispetto all'altro, le molecole LC possono essere attorcigliate in modo tale che i loro assi lunghi negli strati adiacenti all'uno e all'altro substrati risultino tra loro perpendicolari. Tale struttura diventa otticamente attiva e ruota il piano di polarizzazione di 90°. Sotto l'azione di una tensione applicata alla cellula, le molecole girano parallelamente al campo e lo stato "contorto" del LC scompare. Questo cosiddetto effetto torsione(dall'inglese twist-twist), ampiamente utilizzato in indicatori di orologio, microcalcolatori, ecc.

Per ottenere la modulazione di ampiezza in un LC utilizzando la birifrangenza o l'effetto twist, è necessario utilizzare due polaroid a pellicola. È anche possibile la modulazione diretta dell'ampiezza della luce tramite LCD. Per fare ciò, è possibile introdurre una piccola aggiunta di colorante nel LC, il cui orientamento delle molecole dipende dall'orientamento delle molecole LC circostanti. Poiché l'assorbimento della luce da parte di un colorante dipende dall'orientamento dell'asse lungo delle sue molecole, controllando l'orientamento delle molecole LC, si può modificare l'assorbimento ottico del dispositivo (l'effetto l'ospite-maestro).È possibile introdurre nel LC non additivi coloranti, ma droganti, che portano alla conduttività ionica della sostanza. Quindi, quando viene applicata una tensione esterna, il flusso di corrente provoca un vortice, un movimento turbolento nell'LC e lo strato LC, che è trasparente nello stato iniziale, diventa grigio opaco (effetto di dispersione dinamica o effetto elettroidrodinamico).

Le tensioni di funzionamento dell'EUT, agendo su vari effetti nell'LC, variano da alcune decine a diversi volt ea correnti di flusso sufficientemente basse (ad esempio, 1-3 μA/cm 2 ). I dispositivi a cristalli liquidi, che sono anche caratterizzati da un'elevata producibilità e da un basso costo, presentano uno svantaggio significativo: una velocità relativamente bassa. Il tempo di risposta elettro-ottico per alcuni LCD può essere di microsecondi, ma il tempo di recupero delle molecole è almeno uno o due ordini di grandezza più lungo, quindi il tempo di risposta dei dispositivi LCD è solitamente nell'intervallo dei millisecondi. Il tempo di commutazione dell'EUT diminuisce con una diminuzione dello spessore dello strato LC e un aumento della tensione di controllo. Ottimizzando questi parametri e utilizzando altre tecniche (sia tecnologiche che di alimentazione), la frequenza di commutazione del dispositivo può essere aumentata a 1 10 3 e talvolta superare 1·10 4 Hz. Ciò è ancora insufficiente per risolvere molti problemi di elaborazione ottica delle informazioni, sebbene sia abbastanza accettabile, ad esempio, per i dispositivi indicatori.

Un altro svantaggio dei dispositivi LCD è associato a un intervallo di temperatura limitato di esistenza della mesofase, che è di diverse decine di Kelvin (ad esempio, da -(10-20) a +(40-50)°C).

L'elevata velocità, nonché una durata pressoché illimitata, possono essere ottenute utilizzando effetti magneto-ottici nelle ferriti in EUT. Le difficoltà nell'uso delle ferriti, in particolare dei granati ferritici e delle ortoferriti (che si differenziano per la composizione degli elementi delle terre rare e per la struttura cristallina), sono associate ad un significativo assorbimento di luce nella regione visibile dello spettro. Tuttavia, la trasmissione ottica accettabile per la pratica (-10% nella regione rossa dello spettro) si ottiene, ad esempio, in trasparenze a base di ortoferriti YFeO 3 , YFeGaO 3 , granati di ferrite YGaScFeO, YGdGaFeO, Y 2 BiFeGaO 12, ecc. Locale

un campo magnetico che provoca un cambiamento nelle proprietà ottiche della ferrite può essere creato utilizzando il cosiddetto ciclo di corrente(Fig. 3.5, b). Dopo un breve collegamento di corrente (che supera un certo valore di soglia), la magnetizzazione creata della sezione di trasparenza (ombreggiata in figura) può persistere per un tempo estremamente lungo. Durante la lettura delle informazioni, viene utilizzata la rotazione di Faraday del piano di polarizzazione della luce che passa attraverso lo strato di ferrite, nonché quando viene riflessa (effetto Kerr magnetoottico), Gli EUT magneto-ottici con un tempo di inversione della magnetizzazione di ~ 1 · 10 -8 s, una capacità di informazione di almeno 100x100 elementi e una risorsa praticamente illimitata sono abbastanza reali. Alcune difficoltà con l'uso di trasparenze magneto-ottiche sono associate alla commutazione di correnti di controllo sufficientemente grandi (~1A).

3.3.2. Principi di funzionamento dei banner a controllo ottico

Nel caso più comune, l'OUT è (Fig. 3.6, un) una lamella di materiale elettro-ottico MS su cui è depositato uno strato di fotoconduttore FP e due elettrodi solidi trasparenti 3 (ad esempio strati di ossidi di stagno, indio, indio-stagno ITO, film trasparenti di platino, oro, ecc.), a cui è collegata una tensione u. Tale struttura multistrato è posta tra il polarizzatore P e analizzatore MA e ad esso viene diretto un raggio di luce parallelo Ф 0, per il quale lo strato fotoconduttivo è insensibile e trasparente (leggendo l'onda luminosa). Uno specchio traslucido è installato tra l'OUT e l'analizzatore 4, con l'aiuto del quale un controllo dell'onda di controllo della luce Ф viene proiettato sullo strato fotoconduttivo (attraverso la MS), creando l'immagine desiderata e avente una composizione spettrale corrispondente, in contrasto con Ф 0, alla sensibilità dello strato fotoconduttivo. In assenza di spia di controllo, la resistenza del PC è elevata e quasi tutta la tensione applicata scende ai suoi capi. Sotto l'azione del controllo F, la resistenza del PC diminuisce e la tensione viene ridistribuita tra il PC e lo strato elettro-ottico, modificandone localmente il parametro ottico, ad esempio provocando birifrangenza (effetto Pockels longitudinale). Se nello stato iniziale il polarizzatore P e analizzatore MA sono incrociati, quindi in assenza del controllo Ф, la luce di lettura Ф 0 non raggiungerà l'uscita dell'intero dispositivo. Nei luoghi illuminati dall'onda di controllo, la luce Ф 0 sarà modulata in fase o polarizzazione e il dispositivo diventerà più o meno trasparente al fascio luminoso Ф 0 . Il dispositivo in esame consente una serie di trasformazioni: l'immagine creata dal controllo dell'onda Ф ha una diversa composizione spettrale; la luce di controllo non polarizzata può essere trasformata in una coerente (usando un laser come sorgente Ф 0); l'intensità del raggio Ф può superare il controllo dell'intensità Ф, ovvero si realizza l'amplificazione della luce; se i piani principali del polarizzatore e dell'analizzatore nello stato iniziale non sono perpendicolari, ma paralleli, l'immagine creata dal controllo dell'onda Ф verrà convertita in una negativa, ecc.

Solitamente, un fotoconduttore è un materiale debolmente conduttivo e lo scarico di carica creato a seguito della proiezione di un'immagine su di esso persiste per qualche tempo (per questo viene anche chiamato controllo dell'onda Ф registrazione). Se necessario, le informazioni registrate possono essere cancellate mediante un'illuminazione uniforme a breve termine di una composizione spettrale adeguata. Pertanto, un OCT con uno strato fotoconduttivo con un lungo tempo di rilassamento può essere utilizzato sia come memoria ad accesso casuale bidimensionale sia per elaborare informazioni in rapida evoluzione (se il tempo del ciclo di scrittura-lettura-cancellazione è breve). Va anche notato che la registrazione può essere effettuata non solo proiettando un'immagine, ma anche scansionando un raggio che è stato focalizzato e modulato in intensità.

È possibile azionare l'OUT non solo in trasmissione, ma anche in riflessione (Fig. 3.6, b). Allo stesso tempo, la struttura stessa dell'OUT è stata modificata: gli strati FGT e MS sono separati da uno specchio dielettrico opaco 5. Luce di lettura Ф 0 che passa attraverso il polarizzatore P e riflessa dallo specchio traslucido rotante 4, viene diretta verso l'OUT, quindi, passando attraverso il materiale elettro-ottico, viene riflessa dallo strato di separazione dello specchio 5, attraversa nuovamente la MS ed è diretta verso l'analizzatore MA. Il controllo (registrazione) del raggio di luce Ф è diretto all'OUT dal lato opposto dello strato di separazione. Altrimenti, la trasparenza considerata funziona allo stesso modo dello schema di lavorare attraverso la luce. Poiché lo specchio dielettrico è opaco, l'ingresso e l'uscita del dispositivo sono otticamente isolati; c'è libertà nella scelta della composizione spettrale della luce di lettura. Un altro vantaggio dello schema di funzionamento OOUT per riflessione è che grazie al doppio passaggio del raggio di lettura raddoppia anche la profondità della sua modulazione.

3.3.3. Vari tipi di banner a controllo ottico

La varietà di problemi che possono essere risolti con l'uso degli OCT, l'ottimizzazione dei loro parametri per ogni caso specifico ha portato alla ricerca di vari design, materiali utilizzati per gli strati fotosensibili e modulanti, il coinvolgimento di vari meccanismi che portano alla modulazione della luce, ecc. .

Nel tipo a trasparenza ottica Fototito(Fototitus) utilizza il selenio amorfo come fotoconduttore e un cristallo KDP o DKDP come materiale modulante. Il banner viene posto in una camera sottovuoto e la sua temperatura viene abbassata a circa -50°C (normalmente utilizzando un frigorifero termoelettrico). Il raffreddamento riduce la tensione di funzionamento del dispositivo a 100-200 V e il tempo di memorizzazione delle informazioni aumenta a 1 ora rispetto a ~0,2 s a temperatura ambiente, ovvero si può presumere che non vi sia alcuna diminuzione evidente del contrasto dell'immagine registrata per diversi minuti. La registrazione viene effettuata esponendo l'immagine nella regione ultravioletta o blu dello spettro, leggendo - nel rosso (ad esempio, laser elio-cadmio ed elio-neon). La cancellazione della scarica di carica, e quindi la distribuzione spaziale della birifrangenza, viene effettuata mediante un'illuminazione uniforme da una sorgente aggiuntiva, ad esempio una lampada allo xeno pulsata. La durata della registrazione e dell'eliminazione delle informazioni nel dispositivo Phototitus è piuttosto breve e ammonta a circa 1·10 -4 s. Con uno spessore del cristallo DKDP di circa 100 μm, la risoluzione spaziale della trasparenza non è inferiore a 20 linee/mm. L'uso diffuso del dispositivo nei moderni sistemi di elaborazione delle informazioni è ostacolato dalla necessità di evacuazione e raffreddamento.

Di interesse sono gli aspetti dell'uso della ceramica CTSL negli SLM controllati otticamente. In questo caso (Fig. 3.6, un) uno strato fotoconduttivo, come il polivinilcarbazolo (PVC), viene applicato su una piastra in ceramica parallela al piano, quindi vengono applicati elettrodi trasparenti su entrambe le superfici esterne. La struttura è incollata su plexiglass, leggermente piegato, a causa del quale si creano sollecitazioni meccaniche nella ceramica. Ciò porta al fatto che i domini elettrici nella lastra ceramica, la cui direzione era caotica nello stato iniziale, sono orientati lungo la direzione della sollecitazione meccanica, a coppie e in antiparallelo, in modo che la polarizzazione risultante della lastra ceramica sia zero. La tensione elettrica viene applicata agli elettrodi trasparenti u, tuttavia, leggermente inferiore a quanto richiesto per il riorientamento dei domini lungo la direzione del campo elettrico esterno. Se senza rimuovere u, illuminare la struttura, la resistenza dello strato fotoconduttivo diminuirà, la maggior parte della tensione verrà applicata alla lastra ceramica, il che porterà all'orientamento dei domini elettrici lungo la direzione del campo elettrico. Pertanto, quando un'immagine viene proiettata su una trasparenza in aree illuminate, la birifrangenza scompare. La lettura delle informazioni registrate può essere eseguita utilizzando un polarizzatore e un analizzatore, cancellando illuminando l'intera piastra a u =0.

Oltre alla birifrangenza, gli OCT basati su ceramiche CTSL a grana grossa utilizzano l'effetto di dispersione. In questo caso, nella piastra non si creano sollecitazioni meccaniche. Sotto l'azione di una tensione elettrica esterna e di un'illuminazione uniforme, la piastra viene polarizzata. Quindi la polarità della sorgente esterna viene invertita, ma la tensione viene impostata su un valore inferiore in modo che non si verifichi la ripolarizzazione. Se ora un raggio di luce di controllo è diretto verso l'OUT, i domini nei luoghi illuminati saranno orientati male, il che porterà alla dispersione locale della luce. Per cancellare le informazioni registrate, la trasparenza viene illuminata in modo uniforme quando viene attivata la tensione di polarizzazione, per cui i domini vengono orientati parallelamente al campo e la lastra diventa trasparente.

Infine, in OUT a base di ceramica CTSL a grana fine, si può usare effetto piezoelettrico inverso- variazione delle dimensioni geometriche del corpo sotto l'azione di un campo elettrico esterno. In una trasparenza di questo tipo, uno degli elettrodi è uno strato specularmente riflettente (Fig. 3.7, a). In primo luogo, la piastra viene illuminata in modo uniforme dal lato dello strato fotoconduttivo e viene applicata una tensione tra gli elettrodi trasparenti e opachi, necessaria per polarizzare la ceramica. Quindi la polarità della sorgente viene invertita, riducendo contemporaneamente la tensione a un livello insufficiente per riorientare i domini elettrici al buio. Se un'immagine viene proiettata sull'OUT, nei luoghi illuminati la resistenza dello strato fotoconduttivo diventerà piccola, determinando un riorientamento dei domini. Ciò causerà sollecitazioni meccaniche locali e apparirà un rilievo geometrico sullo strato riflettente, riproducendo l'immagine registrata (Fig. 3.7, 6). In questo caso, la curvatura della superficie OUT di solito non supera alcuni decimi di micrometro. Una tale differenza nel percorso del raggio di luce, tuttavia, è sufficiente per leggere l'immagine.

Vengono chiamati rispettivamente gli SLM descritti basati su birifrangenza indotta, dispersione controllata, rilievo geometrico Ferpico(Quadro Ferpic-Ferroelettrico), Ceramica(Quadro Ceramica-Ceramica), Ferikon(Fericon - Leonescopio ferroelettrico).

Una trasparenza otticamente controllata può essere costruita su un materiale che ha proprietà sia fotosensibili che elettro-ottiche. Il cosidetto Dispositivo PROM(PROM - Pockels Readont Optical Modulator) è costruito come segue. Strati dielettrici sottili (~ 3 µm) e sopra di essi ci sono strati trasparenti di platino. Non esiste uno strato speciale di fotoconduttore nel dispositivo PROM, poiché viene utilizzata la fotoconduttività del materiale elettro-ottico. La sensibilità di Bi 12 Si0 20 , in particolare, cade sulla regione spettrale di 0,4-0,5 μm, ea λ≥0,5 μm scende bruscamente. La struttura è collegata ad una sorgente di tensione costante (1000-2000 V) e illuminata con il lampo di una lampada allo xeno. Gli elettroni generati dalla luce in Bi 12 SiO 20 si spostano all'interfaccia con lo strato dielettrico, si localizzano in centri energeticamente profondi e polarizzano la piastra (non c'è corrente passante per la presenza di strati dielettrici). Il movimento degli elettroni continua finché la carica di polarizzazione non compensa (scherma) il campo esterno. Con gli elettrodi cortocircuitati nel cristallo, a causa della polarizzazione, si genera un campo elettrico in direzione opposta a quella esterna.

Se un'immagine viene proiettata su una struttura PROM nella regione blu-blu (0,4-0,5 μm), il campo di polarizzazione scomparirà in luoghi luminosi e rimarrà invariato in luoghi non illuminati. La lettura dell'immagine viene effettuata con luce rossa polarizzata linearmente (X> 0,6 μm), che non provoca variazioni nel cristallo, ma è modulata spazialmente in fase. La modulazione di fase viene convertita in modulazione di ampiezza se, come di consueto, la struttura è posta tra il polarizzatore incrociato e l'analizzatore.

Se alla struttura è collegata una sorgente di tensione esterna della stessa polarità, nei luoghi precedentemente illuminati il ​​campo di polarizzazione viene compensato da quello esterno, e nei luoghi non illuminati agirà il campo elettrico. Di conseguenza, durante la lettura, l'immagine positiva si trasformerà in una negativa. La cancellazione delle informazioni viene effettuata mediante un'illuminazione uniforme nella regione blu-blu dello spettro a u= 0. Il tempo di registrazione - la lettura è ~1·10 -3 s, la memoria può essere conservata per 1-2 ore, la risoluzione spaziale del banner è di diverse decine o centinaia di righe per millimetro. Gli svantaggi del dispositivo PROM sono l'elevata tensione di alimentazione, la bassa frequenza di cambio dell'immagine (non superiore a 1 kHz).

Una modifica peculiare della PROM è il dispositivo PRIZ (dalle parole "convertitore di immagini"). La sua differenza sta nel fatto che una lastra di materiale semiconduttore elettro-ottico (ad esempio silicato di bismuto o germanato) viene tagliata non in parallelo (come nel dispositivo PROM), ma perpendicolarmente all'asse ottico, cioè in modo che l'esterno il campo elettrico applicato alla struttura non provoca modulazione della luce di lettura. Tuttavia, quando la trasparenza è illuminata in modo non uniforme, a causa della migrazione dei portatori di corrente generati dalla luce, si verifica una componente di campo trasversale, che porta a una variazione dell'indice di rifrazione a causa dell'effetto elettro-ottico. La selezione delle aree con il gradiente di illuminazione massimo risulta molto utile nell'elaborazione delle immagini, in particolare nel riconoscimento degli oggetti. Infatti, con l'ausilio del dispositivo PRIZE, differenziazione spaziale dell'immagine, e senza l'uso di uno speciale processore ottico.

Nell'ennesima modifica dell'OUT in esame, gli strati di elettrodi vengono depositati direttamente sulla lastra del cristallo elettroottico. In questo caso, il campo trasversale di polarizzazione che compare dopo l'inizio dell'esposizione dell'immagine diminuisce gradualmente per il passaggio di corrente (per il silicato di bismuto con un tempo caratteristico di circa 1 s). Il dispositivo, quindi, consente di evidenziare i dettagli in cambiamento nell'immagine, ovvero di produrre differenziazione temporale dell'immagine.

Di interesse indipendente sono cristalli liquidi(LCD) banner con controllo ottico. Viene utilizzata sia la struttura LC-FP che con uno specchio dielettrico opaco tra gli strati. L'indubbio vantaggio di tali trasparenze, oltre agli EUT basati su LC, sono le basse tensioni operative, la tecnologia di produzione semplice ed economica; lo svantaggio è un'inerzia significativa (~1·10 -2 s). Poiché gli LC sono materiali ad alta resistenza, i semiconduttori ad alta resistenza (ZnS, ZnSe, CdS, Se, ecc.) devono essere utilizzati anche come fotoconduttori per l'accoppiamento elettrico. L'uso di fotoconduttori a bassa resistenza (in particolare silicio) in combinazione con LC (così come altri materiali elettro-ottici) è possibile in dispositivi con strutture MIS fotosensibili.

In OUT si possono utilizzare non solo effetti elettro-ottici, ma anche metodo termo-ottico (termico) di registrazione delle informazioni, in base al cambiamento delle proprietà del LC durante la sua transizione di fase sotto l'influenza del riscaldamento. In questo tipo di OUT, una sottile pellicola LC viene posta tra gli elettrodi ITO che sono opachi nella regione infrarossa dello spettro. Se un raggio laser è diretto verso una tale struttura, l'energia della radiazione viene assorbita nello strato dell'elettrodo e provoca il riscaldamento locale del LC. In uno strato LC inizialmente trasparente, il riscaldamento e poi il raffreddamento rapido porteranno a un disordine "congelato" della struttura, che disperde intensamente la luce. Il record può essere cancellato riscaldando e quindi raffreddando la cella in un campo elettrico creato da una tensione applicata agli elettrodi.

Una trasparenza otticamente controllata può essere costruita sulla base di un materiale in cui, ad una certa temperatura, avviene un passaggio da uno stato metallico a uno semiconduttore. Tali proprietà di soglia sono possedute, in particolare, dagli ossidi di vanadio e, tra questi, il biossido di vanadio VO 2 con una temperatura di transizione di fase di ~70 ° C è il più adatto vetro, quarzo, sital o altro materiale adatto. Un raggio laser a scansione viene diretto sullo strato VO 2 o viene proiettata un'immagine di tale intensità che nei luoghi illuminati, a causa dell'assorbimento della luce, lo strato di ossido di vanadio si riscalda e passa da uno stato semiconduttore a uno stato metallico. Al termine dell'esposizione dell'immagine, il banner torna al suo stato originale. Per leggere le informazioni, è possibile utilizzare una modifica del coefficiente di assorbimento o dell'indice di rifrazione. La sensibilità energetica della trasparenza non è molto bassa (1·10 -2 J/cm2), la risoluzione spaziale è di diverse migliaia di righe per millimetro, il tempo di registrazione può essere aumentato a ~1·10 -8 s. La sigla OUT del tipo in questione è - FTIROS(riflettore di luce a inversione di fase).

Sono possibili anche altre uscite termiche, in particolare, utilizzando termoplastici-masse plastiche che possono rammollirsi se riscaldate e mantenere la loro forma dopo il raffreddamento (ad esempio polistirene, cloruro di polivinile, ecc.). Uno strato di fotoconduttore (solitamente polivinilcarbazolo) viene applicato su una lastra di vetro con uno strato trasparente conduttivo di biossido di stagno o metallo e sopra di esso viene applicato uno strato termoplastico. Successivamente, la superficie del termoplastico viene caricata mediante una scarica corona, a seguito della quale si verifica una differenza di potenziale tra la superficie del trasparente e l'elettrodo conduttivo. Quando si proietta sulla struttura di un'immagine ottica, la resistenza del fotoconduttore in luoghi illuminati diminuisce e il campo elettrico in diversi punti del materiale termoplastico risulta diverso. Se un impulso di corrente viene fatto passare attraverso l'elettrodo SnO 2, lo strato termoplastico si riscalderà per un breve periodo (fino al punto di rammollimento) e il film si restringerà in punti di forte campo elettrico, che sarà fissato per lungo tempo dopo che il dispositivo si è raffreddato. Di conseguenza, si forma un rilievo superficiale che ripete l'immagine registrata e la luce di lettura sarà modulata in fase. L'immagine viene cancellata riscaldando la pellicola al buio. Possibili OUT che utilizzano la fotosensibilità del termoplastico stesso (fototermoplastico), e quindi scompare la necessità di uno strato separato di fotoconduttore. La sensibilità energetica del dispositivo a base di materiali termoplastici è elevata e paragonabile a quella dell'emulsione fotografica; la risoluzione spaziale è di 1000-4000 linee/mm.

La maggior parte degli OUT considerati può funzionare in una modalità in cui l'intensità della luce di registrazione e lettura cambia in coordinate arbitrariamente in modo uniforme. Per elaborare le informazioni digitali sotto forma di immagini binarie, si usa matrice OUT. Questo tipo di trasparenza include molte celle di "fotorilevatore-materiale elettro-ottico" disposte regolarmente che operano in modo quasi indipendente l'una dall'altra e sono progettate per eseguire operazioni su un bit di informazione. Il dispositivo della matrice OUT di tipo riflettente è illustrato in fig. 3.8, un. In contrasto con le strutture precedentemente considerate, lo strato fotoisolante tra il fotoconduttore 2 e il mezzo modulante 3 realizzato sotto forma di una matrice di tamponi metallici 5 riflettenti a specchio, separati da uno strato resistivo 4, opaco e non fotosensibile. Elettrodi esterni 1 realizzato sotto forma di una maschera metallica con finestre posizionate in allineamento con aree riflettenti su uno strato di separazione ottica. Ciò garantisce un funzionamento indipendente delle celle di trasparenza e un'elevata affidabilità di registrazione. Come nel diagramma mostrato in Fig. 3.1,6, Per leggere l'immagine vengono utilizzati specchi traslucidi, polarizzatori, ecc.. I cristalli KDP, ADP, LiNbO 3, ecc. possono essere utilizzati come materiale elettro-ottico nelle OUT di matrice.

Lo svantaggio di tali dispositivi sono le prestazioni relativamente basse. Per aumentarlo, uno strato elettro-ottico viene applicato non su uno strato resistivo continuo, ma su uno strato creato su un substrato trasparente (Fig. 3.8, b) una matrice integrata di circuiti di silicio fotosensibili con i necessari elementi amplificatori (transistor) 6 . La velocità di tali celle fotosensibili può essere 10 -6 - 10 -7 s.

Per fornire una memoria ottica, il materiale elettro-ottico non deve necessariamente avere proprietà di isteresi. Per questo, ad esempio, sono adatte ceramiche ferroelettriche, ma a una temperatura superiore al punto di Curie. La memoria di lavoro di un tale banner (muna Latriya, come viene chiamato) è fornita dai circuiti elettronici delle cellule fotosensibili. La sua durata è determinata dal tempo di dispersione della carica attraverso il silicio polarizzato inversamente r-p-transizione (normalmente fino a 1·10 -2 s), che in alcuni casi è sufficiente per i sistemi ottici di elaborazione delle informazioni.

3.4. memoria ottica

I vantaggi di modulatori ottici, deflettori, trasparenze controllate e altri elementi dei sistemi ottici di elaborazione delle informazioni non possono essere pienamente realizzati senza dispositivi di memoria ottica adeguati con elevata capacità, densità e velocità di registrazione, tempi di ricerca (campionamento) brevi, elevata durata e affidabilità di archiviazione delle informazioni .

Come notato in precedenza, la trasparenza ottica, in cui il mezzo modulante, anche per breve tempo, può conservare un parametro ottico diverso dallo stato di equilibrio dopo la cessazione dell'influenza esterna, è essenzialmente un dispositivo di memoria ad accesso casuale (in molti casi, il la durata della memorizzazione delle informazioni è di soli 10 -8 -10 -9 s). Di seguito, oltre ai dispositivi di archiviazione (memoria) di questo tipo, verranno presi in considerazione i dispositivi di memoria a lungo termine (permanente, archivistica).

La creazione della memoria ottica è dettata dal fatto che la memoria magnetica utilizzata nei dispositivi elettronici incontra serie difficoltà a causa delle crescenti esigenze di sistemi di elaborazione delle informazioni. Oltre a un aumento cardinale della densità e della velocità di registrazione, una significativa riduzione di dimensioni, peso e costi, i dispositivi di memoria ottica consentono la registrazione e il campionamento paralleli di array di informazioni bidimensionali. Tuttavia, la memoria ottica utilizza entrambi i metodi di registrazione, sia parallela che seriale. Sebbene i dispositivi di archiviazione ottici consentano la registrazione delle informazioni direttamente in forma analogica, di seguito verranno presi in considerazione anche dispositivi con registrazione in forma binaria digitale, che fornisce maggiore precisione, immunità ai disturbi e versatilità di registrazione.

3.4.1. Memoria ottica permanente con modalità sequenziale di scrittura e lettura delle informazioni

Un diagramma a blocchi semplificato per la registrazione di informazioni di tipo sequenziale utilizzando un raggio laser a scansione è mostrato in fig. 3.9. Per garantire un'elevata densità di registrazione, cercano di concentrare la radiazione laser in un punto il più piccolo possibile (a causa della diffrazione, queste dimensioni non possono essere inferiori alla lunghezza d'onda della radiazione e di solito sono vicine a 1 μm). Il raggio opportunamente modulato viene diretto attraverso la lente al supporto di memorizzazione e la sua posizione geometrica è determinata da un deflettore ottico a due coordinate. Nel caso più semplice, come mezzo vengono utilizzate emulsioni agli alogenuri d'argento depositate su un substrato trasparente. Le fotoemulsioni, fornendo, ovviamente, memoria permanente (irreversibile), hanno un'elevata risoluzione (migliaia di righe per millimetro) e un'elevata sensibilità all'energia di 10 -4 - 10 -6 J/cm (per vari tipi di emulsioni). Dopo lo sviluppo e la fissazione, l'immagine viene proiettata per mezzo di una lente di lettura su un rivelatore di radiazioni, ad esempio su una serie di fotorivelatori. In questo caso, il raggio di scansione dello stesso laser funge da sorgente luminosa (il modulatore è aperto durante la lettura).

La ricerca di supporti di memoria ottici con una combinazione ottimale di sensibilità, risoluzione e altre caratteristiche ha portato all'uso di molti altri materiali, in particolare fotoresistenze, oltre all'emulsione fotografica. Tutti questi materiali richiedono una lavorazione con liquidi e abbastanza lunghi, nella migliore delle ipotesi, unità di secondi (per alcuni resistori è possibile un trattamento termico "a secco" a una temperatura di 150 - 200 ° C).

La registrazione bit per bit delle informazioni può essere eseguita bruciando (fondendo) utilizzando un raggio laser focalizzato attraverso fori di circa 1 μm di dimensioni in strati sottili (~ 0,05 μm) di Pt, Bi, Rh, As, Cr e altri sostanze depositate su base trasparente, ad esempio poliestere. Il vantaggio di un tale record, che può essere letto dallo stesso laser, ma con un'intensità del raggio inferiore, in modo da non danneggiare il record, è un ampio rapporto segnale-rumore, un'elevata affidabilità e una lunga durata. Un altro metodo di registrazione sotto forma di sequenza di impulsi codificata consiste nel creare microcavità o punti (pozzi) su una lastra di polivinilcloruro o polimetacrilato con uno strato di tellurio depositato sulla sua superficie (20 - 40 micron), come materiale fusibile che assorbe fortemente la radiazione infrarossa.

Infine, nello strato metallico si possono formare microtubercoli. In questo caso vengono utilizzati materiali refrattari (Ti, Pt) e come sottostrato dielettrico un materiale altamente vaporizzabile. Sotto l'azione di un raggio laser, il film metallico non si brucia e non si scioglie e, a causa dell'evaporazione del sottostrato, si forma un rigonfiamento nel punto corrispondente. Il film con le informazioni registrate è ricoperto da uno strato di materiale trasparente, che ha principalmente lo scopo di proteggere il supporto delle informazioni da danni e garantire una lunga durata. Se lo strato protettivo è relativamente spesso (come avviene di solito), particelle estranee, graffi e altri microdifetti sulla sua superficie sono fuori fuoco rispetto all'oggetto da leggere e, quindi, distorcono leggermente il segnale.

La struttura del film di memoria può essere fissata o depositata su un disco rotante in vetro, quarzo, vetroceramica o polimero. Le informazioni vengono registrate su tracce con un passo di 1,5 - 2 μm, che, con un diametro del disco di 30 cm, consente di registrare più di 1·10 10 bit di informazioni. Questa capacità è sufficiente per codificare un programma TV a colori di 20 - 30 minuti, o diverse decine di migliaia di pagine di testo dattiloscritto, che è paragonabile alle informazioni della Grande Enciclopedia Sovietica.

Le difficoltà nell'uso dei dischi ottici sono associate alla necessità di un allineamento preciso della testa laser e del supporto informativo. Una lettura affidabile è praticamente impossibile senza uno speciale servosistema che fornisce un tracciamento accurato e segue il raggio di scansione lungo la traccia delle informazioni. È ovvio che affinché i segni sul disco non vengano "sbavati" a causa della sua rotazione durante la registrazione, gli impulsi di radiazione laser devono essere sufficientemente brevi (~1·10 -8 s). Il fotorivelatore utilizzato per la lettura deve avere una velocità elevata (10 -8 - 10 -9 s).

Il confronto tra memoria magnetica e ottica testimonia gli indubbi vantaggi di quest'ultima. La memoria ottica si distingue per l'elevata qualità di registrazione e riproduzione con una durata molto più lunga (non vi è alcun contatto meccanico tra il lettore e il supporto di memorizzazione), un'elevata densità di registrazione, una lunga durata (decine di anni invece di 1 g con la registrazione magnetica) e molto più basso. Lo svantaggio dei dispositivi di memoria ottica considerati è una registrazione una tantum; fare delle copie è, ovviamente, possibile. Per replicare un record da un disco ottico primario (senza rivestimento protettivo), viene realizzato un originale in metallo mediante metodi di galvanica e da esso vengono premute copie di plastica nella quantità richiesta. Una pellicola altamente riflettente (alluminio) viene applicata ai dischi secondari sul lato di registrazione e sopra di essa viene applicato uno strato protettivo trasparente. Vengono chiamati dischi ottici di piccolo diametro (11,5 - 12 cm) utilizzati per una riproduzione del suono di alta qualità CD. Allo stesso modo, è anche possibile replicare i dischi per la riproduzione video.

3.4.2. RAM ottica

Dispositivi memoria ad accesso casuale, a differenza di quelli discussi sopra, deve essere reversibile, ovvero, dopo un effetto di cancellazione a breve termine, essere pronto a registrare nuove informazioni. Le proprietà del supporto utilizzato non dovrebbero cambiare con un numero elevato di cicli di scrittura-cancellazione e consentire la scrittura e la cancellazione delle informazioni nel più breve tempo possibile. Molti effetti fisici vengono utilizzati nella memoria ad accesso casuale, in particolare vengono utilizzati i dispositivi Phototitus, PROM precedentemente considerati, nonché strutture LC fotoconduttori, ceramiche CTSL fotoconduttori-ferroelettriche e molti altri.

Possibili dispositivi di memoria ottica che utilizzano la registrazione materiali fotocromatici- sostanze il cui assorbimento cambia in modo reversibile sotto l'azione della radiazione ottica direttamente, cioè senza alcuna manifestazione. Tra un gran numero di materiali fotocromatici, sono ampiamente utilizzati polimeri, vetri di silicato e cristalli di alogenuri alcalini (KC1, NaF, CaF, ecc.). Nel processo fotocromatico la sostanza, assorbendo quanti di luce, passa dallo stato iniziale a quello fotoindotto, caratterizzato da una variazione della trasmissione ottica in una diversa regione spettrale. Per scrivere e leggere informazioni, quindi, è necessaria una radiazione con diverse lunghezze d'onda (ad esempio 0,2 - 0,4 micron in scrittura e 0,4 - 0,7 micron in lettura). Il passaggio inverso allo stato iniziale avviene spontaneamente, ma può essere notevolmente accelerato sotto l'azione della luce assorbita nello stato fotoindotto; pertanto, l'energia luminosa durante la lettura dovrebbe essere di diversi ordini di grandezza superiore a quella durante la registrazione.

Il tempo di conservazione delle informazioni registrate è diverso per i diversi materiali: da 1·10 -6 s a diversi anni. I materiali fotocromatici sono caratterizzati da brevi tempi di registrazione (~1·10 -8 s) e alta risoluzione (~3000 linee/mm). La registrazione può essere eseguita su diversi piani di materiale fotocromatico e il passaggio da un piano all'altro viene effettuato modificando la lunghezza focale delle lenti di registrazione e lettura. Nonostante una certa perdita di contrasto ottico, è possibile utilizzare molti strati per la registrazione, il che porta a un'enorme densità di registrazione volumetrica.

Nei dispositivi di memoria basati su effetti magneto-ottici vengono utilizzati strati di materiali ferromagnetici con un'elevata forza coercitiva, in grado di trattenere a lungo la magnetizzazione dopo lo spegnimento del campo magnetico esterno. In uno strato sottile di tale materiale, sotto l'azione della radiazione del raggio laser, si verifica un riscaldamento locale e, se la temperatura supera il punto di Curie, il vettore di magnetizzazione cambia bruscamente. La rotazione del piano di polarizzazione della luce di lettura passata attraverso lo strato (effetto Faraday) risulta essere differente nelle zone preilluminate e non illuminate. La lettura può essere effettuata anche con luce riflessa, sfruttando il già citato effetto magneto-ottico Kerr.

Per cancellare le informazioni registrate dallo strato ferromagnetico, viene riscaldato da un impulso luminoso o in altro modo in presenza di un campo magnetico, a seguito del quale viene ripristinato il suo stato magnetico originale. Sebbene nella lettura delle informazioni nei casi in esame vengano utilizzati effetti magneto-ottici, questo metodo di registrazione è anche comunemente chiamato termomagnetico. Tra i materiali adatti alla registrazione termomagnetica, è stato ben studiato il bismuto manganese MnBi, avente una temperatura di Curie di circa 360°C, una risoluzione abbastanza buona (10 3 righe/mm), un tempo di registrazione breve (~ 1 10 -8 s), una lunga conservazione vita delle informazioni registrate, nonché una risorsa di lavoro. MnA1Ge, leghe MnCuBi, ossidi di lantanidi (ad esempio EuO, ecc.), granati contenenti bismuto, nonché film amorfi di Tb 1- X Fe X e composti a base di essi (con l'aggiunta di cobalto, cromo, cadmio, gadolinio, ecc.).

Film Tb 1- X Fe X sono ferrimagneti, cioè i momenti magnetici degli atomi di terbio e di ferro sono orientati in modo antiparallelo, e in un certo intervallo X l'anisotropia sorge nel film con un asse perpendicolare al piano del film. La scrittura, la lettura e la cancellazione delle informazioni avviene praticamente come nel caso di un dispositivo di memoria basato su MnBi. Il vantaggio dei film amorfi Tb 1- X Fe X consiste nell'assenza di effetti di scattering ai bordi del grano, a differenza del MnBi policristallino o di altri materiali simili. Temperatura di Curie Tb 1- X Fe X a seconda di X varia tra 40 - 140 circa C, risoluzione - più di 1·10 4 righe/mm, tempo ciclo scrittura - cancellazione - circa 1·10 -8 s. La capacità di informazione dei dischi magneto-ottici con un diametro di 30 cm è di 10 9 - 10 10 bit.

La registrazione in vetri calcogenuri contenenti zolfo, tellurio, arsenico e altri elementi (ad esempio As - Se, Sb - S, As - Sb - S, As - Bi - S, Ge - S, Te - Ge) si basa sul riscaldamento locale da un raggio laser. - As, ecc.). Tuttavia, il meccanismo di memoria in questo caso è diverso. Quando la temperatura di devitrificazione viene superata, ma al di sotto del punto di fusione, si verifica una transizione di fase dallo stato amorfo del materiale allo stato cristallino, a seguito della quale cambia l'indice di rifrazione della luce, che viene utilizzato durante la lettura delle informazioni. Il passaggio del film allo stato amorfo (cancellazione) avviene mediante riscaldamento alla temperatura di fusione e successivo rapido raffreddamento. La registrazione su tali film, come nella registrazione termomagnetica, dura a lungo, la sensibilità all'energia è approssimativamente la stessa, la risoluzione supera 1 10 linee/mm, ma la trasmissione ottica degli occhiali può raggiungere ~~80% (1 10 - 3 per MnBi). Per la registrazione inversa vengono utilizzati anche film di TeO amorfi ottenuti mediante evaporazione sotto vuoto. X(X=1.1÷1.2). Sotto l'azione di un raggio laser, si verifica una transizione fototermica, a seguito della quale la trasmissione ottica e la riflessione del film cambiano notevolmente. Basandosi su questo principio, i dischi ottici consentono la riscrittura multipla (ad esempio programmi musicali) fino a 1·10 -6 volte.

Il funzionamento dei banner multicanale ad alta velocità con memoria reversibile può basarsi su un elemento proposto nei primi anni '80 e denominato trasformatore. Questo dispositivo sfrutta la non linearità ottica del materiale, che si manifesta in una variazione dell'indice di rifrazione all'aumentare dell'intensità della luce incidente. In un transfasore, un raggio di luce è diretto su una lastra parallela piana di un cristallo non lineare, formando un interferometro Fabry-Perot, in cui le facce di cristallo naturale (lucidato) o le sottili pellicole metalliche traslucide depositate su di esse possono svolgere il ruolo di specchi. Lo spessore della lastra è scelto in modo tale che a basse intensità luminose, quando il cristallo può essere considerato lineare, la differenza di fase dei fasci ripetutamente riflessi dalle facce speculari sia uguale a un numero dispari π e l'intensità del fascio in uscita è piccolo (Ф out = 0). Questa condizione viene violata nella regione di flussi luminosi elevati (abbastanza ottenibili quando si utilizzano i laser), quando il valore P, e quindi la lunghezza del percorso ottico inizia ad aumentare. Ciò provoca un aumento dell'intensità della luce all'interno del risuonatore, che, a sua volta, porta ad un aumento ancora maggiore della P ecc. Il dispositivo passa in uno stato con una trasmissione vicina all'unità.

In pratica, due raggi laser sono diretti al transfasore. Uno di questi ha un'intensità costante Фpost corrispondente a una bassa trasmissione, ma vicino allo stato di soglia. Una piccola illuminazione da parte di un altro raggio (controllo F) commuta il transfasore in uno stato con un massimo F out. A causa del post F, tale stato può essere mantenuto per tutto il tempo che desideri, e quando F viene disattivato, il cristallo salta nel suo stato originale, cioè non mancherà più il controllo F del secondo raggio. Quindi il trasformatore è elemento otticamente bistabile, che può essere considerato un analogo ottico di un transistor elettronico.

Un trasformatore commuta molto più velocemente di un transistor. Infatti la velocità del transfasore è limitata dal tempo di stabilizzazione del campo luminoso all'interno del risonatore, ed è uguale in ordine di grandezza a h/s, cioè con uno spessore della piastra h=10 μm è ~1·10 -13 s. In ogni caso, il funzionamento del transfasore nell'intervallo dei picosecondi (10 -12 s) è abbastanza reale. Le sue dimensioni trasversali sono limitate dalla sezione trasversale del raggio laser, ovvero il transfasore può essere miniaturizzato come un transistor. Quando viene utilizzato come materiale per il transfasore, ad esempio antimonio di indio o monoseleniuro di gallio, l'energia di commutazione è di soli 1,10 -15 J con una potenza di illuminazione pre-soglia costante di ~10 mW. Le difficoltà nell'implementazione di dispositivi basati su transfasori sono dovute al fatto che i materiali utilizzati per questo richiedono il raffreddamento.

Altri effetti e materiali possono essere utilizzati anche nei dispositivi RAM (vedi e 3.3).

3.4.3. Principi di registrazione olografica delle informazioni

La memoria olografica si basa sulla registrazione di un pattern di interferenza formato come risultato dell'aggiunta di un'onda luminosa riflessa da un oggetto o che lo attraversa (onda oggetto) e un'onda coerente proveniente direttamente da una sorgente luminosa (onda di riferimento). Se l'immagine fissa (ologramma) viene quindi illuminata con la stessa sorgente di riferimento situata rispetto ad essa esattamente come durante la registrazione, come risultato dell'interazione dell'onda di riferimento con l'ologramma nello spazio, si forma un'onda che ripristina l'immagine dell'oggetto, che coincide con esso per forma e posizione spaziale (requisito obbligatorio per i flussi luminosi utilizzati è la loro coerenza).

È importante che un ologramma, in contrasto con un'immagine fotografica, catturi non solo la distribuzione delle ampiezze, ma anche la distribuzione delle fasi dell'onda dell'oggetto rispetto all'onda di riferimento. Le informazioni sul rapporto tra le fasi dell'oggetto e le onde di riferimento si riflettono nel modello e nella frequenza dei margini del modello di interferenza e sull'ampiezza - dal suo contrasto. Con l'aiuto di un ologramma, quindi, viene ripristinata la distribuzione ampiezza-fase del campo d'onda, ovvero viene creata una copia dell'onda dell'oggetto, e non solo il contrasto luminoso caratteristico dell'oggetto, come nella fotografia convenzionale. Questo spiega la capacità di informazione estremamente elevata del metodo olografico di registrazione delle informazioni.

Poiché la luce da ogni punto dell'oggetto cade sull'intera superficie dell'ologramma durante la registrazione, ogni sua piccola area è in grado di ripristinare l'immagine dell'oggetto, anche se con un rapporto segnale-rumore inferiore e una perdita di risoluzione di dettagli fini. Pertanto, la qualità della registrazione di un ologramma è debolmente influenzata da vari difetti: macchie, particelle di polvere, graffi, ecc. Ciò determina l'elevata affidabilità e l'immunità al rumore di una registrazione olografica. Viene chiamata la caratteristica quantitativa che riflette la capacità di un ologramma di trasformare un'onda di riferimento in un'immagine ricostruita efficienza di diffrazione ed è definito come il rapporto tra la potenza del flusso luminoso nell'immagine ricostruita e la potenza del flusso luminoso nell'onda di ricostruzione.

Spesso gli ologrammi vengono registrati su lastre fotografiche e aree diverse della lastra fotografica possono essere utilizzate per registrare ologrammi diversi. Le dimensioni minime di queste aree sono teoricamente determinate da fenomeni di diffrazione, ma in pratica la densità di registrazione risulta essere notevolmente inferiore.

Lo schema ottico della registrazione olografica (Fig. 3.10) di solito include un divisore di raggio (ad esempio uno specchio traslucido), che è installato nel percorso di un raggio laser che illumina l'oggetto registrato e forma un'onda dell'oggetto. Con l'aiuto di dispositivi di deviazione (deflettori, specchi, ecc.), l'onda di riferimento viene diretta alla sezione desiderata della lastra fotografica (così come l'onda dell'oggetto). Se l'oggetto da registrare è un lucido ottico, su ciascuna di queste sezioni, solitamente non superiore a 1 - 2 mm 2, non viene registrato un bit di informazione, ma un'intera immagine (una pagina di informazioni con una capacità di 1 104 - 1 10 5 bit). Una stessa sezione del materiale di registrazione può contenere più ologrammi sovrapposti che non si influenzano a vicenda, se l'angolo di incidenza del raggio di riferimento viene modificato ogni volta durante la registrazione. Naturalmente, durante la lettura, la sua direzione deve cambiare di conseguenza per essere la stessa di quando si scrive. Tuttavia, va tenuto presente che un aumento del numero di ologrammi sovrapposti porta ad una diminuzione dell'efficienza di diffrazione.

Finora si è ipotizzato che lo spessore del supporto di registrazione sia molto più piccolo del periodo del pattern di interferenza ( Ologrammi 2D). Nel caso opposto, l'ologramma non è un modello piatto di frange di interferenza, ma una struttura tridimensionale che ripete lo schema spaziale dell'interferenza dell'oggetto e delle onde di riferimento. Modo tridimensionale di registrazione di ologrammi come il più generale proposto e motivato nel 1962 da Yu.N. Denisuk. Quando si ricostruisce un'immagine, un ologramma volumetrico agisce come un reticolo di diffrazione tridimensionale. La riflessione della luce dagli strati di interferenza (Bragg) si verifica solo quando è soddisfatta la condizione simile a (3.11): , dove d- distanza tra strati adiacenti; θ Bè l'angolo tra la luce incidente e il piano degli strati.

Pertanto, un ologramma tridimensionale ha selettività spettrale (selettività), ovvero sorgenti con uno spettro continuo (ad esempio una lampada a incandescenza, il Sole) possono essere utilizzate per ripristinare un'immagine. In questo caso, l'ologramma "seleziona" la radiazione della lunghezza d'onda utilizzata durante la registrazione (gli ologrammi bidimensionali non hanno selettività spettrale e l'immagine ripristinata sarà sfocata). La proprietà degli ologrammi tridimensionali di riprodurre la composizione spettrale della radiazione di registrazione consente di aumentare notevolmente la capacità di informazione registrando più immagini nella stessa area del supporto di registrazione, utilizzando ogni volta radiazioni con una diversa lunghezza d'onda. L'immagine desiderata può essere letta in modo indipendente, per cui deve essere ripristinata mediante irraggiamento della lunghezza d'onda appropriata. Un altro vantaggio di un ologramma 3D è che ricostruisce solo un'immagine. Un ologramma bidimensionale trasforma l'onda di riferimento sia in un'onda oggetto che nella cosiddetta onda coniugata, che crea un'immagine falsa, che può complicare la lettura delle informazioni.

La registrazione olografica può essere effettuata sia in forma digitale che analogica; essere utilizzato in dispositivi di memoria permanente e reversibile, compresi i sistemi di elaborazione dati in tempo reale.

Lo sviluppo di metodi di registrazione olografica ha portato all'uso di molti materiali adatti. Allo stesso tempo, il requisito più importante per loro è l'alta risoluzione. Per emulsioni fotografiche speciali agli alogenuri d'argento, raggiunge 3000 - 5000 linee / mm (nella regione rossa dello spettro). Una certa perdita di risoluzione, ma un aumento dell'efficienza di diffrazione, può essere ottenuta utilizzando gelatina bicromata e fotoresistenze di vario tipo per la registrazione di ologrammi. Un ologramma fissato su un'emulsione fotografica, a causa dell'annerimento, modula il flusso luminoso in ampiezza, tuttavia si verifica anche la sua modulazione di fase, poiché lo spessore e l'indice di rifrazione dell'emulsione cambiano contemporaneamente. Un ologramma ottenuto su un materiale trasparente modula la luce solo in fase. Di conseguenza, ci sono ologrammi di fase e ampiezza. Nel primo caso, l'efficienza di diffrazione di un ologramma può avvicinarsi al 100%; nel secondo è solitamente di una piccola percentuale (l'emulsione fotografica con l'ologramma registrato viene quindi sbiancata).

Per ologrammi che possono essere riscritti molte volte, vengono utilizzati molti dei materiali utilizzati in altri metodi di registrazione ottica. Per ottenere ologrammi di fase subito dopo l'esposizione, vengono utilizzati fototermoplastici, che forniscono un'elevata efficienza di diffrazione, nonché altri materiali reversibili: vetri fotocromatici, magneto-ottici, calcogenuri, ecc.

Per la registrazione tridimensionale degli ologrammi, viene utilizzato un materiale di polimero reoxan con l'aggiunta di un colorante sensibilizzante e antracene. La registrazione in reoxano si basa su una reazione di ossidazione dell'antracene fotoindotta, che determina un cambiamento nell'indice di rifrazione senza praticamente alcuna diminuzione della trasmissione ottica. In questo caso, la profondità di registrazione dell'ologramma può raggiungere diversi millimetri.

3.5. Conversioni digitali e analogiche nel percorso ottico

3.5.1. Esecuzione di operazioni logiche di base

I dispositivi considerati consentono di implementare vari calcoli e trasformazioni di informazioni sia in forma analogica che digitale. La forma di elaborazione analogica è interessante in quanto tutti i tipi di sensori, ricevitori e mezzi di visualizzazione di grandezze fisiche operano nella modalità di cambiamento continuo dei segnali di ingresso e di uscita, mentre il digitale, come già notato, è caratterizzato da maggiore precisione, affidabilità e rumore immunità, poiché si basa sull'identificazione di stati facilmente distinguibili.

Consideriamo innanzitutto come le operazioni logiche elementari vengono eseguite con metodi ottici. Rappresenteremo (Fig. 3.11) un elemento ottico che trasmette luce in presenza di un segnale di controllo X, rettangolo non ombreggiato ( T), e l'elemento che trasmette la luce in assenza di un segnale di controllo è un rettangolo ombreggiato ( T). Sulla fig. 3.11 le frecce sono mostrate come segnali di controllo ( X, X 1 , X 2) e un raggio controllato (di "potenza" ottica). Il segnale ottico all'uscita è contrassegnato a.

Nel caso in cui il raggio ottico passi in sequenza attraverso gli elementi controllati T, implementato operazione di moltiplicazione logica (a= X 1 ^ X 2, I). Questo può essere facilmente visto nell'esempio di un dispositivo con due ingressi (Fig. 3.11, un). La luce non passerà attraverso il dispositivo ( a= 0) come in assenza di entrambi i segnali di comando ( X 1 =0, X 2 = 0), e quando un segnale viene applicato solo a uno degli elementi ( X 1=l, X 2=0 o X 1 =0, X 2=1); la luce entra nell'uscita a= 1), solo se i segnali di comando sono applicati sia all'uno che all'altro ingresso ( X 1=l, X 2 =1).

Per eseguire l'operazione di somma logica (y= X 1X 2 , OR) elementi ottici controllati T"incluso" in parallelo (Fig. 3.11, b). In questo caso, affinché la luce entri nell'uscita ( a= 1) è sufficiente che il segnale di controllo sia applicato ad almeno uno degli elementi ( X 1 =0, X 2 =1 o X 1=l, X 2=0). Certo y=l e quando un segnale di controllo viene applicato a entrambi gli elementi ( X 1=l, X 2 =1).

Operazioni di inversione (a= , NON eseguita utilizzando un singolo elemento che trasmette luce in assenza di un segnale di controllo, ovvero utilizzando un elemento (Fig. 3.11, c). È facile vedere che se due elementi sono collegati in parallelo, viene implementata l'operazione AND-NOT (colpo di Scheffer, a = X 1 X 2) e l'operazione OR NON è (freccia di Pierce, y = X 1 ↓X 2) - quando sono collegati in serie (Fig. 3.11, d, d). Se la luce passa in sequenza attraverso gli elementi T e , l'operazione di divieto viene eseguita a=X 1 ←X 2 (Fig. 3.11, e). Il significato di questa trasformazione è che in assenza di un segnale di divieto ( X 2 = 0) la luce passa attraverso il dispositivo a X 1 \u003d 1 e non passa quando X 1=0. Quando viene dato un segnale di divieto ( X 2 = 1) nessuna luce entra nell'uscita a nessun valore X 1 .

Sulla fig. 3.11, f, h dimostrato come possono essere eseguiti i metodi ottici operazioni di equivalenza (a = X 1 ~ X 2) e disuguaglianza (a = X 1 X 2). In questo caso, il segnale di controllo X 1, così come X 2 colpisce due elementi ottici contemporaneamente T e . Dalla figura si può notare che nel circuito di equivalenza la luce entra in uscita quando gli stati dei segnali di ingresso coincidono, cioè come quando X 1 =0, X 2 \u003d 0 e quando X 1 =1, X 2=1. Se un segnale di controllo viene applicato a uno degli ingressi, ma non all'altro, non c'è luce sull'uscita. Nello schema di disequilibrio, invece, la luce in uscita entra in vari stati X 1 e X 2 (X 1 =1, X 2=0 o X 1 =0, X 2 \u003d 1) e non cade per lo stesso X 1 e X 2 (X 1 =1, X 2 =1 o X 1 =0, X 2=0). Combinazione di elementi T e , è possibile eseguire altre trasformazioni.

3.5.2. Trasformazioni su dipinti digitali e analogici

Come elementi ottici T e possono essere utilizzate celle di trasparenze ottiche a matrice controllate otticamente o elettricamente. È importante che con l'ausilio dei banner sia possibile elaborare le informazioni contemporaneamente attraverso più canali in parallelo, ovvero eseguire trasformazioni sopra le immagini. Uno dei possibili schemi per questo processore ottico(computer) è mostrato in fig. 3.12.

Un controllo collimato del raggio di luce Ф è diretto all'OUT, che lavora sulla riflessione e fissa il risultato dei calcoli. Il circuito di lettura OUT (utilizzando il raggio Ф 0) include polarizzatori incrociati P e analizzatore MA, in modo che in assenza di un segnale ottico di controllo Ф control in ingresso, anche l'intensità luminosa in uscita (Ф out) sia pari a zero. Questo banner dovrebbe avere memoria e, inoltre, consentire, modificando la dieta u convertire un'immagine positiva in un'immagine negativa e viceversa (vedi § 3.3). Sul percorso del raggio Ф il controllo è posto su una trasparenza che lavora nella luce T, progettato per formare le immagini necessarie e proiettarle sull'OUT.

Scriviamo sull'OUT dato dal banner T immagine, e poi, senza alleviare lo stress u, un'altra immagine. Durante la lettura, i punti dell'uscita OUT che hanno ricevuto il segnale di controllo durante la proiezione della prima, della seconda o di entrambe le immagini risulteranno luminosi. È ovvio che in questo modo operazione di addizione immagini (immagini). L'operazione di moltiplicazione delle immagini può essere effettuato se sul percorso del raggio Ф controllo dietro lo stendardo T(o davanti ad esso) posizionare un altro banner T". Se striscioni T e T" impostare le immagini desiderate, quindi quando vengono registrate contemporaneamente sull'OUT, la luce entrerà solo in quei luoghi; contro il quale sono trasparenti T, così e T", che è necessario per l'operazione di moltiplicazione.

Se dopo aver registrato un'immagine in tensione u registrare un'altra immagine in tensione - u (usando un banner T), ci sarà poi una reciproca cancellazione dei segnali in quei punti dell'OUT che sono stati esposti alla luce durante la proiezione sia dell'una che dell'altra immagine. Durante la lettura (u=0) in uscita il segnale sarà presente solo in quei luoghi dove la luce era presente in un'immagine, ma non nell'altra, o viceversa. Questa trasformazione corrisponde a operazione di sottrazione di immagini.

Modificando la sequenza di registrazione, la modalità di alimentazione dell'OUT durante la scrittura e la lettura, è possibile eseguire molte altre trasformazioni sulle immagini. Se, ad esempio, da un'immagine contenente molti elementi, sottraiamo lo stesso, ma diverso per l'assenza o la presenza di alcuni nuovi dettagli, allora nell'immagine risultante entrambi saranno rappresentati da punti luminosi su sfondo nero. Spesso è più conveniente osservare tali dettagli "superflui" o "mancanti" sullo sfondo di un'immagine debole e a basso contrasto dell'immagine originale, che è abbastanza semplice da implementare introducendo, durante la registrazione di una delle immagini, un'immagine uniforme illuminazione dell'intero OUT di opportuna intensità, cioè introducendo il cosiddetto spostamento ottico. Questa tecnica può essere utilizzata anche per eliminare lo sfondo, se presente in una foto (ad esempio, un velo in una fotografia). Per fare ciò, l'immagine desiderata viene registrata sull'OUT con una tensione u, e poi sotto tensione - u registrare un'illuminazione uniforme. A una certa esposizione, lo sfondo nell'immagine risultante scomparirà (ovviamente, se lo sfondo e l'illuminazione sono rigorosamente uniformi).

Con l'aiuto del processore, il cui schema è mostrato in Fig. 3.12, puoi produrre differenziazione spaziale delle immagini. Per fare ciò, è necessario registrare l'immagine originale su OUT, quindi sottrarre da essa l'immagine della stessa immagine, ma leggermente spostata o sfocata. In questo caso, l'immagine risultante su uno sfondo nero non mostrerà gli oggetti stessi, ma i loro contorni. Introducendo uno spostamento ottico, è possibile osservare contemporaneamente un'immagine a basso contrasto dell'immagine originale, i cui dettagli sono delimitati da linee luminose. Il vantaggio di tale trasformazione diventa evidente se la differenziazione spaziale è costituita non da un'immagine digitale, ma da un'immagine a mezzitoni. In questo caso, all'uscita di OUT, i punti neri rimarranno neri, anche quelli bianchi diventeranno neri e appariranno solo quei punti che corrispondono al gradiente di illuminazione più grande. Con l'aiuto di tali conversione analogica, pertanto, sull'oggetto visualizzato, è possibile distinguere dettagli sottili e difficili da distinguere.

Aspetti applicati importanti sono l'uso di altre operazioni sulle immagini. L'operazione di moltiplicazione, ad esempio, può essere utilizzata efficacemente per ridurre l'effetto di disturbo sull'immagine. Per fare questo, sui banner T e T" (Fig.3.12) si formano due immagini dello stesso oggetto. Se queste immagini contengono rumore casuale (rumore non correlato), quindi, moltiplicando le immagini, ovvero facendo passare un fascio di luce in sequenza attraverso gli stendardi T e T" e registrando l'immagine risultante sull'OOUT, alla sua uscita si ottiene un'immagine con un aumento del rapporto segnale/rumore rispetto alle immagini su T e T". Qualche interferenza passerà comunque all'uscita, ma solo quelle la cui posizione spaziale sugli stendardi T e T" corrisponde a caso.

3.5.3. Trasformazioni in travi coerenti

L'uso della radiazione coerente espande e arricchisce le possibilità dell'elaborazione ottica delle informazioni.

Sulla fig. 3.13 mostra un diagramma semplificato che spiega il funzionamento di un processore ottico utilizzando filtraggio spaziale. All'aereo S BX (input) viene diretto un raggio parallelo di radiazione coerente collimata da una sorgente puntiforme. Lo schema include due lenti convergenti sferiche con una lunghezza focale F, situato alle distanze F e 3F dal piano di input. Se in aereo S BX posizionare una trasparenza ottica (ad esempio un EUT) che forma una sorta di pattern Фin, quindi, secondo le leggi dell'ottica a raggi, nel piano SUscita (output o correlazione) l'immagine verrà riprodotta, invertita rispetto a Ф input. In aereo S f, che si chiama frequenza o piano di filtrazione, si formerà la distribuzione dell'ampiezza e della fase del campo luminoso, che è proporzionale allo spettro delle frequenze spaziali del pattern Ф in (sarà eseguita trasformata di Fourier funzione F in). Qualsiasi striscione posizionato sull'aereo S f, svolge essenzialmente la funzione di filtro spaziale. Uno schermo con un foro rettangolare, ad esempio, è un filtro passa-basso spaziale 2D, un rettangolo opaco è un filtro passa-alto 2D, una fenditura stretta è un filtro passa-basso spaziale 1D e così via.

Possibilità praticamente inaccessibili ai computer sono aperte dall'uso di metodi olografici nei sistemi ottici di elaborazione delle informazioni. Introduzione all'aereo Sφ di ologrammi permette di analizzare lo spettro spaziale del pattern formato nel piano di input S BX, in particolare, per risolvere un problema applicato così importante come riconoscimento del modello.

La selezione dell'oggetto desiderato comprende la produzione preliminare del cosiddetto filtro abbinato e successiva identificazione dell'oggetto nella matrice di informazioni che arrivano al piano di ingresso del processore. Supponiamo che su una pagina di testo sia necessario identificare e determinare le coordinate di un carattere, come numeri o lettere. Per la produzione di un filtro abbinato nel piano di input S BX posizionare uno striscione con l'immagine di questo segno. In aereo Sf si formerà un'onda luminosa corrispondente al suo spettro spaziale. Se con l'aiuto di un divisore di raggio e specchi su un piano Sf dirigere simultaneamente un'onda di riferimento coerente con l'onda che illumina il piano di ingresso S BX(Schema di Vander Lugt), poi in aereo S f si forma uno schema di interferenza, che è Ologramma immagine di Fourier un oggetto posizionato su un piano S VX. L'ologramma fisso è un filtro abbinato delle frequenze spaziali di questo oggetto. Questo ologramma contiene informazioni sull'ampiezza e sulla fase del segno visualizzato all'ingresso e può essere utilizzato per riconoscere questo segno. Per fare ciò, il filtro dell'ologramma viene lasciato nell'aereo S f, rimuovere l'onda di riferimento e nel piano S BX posizionare una pagina con testo, illuminandola con la stessa fonte di luce. Il metodo olografico di riconoscimento del modello si basa sul fatto che se un ologramma viene ripristinato dalla radiazione dell'oggetto che è stato utilizzato durante la sua registrazione, ovvero il suo campo luminoso viene utilizzato come onda di lettura, viene utilizzata l'immagine della sorgente puntiforme sarà ripristinato. Nel piano di output S USCITA, quindi, nei punti corrispondenti all'immagine di un dato segno, appariranno le immagini della sorgente luminosa, cioè dei punti luminosi. Luce che emana da altri segni nell'aereo S BX, non ripristinerà l'immagine di una sorgente puntiforme e non c'è luce nei punti corrispondenti del piano di output.

Ovviamente, utilizzando il metodo descritto, si possono identificare caratteri arbitrariamente complessi, intere parole, frasi, disegni, ad esempio impronte digitali, un'immagine di un sito, ecc. Utilizzando, ancora, un supporto reversibile con una velocità sufficientemente elevata per registrare ologrammi, elaborazione di tutta una serie di informazioni in tempo reale. Applicazioni uniche dei processori ottici del tipo in esame si aprono se si utilizza la possibilità di sintetizzare filtri di frequenza spaziale con l'ausilio di un computer.

Data pubblicazione materiale: 06/12/2003

"Ragazza con macchina fotografica" - ologramma riflettente a impulsi 30x40 cm.1994. Autore - Alexander Akilov.

Tanto tempo fa, nel 1968, quando ero ancora in terza media, ho avuto la fortuna di visitare il laboratorio di cinema olografico NIKFI. Viktor Grigoryevich Komar, che allora guidava la tendenza più avanzata nell'olografia pittorica, mi mostrò ologrammi di grande formato, fotogrammi di filmati olografici, laser e presentò al team i suoi talentuosi dipendenti. Oltre a impressioni sbalorditive, ho portato a casa una scatola di lastre fotografiche PE-2 per la registrazione di ologrammi riflettenti.

Ho cercato a lungo dove avrei potuto procurarmi almeno una specie di laser e, alla fine, l'ho trovato al Politecnico. Ho implorato il dispositivo per un paio di giorni e, senza indugio, ho iniziato a creare un ologramma secondo lo schema di Yuri Denisyuk.

Portò a casa un cordolo di cemento e lo avvolse sul letto (per smorzare le vibrazioni). Da morse, pinze e lenti di un vecchio microscopio, ho costruito un circuito di registrazione. E come primo oggetto prese una saliera d'argento riempita di sale fino in cima. Lo sviluppatore l'ha realizzato secondo la ricetta registrata in NIKFI, poiché a casa c'erano molti prodotti chimici per la fotografia. Calcola l'esposizione. Era lungo circa 5 minuti.

Al secondo tentativo, una copia di una saliera è apparsa su una lastra fotografica, sia dall'iperspazio. Non puoi immaginare, in quel momento mi sentivo come Einstein, Kapitsa, nientemeno. In futuro, queste impressioni giovanili determinarono molte cose nella mia vita.

Ora, 35 anni dopo quella serata significativa per me, noto con rammarico che non si riesce ancora a trovare l'olografia amatoriale di giorno con il fuoco. E il punto qui non è il prezzo dei laser o la complessità dell'attrezzatura, la mancanza di materiale fotografico in vendita. Solo per essere impegnato nella produzione di ologrammi a casa, devi non solo conoscere bene la fisica, ma anche essere ossessionato dall'idea di scrivere lo spazio su un aereo.

Un po' di fisica.

Il principio della registrazione di immagini olografiche è che il modello di interferenza delle onde luminose stazionarie ad alta coerenza di due sorgenti può essere registrato su un'emulsione fotosensibile. La diffrazione delle onde luminose da una di queste sorgenti, sulla struttura fissata nell'emulsione sviluppata, ripristina il fronte d'onda della seconda sorgente. In altre parole, diffrazione e interferenza sono invarianti.

Per coloro che hanno problemi con la fisica, cercherò di spiegare "sulle dita".

Immagina una piscina piena d'acqua. In piscina, con l'aiuto di un'ampia tavola, creiamo delle onde. Buone onde, con un passo molto uniforme. Le onde raggiungono la parete opposta della piscina, si riflettono e tornano indietro. Come risultato della sovrapposizione di due flussi di onde, otteniamo un'immagine straordinaria. Le creste saliranno e cadranno, ma non le vedremo correre. E la cosa più interessante è che ci saranno punti tra le creste che non saliranno né scenderanno rispetto al livello dell'acqua in una piscina calma. Queste sono onde stazionarie. E l'effetto che ha causato questo fenomeno è chiamato INTERFERENZA dai fisici.

La luce è anche un'onda, solo elettromagnetica. E ci sarà un'immagine simile.

Supponiamo che un'onda luminosa sia passata attraverso un'emulsione fotografica trasparente, quindi riflessa da un certo punto dell'oggetto e sia tornata indietro. La stessa immagine dovrebbe apparire come in piscina. Dove si trovano i nodi fissi dell'onda stazionaria emergente, ci sarà sempre l'oscurità e dove fluttua "l'etere" ci sarà la luce. E, soprattutto, questa "zebra" rimane immobile nello spazio.

Abbiamo imparato come catturare un'immagine di luce e oscurità usando metodi fotografici. Nel volume di un'emulsione fotografica è possibile registrare un'immagine di onde luminose stazionarie. Questo sarà l'ologramma. Ma immagina che la lastra o l'oggetto fotografico si sia mosso leggermente (della quantità di una mezza onda) durante l'esposizione. Il pattern di interferenza sarà sfocato, il che significa che semplicemente non riceveremo un ologramma.

Per esposizioni dell'ordine di un minuto, dobbiamo garantire un'elevata stabilità dello schema. Questa è la prima condizione per ottenere ologrammi utilizzando laser a bassa potenza.

Il secondo punto non meno importante. La frequenza dell'onda luminosa (così come le onde in piscina) deve rimanere costante, altrimenti non ci troveremo in piedi, ma viaggiando in onde di interferenza. In questo caso, non sarà nemmeno possibile correggere l'immagine. Ecco perché i laser sono necessari per registrare ologrammi, sorgenti di radiazioni di frequenza stabile. I fisici le chiamano sorgenti di radiazioni altamente coerenti.

Ciascun punto dell'emulsione fotografica catturerà la rete più complessa del pattern di interferenza. Se l'emulsione sviluppata viene illuminata con la luce proveniente dalla stessa sorgente, l'ologramma ripristinerà la bizzarra forma del fronte luminoso, che è stata riflessa dall'oggetto reale quando è stato registrato l'ologramma. La percezione visiva dell'onda luminosa ricostruita è indistinguibile dall'osservazione di un oggetto reale.

Ma la cosa più sorprendente è che gli ologrammi registrati secondo questo schema possono essere ripristinati con una sorgente di luce bianca. Il punto è che le strutture di diffrazione spaziale sono selettive rispetto allo spettro di emissione. L'immagine verrà ripristinata solo dalle frequenze d'onda utilizzate durante la registrazione e il resto dei raggi verrà assorbito dall'ologramma.

Il diavolo non è così spaventoso come è dipinto.

Quindi, abbiamo scoperto che per la registrazione di successo di un ologramma di riflessione secondo lo schema Denisyuk, è necessario un laser, ad esempio neon di elio con una potenza da 10 a 25 milliwatt. Piattaforma antivibrante, lente ad espansione del raggio laser, porta lastra fotografica, specchi con rivestimento riflettente esterno (altrimenti il ​​riflesso del raggio dalle due superfici riflettenti dello specchio provocherà interferenze a bassa frequenza, che sembreranno strisce sull'ologramma) . E, naturalmente, le lastre fotografiche sono necessarie per registrare gli ologrammi.

I normali materiali fotografici non sono adatti a questo, perché. la frequenza del pattern di interferenza è commisurata alla lunghezza d'onda della luce, pertanto la risoluzione del materiale fotografico deve essere di almeno 6000 righe per millimetro (la pellicola fototecnica "micrat" ha una risoluzione non superiore a 300 righe per millimetro e la normale pellicola non più di 75).

Oggi l'Associazione Pereslavl "SLAVICH" produce lastre fotografiche per olografia, sensibili alla radiazione di un laser elio-neon (623 nanometri) del marchio PFG-03M. I materiali fotografici sono forniti con una serie di prodotti chimici per la loro lavorazione. Per l'olografia amatoriale, è meglio usare piccoli formati:
- 102x127 mm
- 127x127 mm
- 130x180 mm

Una lastra fotografica di questo formato è facile da riparare. Le esposizioni quando si utilizza un laser a bassa potenza saranno comprese tra 15 e 45 secondi. Più breve è l'esposizione, meno è probabile che il pattern di interferenza si sposti durante la registrazione di un ologramma e maggiore è la percentuale di successo.

L'esperienza nel campo dell'olografia ha dimostrato che il legame più sensibile alle vibrazioni comprende l'oggetto e la lastra fotografica. Pertanto, il fissaggio di questi elementi l'uno rispetto all'altro deve essere particolarmente affidabile. Il secondo anello in termini di sensibilità agli spostamenti è la lente per espandere il raggio laser, il terzo anello, molto meno sensibile, è il laser stesso.

Sulla base di questo, costruiremo uno schema ottico. Lo schema più semplice e affidabile è quello verticale, quando l'oggetto e la lastra fotografica sono fissati dalla propria gravità e la loro immobilità durante lo scatto è assicurata da un buon isolamento dalle vibrazioni.

L'allestimento sarà composto da una piattaforma rigida (1) appoggiata su supporti pneumatici (2) per smorzare le vibrazioni esterne, un oggetto da registrare (6), un porta fototarga (4) a forma di tre punti di appoggio (3), un schermo (5) per proteggere l'estremità della lastra fotografica dalle radiazioni laser (la luce che penetra all'estremità della lastra fotografica viene riflessa ripetutamente e crea spiacevoli interferenze), un laser, uno specchio con rivestimento riflettente esterno (7) e una messa a fuoco corta lente (8) per formare un fascio di luce coerente che illumina la scena.

Alcuni consigli per gli appassionati di olografia fine.

Come ottenere un ologramma?

Innanzitutto, è necessario un laser e, come sappiamo, non è economico. Vedi link:
http://foto-service.ru/advices/1808.php
In secondo luogo, sono necessarie lastre fotografiche speciali ad altissima risoluzione (da 1500 a 6000 linee per millimetro).
In terzo luogo, la sensibilità delle lastre fotografiche per la registrazione di ologrammi è molto bassa (molto inferiore alla pellicola a sensibilità più bassa per la fotografia ordinaria).
In quarto luogo, la registrazione dell'ologramma è la registrazione del modello di interferenza di un'onda luminosa, in cui le distanze tra i dettagli dell'immagine adiacenti sono quasi due volte inferiori alla lunghezza d'onda, quindi le oscillazioni degli elementi del circuito di registrazione ottica dovrebbero essere un ordine di grandezza inferiore .

Infatti, prima di realizzare il tuo primo ologramma, dovrai attraversare le spine e le stelle di un esperimento fisico. Ma puoi abbreviare la strada del successo, per il quale ti consiglio di usare l'esperienza dei pionieri e allo stesso tempo di non calpestare il loro rastrello. Vedi link:
http://foto-service.ru/advices/1793.php

La profondità della scena che può essere registrata su un ologramma è determinata dalla cosiddetta lunghezza di coerenza laser. Di solito si va da un centimetro (per i puntatori laser) a un quarto di metro (per i laser elio-neon).

Quando si registra un ologramma utilizzando un laser continuo a bassa potenza (vale a dire, tali dispositivi sono alla portata di un semplice dilettante), è necessario prestare particolare attenzione all'isolamento delle vibrazioni, perché sulla scala del modello di interferenza, anche in un appartamento tranquillo, è letteralmente tempeste. Se i professionisti possono permettersi tavoli olografici su supporti pneumatici del peso di diverse tonnellate, in un normale appartamento, senza molti danni al resto dei residenti, è possibile assegnare all'olografia un'area non più grande di una scrivania.

Consiglio di utilizzare tubi di alluminio riempiti di catrame viscoso per creare lo scheletro di un'installazione olografica di piccole dimensioni. Quasi tutte le parti dell'installazione dovrebbero essere progettate sotto forma di corpi di rivoluzione, perché la tornitura è molto più economica della fresatura e ancor di più la rettifica.

Un tale design consente di assemblare un'ampia varietà di configurazioni di rigidità sufficiente dagli stessi elementi, come da un designer. A proposito, molti considerano la rigidità il criterio principale per le prestazioni dell'installazione, ma non è così. Anche un tavolo in ghisa vibrerà in risonanza con deboli vibrazioni sonore a causa dell'elevata elasticità del materiale. Un'altra cosa è quando le oscillazioni decadranno rapidamente. A causa del riempitivo viscoso, non ci saranno risonanze e, di conseguenza, non ci saranno nemmeno oscillazioni a lungo termine.

Il telaio del tubo è fissato rigidamente alla piattaforma inferiore su sei sfere - supporti antivibranti. Il design della base dell'installazione è realizzato sotto forma di una scatola cava di metallo, che viene successivamente riempita con sabbia secca o catrame. La parte superiore della montatura è raccordata da una montatura metallica, sulla quale sono posizionati il ​​laser e alcuni degli elementi ottici. La posizione del laser in cima è altrettanto ragionevole. In questo caso sono esclusi i flussi convettivi degli elementi radianti. Una semplice copertura in polietilene per eliminare i flussi d'aria turbolenti non sarà superflua qui. È meglio fissare le singole parti del circuito ottico con colla per saldatura a freddo.

La registrazione di un ologramma in fasci in collisione è più adatta per i principianti. Una lastra fotografica è fissata davanti all'oggetto e illuminata da un raggio laser divergente. Più facile di quanto tu possa immaginare. Ma garantire la stabilità di tutti gli elementi di uno schema semplice, a prima vista, non è così semplice.

Sia gli oggetti che una lastra fotografica, quando si registrano ologrammi di piccolo formato, sono perfettamente fissati su tre punti di appoggio sotto il loro stesso peso (ricorda solo che il vettore di gravità deve passare approssimativamente attraverso il centro di questo triangolo, altrimenti la più piccola vibrazione porterà alle vibrazioni di questi elementi).

Per una cornice tubolare, il supporto di una lastra fotografica olografica assomiglierà a questo.

È importante evitare che il raggio laser colpisca l'estremità in vetro della lastra fotografica, poiché ciò provocherà riflessioni multiple e rovinerà l'ologramma. Per fare ciò, la lastra fotografica deve essere affondata di 1-2 millimetri sotto la superficie del supporto metallico.

Il progetto dell'impianto per la registrazione di ologrammi "in fasci in collisione". Vedi link:
http://foto-service.ru/advices/1796.php

I portaottica pinhole e di microregolazione sono progettati da elementi che hanno la forma di corpi di rivoluzione (per risparmiare sui costi, ovviamente). Vedi link:
http://foto-service.ru/advices/1798.php

La registrazione di ologrammi arcobaleno è un buon inizio per i futuri artisti che vogliono lavorare nella tecnica olografica.

Chi ha registrato da solo un ologramma almeno una volta nella vita non dimenticherà come, durante l'asciugatura, dal piano di annerimento di una lastra fotografica bagnata nasca una scena tridimensionale scintillante di riflessi. Ma aggiustare una pila di monete, una macchina fotografica, una statuina, un orologio o il tuo cellulare diventerà presto noioso e vorrai creare qualcosa di incredibile immaginazione.

Lo schema di Denisyuk è sufficiente per registrare molti effetti interessanti, ad esempio vari tipi di interferogrammi, registrazione successiva di più oggetti per ottenere l'effetto di una fantastica intersezione di volumi di materiale, creando un restringimento dell'emulsione locale per pseudo-colorazione di scene poco profonde con uno sfondo nero e una serie di altri effetti. Ma opportunità davvero fantastiche per creare tecniche artistiche espressive, fino alla creazione di composizioni di colore, sono fornite dalla tecnica dell'ologramma arcobaleno.

Schema di registrazione dell'ologramma principale

1 - laser; 2 - lente cilindrica (asta di vetro); 3 e 5 - specchi; - lastra fotografica, 8 - scena registrata.

Innanzitutto, elencherò i vantaggi che offre lo schema fornito per la registrazione dell'ologramma iniziale sotto forma di una stretta striscia orizzontale:
- la bassa frequenza del pattern di interferenza consente di utilizzare materiali fotografici più sensibili e di ridurre il tempo di esposizione di ordini di grandezza;
- ricevere un'illuminazione diffusa per una registrazione più efficace di specchi e superfici altamente riflettenti;
- registrare composizioni pseudo-colore;
- ridurre significativamente il contrasto delle frange di interferenza durante la registrazione con diodi laser (ciò è facilitato dalla lunghezza della superficie illuminante del diffusore);
- lo schema dato ha un numero di elementi inferiore rispetto allo schema di notazione Benton classico.

Schema per scrivere una copia arcobaleno.

1 - laser, 2 - lente cilindrica, 3 e 5 specchi, 4 - reticolo di diffrazione, 6 - lente sferica, 7 - ologramma principale, 8 - lente cilindrica grande con messa a fuoco nel piano dell'ologramma principale, 9 - lastra fotografica per la registrazione di un arcobaleno copia.

La creazione di un ologramma arcobaleno avviene in due fasi:
- master record - ologramma;
- registrazione di una copia arcobaleno (in questo caso, il master deve essere ruotato in modo da ottenere un'immagine reale nel piano di una lente cilindrica)

Un ologramma arcobaleno di alta qualità su un'emulsione densa (il cosiddetto ologramma 3D) può essere registrato solo utilizzando una grande lente cilindrica, che consente di ripristinare un'immagine reale di un'apertura a un colore senza uno spiacevole cambiamento nella luminosità dell'immagine attraverso l'intera apertura (si intende l'effetto Bragg in emulsione densa). Una grande lente cilindrica non è facile da trovare ed è costosa da ordinare. È meglio realizzarlo da soli sotto forma di una lente liquida, come quella utilizzata nei primi televisori. Per fare ciò, puoi piegare una lastra di vetro organico, tagliarla in modo che possa essere inserita in una cornice nera rettangolare e sigillata. La superficie frontale piatta dell'obiettivo può essere costituita da una lastra olografica lavata dall'emulsione. È meglio versare acqua distillata nel contenitore ottico ottenuto da pareti trasparenti. Puoi attaccare una lastra fotografica per registrare una copia arcobaleno direttamente su un vetro piano inumidito con un liquido trasparente. L'effetto capillare può catturare il materiale fotografico meglio di qualsiasi primavera.

Lo schema sopra consente l'uso degli elementi ottici più semplici, poiché dopo lo sbiancamento il rumore di diffrazione dalle particelle di polvere non è praticamente visibile e la luminosità dell'immagine sarà eccellente.

La registrazione di una copia iridescente da due o più master strip, spostata verticalmente (consideriamo la loro posizione nelle coordinate dello schema), crea l'effetto di elementi multicolori della scena sintetizzata.

Puoi ripristinare tali ologrammi iridescenti con una normale lampada a incandescenza come quelle riflettenti, premendo un normale specchio da dietro.

Lo schema proposto per la registrazione di ologrammi arcobaleno funziona bene con un laser verde a stato solido pompato a diodo (20 mW con una lunghezza di coerenza di circa 10 metri). L'uso di lastre fotografiche domestiche VRP o FPR (sensibilità 0,5 J/m2) è più che sufficiente per il lavoro professionale di un olografo. Il costo di un tale laser sarà di circa $ 1200, ma questi costi sono ripagati dall'alta qualità degli ologrammi delle immagini.
http://www.laser-compact.ru/products/LCMS111.shtml

E se hai sia il dono di un artista che la passione per le scienze naturali, nulla ti impedirà di creare dei veri e propri capolavori.

Domande: § Olografia come metodo per registrare e ripristinare un campo di onde luminose § Onde di riferimento e oggetti § Registrazione e riproduzione di ologrammi § Proprietà degli ologrammi § Applicazione dell'olografia

L'OLOGRAFIA COME METODO DI REGISTRAZIONE E RECUPERAZIONE DI UN CAMPO DI ONDE LUMINOSE L'olografia è un metodo per registrare e ripristinare la struttura delle onde luminose (campo delle onde luminose), basato sui fenomeni di diffrazione e interferenza di fasci di luce coerenti. Tradotto dal greco, "olografia" significa "registrazione completa". A differenza della fotografia ordinaria, l'olografia è un metodo fondamentalmente diverso per ottenere immagini tridimensionali di oggetti.

ONDE DI RIFERIMENTO E DELL'OGGETTO Questo metodo non registra un'immagine ottica di un oggetto, ma un pattern di interferenza che si verifica quando un'onda luminosa viene sovrapposta, diffusa (riflessa) dal soggetto (questa è la cosiddetta onda dell'oggetto) e coerente con l'onda ultima onda di riferimento proveniente direttamente dalla stessa sorgente luminosa. Questo schema di interferenza cattura su una lastra fotografica informazioni sulla distribuzione non solo delle ampiezze (e, di conseguenza, dell'intensità), ma anche delle fasi di oscillazione nell'onda dell'oggetto. Il modello di interferenza registrato è generalmente chiamato ologramma. Conclusione. L'ologramma contiene informazioni molto più complete sull'oggetto della ripresa rispetto a una normale fotografia.

Onde di riferimento e oggetti Informazioni storiche sull'olografia Le basi dell'olografia furono gettate nel 1947 negli esperimenti del fisico inglese D. Gabor. Volendo migliorare il microscopio elettronico, Gabor ha proposto di registrare informazioni non solo sulle intensità, ma anche sulle fasi delle onde elettroniche riflesse dai nodi cristallini dei campioni in studio. Tuttavia, la mancanza di potenti sorgenti luminose con un elevato grado di coerenza temporale e spaziale (questa esigenza era dettata dalla grande differenza ottica nei percorsi delle onde di riferimento e dell'oggetto) non gli permetteva di ottenere immagini olografiche di alta qualità. L'olografia ha vissuto una "seconda nascita" all'inizio degli anni '60 del XX secolo. , quando i fisici americani E. Leith e J. Upatnieks usarono un laser come sorgente luminosa e svilupparono uno schema con un raggio di riferimento inclinato. E presto (a metà degli anni '60), il fisico sovietico Yu. N. Denisyuk propose l'idea e registrò un ologramma in un mezzo tridimensionale, ponendo le basi per l'olografia tridimensionale a colori.

REGISTRAZIONE E RIPRODUZIONE DI OLOGRAMMI L'essenza del metodo olografico può essere spiegata con l'aiuto della Figura 1. Una pellicola fotografica (FP) registra un pattern di interferenza che si verifica quando un'onda dell'oggetto 1 diffusa dall'oggetto ripreso e un'onda di riferimento 2 coerente con esso , avendo valori fissi di ampiezza e fase, sono sovrapposti. L'onda viene emessa dalla stessa sorgente luminosa (laser) che illumina l'oggetto (A), e dopo la riflessione dello specchio (3) cade sulla lastra fotografica. Il pattern di interferenza fissato su (FP) dopo lo "sviluppo" fornisce un ologramma, che è un pattern molto piccolo e intricato di alternanza di massimi e minimi di annerimento dell'emulsione fotografica e, a differenza di una fotografia convenzionale, non ha una somiglianza generale con il oggetto (A).

REGISTRAZIONE E RIPRODUZIONE DI OLOGRAMMI L'ologramma risultante in forma codificata contiene informazioni complete sulle ampiezze e le fasi dell'onda dell'oggetto diffuso. Il ripristino dell'immagine di un oggetto (A) dal suo ologramma (D) viene eseguito illuminando quest'ultimo come lucidi (diapositiva) con un'onda di riferimento (2) dallo stesso laser (e con lo stesso orientamento utilizzato per la rimozione l'ologramma). (Vedi Fig. 2)

REGISTRAZIONE E RIPRODUZIONE DI OLOGRAMMI L'onda 2 diffrange su un ologramma (su una struttura di interferenza), per cui si osservano due immagini volumetriche dell'oggetto fotografato: immaginaria (A') e reale (A"). L'immagine immaginaria (A') si trova nel luogo (in relazione all'ologramma) in cui si trovava l'oggetto reale (A) durante lo scatto. (A') - visto attraverso l'ologramma, come attraverso una finestra. L'immagine reale (A") si trova sull'altro lato dell'ologramma. Sembra essere "sospeso" nell'aria davanti all'ologramma (D) ed è un'immagine speculare dell'oggetto. Solitamente utilizzano un'immagine olografica immaginaria (A'), che, nella sua percezione visiva, è identica all'oggetto stesso. Non solo ha la proprietà di tridimensionalità, ma anche la sua prospettiva cambia a seconda della posizione dell'occhio dell'osservatore rispetto all'ologramma. Ad esempio, spostando la testa lungo l'ologramma, si può "guardare" dietro un oggetto che si trova in primo piano nell'olografia dell'immagine.

Registrazione e riproduzione di ologrammi La modifica della posizione dell'oggetto (A) [o delle sue singole parti] comporta un cambiamento non solo nell'intensità dei massimi di interferenza, ma anche nella distanza tra di essi. Quest'ultimo caratterizza, come è noto, una certa differenza di percorso, o differenza di fase tra fasci interferenti. Pertanto, dicono che l'ologramma contiene informazioni sull'ampiezza dell'onda e sulla sua fase. Questo è sufficiente per ripristinare l'onda dell'oggetto nella forma in cui era in realtà nel luogo di distribuzione. Pertanto, l'onda registrata "prende vita" con l'aiuto di un ologramma e crea un'illusione completa della realtà degli oggetti osservati.

Proprietà degli ologrammi La principale proprietà di un ologramma, che lo distingue da una fotografia, in cui viene registrata solo la distribuzione dell'ampiezza dell'onda dell'oggetto incidente sul fotostrato, è che la distribuzione della fase dell'onda dell'oggetto rispetto alla fase dell'onda di riferimento è registrata anche sull'ologramma. Le informazioni sull'ampiezza dell'onda dell'oggetto vengono registrate sull'ologramma sotto forma di contrasto del rilievo di interferenza e le informazioni sulla fase vengono registrate sotto forma e frequenza delle frange di interferenza. Di conseguenza, l'ologramma, quando illuminato dalla sua onda di riferimento, ripristina una copia completa dell'onda dell'oggetto. Un ologramma, solitamente registrato su un materiale fotografico negativo, è simile a una registrazione positiva, ovvero le aree chiare dell'oggetto corrispondono alle aree chiare dell'immagine ricostruita e le aree scure corrispondono a quelle scure.

Proprietà degli ologrammi Il pattern di interferenza in ogni punto dell'ologramma è determinato dalla luce diffusa da tutti i punti dell'oggetto fotografato. Pertanto, qualsiasi sezione dell'ologramma contiene informazioni sull'intero oggetto e consente di ripristinare l'immagine dell'intero oggetto se viene preservata solo questa sezione dell'ologramma quando l'ologramma è danneggiato. Va tenuto presente che minore è la dimensione della parte conservata dell'ologramma, minore è la diffrazione della luce su di essa nella fase di riproduzione dell'immagine. Di conseguenza, la luminosità diminuisce e la chiarezza dell'immagine olografica dell'oggetto si deteriora (come si suol dire, l'efficienza di diffrazione dell'ologramma diminuisce). Commento. Pertanto, un ologramma è molto superiore a una fotografia convenzionale (negativo fotografico) in termini di affidabilità della memorizzazione di informazioni complete (in una fotografia, ogni elemento contiene una registrazione solo sulla parte dell'oggetto fotografato raffigurata su di essa).

PROPRIETA' DEGLI OLOGRAMMI La registrazione olografica delle informazioni è caratterizzata da elevata capacità e compattezza. Pertanto, su una lastra fotografica è possibile registrare molti ologrammi di oggetti diversi e l'immagine di ciascun oggetto può essere ricostruita senza interferenze da altre immagini. Questo può essere fatto modificando ogni volta, ad esempio, l'angolo di incidenza dell'onda di riferimento sulla lastra fotografica. L'olografia consente di ottenere immagini tridimensionali a colori di oggetti. Per produrre un ologramma a colori, viene utilizzata la luce laser monocromatica di tre colori primari (rosso, verde, blu). La registrazione di schemi di interferenza corrispondenti alla luce di tre lunghezze d'onda può essere eseguita simultaneamente o in sequenza sulla stessa lastra. Per riprodurre un'immagine tridimensionale a colori di un oggetto, è necessario dirigere contemporaneamente tre fasci di riferimento agli angoli corrispondenti all'ologramma utilizzato nella registrazione.

PROPRIETA' DEGLI OLOGRAMMI Gli ologrammi volumetrici ottenuti con l'aiuto di emulsioni fotografiche a strato spesso hanno proprietà speciali. Su un tale ologramma, non è fissato un modello di interferenza piatta, ma spaziale, che si verifica quando l'oggetto e le onde di riferimento sono sovrapposte. Questo ologramma è simile a un reticolo di diffrazione spaziale. Qui deve essere soddisfatta la condizione: lo spessore dello strato fotosensibile (δ) è molto maggiore della distanza tra le superfici dei massimi di interferenza. In questo caso, l'ologramma è considerato volumetrico. Un tale ologramma è in grado di isolare la luce monocromatica della stessa lunghezza d'onda dalla luce bianca incidente su di essa utilizzata per registrare l'ologramma. Pertanto, la ricostruzione di un'immagine registrata sotto forma di ologramma volumetrico può essere effettuata sia nel corrispondente monocromatico che in luce bianca. Per un ologramma tridimensionale “a colori” è sufficiente solo la luce bianca. [Queste sono le idee di N. Denisyuk]

APPLICAZIONI DELL'OLOGRAFIA Le proprietà tridimensionali delle immagini olografiche sono utilizzate: nei dispositivi dimostrativi delle lezioni; quando si creano copie tridimensionali di opere d'arte, ritratti olografici; nello studio di particelle in movimento, gocce liquide, tracce di particelle nucleari in camere a bolle (o in camere a scintilla) Il volume dell'immagine rende promettente la creazione di film olografici e televisivi. Tuttavia, permangono difficoltà tecniche nella creazione di ologrammi grandi e dinamici (per sale cinematografiche) e difficoltà nella trasmissione di scene in movimento tridimensionali sui canali TV (è necessario aumentare la larghezza di banda del canale di diversi ordini di grandezza).

Il metodo più comune e ampiamente utilizzato per registrare l'immagine degli oggetti è la fotografia. In una fotografia, la distribuzione dell'intensità delle onde luminose viene registrata in una proiezione bidimensionale dell'immagine di un oggetto sul piano fotografico.

Pertanto, non importa da quale angolazione guardiamo la foto, non vediamo nuove angolazioni. Inoltre, non possiamo vedere oggetti situati sullo sfondo e nascosti davanti a quelli in piedi. La prospettiva nella fotografia è visibile solo dal cambiamento delle dimensioni relative degli oggetti e dalla chiarezza della loro immagine.

L'olografia è una delle conquiste straordinarie della scienza e della tecnologia moderne. Il nome deriva dalle parole greche holos - complete e grapho - scrivo, che significa la registrazione completa dell'immagine.

L'olografia è fondamentalmente diversa dalla fotografia ordinaria in quanto in un materiale fotosensibile, viene registrata non solo l'intensità, ma anche la fase delle onde luminose sparse da un oggetto e che trasportano informazioni complete sulla sua struttura tridimensionale. Come mezzo per mostrare la realtà, un ologramma ha una proprietà unica: a differenza della fotografia, che crea un'immagine piatta, un'immagine olografica può riprodurre una copia tridimensionale esatta dell'oggetto originale. Gli ologrammi moderni vengono osservati sotto l'illuminazione con sorgenti luminose convenzionali e la tridimensionalità a tutti gli effetti in combinazione con l'alta fedeltà nel trasferimento delle trame superficiali fornisce un effetto completo di presenza.

L'olografia si basa su due fenomeni fisici: diffrazione e interferenza delle onde luminose.

L'idea fisica è che quando due fasci di luce sono sovrapposti, in determinate condizioni, si crea uno schema di interferenza, cioè massimi e minimi dell'intensità luminosa appaiono nello spazio. Affinché questo schema di interferenza sia stabile per il tempo richiesto per l'osservazione e per essere registrato, queste due onde luminose devono essere abbinate nello spazio e nel tempo. Tali onde coordinate sono dette coerenti.

L'aggiunta risultante di due onde coerenti sarà sempre un'onda stazionaria. Cioè, il modello di interferenza sarà stabile nel tempo. Questo fenomeno è alla base della produzione e del restauro di ologrammi.

Le sorgenti luminose convenzionali non hanno una coerenza sufficiente per essere utilizzate in olografia. Pertanto, l'invenzione nel 1960 di un generatore quantistico ottico o laser, una sorprendente sorgente di radiazione con il necessario grado di coerenza e in grado di emettere rigorosamente una lunghezza d'onda, fu di importanza decisiva per il suo sviluppo.

Dennis Gabor, mentre studiava il problema della registrazione delle immagini, ebbe una grande idea. L'essenza della sua implementazione è la seguente. Se un fascio di luce coerente viene diviso in due e l'oggetto da registrare viene illuminato con una sola parte del fascio, dirigendo la seconda parte su una lastra fotografica, allora i raggi riflessi dall'oggetto interferiranno con i raggi che cadono direttamente sulla lastra dalla fonte di luce. Viene chiamato un raggio di luce che cade su un piatto fondamentale e il raggio riflesso o trasmesso attraverso l'oggetto materia. Considerando che questi fasci sono stati ottenuti dalla stessa sorgente di radiazione, si può essere certi che siano coerenti. Una registrazione fotografica della configurazione di interferenza dell'onda dell'oggetto e dell'onda di riferimento ha la proprietà di ripristinare l'immagine dell'oggetto se l'onda di riferimento è nuovamente diretta a tale registrazione. Quelli. quando l'immagine registrata sulla lastra viene illuminata con un raggio di riferimento, viene ripristinata l'immagine dell'oggetto, che non è visivamente distinguibile da quella reale. Se guardi attraverso la lastra da diverse angolazioni, puoi osservare l'immagine dell'oggetto in prospettiva da diverse angolazioni. Naturalmente una lastra fotografica ottenuta in modo così miracoloso non può essere definita fotografia. Questo è un ologramma.

Nel 1962, I. Leith e J. Upatnieks ottennero i primi ologrammi trasmissivi di oggetti volumetrici realizzati con un laser. Un raggio di radiazione laser coerente viene diretto su uno specchio traslucido, con l'aiuto del quale si ottengono due raggi: un oggetto e un riferimento. Il raggio di riferimento è diretto direttamente sulla lastra fotografica. Il raggio soggetto illumina l'oggetto il cui ologramma viene registrato. Il raggio di luce riflesso dall'oggetto - il raggio dell'oggetto cade sulla lastra fotografica. Nel piano della lastra, due fasci - l'oggetto e il riferimento - formano un complesso pattern di interferenza, che, per la coerenza dei due fasci di luce, rimane inalterato nel tempo ed è l'immagine di un'onda stazionaria. Resta solo da registrarlo nel solito modo fotografico.Il pattern di interferenza risultante è un'immagine codificata che descrive l'oggetto così come è visto da tutti i punti della lastra fotografica. Questa immagine memorizza informazioni sia sull'ampiezza che sulla fase delle onde riflesse dall'oggetto.

Se un ologramma viene registrato in un determinato mezzo volumetrico, il modello risultante di un'onda stazionaria riproduce in modo inequivocabile non solo l'ampiezza e la fase, ma anche la composizione spettrale della radiazione registrata su di essa. Questa circostanza è stata la base per la creazione di ologrammi tridimensionali (volumetrici). Il funzionamento degli ologrammi volumetrici si basa sull'effetto di diffrazione di Bragg: per effetto dell'interferenza delle onde che si propagano in un'emulsione a strato spesso, si formano dei piani illuminati da una luce di maggiore intensità.

Dopo lo sviluppo dell'ologramma, sui piani illuminati si formano strati di annerimento. In questo modo vengono creati i cosiddetti piani di Bragg, che hanno la proprietà di riflettere parzialmente la luce.

Quelli. nell'emulsione viene creato uno schema di interferenza tridimensionale.

Un tale ologramma a strato spesso assicura una ricostruzione efficiente dell'onda dell'oggetto, a condizione che l'angolo di incidenza del raggio di riferimento rimanga invariato durante la registrazione e la ricostruzione. Inoltre, non è consentito modificare la lunghezza d'onda della luce durante il restauro. Tale selettività di un ologramma volumetrico a trasmissione consente di registrare fino a diverse decine di immagini su una lastra modificando l'angolo di incidenza del raggio di riferimento, rispettivamente, durante la registrazione e il ripristino.

Quando si ricostruisce un ologramma di volume, a differenza degli ologrammi a trasmissione piatta, si forma solo un'immagine a causa della riflessione del raggio di ricostruzione dall'ologramma in una sola direzione, determinata dall'angolo di Bragg.

Gli ologrammi del volume riflettente vengono registrati secondo uno schema diverso. L'idea di creare questi ologrammi appartiene a Yu.N. Denisuk. Pertanto, gli ologrammi di questo tipo sono conosciuti con il nome del loro creatore.

I fasci di luce di riferimento e di oggetto sono formati con l'ausilio di un divisore e diretti alla lastra da entrambi i lati per mezzo di uno specchio. L'onda dell'oggetto illumina la lastra fotografica dal lato dello strato di emulsione, l'onda di riferimento dal lato del substrato di vetro. I piani di Bragg in tali condizioni di registrazione sono quasi paralleli al piano della lastra fotografica. Pertanto, lo spessore del fotostrato può essere relativamente piccolo.

9.4. Elementi di circuiti integrati.

Inizio modulo

CIRCUITO INTEGRATO(IC), un circuito microelettronico formato su un minuscolo wafer (cristallo, o "chip") di materiale semiconduttore, solitamente silicio, che viene utilizzato per controllare e amplificare la corrente elettrica. Un tipico circuito integrato è costituito da molti componenti microelettronici interconnessi, come transistor, resistori, condensatori e diodi, fabbricati sulla superficie di un chip. Le dimensioni dei cristalli di silicio vanno da circa 1,3 x 1,3 mm a 13 x 13 mm. I progressi nel campo dei circuiti integrati hanno portato allo sviluppo di tecnologie per circuiti integrati grandi e molto grandi (LSI e VLSI). Queste tecnologie consentono di ottenere circuiti integrati, ognuno dei quali contiene molte migliaia di circuiti: in un chip possono esserci più di 1 milione di componenti I circuiti integrati presentano numerosi vantaggi rispetto ai loro predecessori: circuiti che sono stati assemblati da singoli componenti montati su un telaio. I circuiti integrati sono più piccoli, più veloci e più affidabili; sono anche meno costosi e meno soggetti a guasti dovuti a vibrazioni, umidità e invecchiamento. La miniaturizzazione dei circuiti elettronici è stata resa possibile dalle speciali proprietà dei semiconduttori. Un semiconduttore è un materiale che ha una conduttività elettrica (conduttività) molto maggiore rispetto a un dielettrico come il vetro, ma molto inferiore a conduttori come il rame. In un materiale semiconduttore come il silicio, ci sono troppo pochi elettroni liberi nel reticolo cristallino a temperatura ambiente per fornire una conduttività significativa. Pertanto, i semiconduttori puri hanno una bassa conduttività. Tuttavia, l'introduzione di un'appropriata impurità nel silicio ne aumenta la conduttività elettrica. I droganti vengono introdotti nel silicio con due metodi. Per il doping pesante, o nei casi in cui non è necessario un controllo preciso della quantità di impurità introdotta, viene solitamente utilizzato il metodo della diffusione. La diffusione del fosforo o del boro viene generalmente effettuata in atmosfera drogante a temperature comprese tra 1000 e 1150°C per mezz'ora a diverse ore. Nell'impianto ionico, il silicio viene bombardato con ioni droganti ad alta velocità. La quantità di additivo impiantabile può essere regolata entro pochi punti percentuali; la precisione è importante in alcuni casi, poiché il guadagno di un transistor dipende dal numero di atomi di impurità impiantati per 1 cm2 di base.