Голография и её применение в современном мире

7) Если устройство хранения не относится к архивному типу, необходимо осуществить стирание и повторную запись. Голографический метод записи наиболее полно реализуется в устройствах архивной памяти (например, голографические диски большой емкости), а также в устройствах быстродействующей реверсивной памяти (с использованием электрооптических или фотохромных кристаллов).

Системы голографической памяти можно классифицировать по методу записи и считывания голограмм:

1) Последовательная запись. Вся информация в виде большого количества отдельных изображений (бит) записывается на одну и ту же голограмму. Изображения (биты) восстанавливаются независимо друг от друга, если при их записи использовалась опорные волны, различающиеся между собой.

2) Параллельная запись. Запись осуществляется сразу большими массивами (массив N бит). Запись информации массивами представляется наиболее перспективной для достижения высокой ёмкости, особенно в сочетании с последовательной записью M голограмм, записанных с использованием опорных волн, различающихся между собой.

3) Запись информации, распределенной по глубине (в объёме). В этом случае различные массивы распределены по глубине регистрирующей среды. Такую запись информации можно комбинировать с последовательной записью с целью увеличения плотности хранимой информации. При считывании изображений предъявляются высокие требования к оптико-механической части устройства.

В системах голографической памяти могут использоваться как тонкие, так и объёмные голограммы. Для их различения используется так называемый критерий Клейна Q = 2рлd/(n² ), где л - длина волны излучения, d - толщина голограммы, n - средний показатель преломления, Л - пространственный период. Если Q>10, то голограмма считается объёмной. Пространственный период решетки Л определяется длиной волны при записи и углом между объектной и опорной волнами: Л =л/(2Чsinи), где и - половина угла между опорной и объектной волнами (в воздухе). Благодаря присущему объёмным голограммам свойству спектральной и угловой селективности, возможны запись и раздельное считывание многих голо- грамм в одном объёме (мультиплексирование), что повышает плотность хранения информации.

Максимальная дифракционная эффективность з (до 100%) достигается в случае объемных фазовых голограмм. Выражение для дифракционной эффективности з объёмных фазовых голограмм пропускающего типа записывается как: 30 з=sin² (рn₁d/лcosи_i), где n1 - амплитуда модуляции показателя преломления, d - толщина голограммы и_i - половина угла между опорной и объектной волнами (в среде).

Таким образом, объемные фазовые голограммы характеризуются наибольшей потенциальной емкостью хранения информации. Проводимые в течение десятков лет (с 1963 года) исследования в области создания систем голографической памяти привели к пониманию основных принципов действия таких устройств:

1. Информацию следует записывать (и хранить) в виде двоичного кода, а не в аналоговой форме.

2. Предпочтительно одновременно записывать массив данных (страницу или матрицу), что позволяет существенно (на порядки) увеличить скорость записи/считывания.

3. По типу используемых голограмм наибольшим преимуществом пользуются Фурье-голограммы, регистрируемые в плоскости Фурье- преобразования или вблизи ее, так как они могут быть записаны на малых площадях и инвариантны к поперечному сдвигу относительно опорного пучка. Инвариантность к сдвигу существенно упрощает требования к установке фотоприемника, воспринимающего восстановленное изображение при считывании.

4. Для записи следует использовать объемные среды, позволяющие реализовать селективные свойства голограмм и, соответственно, увеличить плотность записи информации.

5. В системе голографической памяти не должно быть движущихся частей. Только в этом случае можно обеспечить максимальную надежность и быстродействие всей системы.

Пример оптической схемы для реализации голографической системы хранения информации в объемной среде приведен на рис. 17. В режиме записи (рис. 17а) излучение лазера проходит через электрооптический затвор 2 и попадает на вращатель поляризации 3, после чего отклоняется на заданный угол дефлектором 4. Поляризационный делитель делит пучок на две части с одинаковой поляризацией (обозначена кружком). Одна часть пучка направляется на матрицу микролинз, которая совместно с объективом 5 формирует равномерную засветку устройства ввода информации 9, расположенное в фокусе линзы 10, осуществляющей преобразование Фурье.

С противоположной стороны линзы 10 также в фокусе помещен регистрирующий материал 11 для записи голограмм. Вторая часть лазерного пучка проходит систему линз и объективов и направляется на угловой дефлектор 13, который совместно с дифракционной решеткой 14 предназначен для изменения угла наклона опорного пучка для многократной записи голограмм на одном и том же участке регистрирующего материала. Для перехода на следующий участок записи изменяется угол отклонения пучка с помощью акустооптического дефлектора 4, при этом одновременно изменяется положение и опорного и объектного пучков.

В режиме считывания (рис.17б) поляризация лазерного излучения меняется на ортогональную (обозначена стрелкой), при этом излучение лазера проходит поляризационный светоделитель без отражения, формируя пучок, аналогичный опорному пучку при записи. Изменяя угол падения пучка с помощью углового дефлектора 13 можно осуществлять считывание информации восстановленной голограммой с помощью устройства считывания 12. Для перехода на следующий участок голографического материала изменяется угол отклонения пучка с помощью акустооптического дефлектора 4, а затем производится выборка нужной информации изменением угла считывания при помощи углового дефлектора 13.

Проводимые с 1963 года исследования в области создания систем голографической памяти привели к пониманию основных принципов действия таких устройств:

1) Информацию следует записывать (и хранить) в виде двоичного кода, а не в аналоговой форме.

2) Предпочтительно одновременно записывать массив данных (страницу или матрицу), что позволяет существенно (на порядки) увеличить скорость записи/считывания.

3) По типу используемых голограмм наибольшим преимуществом пользуются фурье-голограммы, регистрируемые в плоскости фурье- преобразования или вблизи ее, так как они могут быть записаны на малых площадях и инвариантны к поперечному сдвигу относительно опорного пучка. Инвариантность к сдвигу существенно упрощает требования к установке фотоприемника, воспринимающего восстановленное изображение при считывании.

4) Для записи следует использовать объемные среды, позволяющие реализовать селективные свойства голограмм и, соответственно, увеличить плотность записи информации.

5) В системе голографической памяти не должно быть движущихся частей. Только в этом случае можно обеспечить максимальную надежность и быстродействие всей системы

9.2 Компоненты голографической памяти

Источник излучения

Для обеспечения эффективной записи голограмм требуется коллимированное когерентное излучение лазера. Для обеспечения высокой пиковой мощности желательно использовать импульсный лазер с высокой частотой повторения импульсов (до 10⁶ импульсов в секунду). Большинство используемых регистрирующих материалов имеют наибольшую чувствительность в сине-зеленом диапазоне, однако и при этом условии средняя мощность излучения лазера в одномодовом режиме генерации должна составлять около 1 Вт. В первых экспериментах по созданию голографических систем памяти использовали в основном излучение Ar-лазера на длинах волн л=0.488 и 0.515 мкм. Однако, коэффициент преобразования электрической энергии в оптическое излучение крайне низок (порядка 0.1%), поэтому габариты таких лазеров и их блоков питания довольно громоздки. В настоящее время широко используются твердотельные неодимовые лазеры (л1=1.053…1.070 мкм) с диодной накачкой и преобразованием частоты излучения во вторую гармонику с длиной волны л2=0.527…0.535 мкм. Следует также помнить, что использование лазеров с генерацией излучения на более коротких длинах волн обеспечивает увеличение плотности записи информации пропорционально л-3 (в случае объемной регистрирующей среды).

Дефлектор лазерного излучения

Для точного позиционирования лазерного излучения на поверхности и в объеме голографической регистрирующей среды нужно использовать быстродействующие устройства-дефлекторы (желательно не механического типа), способные изменять направление распространения падающего лазерного излучения. В основном, используют гальванометрические (механические) и оптические (акустооптические и электрооптические) дефлекторы. Быстродействие гальванометрических дефлекторов относительно велико и составляет t?0.1 мс. В случае акустооптического дефлектора отклонение пучка лазерного излучения происходит на акустической волне, созданной в акустооптическом материале с помощью пьезоэлектрического преобразователя. Изменение несущей акустической частоты приводит к изменению периода решетки и, следовательно, к изменению угла дифракции лазерного излучения на этой решетке. Быстродействие таких устройств определяется, главным образом, временем прохождения звуковой волны через сечение лазерного пучка и может составлять величину t?10^-6- 10^-5 с. В случае электрооптического дефлектора отклонение пучка лазерного излучения происходит в электрооптическом кристалле при приложении к нему электрического поля. Быстродействие электрооптического дефлектора составляет t?10-6 с.

Устройство ввода информации.

Устройство ввода служит для преобразования цифровых электрических сигналов в матрицу данных, которая помещается на пути объектного пучка, модулируя его в соответствии с заданным распределением сигналов на этой матрице (0 или 1 в двоичном коде). Устройство ввода информации должно обеспечивать:

1) высокое быстродействие (желательно с t?10^-6 с)

2) высокое разрешение (размер каждого элемента матрицы менее 100 мкм)

3) большое количество элементов (1024Ч1024 элемента)

4) высокий контраст изображения (100:1 и выше)

5) стабильность свойств по отношению к мощному лазерному излучению (до 1 Вт)

6) высокая однородность по яркости и контрасту по всей площади матрицы

Наиболее широкое применение находят жидкокристаллические (ЖК) матрицы с разрешением до 1024Ч1024 элемента. Для пространственной модуляции света используют два электрически управляемых эффекта, наблюдающихся в жидких кристаллах: наведённое двулучепреломление и динамическое рассеяние света. Процесс изменения оптических свойств слоя жидкого кристалла носит пороговый характер. Конструкция ячейки транспаранта представляет собой сэндвич, состоящий из плёнки жидкого кристалла между двумя электродами, напылёнными на стеклянных подложках и обычно прозрачными. Эффект динамического рассеяния применяют для амплитудной модуляции проходящего или отражённого светового пучка. Он обусловлен переносом заряда через слой жидкого кристалла и возникновением в нём гидродинамических нестабильностей.

Перемешивание в электрическом поле приводит к значительному ослаблению интенсивности проходящего через ячейку света. По окончании действия электрического поля слой приобретает исходную структуру и становится прозрачным. Под действием электрического поля в жидком кристалле происходит также процесс переориентации молекул (В- и S-ориентационные по- левые эффекты). В результате при оптимальном расположении оптических осей слоя жидкого кристалла относительно вектора поляризации света достигается максимальное изменение двулучепреломления и соответственно фазовая модуляция света. Твист-эффект (Т-эффект), близкий по природе к S-эффекту, обеспечивает поворот плоскости поляризации света. Время электрооптического переключения в тонких слоях жидких кристаллов может составлять ?10^-5 с.

Устройство считывания информации

Устройство считывания предназначено для преобразования оптического сигнала восстановленного голограммой в электрический сигнал. Очевидно, что количество и расположение элементов устройства считывания должно точно соответствовать элементам устройства ввода информации. Обычно, в качестве матрицы считывания используют матрицу фотодиодов, быстродействие которых составляет около t?10^-6 с.

Объективы (линзы) для преобразования Фурье

Объективы для преобразования Фурье должны быть высокого оптического качества с низким уровнем аберраций. Поскольку используется два таких объектива, один - между устройством ввода и регистрирующим материалом, а другой - между регистрирующим материалом и устройством считывания информации, то качество и аберрации обоих объективов должны быть по возможности близкими. В значительной мере, проблема оптического качества объектива решается использованием для восстановления голограмм комплексно-сопряженной волны, идущей в обратном направлении по отношению к записывающей опорной волне.

На рис. 18 изображен пример оптической схемы, реализующей восстановление голограммы комплексно-сопряженным опорным пучком. При записи голограммы поворотное зеркало 7 (показано пунктиром) направляет излучение объектной волны, несущей информацию, отображенную устройством ввода 6, на регистрирующий материал 1 с помощью объектива 5. Опорная волна R с поляризацией, ортогональной поляризации объектной волны освещает регистрирующую среду, но не участвует в записи голограммы. После отражения зеркалом 2-3-4 с обращением волнового фронта поляризация обращенной опорной волны R* совпадает с поляризацией объектной волны и происходит запись голограммы. На стадии считывания зеркало 2- 3-4 перекрывается, и опорная волна проходит через регистрирующий материал и восстанавливает объектную волну, которая распространяется по тому же оптическому пути, что и при записи. При этом поворотное зеркало 7 поворачивается на 90° (показано сплошной линией) и направляет объектную волну на устройство считывания данных 8. Таким образом, аберрации объектива 5 практически полностью компенсируются при прохождении объектной волны в обратном направлении

Ограничения плотности голографической записи

В результате того, что на голограмме одновременно можно зарегистрировать значительное количество (N) бит информации при рассмотрении предельных значений плотности записи данных, необходимо учитывать «способность» голограммы восстанавливать различные «части» объекта, количество которых в нашем случае будет равно числу одновременно записываемых битов. Поэтому минимальный размер голограммы будет определяться исходя из минимально возможного интервала в пределах которого сохраняются свойства восстановленного изображения. В таком случае, размер голограммы D для записи N бит информации должен составлять не менее: D=лЧ(N/2Щ) 1/2, где 2Щ - угол схождения объектной волны при записи. Таким образом, при 2Щ=1 стерадиан (около 60°), л=0.633 мкм (He-Ne лазер) и N=100, минимальный размер голограммы составляет D=6.3 мкм, а на площади в 1 см 2 можно записать до 2.5Ч10⁸ бит информации, что сравнимо с побитовой оптической плотностью записи. Однако, в случае использования трехмерных сред для записи голограмм, плотность записи может значительно превышать это значение, поскольку на один и тот же участок диска записывают одновременно много голограмм, отличающихся либо длиной волны записи, либо направлением опорной волны. В действительности же, количество голограмм записанных на одном и том же участке регистрирующего материала будет также ограничено его динамическим диапазоном, угловой селективностью и шумами, вызванными взаимодействием наложенных голограмм.

Ограничения по динамическому диапазону регистрирующего материала связаны с тем, что при записи конечного числа голограмм на одном и том же участке используется весь диапазон изменения показателя преломления данной среды и становится невозможной последующая запись.

Ограничения по угловой селективности связаны с тем, что полное число голограмм N, которое можно записать в диапазоне углов опорного пучка Ц можно рассчитать по формуле: N=Ц/Ди?(ЦЧ n Чd)/Л, где Ди - угловая селективность, d - толщина голограммы, n - средний показатель преломления среды, Л - период решетки. Таким образом, например, для Л=0.376 мкм (при записи на длине волны л=0.532 мкм взаимно ортогональными пучками), Ц=10°, d=1 мм, n=2 получим, что N?930.

Ограничения по шумам связаны с взаимным влиянием наложенных голограмм, так как в пучок света, дифрагированный на одной из голограмм, вносится вклад (рассеяние) и от остальных голограмм, записанных на этом же участке материала. Если предполагается получить при считывании заданную величину ОСШ (отношение сигнал/шум), то общее число наложенных голограмм будет ограничено величиной: N=d/(4лЧ(ОСШ)²), где d - толщина голограммы. Таким образом, если d=2 мм, л=0.532 мкм, ОСШ=3, то предельное число страниц записанной информации будет составлять N?104.

Быстродействие голографических устройств записи и хранения информации

Для формирования матрицы сигналов, предназначенной для голографической записи по методу голографии Фурье, используют пространственные модуляторы света. В настоящее время такие модуляторы построены на основе ЖК матриц либо системы микрозеркал. Разрешение таких модуляторов достигает 1280Ч1024 пикселей, что соответствует ?1.3Ч10⁶ бит информации. Частота смены изображения достигает 1000 раз в секунду. Таким образом, при записи голографическим методом возможно уже в настоящее время достигнуть скорости записи порядка 1 Гбит/с при условии наличия соответствующих регистрирующих материалов и лазеров с достаточной мощностью излучения. При считывании информации излучение лазера фокусируют в область голограммы и восстановленная объектная волна попадает на устройство детектирования, в качестве которого можно использовать ПЗС (англ. CCD) или КМОП (англ. CMOS) матрицы.

Считывание можно осуществлять как импульсным, так и непрерывным лазерным излучением, однако в последнем случае для обеспечения достаточной скорости считывания (?1000 с -1) длительность его воздействия должна быть не более 1 миллисекунды, что приводит к необходимости использовать достаточно мощные лазеры (?1 Вт). Как и в случае записи, скорость считывания для матрицы размером ?10⁶ бит составит около 1 Гбит/с. Таким образом, голографический метод записи и хранения информации открывает возможность создания оптических устройств, которые по основным характеристикам (плотность записи, скорость записи/считывания, скорость выборки информации, помехозащищенность и др. существенно превосходят оптические и магнитные системы с побито вой записью информации.

9.3 Экспериментальные разработки систем голографической памяти

Одним из показателей развития той или иной технологии является разработка приборов и устройств, а также их доступность на рынке.

Хотя впервые предложение по созданию голографической памяти с использованием объемной записи голограмм было опубликовано Ван Хирденом в 1963 году, попытки создания объемной голографической памяти практических успехов в 1970-е годы не имели. Фактически 70-е и 80-е годы составляли период, в котором преобладали исследования по голографической памяти с записью тонких голограмм.

Голографические запоминающие устройства, предназначенные для использования в вычислительных машинах со страничным вводом и произвольной выборкой информации, были предложены Смитом и Галлагером в 1967 году и Микаэляном с сотрудниками в 1968 году. В предложенных ими устройствах использовался страничный ввод цифровых данных, запись набора голограмм страниц и считывания произвольной голограммы адресуемым лучом. При таком построении обеспечивались наибольшая информационная емкость и быстрое время доступа.

Одно из первых голографических запоминающих устройств с угловым мультиплексированием было создано еще в 70-х годах специалистами фирмы Thompson. Экспериментальный макет голографического запоминающего устройства использовал постраничную запись 39 информации, акустооптический дефлектор, а в качестве регистрирующего материала для записи объемных голограмм - кристалл ниобата лития LiNbO3Fe.

К середине 70-х годов 20 века интерес к голографическим системам памяти практически угас, так как не существовало малогабаритных устройств ввода постраничной информации достаточно большого объёма, а также доступных устройств считывания этой информации при восстановлении голограмм. В начале 90-х годов ситуация кардинально изменилась с развитием микроэлектроники, особенно в области создания малогабаритных ЖК матриц и матриц фотодетекторов на основе ПЗС (приборы с зарядовой связью) или КМОП (комплементарные металл- оксидные полупроводники) технологий.

Первые голографические диски формата HVD (Holographic Versatile Disk) были разработаны компанией Maxell и позволяют записывать до 3.9 ТБ информации на светочувствительном полимерном слое. Для считывания информации с голографического HVD диска используются два лазера на разных длинах волн, зеленый - для считывания данных, записанных на голограмме, и красный - для контроля и управления сервоприводом диска. Скорость считывания информации достигает 125 МБ/с. Предполагается начать выпуск HVD дисков с емкостью до 300 ГБ и скоростью считывания 20 МБ/с.

Существуют и альтернативные голографические системы записи и хранения информации, например, разработанные компанией InPhase (США). Голографические диски Tapestry компании InPhase несколько больше по размеру, чем диски DVD (диаметр 130 мм, толщина 3.5 мм). Емкость голографического диска компании InPhase составляет 300 ГБ, хотя в дальнейшем предполагается увеличение ёмкости до 1.6 ТБ. Скорость считывания достигает в настоящее время 20 МБ/с.

Внешний вид разработанного InPhase голографического устройства записи/считывания и голографического диска представлены на рис.19. Данные кодируются в двоичном коде и отображаются на жидкокристаллическом (ЖК) модуляторе света, который просвечивается лазерным лучом (л=405 нм). Прошедший через ЖК модулятор лазерный луч далее фокусируется на голографический регистрирующий материал. Одновременно, в эту же точку фокусируется излучение опорной волны того же лазера. Таким образом, происходит запись голограммы. Для повторной записи на это же место, опорный пучок изменяет свой угол падения за счет наклона зеркала. Производители рас считывают на высокую стабильность хранения данных (более 50 лет) при многократном считывании.

Рис. 19 Голографическое устройство записи и считывания компании InPhase и голографический диск Tapestry

Усилия многих исследователей в ведущих университетах и компаниях мира привели к пониманию общих принципов построения голографических систем памяти и были сформулированы основные требования к компонентам таких систем с учетом всех ограничений, которые присущи данному методу. В настоящее время на лабораторных макетах систем голографической памяти с использованием в качестве регистрирующей среды полимерного материала достигнута плотность записи до 4Ч10¹⁰ бит/см², что примерно в 10 раз превышает значения величин, полученных для побитовой записи на дисках DVD (?4Ч10⁹ бит/см²). Скорость считывания данных постраничной записи достигала при этом 10 Гбит/с. Однако в настоящее время системы голографической памяти не дошли до потребителя по причине своей относительно высокой стоимости и габаритов.

Не решены ещё многие проблемы и с системами голографических реверсивных материалов для систем перезаписываемой памяти. Одна из наиболее острых проблем - крайне низкая чувствительность имеющихся в арсенале исследователей фоторефрактивных материалов. В ближайшей перспективе станет понятно, смогут ли голографические системы памяти конкурировать с традиционными оптическими, магнитными и полупроводниковыми (флеш- память) системам.

Заключение

Голография… Когда я начал работать над этой темой, я смутно представлял себе, что это такое. Меня заинтересовало само слово: оно было мне знакомо, но точного определения я все-таки не мог дать. Я даже представить не мог, что данная тема окажется настолько увлекательной и интересной!

Само понятие «голография» появилось сравнительно недавно, в 50-х годах XX века, но за это время она достигла стремительных успехов. Все начиналось с создания плоских голографических картинок, затем появились объемные, и вот совсем недавно, в конце 2010 - начале 2011 гг., американскими учеными была разработана система голографического телевидения! Кто бы мог подумать, что совсем скоро во время просмотра кинофильма мы будем видеть не плоскую картинку, а объемные движущиеся персонажи! И эта технология станет доступна для просмотра не только в кинотеатрах, но и в обычных домашних условиях, т. к. объемное голографическое изображение можно видеть без наличия специальных очков!

В то время как технологии голографического телевидения еще только начинают развиваться, голография уже широко применяется для защиты от подделок документов, лицензий, банкнот, а также различных потребительских товаров. Голографическое изображение сложно подделать, тем более что голографические технологии постоянно развиваются.

Таким образом, выполнив данную работу, я узнал много нового о голографии, разобралась в физических основах этого явления, понял, почему мы видим фотографию плоской, а голограмму объемной. Я убедился, что голография - одно из самых перспективных направлений развития науки на сегодняшний день, и совсем скоро голографические технологии войдут в повседневную человеческую жизнь.

Список литературы

1. «Оптические системы записи, хранения и отображения информации», А.В. Вениаминов, В.Н. Михайлов, 2009 г.

2. «Основы голографии и голограммной оптики», С.Н. Корешев, 2016 г.

Размещено на Allbest.ru