Способ оптической обработки информации

 

Изобретение относится к голографии. Целью изобретения является упрощение реализации и повышение надежности способа оптической обработки. Для реализации цели в способе записывают в резонансной среде динамические голограммы, считывают их пучками той же длины волны. Дифрагированные на динамических голограммах пучки попадают на матрицу статических голограмм , выполняющих функцию коммутирующей системы. Каждая элементарная статическая голограмма согласована с соответствующей динамической голограммой и восстанавливает определенную комбина цию световых пучков, которые направляются на определенные злементы матрицы динамических голограмм и стирают динамические голограммы по требуемой логике. Таким образом реализуют определенную логическую функцию. 2 ил.

СОК)3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (!1) (51)5 602 F 3/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ;;::,". """

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4365469/25 (22) 18.01.88 (46) 23.11.92. Бюл. М 43 (72) А.Е.Королев, П.Ф.Кулаков, Д.И,Стаселько и И.И.Татуревич (56) Авторское свидетельство СССР

J+ 337752, кл, G 02 F 3/00, 1970.

Авторское свидетельство СССР

N 756992, кл. G 02.F 3/00, 1977. (54) СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ИНФОРМАЦИИ (57) Изобретение относится к голографии.

Целью изобретения является упрощение реализации и повышение надежности способа оптической обработки. Для реализации цеИзобретение относится к голографии и оптической обработке информации и предназначается для построения оптических

Э8М, осуществляющих обработку информации как параллельно, так и в последовательности, определяемой микропрограммными принципами.

Целью изобретения является упрощение реализации и повышение надежности способа.

На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема реализации способа оптической обработки информации; на фиг. 2— пример организации RS-триггера.

На фиг, 1 обозначены блок формирования когерентных пучков 1, 2, записывающих динамические голограммы, матрица 3 динамических голограмм, блок 4 формирования считывающих пучков, матрица 5 статических голограмм, усилитель 6, блок 7 формирования входных пучков, 8, 9, 10, 10 — блоки ли в способе записывают в резонансной среде динамические голограммы, считывают их пучками той же длины волны. Дифрагированные на динамических голограммах пучки попадают на матрицу статических голограмм, выполняющих функцию коммутирующей системы. Каждая элементарная статическая голограмма согласована с соответствующей динамической голограммой и восстанавливает определенную комбина. цию световых пучков, которые направляются на определенные элементы матрицы динамических голограмм и стирают динамические голограммы по требуемой логике. Таким образом реализуют определенную логическую функцию. 2 ил, приемников выходных пучков (приемников обработанного сигнала).

Блок формирования когерентных пучков 1, 2, например система интерферометров типа Маха-Цендера, формирует n m пар Л когерентных световых пучков, непрерывно, ОО записывающих в резонансной динамиче- Q ской среде, например в парах металлов или QQ растворе органического красителя, матрицу (Д

3 nxm динамических голограмм. Блок 4 фор- Q() мирования считывающих пучков, включающий, например, светоделители и систему отверстий в непрозрачном экране, формирует матрицу nxm световых пучков той же длины волны, попадающих на матрицу динамических голограмм в области их записи и считывающих их. Дифрагированные на динамических голограммах пучки попадают на матрицу 5 nxm статических голограмм, выполняющих функцию коммутирующей системы. Каждая элементарная статическая

55 ело! рамма матрицы статических голо-! рамм согласована с соответс-Вугощей ди нами !еской голограммой посредством

Восста!40вленнОГО с последней луча, КГ!ждая злеменгарная сгат!!ческая голограмма при попадании на а!ее луча, Восстановлен!!огo с

«3ИНВМИЧЕСКОй ГОЛОГРаММЫ, В СВО!О ОЧЕРЕДЬ

;Осстанавливает определен!4ук.. комбинаци1О световых пучков, направг1яемых ею же на определенные элементы матрицы динамических голограмм и стирающих динамические голограммы, записанные в этих элементах, организуя таким образом обратную связь (на фиг. 1 стертые элементы матрицы динамических голограмм зачер»ены).

Стирание можно осуществить, например, при просветлении резонансной среды. Для ого, чтобы MoLLIHCOTb восстановленных с0 статических голограмм пучков была достаточна для стирания динамических голограмм (просветления среды), на пути их распространения От статических голограмм к динамическим расположен оптический усилитель. Усилитель представляет собой, например, матрицу усиливающих элементов, ка>кдь|и из которых содержит инверсную среду (например, инвертированный

О „>Ганически к!Заситель!, Об>лэдэ(ощу!О для длины волны, используемой для Обоаботки

: ., - с> 2! мации, ьозмо>кнос2 1: ю усил!" Вать про, !, „.1Е „;;>.>„-,З HP -П ИqЛ! Е. !ИP ьх(!дной сигна.! фор!.ируется блс!:oM 7 (!> О Р М >1 Э !2 В а ri _#_ A В Х ОД . ul X I . > × 1«(2 Á В В И ДЕ М Я Тр1,цы г:,х!т! дополнлтельных пучков, нанравляемь!х !4а матрицу динамических

Гог! О; р>а:>1м f3 Области их выписи. е ДОГ1олни:,ел-.. :.ые пучки, мощнос.- ь которых дос гаточНа ДЛ>1 ПРОСВЕТЛЕНИЯ РЕ 3ОНВНСHО>Й СРЕДЫ, с,; иг>э o(соответс !.Вую ..;;ле динамические

Гаг!Ограммы. Считыва!Ощ!хе пучки, попадающие на стертые дополнительными пучками области резонансной среды, не дифрагируют и В результате не попадают íà сооТВВТствующие элементы матрицы статических голограмм, Следовательно, прекраLLlàåòñÿ воздействие дифрагированных на статических голограммах и усиленных, т,е. стирающих пучков обратной связи. на некоторые элементы матрицы динамических гологра!4М и возникает дифракция считывающих эти элементы пучков. Таким образом, под воздействием входного сигнала и роисходит процесс, В результате которого исчезает ряд дифрагированных Hà динамических голограммах пучков, появляется ранее отсутствовавшие и устанавливается новое распределение стертых и нестертых динамических голограмм B сеответствии с алгоритмом фун кцио нирОВс! 14 ия, зада Ваемым матрицей статических голограмм, осущест5

ЗО

50 вля!Ощей коммугацию, Обраб2оганныи сигнал регистрируется в следующих видах (одном или нескольких): матрицы дифрагированных на динамических голограммах считывающих пучков (например, в виде нулевых порядков дифракции на статических голограммах) блоком 9 приемников выходных пучков; матрицы недифрагированных на динамических голограммах считывающих пучков — блоком 8 приемников; матрицы недифрагированных дополнительных пучков — блоком 10 приемников; матрицы дифрагированных дополнительных пучков— блоком 10 приемников. П ри низких значениях дифракционной эффективности динамических голограмм для регистрации обработанного сигнала целесообразнее использовать дифрагированные на них пучки (дополнительные пучки могут дифрагировать на динамических голо раммах, если их мощность меньше необходимой для отпирания, а направления их распространения согласованы с контуром угловой селективности динамической голограммы).

Рассмотрим процесс записи и стирания динамических голограмм в резонансной среде.

Процесс записи динамических голограмм состоит в поглощении средой резонансных фотонов интерференционного светового поля и образовании разности заселенности уровней, а следовательно, и решетки коэффициента 1оглощения и показателя преломления среды, на которой дифрагирует считывающе» излучение той же длины волны. Такой средой могут быть, ;.апример, пары щелочных металлов (Na, К, Rb, Св), обладающие высской энергетической чувствительностью к записи динамических голограмм — 101(3, 109 Дж/см2, на линию или полосу поглощения которых настроена длина волны записывающих и считывающих пучков.

Стирание основано на уменьшении глубины модуляции решетки к(!эффициента поглощения и показателя преломления среды под действием излучения достаточной мощности. Действие стирающей волны приводит K насыщению поглощения среды. т,е. уменьшени!о коэффициента поглощения в заданное числс раз в соответствии с формулой к =:к,/(1+ " ), I!4a< где к4> — ненасыщенное значение коэффициента поглощения;

I<4!4z — интенсивность стирающей аолны: ! нас — интенсивность насыщения, 1589838

Уменьшение коэффициента поглощения приводит к уменьшению оптической плотности, т.е. просветлению среды, которое. в свою очередь, приводит к изменению дифракционной эффективности динамической голограммы. Начальная оптическая плотность среды выбирается таким образом, чтобы ее уменьшение приводило к уменьшению дифракционной эффективности голограммы. Уменьшение дифракционной эффективности (ДЭ) может быть оценено по формуле

ДЭ q p)2 -D(1 е-0)2 о -О -02

1нас где 1ф р — интенсивность формирующего голограмму излучения;

D — оптическая плотность среды.

Из этой формулы следует, что при значении начальной оптической плотности

0 = 0,3 увеличение 1с ир от 0 до 3 1нес, что соответствует уменьшению к и D в четыре раза, приводит к уменьшению величины дифракционной эффективности и; слздовательно, интенсивности востановленного с динамической голограммы пучка более чем на порядок, что соответствует стиранию голограммы. Из данной оценки следует, что усилитель должен обеспечивать усиление дифрагированных на статических голограммах волн не менее, чем до 3!нес.

Важнейшим параметром. влияющим на возможность реализации способа, является энергия переключения из нестертого состояния динамической голограммы в стертое.

Оценка этой величины может быть дана на основе вычислений насыщенного значения плотности энергии, например, для паров металлов, Так, для атомарного цезия при настройке излучения в резонанс с D2 — лиHHeA (il = 8521 А) 1нес = 5 10 Джейсм

-11 2

-1О

1перекл = 1стир = 3 1нас = 1.5 10 Дж/см, что более чем на восемь порядков ниже, чем в прототипе. При площади элементарной динамической голограммы 10 см, что соот-з г ветствует примерно десяти минимально разрешенным элементам в парах металлов (разрешающая способность паров 30 лин/мм), абсолютное значение энергии пе-1З реключения составляет 1,5 10 Дж.

Для стирания элементарной динамической голограммы достаточно воздействия одного или нескольких попадающих на нее пучков от матрицы статических голограмм.

Это равнозначно действию логической функции ИЛИ. Поскольку после стирания соответствующей элементарной динамической. голограммы прекращается дифракция на ней считывающего луча.;о логическая функция ИЛИ дополняется функцией НЕ. Так

25.

55 для считывания), дифракция на ней считывающего луча формирует единицу на выходе блока 28. При подаче сигнала на R-вход блока 26 процессы стирания развиваются в обратном порядке, триггер переходи в другое состояние с единицей на выходе блока 27 и нулем на выходе блока 28.

Изобретение имеет преимуп1.етва по сравнению с прототипом, заклк iяччниеся в повышении надежности и упре аппп пеаобразуется множество логических элементов ИЛИ-НЕ, являющихся функционально полным базисом логических элементов. Их коммутация с помощью матрицы статических голограмм позволяет организовать любую логическую функцию, а при достаточном количестве логических элементов — цифровой процессор, На фиг. 2 приводится пример организации одного из элементов цифрового процессора — RS-триггера, На фиг, 2 обозначены источник 11 когерентного излучения, частично прозрачные 12, 13 и полностью отражающие 14, 15 зеркала, блоки 16, 17 формирования- пучков, записывающих динамические голограммы, блок 18 формирования считывающих пучков, элементы 19,20 матрицы динамических голограмм. элементы 21, 22 матрицы статических голограмм, элементы 23, 24 усилителя, блоки 25, 26 формирования входных пучков с S- u R-входами, блоки 27, 28 приемников выходных пучков.

В RS-триггере коммутация организована следующим образом. Дифрагированный на элементе 20 матрицы динамических голограмм луч элемента 22 матрицы статических голограмм через элемент 24 усилителя направляется в область записи элемента 19 матрицы динамических голограмм, и наоборот, луч, дифрагированный на элементе 19 матрицы динамических голограмм элемента

21 матрицы статических голограмм через элемент 23 усилителя направляется на элемент 20 матрицы динамических голограмм.

При появлении на S-входе блока 26 сигнала с уровнем мощности, достаточным для стирания динамической голограммы 20, уменьшается дифракционная эффективность динамической голограммы 20, что приводит к ослаблению ее воздействия на динамическую голограмму 19. Это приводит к увеличению дифракционной эффективности динамической голограммы 19 и усилению ее стирающего воздействия на динамическую голограмму 20 и замыканию цепи обратной связи. Динамическая голограмма 20 оказывается стертой (закрытой), считывающий луч не дифрагирует на ней, что соответствует нулю на выходе блока 27. Динамическая голограмма 19, наоборот, не стерта (открыта

1589838 лизации. Повышение надежности достигается за счет применения голографического принципа выделения информации в виде интенсивности дифрагированного пучка вместо интерференционного. В nðîòîòèïå любое случайное изменение фаз интерферирующих пучков на величину порядка приводи к изменению вида интерференционной картины информационного и опорного пучков и появлению ложных единиц и нулей информации. В предлагаемом ñïoñoбе изменение фаэ любого из пучков на ту же величину 7f не изменяет интенсивности и направления дифрагированных лучей.

Более высокая надежность достигается за счет существенно более низкой энергии переключения логических элементов, что позволяет испольэовать менее мощные световые пучки, искл1очающие воэможность перегрева или раэруаения элементов оптической схемы.

Предлагаемый способ более прост в реализации, поскольку не требует дополнительного источника излучения, работаю щего на другой длине волны, второй динамической среды и ряда дихроичних оптических элементов.

Использование голограс .", "-веских принципов организации логических элементов и схем соединений 3 сочетаь1ии < ороткими временами релаксации возбуждения дмнаа мической среды (10 — 10 c) позволяет создать мощный быстродействующий цифро вой процессор с высокои степенью интеграции.

Предлагаемый способ оптической обра5 ботки информации может быть использован для автоматизации производства и проектирования, d также в объемных устройствах отображения информации.

Формула изобретения

10 Способ оптической обработки информации, заключающийся в том, что входной сигнал направляют на динамическую среду. характеристики которой изменяют пучками, восстановленными статическими голограм15 мами, отличающийся тем,что,сцелью упрощения реализации и повышения надежности, записывают непрерывно направляемыми когерентными пучками в резонансной среде пхгп пучками той же дли20 ны волны, направляют дифрагированные на статических голограммах пучки после их усиления на резонансную среду в области записи динамических голограмм с уровнем мощности, достаточным для стирания дина25 мических голограмм, входной сигнал в виде матрицы nxm дополнительных пучков также направляют на матрицу динамических голограмм, а обработанный сигнал наблюдают в виде матрицы дифрагированных или/и неЗО дифрагированных на динамических голограммах дополнительных или/и считывающих пучков, Составитель В.Аджалов

Редактор Т,Лошкарева Техред М.Моргентал Корректор А.Козпрнэ

Заказ 552 Тираж Подписное

ВНИИПИ Гасударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК1 < Г СССР

113035, Москва, Ж-Э5, Раушская наб., 4/5

Производственно и лл вльский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина 101