2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Оптические переходные процессы и основы создания эхо процессоров и оптической памяти
1.1. Долгоживущее стимулированное фотонное эхо (ДСФЭ)
1.2. Особенности формирования ДСФЭ в кристалле : Рг*
1.3. Аккумулированное долгоживущее фотонное эхо (АДФЭ)
1.4. Оптимальная запись, хранение и кодирование информации в режиме ДСФЭ
1.5. Оптимальное считывание информации и проблема локального стирания информации
1.6. Современное состояние разработок оптических эхо-процессоров и дальнейшие перспективы
Глава 2. Частотно-временная корреляция неоднородного уширения и эффект «запирания» сигналов фотонного эха при наличии внешних неоднородных электрических полей
2.1. Математический формализм при описании формирования фотонного эха во внешних неоднородных электромагнитных полях
2.2. Частотно-временная корреляция неоднородного уширения при наличии внешних неоднородных электрических полей
2.3. Эффективность запирания информации при наличии внешних неоднородных электрических полей
Глава 3. Эффективность запирания откликов фотонного эха при воздействии нерезонансных электромагнитных нолей
3.1. Частотно-временная корреляция неоднородного уширения при воздействии на среду лазерных импульсов нерезонансных стоячих волн
3.2. Эффективность «запирания» информации при воздействии на среду лазерных импульсов нерезонансных стоячих волн
3.3. Эффект «запирания» сигналов фотонного эха при воздействии бегущих волн с искусственно созданной пространственной неоднородностью
5-11
13-19
19-25
25-26
26-34
34-42
42-48
50-58
58-67
67-71
72-76
76-80
80-82
3
Глава 4. Эффект «запирания» информации в зависимости от взаимной ориентации пространственно неоднородных электромагнитных полей
4.1. Запирание информации при наложении внешнего неоднородного электрического поля с линейным градиентом
4.2. Управление эффективностью «запирания» сигнала АДФЭ при воздействии лазерных импульсов нерсзонансных стоячих воли и бегущих волн с искусственно созданной пространственной неоднородностью
4.3. Ассоциативная оптическая память и эффект «запирания» сигналов фотонного эха при многоканальной записи информации
4.4. Эхо на основе градиентов (Штарковское эхо)
Основные результаты и выводы Литература
Приложения
Приложение 1. Эффективность «запирания» информации при воздействии на среду неоднородных электрических полей
Приложение 2. Нерезонансные взаимодействия среды с лазерными импульсами и эффективность «запирания» информации
84-90
90-94
94-97
97-102
103-104
105-119
121-135
136-159
4
СОКРАЩЕНИЯ
АДСФЭ - аккумулированное долгоживущее стимулированное фотонное эхо. АДФЭ - аккумулированное долгоживущее фотонное эха.
АФЭ - аккумулированное фотонное эхо.
АЭ - аккумулированное эхо.
ДСФЭ - долгоживущее стимулированное фотонное эхо.
ДФЭ - долгоживущее фотонное эхо.
ОЗУ - оптическое запоминающее устройство.
СФЭ - стимулированное фотонное эхо.
ФЭ - фотонное эхо.
ЭП - электрооптическая пластинка.
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Изучение когерентных взаимодействий коротких лазерных импульсов с резонансными средами и разработка систем оптической обработки информации относятся к перспективным разделом физики. Оптические переходные процессы могут быть использованы при создании эхо-процессоров и оптической памяти большой ёмкости. Это связано с тем, что фотонное эхо может служить способом запоминания, преобразования и воспроизведения пространственно-временной структуры возбуждающих импульсов, 410 представляет интерес для разработки систем оптической памяти и оптической обработки информации. С этой точки зрения наиболее перспективным является долгоживущее фотонное эхо, наблюдаемое в кристаллах ван-флековских парамагнетиков, активированных редкоземельными ионами. Поскольку сама возможность долговременного хранения информации в таких кристаллах связана с процессами релаксации между сверхтонкими подуровнями основного электронного состояния редкоземельных ионов, весьма актуальным является исследование долгоживущего фотонного эха с учетом релаксационных процессов данного типа. Особый интерес представляет исследование многоимпульсиых режимов долгоживущего фотонного эха, а именно, процессов аккумулированной записи и многократного считывания информации.
Создание оптических запоминающих устройств и процессоров на основе фотонного эха требует разработки физических принципов функционирования, включающих методы стирания записанной информации. Существуют различные методы стирания информации, основанные на устранении пространственно-частотной модуляции населенности резонансных уровней путем воздействия на систему определенной последовательностью оптических импульсов. Однако все предложенные
6
схемы стирания информации довольно сложны для их осуществления. Кроме того, процесс стирания информации оказывается энергетически невыгодным, так как для его осуществления необходима энергия такого же порядка, что и для записи. С этой точки зрения более выгодным может оказаться не стирание, а «запирание» эхо-голографической информации, т.е. создание таких условий, при которых информация не может проявиться в виде оптического отклика резонансной среды.
Диссертационная работа посвящена теоретическому исследованию особенностей формирования откликов фотонного эха в примесных кристаллах в условиях приложения внешних неоднородных электромагнитных полей и разработке схем многоканальной записи информации на принципе «запирания» сигналов фотонного эха.
Ранее экспериментально исследовалось влияние градиентов электрических полей на поведение фотонного эха, однако теоретического обоснования полученных результатов не было дано. Поэтому тема диссертационной работы является актуальной, поскольку восполняет данный пробел.
Цель работы
Цель работы состоит в теоретическом исследовании закономерностей формирования откликов фотонного эха в примесных кристаллах при воздействии внешних неоднородных электромагнитных полей и разработке схем многоканальной записи информации на основе «запирания» сигналов фотонного эха.
Научная новизна
1. Показано, что при воздействии на резонансную среду пространственно-неоднородного электрического поля возникает обратимое
7
разрушение фазовой памяти резонансной среды, проявляющемся в изменении частотно-временной корреляции неоднородного уширения.
2. Обнаружена возможность управления эффективностью запирания информации в режиме стимулированного фотонного эха (СФЭ) путём варьирования величины градиента внешнего неоднородного электрического поля.
3. Рассмотрены формирование откликов ДФЭ (долгоживущего фотонного эха) и эффективность запирания информации при различных схемах воздействия на резонансную среду пространственно неоднородных электрических полей.
4. Исследованы формирование откликов ДФЭ и эффективность запирания информации при воздействии нерезонансного лазерного излучения.
5. Показано, что частотно-временная корреляция неоднородного уширения на различных временных интервалах зависит от изменений взаимной ориентации градиентов электрических полей, т.е. возможно обратимое разрушение фазовой памяти резонансной среды с дальнейшим её восстановлением.
6. Использование взаимной пространственной ориентации градиентов электрических полей в качестве ассоциативного ключа доступа к записанной информации позволяет создавать большое количество независимых каналов записи информации.
Практическая ценность
Практическая значимость работы заключается в получении результатов, которые могут быть использованы для разработки эхо-процессоров, оптической памяти, ассоциативной и многоканальной записи информации.
8
Проведенные исследования помимо чисто научного интереса направлены на поиск новых способов увеличения плотности записи информации оптических запоминающих устройств на базе фотонного эха.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Уменьшение частотно-временной корреляции неоднородного уширения при воздействии внешних неоднородных электромагнитных полей приводит к эффекту запирания сигналов фотонного эха.
2. Запирание информации в отклике фотонного эха происходит при небольших углах взаимной ориентации внешних неоднородных электромагнитных полей.
3. Использование взаимной пространственной ориентации неоднородных электромагнитных полей в качестве ассоциативного ключа доступа к записанной информации приводит к большому количеству независимых каналов записи.
4. Воздействие двух электрических полей с противоположно направленными градиентами на разных временных интервалах после возбуждающего лазерного импульса приводит к возникновению одноимпульсного градиентного (штарковского) эха.
Достоверность
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается применением хорошо зарекомендовавших себя современных точных и приближенных теоретических методов в сочетании с численным моделированием, основанным на использовании специализированного программного обеспечения. Ряд теоретических результатов хорошо согласуется с соответствующими экспериментальными данными.
9
Апробация основных результатов
Результаты диссертационной работы докладывались на следующих 8 международных конференциях: восьмой Международной молодежной
научной школе «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (г. Казань, 2004г.), III Международном оптическом конгрессе «Оптика - XXI век», конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2004» (г. Санкт-Петербург, 2004г.), III Международной конференции «Фундаментальные проблемы физики» (г. Казань, 2005г.), III Международном симпозиуме по фотонному эху и когерентной спектроскопии (ФЭКС - 2005) (г. Калининград (Светлогорск), 2005г.), IV Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 2005» (г. Санкт-Петербург, 2005г.), десятой Международной молодежной научной школе «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (г. Казань, 2006г.), двенадцатой Международной молодежной научной школе «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (г. Казань, 2008г.), V Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики» «ФИО - 2008» (г. Санкт-Петербург, 2008г.)
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в 15 печатных работах, в том числе 5 печатных работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Список публикаций приведен в разделе «список литературы».
Личный вклад автора Диссертант вместе с научным руководителем участвовал в постановке задач и обсуждении полученных результатов. Основные результаты расчетов получены лично диссертантом.
10
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 159 страницах текста, включая 44 рисунка и список литературы из 118 наименований.
Псрзая глава содержит краткий обзор, в котором рассмотрены некоторые разновидности фотонного эха, представляющие наибольший практический интерес. Особое внимание уделено долгоживущему фотонному эху, а также формированию долгоживущего фотонного эха в кристалле LaF3: Рг3\
Кроме того, в ней рассмотрены основы создания эхо-ироцессоров и оптической памяти. Рассматриваются процессы записи, хранения, кодирования, считывания информации в режиме долгоживущего фотонного эха, а также рассмотрена проблема стирания информации. Показано, что наиболее подходящими режимами записи, хранения и преобразования информации являются долгоживущее стимулированное фотонное эхо, аккумулированное эхо и многократное эхо.
Во второй главе развит математический формализм, пригодный для описания формирования переходных явлений при наличии внешних неоднородных электромагнитных полей. Получены выражения для матрицы плотности в двухуровневом приближении.
Исследована эффективность «запирания» информации и частотно-временной корреляции неоднородно уширенной линии при формировании стимулированного фотонного эха в двухуровневой среде при воздействии на нее неоднородного электрического поля.
Рассмотрена эффективность запирания стимулированного фотонного эха при линейном и квадратичном эффекте Штарка.
Показано, что коэффициент частотно-временной корреляции меняется незначительно, но эффективность запирания информации чрезвычайно
II
чувствительна даже к незначительному изменению величины частотно-временной корреляции неоднородного уширения. Однако фазовая память системы может частично восстанавливаться при определенных значениях градиента.
В треп,ей главе рассмотрен эффект запирания, возникающий при воздействии нерезонансного электромагнитного излучения. При воздействии нерезонансных волн работает динамический эффект Штарка. Неоднородность электромагнитного поля создается или стоячими волнами (пучности), или бегущими волнами с искусственно созданной неоднородностью.
Показана зависимость интенсивности стимулированного фотонного эха от соотношения частот стоячих волн (при соотношении частот равном единице интенсивность стимулированного фотонного эха будет иметь максимальное значение).
Четвертая глава посвящена изучению угловых закономерностей запирания информации при наличии линейных градиентов внешнего неоднородного электрического поля, а также управлению эффективностью запирания сигналов при наличии ассоциативной оптической памяти и многоканальной записи информации (в зависимости от взаимной ориентации пространственно неоднородных электромагнитных полей). Показана возможность создания большого числа независимых каналов записи и воспроизведения информации, ассоциативным ключом доступа к которым является взаимная ориентация неоднородных электромагнитных полей. Развита теория новой разновидности фотонного эхо на основе переключения направлений градиентов внешних электрических полей.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
12
ГЛАВА 1.
ОПТИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ЭХО-ПРОЦЕССОРОВ И ОПТИЧЕСКОЙ
ПАМЯТИ
Одним из перспективных разделов физики взаимодействия света с веществом является физика когерентных взаимодействий коротких лазерных импульсов с различными резонансными средами и их приложения в системах оптической обработки информации, оперативных запоминающих устройствах и эхо-голографии. Среди различных когерентных процессов особый интерес представляют эхо-явления. Несмотря на то, что исследование фотонного эха ведутся на протяжении многих лет, в этой области имеется много неизученных возможностей, которые могут быть использованы как в научных, так и в практических приложениях. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования в этой области представляются актуальными.
Оптические переходные процессы [100, 70] и динамическая эхо-голография [116, 55] могут быть использованы в системах оптической обработки информации (фильтрации сигналов) [106, 102], преобразования пространственно-временной структуры лазерных импульсов [41, 105], а также для создания оптической памяти большой емкости [84]. Кодируемая информация может быть заложена во временной форме, поляризации и волновом фронте определенного возбуждающего импульса и позднее воспроизводиться (или преобразовывается) в эхо-сигнале. При этом реализуется корреляция волнового фронта, временной формы объектного импульса и отклика эхо-голограммы, всевозможные свертки сигналов и преобразования Фурье. Наиболее перспективным является случай когерентного многоимпульсного возбуждения многоуровневых систем, когда разнесенная во времени голографическая запись информации может быть
13
цветной [108], а когерентный режим многоканальной обработки информации допускает возможность преобразования «цветов» и их смешивание.
1.1. Долгоживущее стимулированное фотонное эхо (ДСФЭ)
Стимулированное фотонное эхо (СФЭ) - когерентный отклик резонансной среды на воздействие трех возбуждающих импульсов, генерируемых в момент времени / = г2з +2т|2, где гар - временной интервал
между а-м и р-м возбуждающими импульсами; а,р = 1,2,3. В дальнейшем в качестве резонансных сред будут иметься в виду примесные кристаллы. В оптическом диапазоне сигнал СФЭ излучается твердотельной резонансной средой в направлении волнового вектора кс, удовлетворяющего следующему условию пространственного синхронизма:
кс - -к\ + к2 + (1.1.1)
где кп - волновой вектор г!-то возбуждающего импульса. Обратим внимание
на то, что при к2 = -къ имеем кс = -к\. Этот режим получил название обращенного. Порядок возбуждения и момент генерации СФЭ изображен на рис. 1.
Рис.1. Временная последовательность лазерных импульсов при возбуждении СФЭ (первичное ФЭ и его аналоги опущены)
- Київ+380960830922