СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................. 4
1 .ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................................. 25
1.1. Универсальная установка для исследования нелинейно-оптического взаимодействия лазерного излучения с гетерогенными жидкофазными средами................................................ 25
1.2. Приготовление гетерогенных жидкофазных сред на основе наночастиц а-АЬОз и их исследование методами атомной силовой микроскопии и спектрофотометрин......................................30
2. СПЕКТРАЛЬНОЕ ПРОПУСКАНИЕ МАССИВА НЕВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ НАНОЧАСТИЦ а-А12Оз.........................40
2.1. Экспериментальное исследование спектрального пропускания массива невзаимодействующих наночастиц а-АЬОз..................40
2.2. Физическая модель спектрального пропускания массива невзаимодействующих наночастиц................................. 44
2.3. Моделирование спектра пропускания массива невзаимодействующих наночастиц а-А12Оз..................................... 54
3. НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОЕ САМОВОЗДЕЙСТВИЕ НЕПРЕРЫВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ГЕТЕРОГЕННЫХ ЖИДКО-ФАЗНЫХ СРЕДАХ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ а-А1203............. 59
3.1. Экспериментальное исследование нелинейно-оптического самовоз-действия непрерывного лазерного излучения в гетерогенной жидкофазной среде на основе матрицы с низким значением модуля температурного коэффициента показателя преломления...................... 60
3.2. Экспериментальное исследование нелинейно-оптического самовоз-действия непрерывного лазерного излучения в гетерогенной жидкофазиой
среде на основе матрицы с высоким значением модуля температурного коэффициента показателя преломления...................... 65
3.3. Модель нелинейно-оптических процессов самовоздействия непрерывного лазерного излучения в гетерогенной жидкофазной среде на основе наночастиц из а-АЬОз................................... 73
4. НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЛИНЕАРНЫХ ПУЧКОВ НЕПРЕРЫВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С РАЗНЫМИ ДЛИНАМИ ВОЛН В ГЕТЕРОГЕННЫХ ЖИДКОФАЗНЫХ СРЕДАХ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ а-А1203............. 79
4.1. Экспериментальное исследование взаимодействия коллинеарных лазерных пучков с длинами волн 633 нм и 532 нм в ГЖС с различными материалами жидко фазных матриц.......................... 79
4.2. Релаксационные процессы для интенсивностей колинеарно взаимодействующих световых пучков............................ 83
4.3. Экспериментальное обоснование возможности создания элементов полностью оптических устройств управления излучением на основе ГЖС.................................................... 86
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................... 91
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................94
4
ВВЕДЕНИЕ.
Современные тенденции увеличения быстродействия устройств обработки информации диктуют необходимость поиска альтернативных решений для увеличения их вычислительной мощности [1]. В настоящее время существует целый набор задач, решение которых не обеспечивается современными вычислительными средствами в необходимом временном масштабе. К подобным задачам относятся операции с массивами, изображениями, интегральные преобразования (типа преобразования Фурье), процедуры распознавания образов (типа нейроалгоритмов) и др. Выход из складывающейся ситуации заключается в разработке и использовании качественно иных вычислительных компонентов и методов. Так в области высокоскоростной обработки информации наблюдается смещение интереса в раздел символьных и параллельных вычислений [2]. Символьные вычисления позволяют использовать методы искусственного интеллекта, а параллелизм обеспечивает увеличение скорости обработки, необходимое для удовлетворения все возрастающих требований к высокопроизводительным вычислениям. В свою очередь оптические методы способны обеспечить высокий уровень параллелизма, высокую степень широкопо-лосности и высокое быстродействие логических элементов [2,3]. Кроме этого, применение оптических методов предоставляет возможность осуществления сравнительно многочисленных, сложных и широкополосных соединений, отличающихся отсутствием интерференционных эффектов [3]. В данном случае оптика имеет преимущество с точки зрения реализации более высокой степени трехмерной интеграции. Линзы обеспечивают большие значения коэффициентов разветвления по выходу и объединения
по входу, которые трудно получить в электронике. Высокая степень параллелизма достигается за счет прохождения изображений через двумерные пространственные модуляторы света (11МС). Достигнутый уровень характеристик оптических ПМС позволяет предполагать, что оптические перекрестные переключатели могут стать доступными по цене, быстродействию и размерам, существенно превосходя обычные полупроводниковые устройства. Использование оптики для связи с интегральными схемами со сверхвысокой степенью интеграции позволит преодолеть такие проблемы, как ограничение ширины полосы частот на разъемных соединениях [1] и сложность соединения мультипроцессоров [3].
Область применения оптических процессоров для обработки сигналов включает решение задач линейной алгебры, спектральный анализ радиосигналов, переконфигурируемые межсоединения, цифровые перемно-жители, нейронные сети и др. Оптические вычисления обладают значительными возможностями улучшения таких характеристик, как быстродействие, потребление энергии, размер, объем памяти, надежность, отказоустойчивость и т. д. по сравнению с существующими чисто электронными вычислительными системами. Оптические методы позволяют производить как аналоговую, так и цифровую обработку информации. [1-7]
К настоящему времени наиболее исследованы возможности аналоговой оптической обработки информации. Когерентные аналоговые оптические вычислительные процессоры широко используются для решения специальных классов задач, например: обработка радиолокационных сигналов в РЛС с синтезированием апертуры; спектральный и корреляционный анализ, распознавание образов [5]. Характерной чертой оптических аналоговых вычислительных процессоров является то, что все элементы информации на входе преобразуются в результирующий сигнал на выходе одно-
б
временно. Благодаря этому достигается их высокая производительность. Однако такие оптические процессоры, так же как и электронные аналоговые схемы, имеют ограниченную точность вычислений — порядка 1%.
Интерес к цифровой оптической обработке информации на начальном этапе был вызван необходимостью преодоления тех проблем, с которыми столкнулась аналоговая оптическая вычислительная техника: малая точность вычислений и отсутствие гибкости, присущей электронной технике [5]. В процессе развития этого направления был предложен ряд концепций построения оптоэлектронных вычислительных устройств и блоков, исследованы возможности создания соответствующей элементной базы, были разработаны перспективные оптические и оптоэлектронные логические элементы и функциональные узлы [2-4]. Можно отметить три отличительных особенности оптики, которые делают ее привлекательной для цифровых вычислений. Первое — это широкая полоса частот оптических источников излучения, которая может для полупроводниковых лазеров достигать гигагерц. Второе — это широкая полоса пространственных частот. Двумерная оптическая система может иметь крайне большое число элементов, разрешающих изображение, каждый из которых можно рассматривать как отдельный канал связи, а все они параллельно передают сигнал в одной и той же системе. В случае некогерентного освещения все разрешающие ячейки оптической системы являются взаимно независимыми. При освещении когерентным светом каналы являются связанными между собой, что приводит к исключительно высокой степени организации межэлементных соединений. Третьей, относящейся к оптическим соединениям, характеристикой является отсутствие интерференции при распространении сигналов. Два оптических сигнала могут распространяться друг через друга, не оказывая взаимного влияния. Эти характеристики да-
ют возможность обрабатывать данные при больших скоростях и с недостижимым для электронных устройств уровнем организации связи между различными элеметттами [6].
Важной областью применения оптики являются многоканальные устройства. Использование нескольких длин волн может обеспечить считывание для любого заданного участка памяти, при одновременном использовании большого числа каналов [2,3]. Привлекательным свойством применения нескольких длин волн в оптических вычислениях является то, что управление переключением осуществляет сам луч, несущий информацию, и не требуется предусматривать отдельный вход для управляющего луча. В последнем случае это существенно увеличивало бы сложность операций управления компьютером. Напротив, использование целого ряда длин волн делает в большей мере параллельными операции, используемые для маршрутизации сообщений, в которых начальные биты в общем потоке битов сообщения содержат информацию об адресе, используемую каждым переключателем, с которым сталкивается сообщение по мере прохождения по сети. Это позволит избежать необходимости использования сложных цепей выделения интересующей информации. Для демультиплексирования большого числа наложенных друг на друга отраженных сигналов с различными длинами волн используются различные элементы, например голографические решетки [5].
В целом оптические методы имеют превосходство при выполнении операций соединения и, по крайней мере, равные возможности с чисто электронными технологиями при выполнении операций принятия решений, что в значительной степени стимулирует научные исследования, нацеленные на развитие и совершенствование оптических средств обработки информации [2-5].
8
Развитие возможностей использования света для обработки больших информационных массивов напрямую связано с разработкой принципиально новых технологий создания оптических логических элементов (ОЛЭ) [6-9]. Основой таких элементов являются оптические услройства, в которых один световой поток управляет другим световым потоком [4,10-21]. В таких устройствах интенсивный лазерный пучок, называемый несущим пучком, изначально отстроен по длине волны относительно максимума коэффициента пропускания, что определяет выключенное состояние. Когда же приложен переключающий пучок с низкой интенсивностью, устройство включается и несущий пучок проходит через устройство. Переключающий пучок в этом случае содержит вводимую в устройство информацию.
Для создания устройств данного типа требуется применение нелинейных материалов, обладающих зависимостью показателя преломления от интенсивности света [22-27]. В связи с тем, что ОЛЭ должны обеспечивать переключение при малых управляющих мощностях, основным требованием к применяемым нелинейным материалам является высокое значение нелинейной восприимчивости. В качестве таких материалов применяют полупроводниковые, а также некоторые органические и фоторефрак-тивные кристаллы [28-37].
Однако для гомогенных сред величина нелинейной добавки к показателю преломления имеет слишком малое значение [38-45], что ограничивает их практическое использование для создания ОЛЭ. Наиболее перспективным подходом к решению обозначенной проблемы, является применение гетерогенных сред, для которых в ряде случаев характерны высокие значения нелинейной восприимчивости [46,47]. Разнообразие таких материалов обуславливается широкими возможностями выбора химиче-
ских и физических свойств, процентного содержания и числа отдельных составляющих компонентов [50-59].
Особо можно выделить гетерогенные материалы, для которых характерно наличие морфологических элементов с размером менее 100 нм. По геометрическим признакам эти элементы можно разделить на нульмерные атомные кластеры и частицы, одно- и двухмерные мультислои, покрытия и ламинарные структуры, трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы [50-61]. Для задач оптики особый интерес представляют наночастицы в жидкостях, стеклах и в матрицах широкозонных диэлектриков [50,51]. Именно в такой системе, состоящей из внедренных в силикатные стекла наночастиц СиС1, при исследовании однофотонного поглощения, был впервые обнаружен эффект трехмерного размерного квантования энергетических уровней экситонов [50].
Технологии изготовления различных наночастиц и материалов на их основе подробно описаны в работах [62-73]. Процессы, в результате которых происходит формирование наночастиц - это кристаллизация, рекристаллизация, фазовые превращения, высокие механические нагрузки, интенсивная пластическая деформация, полная или частичная кристаллизация аморфных структур. Выбор метода получения наночастиц определяется областью их применения и желательным набором свойств конечного продукта. Характеристики получаемого продукта: гранулометрический состав и форма частиц, содержание примесей, величина удельной поверхности - могут меняться в зависимости от способа получения в весьма широких пределах. Так, в зависимости от условий получения, наноча-сгицы могут иметь сферическую, гексагональную, хлопьевидную, игольчатую формы, аморфную или мелкокристаллическую структуру. [63]
- Київ+380960830922