Санкт-Петербургский Государственный Университет информационных технологий, механики и оптики
ВНЦ «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова»
ОПТОИНФОРМАТИКА
Часть I
Лазерные системы и их применение в оптоинформатике
Учебно-методическое пособие
Санкт-Петербург 2003
УДК 535; 681.3.06; 535.33:621.373.8; 535.14:530.182
Оптоинформатика. Часть I. Лазерные системы и их применение в оптоинформатике. Учебно-методическое пособие.
Андреева О.В., Беспалов В.Г., Васильев В.Н., Ефимов Ю.Н., Капорский Л.Н., Козлов С.А., Михайлов В.Н., Сизов В.Н., Стаселько Д.И. Под редакцией д-ра физ.-мат. наук Беспалова В.Г.
В пособии представлены методические материалы к лабораторному практикуму по курсу «Оптоинформатика», часть I, «Лазерные системы и их применение в оптоинформатике». Даны описания лабораторных работ, кратко изложены сведения из теории лазерных систем, обсуждаются вопросы их применения в голографических системах записи информации, в оптических системах сверхбыстрой передачи и обработки информации.
Илл. ??? Список литературы ?? наименований
Ó Санкт-Петербургский Государственный Университет
информационных технологий, механики и оптики, 2003
СОДЕРЖАНИЕ
2.1. Лабораторная работа № I-1 «Импульсная голография. Получение голограмм и измерение их параметров»................................................................................................................................... 7
2.2. Лабораторная работа № I-2 «Импульсная голография. Сверхбыстрая запись динамических голограмм»................................................................................................................................... 16
2.3. Лабораторная работа № I-3 «Спектрально-временная обработка оптических сигналов с использованием интерферометра Фабри-Перо»...................................................................... 25
2.4. Лабораторная работа I-4 «Лазерные системы для оптоинформатики. Лазер на кристалле алюмоиттриевого граната, активированного ионами неодима»........................................... 31
2.5. Лабораторная работа № I-5 «Лазерные системы для оптоинформатики. Фемтосекундный лазер на сапфире с титаном «Фемос –2»»............................................................................................... 39
Информационные технологии, оптический компьютер и фотонные кристаллы................ 82
1. Предисловие. Оптика создает новую информатику
Прогресс цивилизации на рубеже XX и XXI веков во многом обеспечивается стремительным развитием информационных технологий. Информационно-телекоммуникационные технологии завтрашнего дня разрабатываются на оптических принципах. Уже повсеместно применяются волоконно-оптические системы связи, скорость передачи информации по которым тысячекратно превышают предельные скорости в электрических линиях. Создаются оптические системы сверхплотной записи информации, основанные на голографических принципах. Уже разработаны основные узлы цифровых оптических компьютеров, причем их архитектура более причудлива и богата дополнительными возможностями, отсутствующими у электронного аналога. Многообещающим вкладом оптики в информатику может стать создание искусственного интеллекта.
Лекционный курс «Оптоинформатика», предназначенный для студентов старших курсов, магистров и аспирантов СПбГУ ИТМО, представляет новое научное направление в оптике, связанное с изучением и разработкой информационных технологий, использующих электромагнитное излучение оптического диапазона.
Лекционный курс «Оптоинформатика» сопровождает экспериментальный практикум, который включает два основных раздела. Часть I «Лазерные системы и их применение в оптонформатике» посвящена исследованию лазерных источников излучения, применяемых в системах оптоинформатики. Часть II «Информационные возможности объемных голограмм», посвящена изучению физических принципов работы голо- графических устройств, предназначенных для хранения, накопления, восстановления и обработки информации.
Данное пособие включает описание 4-х работ экспериментального практикума и теоретический раздел, посвященный основам теории лазерных систем и их применения в голографических системах записи информации, в оптических системах сверхбыстрой передачи и обработки информации. В теоретическом разделе представлено также толкование основных терминов и понятий лазерной техники, приведены оригинальные работы по проблемам оптоинформатики.
2. Экспериментальный практикум
2.1. Лабораторная работа № I-1 «Импульсная голография. Получение голограмм и измерение их параметров»
Цель работы: Практическое ознакомление с устройством импульсного лазера и особенностями голографических импульсных установок, методами записи голограмм на голографических регистрирующих материалах, их обработки и измерения параметров, с использованием метода импульсной голографии в оптико-информационных технологиях.
Объект исследования: Импульсная лазерная система на кристаллах иттрий-литиевого фторида активированных ионами неодима (YLF:Nd) с генерацией излучения на длинах волн ИК (1053 нм), видимого (527 нм) и УФ (351 нм) диапазонов спектра с длительностью одиночного импульса генерации 15…20 нс и энергией до 1 Дж, трансмиссионные (пропускающие) и отражательные голограммы.
Задачи, решаемые в работе
1.Ознакомление с принципом действия и устройством импульсного лазера для голографии.
2.Ознакомление с оптическими и механическими элементами для построения схем записи импульсных голограмм на примере оптических схем записи трансмиссионных (пропускающих) и отражательных голограмм (см. рис. 1, 2 и 3).
3.Ознакомление с устройствами и приборами регистрации параметров лазерного излучения (энергия излучения, длительность лазерного импульса) при записи импульсных голограмм.
4.Ознакомление с различными типами регистрирующих сред для записи импульсных голограмм и практическое ознакомление с методами обработки галоидосеребряных регистрирующих материалов при записи импульсных голограмм зеркальных и диффузных объектов.
5.Ознакомление с методами оценки качества голографического изображения при его реконструкции (см. рис.4).
СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
В своих экспериментах по записи первых осевых голограмм Д. Габор (1948) использовал излучение ртутной лампы с низкой степенью когерентности. После изобретения в 1960 году Т. Мейманом рубинового лазера началась эпоха лазерных высококогерентных источников света. В 1961 году А. Джаваном с сотрудниками был создан He-Ne лазер, Е. Снитцером первый неодимовый лазер, а в 1964 году Е. Гордон с сотрудниками получили непрерывную генерацию в аргоне. Изобретение лазеров дало новый импульс исследованиям в области голографии. В 1962 году Е. Лейт и Дж. Упатниекс получили голограммы с внеосевым взаимным расположением интерферирующих пучков. В том же 1962 году Ю.Н. Денисюк предложил способ записи голограмм во встречных пучках. Современные лазеры для голографии генерируют излучение практически во всем видимом спектральном диапазоне с высокой степенью временной и пространственной когерентности. Лазеры могут быть непрерывного действия и импульсными (tимпульса<10-4 сек). Использование для записи голограмм импульсных лазеров позволяет осуществлять запись подвижных объектов или быстропротекающих процессов, характерные времена которых меньше длительности лазерного импульса. Кроме этого, при записи импульсных голограмм нет необходимости обеспечивать высокую степень виброустойчивости оптической схемы записи и отдельных её элементов, что характерно в случае использования лазеров непрерывного действия. Во время записи голограммы происходит «запоминание» регистрирующей средой взаимного расположения «стоячих» волн, образованных при интерференции так называемой опорной волны с объектной, т.е. рассеянной объектом волной. Пример такой картины интерференции плоской опорной и сферической объектной волны приведен на рис.1, где указаны также характерные положения регистрирующей среды при записи голограмм различного типа. Период интерференционной картины (d) зависит от угла между опорным и объектным пучками (2Q), а также длины волны (l) излучения при записи и определяется по формуле Брэгга (1912): 2 d sinQ = l
Дифракционная эффективность голограммы характеризует её способность восстановить объектную волну (I1) при освещении голограммы опорной волной (IR) и определяется как свойствами регистрирующего материала, так и оптической схемой записи голограммы.