
- •Оглавление
- •Введение
- •Лекция 1 особенности оптоэлектроники и области ее применения
- •1.1. Зарождение и развитие оптоэлектроники
- •1.2. Достоинства оптоэлектроники
- •1.3. Области применения оптоэлектроники
- •1.4. Оптоэлектронные приборы и их классификация
- •Контрольные вопросы
- •Физические эффекты, лежащие в основе работы оптоэлектронных приборов (часть 1)
- •2.1. Поглощение и рассеяние света
- •2.2. Рекомбинация и излучение света. Вынужденное излучение
- •2.3. Показатель преломления и диэлектрическая проницаемость
- •2.4. Показатель преломления и двойное лучепреломление в диэлектрике
- •2.5. Коэффициент отражения
- •2.6. Полное внутреннее отражение
- •2.7. Фотопроводимость и фотогальванический эффект (внутренний и внешний фотоэффект)
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 3 физические эффекты, лежащие в основе работы оптоэлектронных приборов (часть 2)
- •3.1. Электрооптические эффекты
- •3.2. Нелинейные оптические эффекты
- •Генерация второй гармоники
- •3.4. Акустооптический эффект
- •3.5. Другие эффекты
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 4 компоненты оптоэлектронных приборов (часть 1)
- •4.1. Основные элементы оптоэлектронного прибора
- •4.2. Источники излучения
- •4.3. Тепловые источники
- •4.4. Светодиоды (электролюминесцентные источники)
- •Светодиоды с антистоксовыми люминофорами
- •4.4. Источники света с электролюминофорами (электролюминесцентные ячейки, конденсаторы)
- •4.5. Лазеры (оптические квантовые генераторы)
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 5 компоненты оптоэлектронных приборов (часть 2)
- •5.1. Приемники излучения
- •5.2. Тепловые приемники
- •Термоэлемент
- •Болометр
- •Пироэлектрический приемник
- •Оптико-акустические приемники
- •5.3. Фотоэлектрические приемники
- •Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия)
- •Внутренний фотоэффект
- •Фоторезисторы
- •Фотогальванические элементы
- •Фотовольтаический режим
- •Фотодиодный режим
- •Лавинный фотодиод (лфд)
- •Фотодиоды с поверхностными барьерами
- •Гетерофотодиод
- •Биполярные фототранзисторы, фототиристоры
- •Многоэлементные фотоприемники (матрицы фотоприемников).
- •Лекция 6 компоненты оптоэлектронных приборов (часть 3)
- •6.1. Оптроны
- •Устройство и основные параметры оптронов
- •Резисторные оптопары
- •Диодные оптопары
- •Транзисторные и тиристорные оптопары
- •Применение оптронов
- •6.2. Оптические системы оптоэлектронных приборов
- •Объективы
- •Телескопические системы
- •Конденсор
- •Прожекторные системы
- •Линзовые и зеркальные системы для освещения входной щели в спектральных приборах
- •Оптические системы для преобразования лазерных пучков
- •Направляющие оптические системы
- •6.3. Электронные элементы
- •6.4. Средства вычислительной техники в оптоэлектронных приборах
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 7 оптоэлектронные системы с лазерами (часть 1)
- •7.1. Лазеры со сверхкороткими импульсами
- •7.2. Применение лазеров в промышленности
- •Лазерная технология в микроэлектронной промышленности
- •Лазерная закалка
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 8 оптоэлектронные системы с лазерами (часть 2)
- •8.1. Лазерные измерительные системы
- •Лазерные системы для измерения скорости потока жидкости или газа
- •Измерение угловой скорости
- •8.2. Лазерные измерительные системы для определения линейных размеров Измерение размеров изделий
- •Измерение расстояний
- •Интерферометрический метод
- •Фазовый метод
- •Импульсный метод
- •8.3. Исследование окружающей среды лазерными методами Лазерное зондирование атмосферы
- •Исследование океана
- •Определение глубины
- •Обнаружение нефтяных загрязнений
- •Обнаружение скоплений фитопланктона
- •8.4. Лазерный управляемый термоядерный синтез (лутс)
- •8.5. Лазеры в военном деле Лазерные дальномеры, высотомеры
- •Целеуказатели, локаторы, навигационные системы
- •Лазерное оружие
- •Использование химических и рентгеновских лазеров
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 9 голография и ее применение в оптоэлектронных системах (часть 1)
- •9.1. История развития голографии. Особенности голографии.
- •9.2. Запись голограммы плоской волны и восстановление изображения Запись изображения плоской волны
- •Восстановление изображения плоской волны:
- •9.3. Запись голограммы точечного объекта и восстановление изображения Запись изображения точечного объекта
- •Восстановление изображения точечного объекта
- •Особенности голограммы.
- •Цифровая голограмма
- •9.4. Схемы получения голограмм Двулучевая схема э. Лейта и ю. Упатниекса
- •Запись голограммы при двустороннем освещении предмета
- •Запись габоровой голограммы непрозрачного рассеивающего объекта
- •Запись голограммы изображений предметов
- •Запись голограммы прозрачного объекта
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 10 голография и ее применение в оптоэлектронных системах (часть 2)
- •10.1 Толстослойная голограмма
- •10.2. Применение голографии
- •Голографическая интерферометрия
- •Голографическая микроскопия.
- •Голографические оптические элементы
- •Видовые голограммы
- •Контрольные вопросы
- •Волоконно-оптические системы передачи (часть 1)
- •11.1. История развития
- •11.2. Достоинства и применение оптических линий связи
- •11.3. Построение волоконно-оптических систем передачи
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 12 волоконно-оптические системы передачи (часть 2)
- •12.1. Структура волоконного световода
- •12.2. Моды в волоконных световодах
- •12.3. Компоненты волоконно-оптических линейных трактов
- •Контрольные вопросы
- •Интегрально-оптические системы
- •13.1. Классификация и применение интегрально-оптических систем
- •13.2. Оптические волноводы
- •Планарный волновод
- •Трехмерные волноводы
- •13.3. Устройства ввода и вывода излучения из волновода
- •Поперечная связь
- •Продольная связь
- •13.4. Направленные ответвители и пассивные элементы Направленные ответвители
- •Интегрально-оптические пассивные элементы - линзы, призмы
- •Интегрально-оптические фокусирующие элементы
- •13.5. Интегрально-оптические модуляторы
- •Акустооптический модулятор
- •Электрооптический модулятор
- •Магнитооптический модулятор
- •13.6. Активные элементы интегрально-оптических систем
- •Интегрально-оптические фотоприемники
- •Интегрально-оптические источники излучения
- •13.7. Применение интегрально-оптических систем
- •Контрольные вопросы
- •Оптоэлектронные системы передачи, обработки и хранения информации (часть 1)
- •14.1. Оптический процессор
- •14.2. Транспоранты Транспаранты переменной прозрачности
- •Фотохромные материалы.
- •Халькогенидные стекла.
- •Управляемые транспаранты
- •Электрически управляемые транспаранты.
- •Оптически управляемые транспаранты.
- •Транспаранты с фазовой модуляцией (голограммы)
- •14.3. Оптическое преобразование Фурье
- •14.4. Пространственная фильтрация оптических сигналов
- •14.5. Оптические методы распознавания образов
- •Применение оптических систем распознавания образов
- •Контрольные вопросы
- •Оптоэлектронные системы передачи, обработки и хранения информации (часть 2)
- •15.1. Оптоэлектронные запоминающие устройства
- •15.2. Бинарные запоминающие устройства
- •15.3. Голографические запоминающие устройства
- •Голографические зу с последовательной записью
- •Голографическое устройство записи страницы двоичных данных
- •Зу с запоминающей голографической матрицей
- •Запись информации на голограмму в двоичном коде
- •15.4. Перспективы применения оптических методов в вычислительной технике
- •Контрольные вопросы:
- •Заключение
- •Библиографический список
Контрольные вопросы
Применение оптоэлектронных систем для передачи, обработки и хранения информации.
Оптический процессор для выполнения операции умножения.
Виды транспарантов.
Транспаранты из фотохромных материалов.
Транспаранты переменной прозрачности.
Транспаранты с фазовой модуляцией.
Управляемые транспаранты.
Электрически управляемые транспаранты.
Оптическое преобразование Фурье.
Пространственная фильтрация оптических сигналов.
Оптический процессор на основе пространственной фильтрации.
Оптический метод распознания образов.
Применение оптических методов распознания образов.
Применение гибридных оптоэлектронных вычислительных комплексов.
Лекция 15
Оптоэлектронные системы передачи, обработки и хранения информации (часть 2)
15.1. Оптоэлектронные запоминающие устройства
Эффективность вычислительных машин в значительной степени зависит от того, как организована память машины и какова емкость памяти. Оптические методы хранения информации позволяют достичь более высокой плотности упаковки данных, чем магнитная запись, и, кроме того, повышают надежность считывания данных.
Возможность повышения плотности упаковки информации в оптических запоминающих устройствах (ЗУ) вытекает из основных принципов оптики, согласно которым световой луч можно сфокусировать в пятно диаметром, приблизительно равным длине световой волны λ. В качестве источников световой энергии в оптических ЗУ обычно используют лазеры. Выбор типа лазера, режима его работы и уровня излучаемой мощности зависит от вида используемой оптической системы и типа носителя информации. В свою очередь, выбор оптической системы и типа носителя определяется методом записи информации.
Применяются два способа записи:
бинарный (каждому элементарному участку носителя ~λ 2 соответствует 1 бит информации, поэтому предельная плотность записи составляет ~107 бит/см2);
голографический (каждый элементарный участок носителя хранит информацию обо всем информационном массиве, плотность записи значительно выше - 1011...1012 бит/см2). Для сравнения: плотность записи на магнитных элементах составляет всего 105 бит/см2.
15.2. Бинарные запоминающие устройства
Бинарное
запоминающее устройство состоит из
системы записи
и системы считывания. Принцип действия
такого ЗУ поясняется рис. 15.1. Излучение
лазера 1, сфокусированное
линзой 2, попадает на модулятор 3, который
модулирует
интенсивность лазерного пучка в
соответствии с
управляющим кодовым сигналом: при записи
двоичной единицы
модулятор прозрачен и лазерный луч
проходит сквозь него, при записи двоичного
нуля модулятор непрозрачен.
Модулированный по интенсивности пучок
поступает
на дефлектор 4.
За
дефлектором расположена линза
5, которая фокусирует лазерный пучок в
пятно малых
размеров на информационном носителе
6.
Дефлектор
перемещает это пятно по поверхности
носителя по определенному
закону, например, вдоль первой
горизонтальной
строки, затем вдоль второй и т.д. На
носителе двоичным
единицам будут соответствовать
засвеченные участки,
двоичным нулям - незасвеченные. За
носителем информации
устанавливается матрица фотодетекторов
7.
Считывание производится при отключенном
модуляторе. Луч лазера, перемещаемый в
пространстве дефлектором,
освещает последовательно различные
участки носителя.
Если при этом лазерный луч попадает на
прозрачный
участок носителя, то на выходе матрицы
появляется электрический сигнал, если
на непрозрачный, то сигнал отс
утствует.
В качестве источников излучения в бинарных ЗУ обычно используются аргоновые, гелий-неоновые и гелий-кадмиевые лазеры, работающие в непрерывном режиме.
Для модуляции лазерного пучка по интенсивности применяются модуляторы на основе различных физических эффектов: электрооптических эффектов Керра и Поккельса (изменение показателя преломления кристаллического материала под действием внешнего электрического поля), магнитооптического эффекта Фарадея (вращение плоскости поляризации под действием магнитного поля), акустооптического эффекта (взаимодействие световых волн с бегущими или стоячими акустическими волнами).
Системы отклонения светового луча - дефлекторы могут быть механическими или немеханическими. Простейший механический дефлектор - зеркальце гальванометра или вращающийся зеркальный барабан. Механические системы обеспечивают большие углы отклонения, но невысокую скорость сканирования - до 103 точек в секунду. Немеханические (например, акусто- и электрооптические) системы отклонения характеризуются меньшими углами отклонения, но зато обеспечивают высокую скорость записи - до 106 точек в секунду.
Способы записи информации:
Записывать информацию можно на обычных галогенидо-серебряных фотопленках. При этом плотность записи 107 бит/см2. Существенные недостатки обычных фотоматериалов - необходимость «мокрого» проявления и невозможность перезаписи информации.
Многократная запись информации возможна на фотохромном носителе. Такой носитель имеет фотохроматическое покрытие, которое темнеет при облучении видимым светом. Если воздействовать затем на это покрытие белым или желтым светом, то оно восстанавливается и может быть использовано для повторной записи. Если после экспозиции покрытие подвергается охлаждению, то записанная информация довольно быстро утрачивается, поэтому для длительного хранения информации такие носители также неудобны.
Разработано несколько способов записи, основанных на прожигании лазерным лучом отверстий в тонких слоях никеля, цинка и некоторых других материалов, нанесённых на поверхность полиэфирной пленки. На таких прожигаемых пленочных носителях можно достичь плотности записи 108 бит/см2.
Большие перспективы применения для записи оптической информации магнитооптических марганцево-висмутовых пленок. На таких пленках возможна плотность записи более 107 бит/см2. Недостаток этих пленок - низкая световая чувствительность.
Существенный выигрыш в скорости записи и считывания информации могут дать многоканальные бинарные ЗУ. В таких устройствах излучение источника расщепляется на несколько пучков, далее направляется на много-канальный модулятор, каждый канал которого модулирует интенсивность одного из пучков. При таком способе записи в каждый момент времени на носителе фиксируется не одна, а п единиц информации, где п - число каналов записи. Для считывания информации используется тот же источник излучения с расщепителем. Пучки света, прошедшие через информационный носитель, детектируются далее п - канальным фотодетектором.
Основные недостатки бинарных ЗУ - отсутствие удобных для практического использования дефлекторов и слабая помехозащищенность. Последнее объясняется тем, что в бинарных системах каждый элементарный участок информационного носителя хранит определенную информацию.