Пространственно-временные модуляторы света
Пространственно-временные модуляторы света (ПВМС) представляют собой устройства, главной функцией которых служит реализация функции модуляции интенсивности пучка света в соответствии с заранее заданным законом как в пространстве (по сечению пучка), так и во времени. Предшественниками ПВМС являются фотографические носители, на базе которых создаются транспаранты с заданным распределением пропускания в пределах их рабочего поля. Однако фотографические транспаранты обладают постоянной во времени функцией пропускания, и для того, чтобы изменить ее, необходимо провести механическую замену транспаранта. В то же время в ПВМС распределение интенсивности в проходящем (отраженном) пучке света управляется извне электронным, оптическим или иным образом.
За несколько десятилетий развития ПВМС разработано весьма большое их количество разных типов [43-45]. Устройства работают на разных физических принципах; в них осуществляется модуляция либо непосредственно интенсивности светового пучка (например, через распределение функции пропускания либо отражения рабочей среды ПВМС), либо любого другого параметра световой волны (например, фазы или положения плоскости поляризации) с последующим преобразованием этой модуляции в модуляцию интенсивности.
ПВМС могут быть классифицированы на две большие группы: устройства с электронным управлением и устройства с оптическим управлением. В качестве примера рассмотрим ПВМС на гибридном полевом эффекте в нематических жидких кристаллах (НЖК) [46, 47]. В этом устройстве используются явления оптической анизотропии в НЖК, индуцированной электрическим полем, и фотопроводимости в полупроводниковом слое. Устройство представляет собой структуру, схематически изображенную на рис. 1-8.
Рис. 1-8. Схема структуры «фотопроводник - жидкий кристалл» как основы для ПВМС с оптической адресацией
На стеклянную подложку последовательно нанесены прозрачный электрод (хром или двуокись олова), фотополупроводниковый слой, светоблокирующий слой, диэлектрическое зеркало, и слой, обеспечивающий гомогенную ориентацию молекул НЖК. На другую подложку, покрытую с одной стороны просветляющим слоем, нанесен аналогичный прозрачный электрод, поверх которого также наносится ориентирующий слой. Затем две подложки складываются ориентирующими слоями навстречу друг другу, но между ними помещаются диэлектрические прокладки заданной толщины (обычно несколько мкм). В образовавшуюся щель заливается жидкий кристалл. Далее структура герметизируется и может быть использована в качестве ПВМС.
Работа ПВМС иллюстрируется рисунком 1-9.
Рис. 1-9. Принцип работы ПВМС на базе структуры «фотопроводник – жидкий кристалл»
Пусть входные данные поступают на ПВМС в виде изображения в некогерентном свете. Этот свет освещает структуру слева. В схему, показанную на рис. 1-9, структура ФП-ЖК помещена зеркально по отношению к рис. 1-8. Проникая сквозь подложку и прозрачный электрод, свет, модулированный входными данными, засвечивает слой фотопроводника, генерируя в нем носители тока. Тем самым модулируется сопротивление слоя.
В то же время на прозрачные электроды структуры подаются напряжение (обычно переменное, не превышающее нескольких вольт). При этом внутри структуры возникает электрическое поле. Поэтому молекулы жидкого кристалла, исходно ориентированные параллельно подложкам (в данной конфигурации под углом 450 друг к другу у разных подложек), под действием электрического поля изменяют направление своей ориентации. Модуляция сопротивления фотопроводящего слоя приводит к перераспределению напряжения между слоями структуры, и на слое НЖК напряжение оказывается модулированным в соответствии с пространственным распределением интенсивности падающего света. Таким образом, и ориентация молекул НЖК также оказывается модулированной в соответствии с тем же законом.
Как видно из рис. 1-9, структура освещается пучком когерентного света. На схеме показан поляризатор, обеспечивающий падение плоскополяризованного света на структуру. В случае, когда источник света (лазер) формирует уже плоскополяризованный свет, необходимость в поляризаторе отпадает.
Проходя через слой НЖК, плоскость поляризации света поворачивается в соответствии с ориентацией молекул жидкого кристалла. Однако модуляция направления ориентации ведет также и к модуляции положения плоскости поляризации света. Когерентный свет проходит через НЖК, отражается от диэлектрического зеркала, а затем вторично проходит через НЖК и выходит наружу. Разделение падающего и отраженного пучков обычно реализуется с помощью светоделительного кубика. Анализатор осуществляет превращение пучка света, модулированного по положению плоскости поляризации в пучок, пространственно модулированный по интенсивности.
Защита фотопроводника от воздействия считывающего света обеспечивается не только диэлектрическим зеркалом с высоким уровнем отражения и дополнительным поглощающим слоем, но и засветкой структуры когерентным светом с длиной волны, лежащей за пределами области спектральной чувствительности фотопроводника. Поглощающий слой должен быть по своим основным физическим параметрам согласован с фотопроводящим слоем; например, в случае, если в качестве фотопроводника используется сульфид кадмия, то в качестве поглощающего слоя применяют селенид кадмия или состав CdSexTe1-x.
В результате работы описанного ПВМС на его выходе формируется распределение интенсивности в пространстве и времени, соответствующее распределению интенсивности света, падающего на структуру, при этом обеспечивается развязка по несущему свету, и изображение может быть преобразовано не только из некогерентного света в когерентный, но и из одной области спектра в другую. В частности, такого рода ПВМС могут обеспечивать визуализацию изображений, сформированных электромагнитным излучением, находящимся за пределами видимой области спектра.
Схожим образом осуществляется работа и других ПВМС с оптической адресацией, например, на базе структуры «электрооптический кристалл DKDP – селеновый фотопроводник» (так называемый «Фототитус») [48-50]. Основные отличия состоят в том, что для реализации «Фототитуса» необходимо осуществить охлаждение рабочего электрооптического кристалла до температуры чуть выше точки Кюри (около –60 С), а рабочее напряжение, прикладываемое к структуре достигает 200 В. Кроме того, стирание в жидкокристаллических ПВМС обычно осуществляется приложением напряжения с частотой, превышающей т.н. частоту инверсии диэлектрической анизотропии, а в «Фототитусе» - применением импульса коротковолнового света.
Среди ПВМС с оптической адресацией надо отметить также структуры типа PROM (Pockels Readout Optical Modulator), в которой электрооптический эффект Поккельса осуществляется в кристалле Bi12SiO20 или Bi12GeO20, причем сам кристалл одновременно служит и фоточувствительной средой [51-55]. Отметим также такие приборы, адресуемые светом, как ПВМС с микроканальными пластинами, в которых в качестве светомодулирующей среды используются те же материалы, что и в перечисленных выше приборах, но вместо фотопроводящего слоя применяются микроканальные пластины, обеспечивающие значительное усиление входного сигнала [56, 57].
Другим распространенным типом ПВМС являются устройства с электронной адресацией, иначе называемые ПВМС типа «сигнал – свет». К этому типу можно, в частности, отнести любые модификации проекционных телевизионных устройств. Одним из наиболее распространенных устройств такого типа является жидкокристаллическое телевизионное устройство (ЖКТВ) [58, 59].
На рис. 1-10 схематически представлена структура ЖКТВ. Нематический ЖК помещен в ячейку между двумя стеклянными подложками с прозрачными электродами, причем ячейка представляет собой твист-структуру с поворотом директора молекул ЖК на 900. В момент, когда электрическое поле к структуре не приложено, свет, поляризованный на входном поляроиде, поворачивает свою плоскость поляризации на 900 вслед за поворотом директора молекул ЖК. При этом, поскольку поляризатор и анализатор ориентированы одинаково, свет не проходит сквозь структуру. Но если электрическое поле приложено, то молекулы ЖК стремятся расположиться параллельно силовым линиям поля, и при этом свет начинает частично проходить сквозь выходной поляроид. Чем выше значение напряженности поля, тем сильнее молекулы ориентируются вдоль него и тем меньше поворот плоскости поляризации света, т.е., больше интенсивность света на выходе.
Рис. 1-10. Схема жидкокристаллического телевизионного устройства на примере одной ячейки.
Представленная на рис. 1-10 ячейка является компонентом матрицы, адресуемой электронным способом. Матрица отличается такими достоинствами как дешевизна и удобство в программировании. Поэтому матрицы ЖКТВ являются одним из наиболее употребительных видов ПВМС для ввода данных в устройства голографической памяти.
Среди других типов электронно управляемых ПВМС можно отметить устройство на кристалле DKDP, адресуемое сканируемым электронным пучком, которое принято называть «Титус» [60-62]. Известны также устройства, использующие электронно-лучевое управление и электрооптический эффект в кристаллах Bi12SiO20 и Bi12GeO20 [63], а также в сегнетоэлектрической керамике [64].
Благодаря таким выдающимся достоинствам, как низкие управляющие напряжения и высокая технологичность, а следовательно, и низкая стоимость, ПВМС на основе жидких кристаллов в настоящее время практически не имеют серьезных конкурентов. Это относится как к устройствам с электронным, так и с оптическим управлением. Наиболее существенный недостаток ЖК – сравнительно малое быстродействие – преодолевается путем использования сегнетоэлектрических жидких кристаллов, обеспечивающих для ПВМС оптимальные параметры [65, 66].
В обширной литературе, посвященной ПВМС, рассматриваются в основном физические и технологические вопросы, и практически отсутствуют работы, связанные с исследованием их информационных возможностей. Между тем, если иметь в виду применение ПВМС в светоинформационных системах, следует рассматривать также их информационные характеристики.