Разработка и исследование акустооптических устройств временного синтезирования фурье-голограмм радиосигналов и их воспроизведения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

л

о

ВСЕРОССИИСКИИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИИ ИНСТИТУТ " ОПТИКО-ЯИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИИ

На правах рукописи

Матеэосов Георгий Аркадьевк.

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТООПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ВРа/ЕННОГО СИНТЕЗИРОВАНИЯ фУРЬЕ-ГОЛОГРА»« РАЛИОСИГНАЛОВ И ИХ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

Специальность 01.04.06 - оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

йосква - 1994 г.

Работа выполнена в Московском государственной институте радиотехники, алэктроники к автоматик*

Научные руководители: доктор технических наук,

член-корреспондент РАН, профессор Л.Д.Бахрах,

кандидат технических наук, старей* научны! сотрудник В.Р.Цветов

Официальные оппонента: доктор фаэкко-иатематических наук,

профессор В.Н.Парыгин,

кандидат физико-математических наук, доцент В.К.Соколов

Ведуная организация: Научно-исследовательский институт радиооптики (НИ11Р0, г. Иосква)

Зеанта состоится "_" _* 1994 г. в _ час. _ мин.

на заседании специализированного совете £041.01.02 Всероссийского НИИ оптико-физических измерений по адресу: 103045, г.Москва, ул. Рождественка, д.27.

С диссертацией «эжно ознакомиться в библиотеке Всероссийского НИН оптако-фазнческих измерений.

Автореферат разослан "_" _ 1991г.

Учекк® секретарь специализированного совета ¿041.01.02 ШШХЯ

В.К.Хванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

С развитием современных информационных технологий возрастают требования к устройствам загшси, хранения и воспроизведения информации. Так. в информационно-вычислительных и радиолокационных системах, в телевидении (в особенности, ТВЧ) необходимо регистрировать я воспроизводить цифровые и аналоговые информационные потоки со скоростями в сотни Мбит/с. Для нормального функционирования этих систем требуются эапоминакше устройства емкостью в десятки - сотни ГОит при поверхностной плотности записи информации на носителе не менее 10" бит/мч*.

Технические средства поэлементной оптической и магнитной записи не в состоянии обеспечить скорость и плотность записи вше 30 Мбит/с (на канал) и 1СГ бит/мм", соответственно. Принципиальные ограничения здесь налагаются конечными размерами пишущего и считываияего элементов и возможностями механического перемещения носителя, а также плоскостным характером семой записи и пумами материала носителя; к тому же эти устройства весьма критичны к нестэбильностям и неточностям позиционирования головки.

Эффективным способом дальнейшего нарапшвания скорости записи и емкости запоминающих устройств является использование методов голографии и вкустооптики (АО). Преимувества такого сочетания обусловлены иирокополосностью АО устройств и интерференционно-объемной природой голографической регистрации; голография естественным образе« обеспечивает параллельность и больиую по сравнению с поэлементным способом помехозащищенность ваписи.

Однако для импульсной голографической Фурье-записи в АО устройствах с пространственным интегрированием необходим;: мойные импульсные лазеры с высокой частотой повторения. Вследствие межэлементной интерференции голограммы с пространстве™™ интегрированием создают перекрестные помехи, ограничивающие динамический диапазон воспроизведения сигналов.

Возможность эффективного использования энергии непрерывного излучения лазера и устранения перекрестной интерференции между элементами сигнала предоставляет метод временного синтезирования голограмм, заключающийся в последовательной во времени регистрации отдельных элементов или небольших групп элементов сигнала в одной голограмме. Голография с временным синтезированием в принципе позволяет записывать двумерные массивы данных без проблематичных

оперативных двумерных транспарантов и достигать высокой плотности записи информации, не прибегая к острой фокусировке лучей на поверхности носителя.

Однако, до сих пор этот способ голографической рогистреции не исследован в полной мере. Практически на изучены вопросы оптимизации условий записи, недостаточно разработана схемотехника ЛО устройств временного синтезирования голограмм радиосигналов и их воспроизведения. Известные способы формирования сканирущих лучей ("нестационарных полей"), необходимых в АО устройствах записи и обработки информации с использованием техники временного интегрирования и оптического гетеродкнирования, сложны для практической реализации.

Поэтому тема диссертации, направленной на реиение данных проблем, является актуальной.

Основной целью работы является разработав и исследование схемотехники акустооптическкх устройств временного синтезирования Фурье-голограмм широкополосных (>100 МГц) радиосигналов и их воспроизведения для соэда1Шя долговременной памяти большой емкости (10" бит) с еысокой плотностью записи информации (í>10" бит/мм*).

Для достижения поставленной цели необходимо ревить следушие задачи:

- теоретически и экспериментально исследовать способы временного синтезирования Фурье-голограмм радиосигналов и их гетеродинного воспроизведения в АО устройствах;

- на основе проведенного анализа разработать, оптимизировать и экспериментально исследовать оптические конфигурации АО устройств голографической записи и воспроизведения радиосигналов;

разработать и экспериментально исследовать способ организации записи широкополосных радиосигналов и многоканальных потоков цифровой информации на движущемся носителе, обеспечивэший высокую плотность записи при низких скоростях движения носителя и умеренных требованиях к системам фокусировки и позиционирования лучей.

Научная новизна.

I. Впервые исследован способ голографической записи сигналов в АО устройствах с временным синтезированием со' встречно-сканирувдим освещением акустооптического модулятора (АОМ). Обоснована целесообразность применения этого способа.

: 2. Впервые предложено использовать повторную дифракцию света в акустооптическом дефлекторе (АОД) для получения сканирующих

лучей в голографаческих устройствах записи и воспроизведения информации.

3. На базе АОД с повторной дифракцией (АОДПД) разработали п экспериментально исследованы АО устройства голографической записи сигналов с временным синтезированием.

<1. Получено воспроизведение радиосигналов с голограмм методом коллинеарного оптического гетеродинного сканирования в АО устройствах с использованием повторной дифракции.

5. Предложен и экспериментально опробован комбинированный метод пространственно-временного синтезе двумерных Фурье-гологре:.?! массивов данных.

Практическая значимость. Результаты диссертационной ра<Зоты гюгут Оыть непосредственно применены на практике для создания голографаческих устройств записи п воспроизведения сигналов в телевидения (ТВЧК информационно-вычислительных комплексах и других широкополосных радиотехнических системах. Их использование позволяет: а) повысить скорость и плотность записи информации; б) снизить требования к точности фокусировки и позиционирования лучой на поверхности носителя и в) записывать информацию о понодью маломощных непрерывных газовых н полупроводниковых лазеров.

Основные положения, выносимые нэ зениту

1. Метод дискретно-временного С1штеза двумерных голограмм из перзкрывакзихся вдоль движения носителя пшроких одномерных голограф. Этот метод обеспечивает в построчных голографгасгап устройствах больаую плотность записи пнфор«ашт при более низких требованиях к системам позиционирования и фокусировки лучей по сравнению о мэтодом записи линейных (фокусированных) одномерных голограмм.

2. Принцип ветречно-сканируизего освещения. АОМ в голо графичоскок устройствах с временным синтезированием. благодаря которому достигается непрерывность регистрации информационного потока, вдвое уменьяается требуемое число позиций дефлектора и расширяется полоса частот записи (по сравнению с полосой допплеровских частот в опорном поле).

3. Способ формирования сканируютх лучей (в том числе волны Tima "вращагаееся зеркало") Н8 основе использования повторной дифракции света в АОД. В результате повторной дифракции достигается удвоение полосы частот сканирования и возрастает разрешение дефлектора.

4. Эффект коррекции амплитудной неравномерности передачи

информации в АО устройствах голографической записи и воспроизведения сигналов при использовании АОДПД в качестве расщепителя лазерного луча.

б. Принципы построения оптических схем АО устройств, обеспечивающие их высокую эффективность по свету:

- использование АОДПД как основного структурного элемента;

- использование светового потока О-го порядка дифракции в сигнальном АОМ для формирования опорной волны при записи аналоговых AM сигналов;

- использование светового потока, проведшего через регистрирувдую среду, при записи СМ. 4M и цифровых сигналов;

- использование 0-го порядка дифракции на гологрв)*« для формирования гетеродинного луча при воспроизведении радиосигналов.

Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной были получены в ходе НИР "Разработка и исследование акустооптиче-ской аппаратуры голографической записи, воспроизведения и обработки радиосигналов первичной информации" в Московском НИИ приборостроения и использованы при выполнении ОКР "Дракон" в том же институте, а также при составлении технического задания на разработку системы голографической записи сигналов телевидения высокой четкости в Институте аналитического приборостроения РАН, г. Ст.-Петербург.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на Третьей Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлектронике (Ереван, 1987), Первой Всесоюзной и Международной конференциях по оптической обработке информации (Ленинград. 1988; Ст-Петербург, 1993), а также на Всесоюзных совещаниях-семинарах по оптическим вычислениям (Тракай, 1988) и по оптическим модуляторам света (Славское, 1989).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей и докладов, I отчет по НИР и получено 5 авторских свидетельств.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Содержание диссертации изложено на 170 страницах машинописного текста и иллюстрировано 31 рисунком. Список литературы включает 79 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении содоргл:гсл обоснование актуальности проводишх исследований, излагаются цели диссертационной работы и ее наиболее ваише результаты.

В первой главе приводится обзор супеотвуюких методов оптической записи информации и деется 1« кроткая характеристика, после чего более подробно рассматривается ключевые вопросы гологрефмческой регистрации информации.

В п. 1.1 приводятся основные параштры уотройотв поаломонтней оптической (а магнитной) записи. Отмечается тот факт, что поэлементные устройства помята по своим характеристикам вплотную подоали к физическому и техническое пределу, делается вывод о необходимости нспольэовеннл гологр.'.»?л чо сного подхода но путл дальнейшего развития техники вописи н воспроизведения шрокоиолосных радиосигналов н высокоскоростных потоков цифровой ^¡фориашш.

В ПЛ. 2 приводится обзор ОСНОШШХ Н8ПрОВЛ9НИЙ развития техники голо графической рэгастрзшга ¡афэрааихт, от традиционной с трага;чноЯ организации пенятп, включая запись одномерных "лилейных" голограмм и до таких экзотических способов, как запись На двшкуеийся носитель при! поиозя врззапз.згооя диска о гололлшза.чп и !зюгослойная оптическая голографяческая запись. Показано, что хотя наиболее разработана из сегодня пай! день 'запись "линейных" голограмм, в тот способ не реализует з полной гарэ преимущества голографии - по-прежнему требуются прецизионные систета овтофокусировкн и позиционирования лучей по одной кс^ррдинате, не используется объем регистрирующей среды.

В п.1.3 дается краткая характеристика АО устройств голографнческой эошюп сигналов. Отмечается возможность непосредственной регистрации пирокополосных информационных потоков в комплексном виде, не преобразуя их специально в цифровые коды, о также воспроизведения но только амплитуды, но и фазы записанных сигналов.

Обсуждается проблема снижения требований к мощности эаписыэашего излучения в таких устройствах до уровня маломощных (-20 мВт) газовых и полупроводниковых лазеров непрерывного излучения. С этой целью излагаются принципы оптимизации условий загаси, основанные на согласовании кнформационно-ыумовых и энергетических характеристик фоторегастрируидей среды с параметрами .чакискиаемых сигналов и оптической схемы.

Показывается, что в случае импульсной гологра<1ической записи в акустооптическкх устройствах с пространственнкм интегрированием оптимальными регистрирующими средами являются фотоэмульсии типа ПЛ-ЗМ с относительно высокой фотографической чувствительностью (-10*эрг/см*), кмешие разрешение до 2000 л/мм и спектральную плотность шумового рассеяния порядка 3-Ю"" мм".

В то же время, из-за импульсного характера записи применение в таких устройствах наиболее информашганноемких малошумянкх голографических сред со сверхвысоким (свыше 5000 л/мм) разрешением весьма проблематично ввиду низкой фотографической чувствительности этих сред (требуются экспозиции -3• 1СГ эрг/см* и вше). Более того, показывается, что голография с пространственным интегрированием не в полной мере использует информационный потенциал этих сред.

В итоге делается вывод о том, что для достижения высокой плотности упаковки данных (10л-10т Сит/мм*) и обеспечения требований к экспозиции при записи' но сверхвысокоразрешашие голографические материалы целесообразно применянть многократное некогерентное (последовательное во времени) наложение голограмм з одном участке среды.

В п.1.4 сравниваются свойства синтезированной (в результате последовательных наложений) голограммы и голограммы с тем же объемом информации, но полученной при одновременной регистрации всех ее элементов. Показывается, что несмотря на общую для синтезированных голограмм тенденцию к снижению дифракционной эффективности по мере роста числа наложений, такая голограмма, во-первых, обеспечивает меньший уровень перекрестных искажений из-за отсутствия в ней составлявшей межэлементкой интерференции, и во-вторых, может иметь эффективность не ниже эффективности голограммы с пространственным интегрированием.

Анализируются способы увеличения дифракционной эффективности синтезированных голограмм, такие как использование нелинейности экспозиционной характеристики регистрирующей среды к запись наложенных объемных голограмм с различными способами кодирования вектора несущей пространственной частоты. Отмечается, что при записи так называемых "не связанных" объемных голограмм с одновременным кодированием по углу падения опорной и сигнальной волн обеспечивается лучшая развязка лучей при восстановлении и. следовательно, большая дифракционная эффективность каждой парциальной голограммы.

На основании изложенного, в п.1.5 делается вывод о целесообразности проведения исследования и разработки способа голографической записи иирокополосных сигналов и высокоскоростных потоков двоичных данных (ЯОО Мбит/с) в акустооптнческих устройствах с временным синтезированием для создания систем памяти с большой емкостью (10" бит) и высокой плотностью записи информации (>l(f бит/мм").

Вторая глава посвяшена анализу голографической записи сигналов методом временного синтезирования в АО устройствах со встречно-оканирупаим освещением АОЫ. Подчеркивается тот факт, что запись с временным синтезированием естественным образом реализуется в таких устройствах, где источником информации служит движущаяся акустическая волна.

В п.2.1 получены основные соотноаения, описывапаие механизм временного синтезирования Фурье-голограммы сигнала в АО устройстве со ветре чно-сканирущим освецением АОМ. На основашш полученных выражений анализируются свойства такой голограммы.

Принцип записи поясняется с помоаью оптической схемы рио.1. Схема представляет собой Фурье-спектроанализатор из объектива Р, в передней фокальной плоскости которого расположен АОМ, а в задней -спектральной - плоскости помеиается регистрируюсь среда.

АОМ о апертурным временем т. и скоростью ультразвуковой волны v# возбуждается импульсным радиосигналом o(t) длительностью Т.

После того как акустический импульс полностью заполнил апертуру модулятора, он начинает считываться узким лазерным лучом D(x), сканирующим' со скоростью vd навстречу движению ультразвуковой волны. За время пробега всей апертуры модулятора луч последовательно освеиает все элементы сигнала. Одновременно в той же плоскости на расстоянии р • от нижней границы модулятора (рисЛ) со скоростью vr в направлении распространения ультразвука движется точечный опорный источник R(x).

Обе волны с противоположными направлениями углового сканирования сбиваются в спектральной плоскости объектива, где образованная ими интерференционная картина регистрируется средой на протяжении времени экспозиции T-t.

Благодаря встречно-скэннрунцему освещению АОМ достигается непрерывность регистрации информационного потока в виде последовательности Фурье-голограмм отрезков сигнала. При этом промежуток времени, затрачиваемый каждым следующим отрезком на заполнение апертуры модулятора, используется для воссоздания

сканирующих источников.

Комплексные амплитуды сигнальное (в дифракционном порядке) в опорной волн в плоскости Х2 непосредственно за модулятором описываются выражениями:

о.и.о-эи-у.ши-а/г^и <п

и

ог(х,г)-ли-р-уг1>, (2)

соответственно, где Б(х-Уви - комплексная огибающая акустического сигнала в апертуре ЛОМ.

Суммарная экспозиция Е(х') з плоскости голограмлы Х'г равна:

Е(х') = | |0.<х' Д) ♦ 0 /х' Д)|*<Н -

о

Г-1 т-1 т-1

- ^и.и'.щ'йг+||иг(х'д)|*<п ^и.и'.ои^х'.гхи ♦ к.с.. (3)

ООО

где

»(О

и(х' Д)=с|и(хД)ехр[-1кхх'/Г)с1х . (4)

-со

в константу С вынесены постоянные коэффициенты, К - длина волны света, к=2*/\, Г - фокусное расстояние объектива.

Подставляя (I) и (2) в (4) и интегрируя (3), находим переменную (интерфрернционную) составляющую суммарной экспозиции, которая описывается последним слагаемым в (3):

Е.(х' )=С,7-$7-ехр[ 1кх' (р-рй/2)/Г15р)<.[0)^_рИ(.С5]7* СИ). (5)

V -V

где р=у*- коэффициент рассогласования скоростей ул и уг;

• л

7рк.[0) - Фурье-образ освещающего А ОМ пятна с масштабным коэффициентом р; ^„^„.ДБ) - Фурье-образ сигнала с масштабным коэффициентом 1-р; Л - эффективная старина считывающего луча; "*" означает комплексное сопряжение.

В п.2.2 обсуждается физический смысл полученных выражений. Указывается на то, что при невысокой степени пространственного интегрирования (несколько элементов сигнала в пределах ширины освещающего луча (1) первые два члена в (3) описывают плавно меняющуюся "постоянную" засветку, на которую наложена интерференционная составляющая, определяемая двумя оставшимися членами. Таким образом, голографа временного синтеза не содержит интермодуляционной составляющей взаимной интерференции элементов сигнала.

В (5) второй сомножитель равен времени экспозиции одного элемента сигнала, третий описывает несуоую .пространственную частоту голограммы. Как видно из (Б), при равномерном опорном поле и отличающихся скоростях чв и т. (р>0) на голограмме регистрируется произведение спектров ЕЭ1 и ? [Б1, то есть

осуществляется корреляционная обработка сигнала функцией освещающего пятна. Причем масштаб интерференционного спектра сигнала 151 0 (1-р)"1раз превосходит масштаб его

"физического" спектра 7 [Б].

Показывается, что благодаря встречно-сканирунцему освещению АОМ возможно увеличение полосы частот записи Д^ по сравнению о полосой допплеровских частот ЛГг в спектре опорной волны. Максимальная полоса регистрируемых в голограмме чвстот сигнала в отсутствии корреляционных эффектов составляет:

АГ.-А^+Д^ , (6)

где АГ^т/а, (1 - ширина считывающего луча. Находятся условия реализации соответствующего режима записи и описывается способ графического определения интерференционного Фурье-отклика на

одночастотный сигнал в случае произвольных скоростей чг и

В п.2.3 рассматривается влияние переменного частотного сдвига в . одном из записывающих лучей на свойства синтезированной голограммы. Показывается, что линейное изменение во времени разности центральных частот этих лучей приводит к так называемому аффекту "допплеровской линзы", который выражается в пространственном несовпадении интерференционной и физической Фурье-плоскостей. В зависимости от поставленной задачи этот эффект может быть использован для "размазывания" интерференционного спектра сигнала, либо скомпенсирован путем надлежащего выбора плоскости регистрации голограммы.

В п.2.4 проводится оптимизация параметров акустооптического устройства записи с временным синтезированием.' в котором для формирования сканирующих лучей используется акустооптический дефлектор (АОД). Считая заданными такие параметры записи, как полосу частот ДГа и число элементов в гологракме В, а также параметры АОД - рабочую полосу частот ^ и число разрешаемых положений Нг, находится компромисс между числом наложений в голограмме и длительностью экспозиции 1в. Показывается, что максимальная полоса частот записи почти вдвое превосходит рабочую полосу частот дефлектора.

В третьей главе описывается способ получения сканирущих лучей для голографической записи сигналов в акустооптических устройствах с временным синтезированием, основанный на использовании повторной дифракции света в АОД.

В п.3.1 описывается принцип работы АОД с повторной дифракцией (АОДПД), оптическая схема которого приведена на рис.2. Схема состоит из расстроенного конфокального резонатора, образованного сферическими зеркалами 31 и 32, в фокальной плоскости которого в точке пересечения оптических осей зеркал расположен АОД. Освещается АОД световым потоком, падашим под углом Брэгга для дифракции в +1-й порядок; резонатор 31-32 сориентирован по оси -го порядка дифракции; повторная дифракция осуществляется в -1-й порядок (рис.2а).

Световой поток [+1] после первой дифракции в АОД перехватывается зеркалом 31 и направляется обратно в АОД мимо его акустического канала (рис.2Ь). В фокальной плоскости 31 образуется промежуточная Фурье-плоскость, где происходит фильтрация 0-го порядка дифркции. Оптическая петлевая система, образованная зеркалами 31 и 32, возвращает обратно инвертированное изображение

акустического канале в световом потоке [+11, которая дифрагирует в АОД вторично в -1-й порядок ([4-1,-11, рис.2Ъ).

В выходном световом потоке после повторной дифракции в АОД образуются сканирующие лучи о различными угловыми скоростями сканирования и световыми частотами. Характерной особенностью золны в дифракционном порядке [+1 ,-1 ] является нулевой средний сдвиг допплеровской частоты и линейное и стационарное распределение допплеровских частот по ее сечению в плоскости изображения апертуры модулятора.

Учет условия Брэгга, ограничивающего диапазон углов сканирования при повторной дифракции приводит к следующей связи между оптическим увеличением К при повторном освещении АОД и относительной длительностью интервала записи:

где т - апертурное время . АОД, Т - -длительность записываемого отрезка сигнала. На основании неравенства (7) находятся максимальная длительность сканирования в заданной полосе допплеровских частот в дифракционном порядке [+1,-1] и соответствующий найденному временному режиму работы АОДПД масштабный коэффициент 11.

В п.3.2 экспериментально исследуется АОДПД, выполненный по схеме рис.2 на базе модулятора МЛ-201 с рабочей полосой частот 40 МГц и апертурным временем 4 икс. Демонстрируется эффект удвоения полосы частот (скорости сканирования) (40 МГц) в результате повторной дифракции при возбуждении АОД ЛЧМ-сигналом с девиацией 40 МГц и длительностью 8 мкс. При этом оптическая мощность спадает не более чем в 2 раза по краям интервала сканирования, равного 4 мкс.

Указывается на возможность использования АОДПД в качестве расщепителя луча в-АО устройствах голографической записи сигналов. В.формировании голограммы при этом участвует пара выходных лучей в дифракционных порядках АОДПД [+1.-11 и 1+1,01 (рис.3).

Показываются основные достоинства такого применения АОДПД -это осуществление наряду со сканированием расщепленными лучами одновременно взаимного допплеровского сдвига частоты и взаимной коррекции амплитудных неравномерностей в этих лучах. Последнее обусловлено противоположными знаками неравномерностей частотных характеристик АОДПД в рассматриваемых дифракционных порядках (рис.3). В свою очередь, энергетический баланс между лучами и

относительная величина неравномерности определяются азимутальным углом повторного освещения АОД (на рис.3 - 2.0°(а), 5.6°(Ь) и 11°(с)), что дает возможность корректировать амплитудную неравномерность передачи информации и оптимизировать условия записи.

В п.3.3 оптимизируются параметры и временой режим работы устройств гологрэфической записи сигналов с применением АОДПД. В расчетах учитывается линейное во времени взаимное изменение допплеровской частоты в выходных дифракционных порядках [+1,-1] и [+1,01. Из результатов проведенного анализа следует, что использовать АОДПД в качестве расщепителя целесообразно при достаточно широкой полосе частот записи, такой что ДГа>АР. Сочетание встречно-сканирупцего освещения АОМ и использования повторной дифракции света в АОД позволяет в три раза снизить требования к рабочей полосе частот АОД по сравнению с полосой частот записываемого сигнала; при атом не требуется дополнительного (третьего) сдвигового АОМ.

В четвертой главе разрабатываются принципы построения оптических схем экустооптических устройств гологрэфической записи сигналов методом временного синтезирования, описываются конкретные оптические схемы и демонстрируются результаты экспериментов по записи голограмм радиосигналов в этих схемах.

Выделены основные разновидности схем - последовательные, параллельные и петлевые.

В первом случае для формирования опорной волны используется световой поток, прошедший через' сигнальный АОМ в 0-м порядке дифракции. Такой подход подразумевает линейный режим работы АОМ с невысокой «30%) эффективностью, что имеет место при записи аналоговых AM сигналов.

В оптических схемах параллельного типа вначале осуществляется растепление лазерного луча (при помощи АО- или АОДПД-расщепителя, либо выделением центральной и периферийной, частей из гауссового профиля интенсивности), а затем сигнальный и опорный световые потоки формируются незваисимо друг от друга. При этом оба канала оптически развязаны (отсутствует паразитная модуляция опорной волны информационным сигналом), сигнальный АОМ работает с максимальной эффективностью. Такие схемы оптимальны при записи цифровых и аналоговых и 4M сигналов, в них эффективнее используется лазерный поток.

В петлевых оптических схемах сигнальная волна в голограмме формируется из светового потока опорной волны, прошедшего через

регистрирующую среду. Такая возможность существует благоп«ря высокой прозрачности (низкому квантовому выходу) голографических сред со сверхвысоким разрешением и периодичности функции когерентности лазеров непрерывного излучения. Петлевые схемы обладают максимальной эффективностью использования светового потока - более ЗОХ.

Оптические схемы различаются также по способу формирования ■норной волны (в частотной плоскости, в плоскости изображения, с >дкократной или повторной дифракцией света в АОД), по оптической •ффективности и компактности (линзовые, зеркальные, комбинированные) и т.д.

В п. 4.1 описывается оптическая схема последовательного типа, в которой опорным источником является короткий й-радиоимпульс, распространяющийся в апертуре опорного АСЫ и подсвечиваемый сканирующим лучом с грубым разрешением. При таком способе записи импульсная реакция голограммы формируется электрически непосредственно на входе опорного АОМ, что позволяет осуществлять свертку сигнала с заданной импульсной реакцией.

В экспериментальном макете, выполненном по данной оптической схеме, была осуществлена запись Фурье-голограк« импульсных радиосигналов на фотопластинки ПФГ-02 и восстановлены оптические реплики сигналов. Длительность интервала записи вдвое превышала апертурное время использовавшихся модуляторов МЛ-201 и составляла 8 мкс, полоса частот записи соответствовала полосе частот 6-импульса - 25-30 МГц; несущая пространственная частота в голограмме была -500 мм'*. Средняя дафракционнаяя эффективность голограмм составила 0.3$, динамический диапазон по отношению к фоновому рассеянию материала - около 30 дБ. В восстановленных изображениях отсутствуют перекрестные помехи взаимной интерференции элементов сигнала.

В п.4.2 рассматривается оптическая схема последовательного типа, в которой сканирующее освещение АОМ формируется в результате однократной, а сканирующий опорный источник - повторной дифракции света в АОД; регистрируемая интерференционная картина образуется в выходной плоскости АОДДД, в голограмме записывается ее уменьшенное изображение. Благодаря использованию АОДПД отпадает необходимость в отдельном опорном АОМ и решаются проблемы, связанные с оптическими потерями и требованиями к линейности ЛЧН-сигнала в АОД при сопровождении С-импульса. Рассматриваемое построение схемы записи допускает непосредственное оптическое управление частотной

характеристикой тракта, а не электронный контроль его импульсной реакции; при этом обеспечивается лучшая равномерность опорного поля в плоскости регистрации и малый размер голограммы по неинформационной координате (ее ширина). Конструктивно оптическая схема выполнена на базе двухлинзовой отображашей системы и отличается от предыдущей большей компактностью.

Приводятся результаты экспериментального исследования датой оптической схемы. В ходе экспериментов записывались гологракгды импульсных радиосигналов, промодулированных по амплитуде кодовыми посылками от генератора псевдослучайных последовательностей Гб-69. Полоса частот записи составляла 40 МГц, длительность записываемых отрезков - 4 мкс при используемом апертурном времени АОМ - 2 мко. Судя по восстановленным с голограмм оптическим репликам сигналов, в них полностью воспроизводится записываемая полоса частот и обеспечивается равномерность фокусировки по полю; динамический диапазон в изображениях составил около 30 дБ при дифракционной эффективности голограмм -0.3% и плотности записи информации порядка I.3-10™ Также экспериментально показывается, что

качество воспроизведения существенно улучшается при использовании наклонной ориентации интерференционных полос несущей прост;мнственной частоты в голограмме по отношению к ее оси, и что ширина сьмой голограммы должна составлять не менее 15-20 мкм.

В п.4.3 описывается петлеввя оптическая схема голографической записи сигналов. В такой схеме до регистрирующей среды доносится свыше 30% исходной оптической мощности, а при записи происходит удвоение полосы частот по сравнению с полосой частот в опорном поле. Однако, в отличие от предыдущих схем, здесь требуется источник излучения с длиной когерентности не менее 15-20 см или периодически возобновляющейся когерентностью. В рассматриваемой схеме применен оригинальный способ сдвига допплеровской частоты светя на постоянную величину радиочастотной несущей сигнала, который состоит в использовании повторной дифракции света в АОД при освещении его сканирующим лучом с отслеживанием отдельной частотной компоненты ЛЧМ-сигнала. Таким образом, в схеме с двумя модуляторами достигается удвоение полосы частот записи бе.ч дополнительного внесения частотной модуляции в один из каналов.

Далее приводятся результаты экспериментов по временному синтезированию голограмм сигналов в устройстве записи'по петлевор оптической схеме. Эксперименты показывают, что при использовании одинарного АОД при исходной полосе частот сигналов 40 МГц ;

Рис. 4

голограмме фактически записывается 30-35 МГц. Очевидно, такой результат явлется следствием перемножения частотных характеристик опорного и сигнального каналов в процессе записи (см. выр-е (6)).

В связи с 8тим оптическая схема была модифицирована -одинарный дефлектор заменен на АОДЦД, а формирование опорного поля осуществлялось при помощи отдельной линзы. При этом пучки сбивались на фотопластинке под углом ~6СР, что соответствует пространственной частоте -1600 мм"4.

На рис.4а приведены осциллограммы записываемых радиосигналов, на рис.46 - восстановленные с голограмм их оптические реплики'. В восстановленных изображениях полностью воспроизводится полоса частот записи (40 МГц), динамический диапазон превышает 30 дБ при дифракционной эффективности голограмм -0.6%. Таким образом, находит свое экспериментальное подтверждение положение о том,' что при записи голограмм методом временного синтезирования сигнальный и опорный пучки должны формироваться через отдельные оптические системы так, чтобы несущая пространственная частота в голограмме была не менее 1000-1500 мм"*. Лишь при выполнении этого условия в сочетании с использованием сверхвысокоразрешащих голографических сред возможно достижение высокого качества воспроизведения с синтезированных голограмм, содержащих до 100 некогерентных наложений.

В п.4.4 приводится оптическая схема параллельного типа для голографической записи сигналов методом временного синтезирования.

В рассматриваемой схеме гауссовый лазерный пучок расщепляется на центральную и периферийную части. Равномерная центральная часть используется для формирования опорного поля в голограмме, а о помощью "хвостов" гауссового распределения осуществляется встречно-сканирующее считывание информации с АОМ. Такой способ формирования лучей позволяет полностью использовать модность лазерного потока при условии максимальной эффективности АОД (в выходном порядке с двойной дифракцией) и АОМ; при этом благодаря соответствующей конфигурации оптической схемы не вносится дополнительной разности хода между опорным и сигнальным каналами. Приводятся результаты экспериментов по реализации АО расщепителя, работающего по указанному принципу, которые демонстрируют реальную возможность получения равномерного опорного поля в голограмме без связанной о этим потери энергии записи голограммы.

Пятая глава посвящена проблеме воспроизведения радиосигналов с голограмм методом коллинеарного гетеродинного оптического сканирования (КГОС). Сущность рассматриваемого метода состоит в последовательном коллинвврном совменении всех элементов оптического изображения сигнала с гетеродинным пятном, когерентным с сигнальным световым потоком и сдвинутым относительно него по светоь й частоте.

В п.5.1 обосновывается применение метода КГОС для воспроизведения широкополосных (аналоговых и цифровых) радиосигналов, зарегистрированных гологрэ^ческим способом, и приводятся следующие доводы в пользу гетеродинных методов фотодетектирования сигналов в голографических запоминающих устройствах (ГЗУ):

- комплексное радиочастотное воспроизведение сигналов хорошо согласуется с комплексным характером их голографической регистрации: в ГЗУ сама обрабатываемая голограмма является растопите яьным (либо смесительным) элементом оптической схемы КТО;

гетеродинные методы фотодетектирования в принципе не чувствительны к фазовым неоднородностям носителя и позволяют осуществлять компенсацию фазовых искажений, вносимых импульсной реакцией голограммы при оптическом восстановлении;

- при гетеродинном Фотодетектировании не требуется многоканальных матриц фотопркемкиков: при параллельном гетеродинировэнии осущвсталяетсн частотное разделение каналов, при КГОС последовательное (поэлементное) считывание изображения сигнала;

Особо отмечается тот факт, что гетеродинное фотодетектирование наилучшим образом подходит для воспроизведения информации с голограмм временного синтезирования,

характеризующиеся низкой дифракционной эффективностью и относительно мощным неискаженным световым потоком О-го порядка дифракции; при этом последний может быть использован для создания гетеродинного луча в оптических схемах КГОС. Одни и те же (за небольшими изменениями) оптические схемы служат как для временного синтезирования голограмм сигналов, так и для воспроизведения записанных радиосигналов с голограмм методом КГОС.

В п.5.2 рассматриваются вопросы оптимизации оптических схем и рассчитывается динамический диапазон гетеродинного воспроизведения радиосигналов с голограмм. Определяются условия достижения максимального его значения на выходе фотоприемника, которое обеспечивается при согласовании динамического диапазона выходных сигналов фотодетектора с динамическим диапазоном последупдего усилительного тракта. В качестве условия согласования принято двойное превышение мощности дробового иума фототока на входе первого усилительного каскада над входной мощностью теплового иума »того каскада.

Исследуются два типа оптических схем КГОС - с однолучевым и двухлучевым освещением голограммы. В первом случае , голограмма выступает в роли расщепительного элемента, а восствновленное изображение сканируется при помощи АОДПД; во втором случае АОДПД является расщепителем, а смешение лучей осуаествлется в самой голограше. В однолучевых схемах гетеродинное считывание может осуществляться при помощи "точечного" фотодетектора, в то же время оптическая мощность более эффективно используется в двухлучевых Схемах.

Установлено, что при воспроизведении цифровой информации о невысоким динамическим диапазоном (С/Ш -10) можно ограничиться малой мощностью оптического излучения и использовать фотодетекторы с внутренним усилением (ЛФД). В этом случае оптимальными являются однолучевые схемы КГОС. Для достижения большего динамического диапазона (С/Ш -ДО1-!©*), необходимого при восстановлении аналоговой (или многоуровневой дискретной) информации, следует увеличивать оптическую мощность и использовать фотодетекторы без внутреннего усиления, но с по возможности большим квантовым выходом и с фоточувствительной поверхностью не менее 0.5-0.6 ммг(р-1-п - фотодиоды). Очевидно, эта задача лучше решается при

поиопш двухлучевых оптических схем КГОС.

Как показывают расчеты, при числе элементов в голограмме B-IOO, дифракционной эффективности голограммы t|h*I%. мощности лазера Р*35 мВт и при использовании р-1-n фотодиода динамический диапазон воспроизведения по отношению к шумам фотодетектирования составляет D-I80.

В п.5.3 описываются оптические схемы с одно- и двухлучевым освещением голограммы и приводтся результаты экспериментов по гетеродинному воспроизведению радиосигналов. Оптические схемы воспроизведения по сути представляют собой обращенные схемы записи с временным синтезированием, в их основе лежит оптическая схема АОДПД. Радиосигналы воспроизводились с Фурье-голограмм, записанных в импульсном АО устройстве с пространственным интегрированием; средняя дифракционная эффективность голограмм составляла -5*.

На рис.5а приведены осциллограммы записываемых импульсных посылок; полоса частот модуляции составляет 40 МГц при несущей частоте 90 МГц. На рис.56 представлены осциллограммы радиосигналов, восстановленных в оптической схеме КГОС с однолучевым освещением голограммы и сканированием изображения при помощи А0ДПД относительно неподвижного 0-го порядка дифракции на голог; чме. Полоса частот воспроизведения близка к 40 МГц, динамический диапазон соответствует диапазону в исходных сигналах и составляет около 20 дБ; по отношению к дробовому шуму фототока его величина достигает 30 дБ. Прослеживается спад амплитуды на краях отрезков радиосигналов, вызванный неравномерностью освещенности сигнального АОМ при зашей голограмм и неравномерностью АЧХ АОДДД при воспроизведении.

На рис.Бв представлены осциллограммы воспроизведенных радиосигналов, полученные в схеме с двухлучевым освещением голограммы при использовании АОДПД в качестве расщепителя: изображения восстанавливались дифракционным порядком [ + 1,-1), а гетеродинным лучом служил слабо сканирующий дифракционный порядок Í+I.0) АОДПД.

Сравнивая осциллограммы радиосигналов на рис.56 и рис.бв можно заметить, что в последних лучше передаются крайние участки ьг>«менного интервала воспроизведения, однако несколько "размываются" фронты модулирующих импульсов. Сужение полосы частот в данной реализации дьухлучевой схемы КГОС связано в основном с малостью апертуры лавинного Фотодиода и поверхностной неравномерностью ero чувствительности. Можно ожидать, что при

Рис.б

использовании р-1-п фотодиода в качестве Фотодатектора и оптимальном построении оптической системы формирования освещения голограммы удастся полностью воспроизвести исходную полосу частот сигналов и сохранить динамический диапазон воспроизведения.

На основе полученных результатов в шестой главе разрабатывается универсальный подход к решению проблемы записи многоканальных широкополосных сигналов (ТВЧ. РСА) методом двумерного дискретно- временного синтеза (ДДВС) голограмм на движущемся носителе (диск, лента). Этот метод состоит в последовательном наложении ряда одномерных голограмм со ступенчатым изменением несущей пространственной частоты от одной голограммы к другой.

Важнейшее преимущество метода ЛЕВО заключается в возможности получения высокой плотности записи информации (более 10* бит/мм*) без прецизионной фокусировки на поверхность носителя и без применения проблематичных двумерных пространственно-временных модуляторов света. Голографическая запись, полученная методом ЛЛВС, некритична к неоднородностям фотоэмульсии и к нестабильностям движения носителя; для записи и воспроизведения методом ДДВС используется обычная светосильная фэтооитика с

Рис.6

большими рабочими отрезками и без прецизионных систем автофокусировки. В то же время, благодаря сравнительно большой ширине парциальных голограюи более 20 мкм) полностью используется информационная объемная емкость фоточувствительного слоя носителя записи.

Приводятся результаты модельного эксперимента по двумерному синтезу Фурье-голограммы транспаранта с фрагментом машинописного текста, полученной в результате наложения 30-ти голограмм узких строчек. На рис.6 дана фотография восстановленного изображения. Дифракционная эффективность голограммы составила -0.3%, плотность записи информации - около 10е Сит/мм*; при этом отмечается высокое' качество восстановления.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Показано, что на основе использования методов голографии и экустооптики может быть найдено эффективное решение проблемы сверхплотной записи широкополосных радиосигналов и высокоскоростных многоканальных потоков информации. Временное синтезирование (или некогерентное наложение) голограмм в регистрирующей среде является универсальным средством, позволяющим использовать для записи маломощные лазеры непрерывного излучения, уменьшить требования к системам автофокусировки и позиционирования лучей. эффективно использовать информационную емкость гологрьфических регистрирующих сред со сверхвысоким разрешением и избежать перекрестных нелинейных искажений при восстановлении изображений с голограмм.

2. Предложен и проанализирован способ временного синтезирования Фурье-голограмм радиосигналов в акустооптических

устройствах со сканированием освэкашш лучом по апертуре А0М навстречу движению акустических волн. Показано, что благодаря ветречно-сканирушему освещению АШ обеспечивается непрерывность регистрации информационного потока и снижаются требования к полосе частот и числу разрешаемых позиций ЛОД. Найдено, что максимальная полоса записываемых частот сигнала' вдвое превышает полосу допплеровских частот в опорном поле в голограмме.

3. Предложен и экспериментальио исследован способ получения сканирующих лучей в акустооптических устройствах голографической записи сигналов с временным синтезированием, заключающийся в использовании повторной дифракции света в АОД. Показано, что в результате повторной дифракции возрастают скорость и угловой диапазон сканирования. При этом на выходе АОД в соответствующем дифракционном порядке формируется нестационарная волна типа "вращающееся зеркало", которая необходима в АО устройствах записи и обработки информации с временным синтезированием. Предложено использовать АОДПД в качестве расщепителя лазерного луча в АО голографических устройствах; показано, что при этом наряду со сканированием расщепленными лучами осуществляются взаимный допплеровский сдвиг частоты света и взаимная коррекция амплитудных неравномерностей этих лучей.

4. Разработаны и экспериментально исследованы оптические схемы акустооптических устройств голографической записи сигналов методом временного синтезирования. Найдено, что на базе оптической схемы АОДПД возможно создание компактных устройств голографической зашей сигналов, обеспечивающих максимальную полосу частот записи и наиболее полное преобразование энергии лазерного потока в энергию записи голограммы. Предложены способы увеличения эффективности по свету оптических схем: а) использование 0-го порядка дифракции света в АШ для формирования опорного источника (при условии работы АОЫ в линейном режиме) и б) формирование сигнальной волны в голограмме при помощи опорного светового потока, прошедшего через регистрируодую среду (при работе АШ с максимальной эффективностью). В последнем случае до голографы доходит свыше. 30? мощности лазерного штока.

б. Экспериментально продемонстрирована возможность получения высокого качества восстановления информации с синтезированных голограмм, содержащих до 100 некогерентных наложений. В ходе экспериментов получены следующие результаты: при количестве элементов в голограмме -160, числе наложений -80 и плотности

записи -1.3-10я бит/мма динамический диапазон восстановления составил -30 дБ при средней дифракционной эффективности голограммы около 0.6%. Это подтверждают возможность достижения плотности записи 10" бит/мм* и динамического диапазона не менее 20 дБ при записи Фурье-голограмм радиосигналов методом временного синтезирования на сверхвысокоразрепающие регистрирующие среды. Для этого необходимо максимально увеличивать несущую пространственную частоту в голограмме и формировать сигнальный и опорный поля при помощи отдельных оптических систем.

в. Разработаны и экспериментально исследованы способы воспроизведения радиосигналов с голограм* методом КГОС в АО устройствах. Показано, что для гетеродинного воспроизведения радиосигналов с голограмм могут использоваться те же (с небольшими изменениями) устройства, что и для записи этих голограмм методом временного синтезирования, причем базовой в обоих случаях является оптическая схема АОДГЩ. Экспериментально получено гетеродинное воспроизведение радиосигналов с голограмм в полосе частот 40 МГц о динамическим диапазоном -30 дБ при входной оптической мощности 20 мВт.

7. На основе полученных результатов предложен универсальный подход --< решению проблемы записи многоканальных широкополосных радиосигналов (РСА, ТВЧ) методом двумерного дискретно-временного синтеза голограмн на движущемся носителе (диск, лента). Применение этого подхода для записи и воспроизведения сигналов ТВЧ обеспечивает низкую скорость движения носителя и низкие требования к точности позиционирования оптической головки, в РСА - дает возможность формировать, радиолокационное изображение с высокой плотностью в диске или ленте непосредственно з процессе голографической записи первичных радиосигналов, минуя стадию их цифровой обработки.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Цветов.Е.Р., Матевосов Г.А. Оптимизация схем голографической записи и воспроизведения сигналов // Вопросы РЭ. сер."Общие вопросы РЭ", 1991, вып.9. - с.41-55.

2. A.c. Ш254428. .Устройство для измерения голографических характеристик фоторегистрируюцих сред / Ауслендер А.Л., Матевосов Г.А., Катуша В.Г., Петров Д.Г., Цветов Е.Р. - Ж3786924: Заявл. 01.09.1984 г.

3. А., с. >1409038. Устройство для голо графической записи и воспроизведения радиосигналов / Цветов Е.Р., Матевосов Г.А. ->14096666: Заявл. 23.06.1986 г.

4. А. с. J4 428066. Устройство для голо графической записи радиосигналов / Лось В.Ф., Матевосов Г.А., Цветов Е.Р. - Я1161055: заявл. 15.12.1986 г.

5. А.с. J*I 457632. Устройство голографической Фурье-записи радиосигналов / Матевосов Г.А.. Цветов Е.Р. - №4220350: заявл. 06.05.1967 г.

6. А.с. W5I0579. Устройство для голографической записи радиосигналов / Цветов Е.Р., Матевосов Г.А. - JM36G384: заявл. 21.12.1987 г.

7. Бахрах Л.Д., Матевосов Г.А.. Цветов Е.Р. ГолограОическая запись и воспроизведение информации в акустооптических устройствах с маломощными лазервми // кн. Тез. докл. III Всесоюзн. конф. по вычислительной оптоэлектронике / Проблемы оптической памяти. -Ереван. 1987, ч.1. - C.II2-II3.

8. Бахрах Л.Д., Цветов Е.Р., Матевосов Г.А. Запись голографических согласованных фильтров в акустооптичоском устройстве с маломощным лазером // кн. Тез. докл. I Всесоюзн. конф. по оптической обработке информации. - Ленинград, 1988. -с.85-86.

9. Matevosov G.A. and Tsvetov E.R. Holographic recording of wideband signals with time Integration // Optical Memory and Neural Networks, 1993, vol.2, No.2. - p.101-110.

10. Bakhrakh L.D., Matevosov G.A. and Tsvetov E.R. Holographic recording of wideband signals // Internationale Conference On Optical Information Processing. - St.Petersburg. August 1993. - P-116.

11. Tsvetov E.R. and Matevosov G.A. Generation of scanning light beams for holographic signal recording and processing systems with time integration // Optical Memory and Neural Networks, 1992, vol.1. No.2. - p.167-176.

Подписано в йечать.16 . 06. 94. Формат 60 х 84 I/I6 Объеы J ri. л. Тираж 100 экз. Заказ № 44

УОП Института этнологии и антропологии РАН II7334 Москва, Ленинский проспект, 32-А.

26