Цифровые ГЗУ

 

Рис. 6.Изменение интенсивности дифрагированного излучения при отклонении от условий Брэгга при считывании голограммы монохроматическим излучением – контур угловой селективности голограммы (толщина голограммы порядка 1 мм). Δθ – угловая селективность голограммы.

 

Условие Брэгга определяет условие  получения максимальной интенсивности  дифрагированной волны при взаимодействии плоской волны с одномерной решеткой, зарегистрированной в объемной среде, и записывается следующим образом: 2dSinθ = kλ где d - постоянная решетки, θ - угол между направлением распространения волны и плоскостью решетки, λ - длина волны излучения, k = 1,2,3… - порядок дифракции. Это соотношение, установленное для дифракции рентгеновских лучей на атомных плоскостях в кристалле, известно в физике как закон Вульфа-Брэгга - по имени Г.В.Вульфа и У.Л.Брэгга, одновременно и независимо получивших это выражение в 1913г. В голографии условие Брэгга широко используется при рассмотрении дифракции излучения на объемной голограмме. При k = 1 условие Брэгга определяет для элементарной объемной голограммы условие образования главного максимума дифрагированной волны: выбор угла падения (θБр) задает длину волны (λБр) падающего на голограмму излучения, и наоборот. При отклонении от условий Брэгга (θ = θБр± δθ и λ = λБр±δλ) интенсивность дифрагированной волны падает (см.рис.).

 

А) Определим максимальную разрешающую  способность для «Диффена»:

Разрешающая способность  исследуемого регистрирующего материала  с традиционной точки зрения определяется размерами молекул фенантренхинона (ФХ), диаметр которых составляет величину порядка 20 нм, таким образом максимальная теоретическая разрешающая способность материала составляет 25 000 лин/мм.

 

Б) Найдем углы Брэгга для нескольких голографических транспарантов  с различным разрешением дифракционной  решетки:

 

 

1. d=0.014 мм^-1  λ=488 нм

θ=ArcSin() = 100 мрад

2. d=0.007 мм^-1  λ=488 нм

θ=ArcSin() = 1,998 рад

3. d=0.005 мм^-1  λ=488 нм

θ=ArcSin() = 2,797 рад

4. d=0.003 мм^-1  λ=488 нм

θ=ArcSin() = 4,665 рад

5. d=0.002 мм^-1  λ=488 нм

θ=ArcSin() = 7,007 рад

6. d=0.001 мм^-1  λ=488 нм

θ=ArcSin() = 14,123 рад

 

В) Определим площадь для записи 700 мб информации:

Для периода дифракционной  решеткой d=0.000285 мм^-1 (3500лин/мм):

Требуется записать: N=5 898 240 000 бит.

Половина  угла между опорной и объектной  волнами: θ=ArcSin()≈60^о

Минимальный размер голограммы D для записи N бит: D=λ*(N/2θ)^1/2≈2.65 см²

При расходимости углов опорного пучка Ф=10^о, толщине h=1 мм и показателе преломления n=1.3, количество голограмм которое можно записать в диапазоне опорного пучка: (Ф*n*h)/d≈789(шт)

Введем ограничение по шумам: ОСШ=3 => предельное число записанной информации будет составлять d/(4λ*(ОСШ)²)≈57

 

Г) Определение скорости записи 700 мб информации:

Для транспаранта с разрешением 1024х1024 элементов, частота обновления картинки жидкокристаллического транспаранта может составлять 200Гц. Следовательно, 700Мб информации можно записать со скоростью: 28 с.

Практическое применение цифровых голографических запоминающих устройств.

Рассмотрим пример практического  применения систем цифровой голографической  памяти для хранения архива фильмов Disney World.

1 фильм хорошего качества  весит в среднем 700Мб. За всю  свою профессиональную деятельность  компания Дисней выпустила примерно 200 мультфильмов.

Для разработки устройства ОГП с высокой информационной ёмкостью и высокой скоростью считывания информации предлагается метод мультиплексирования, согласно которому при регистрации голограмм обеспечивается перпендикулярное падение опорного пучка на поверхность регистрирующей среды и наклонное падение предметных пучков (с числом пучков, равным числу наложенных микроголограмм) при их концентрическом положении относительно оси опорного пучка.

 На рисунке 4 представлена  оптическая схема устройства  записи мультиплексных голограмм  с использованием многоканальной  записывающей оптической головки  с числом каналов, соответствующим  числу голограмм в мультиплексной  голограмме (до 20-ти), при их концентрическом  положении относительно оси опорного  пучка.

 Здесь излучение лазера 1 после прохождения через окно  затвора 2 и отражения плоским  зеркалом 4 расширяется и фильтруется  системой в составе микрообъектива 9 и точечной диафрагмы 10 и затем коллимируется объективом 11. В схеме осуществляется пространственное деление общего коллимированного пучка излучения на опорный и предметные пучки по числу каналов записывающей головки. Для простоты изображения на оптической схеме (рис. 4) представлены только два диаметрально противоположных канала многоканальной записывающей головки. Центральная часть коллимированного пучка используется в качестве опорного пучка, падающего на фоточувствительную среду перпендикулярно её поверхности. Периферийная кольцевая часть коллимированного пучка системой зеркал 16 и 17 распределяется по каналам многоканальной записывающей головки, расположенных симметрично относительно оси опорного пучка. В каждом из каналов излучение фильтруется системой в составе объектива 5 и точечной диафрагмы 6 и после прохождения через окно затвора 18 поступает на Фурье-преобразующий объектив (ФПО) 7 и пространственно-временной модулятор света (ПВМС) 8.

Голографическая запись информации осуществляется путём последовательной регистрации интерференционной  картины на фоточувствительной пластинке 13 в области пересечения предметных и опорного пучков на площади, ограниченной диафрагмой 12. Электронное управление работой затворов обеспечивает последовательную быструю запись микроголограмм при поочерёдном открывании затворов 18. Для записи всего массива мультиплексных голограмм осуществляется перемещение регистрирующей фотопластинки в плоскости, совпадающей с её поверхностью, по координатам Х и Y с помощью двух координатного устройства перемещения в составе частей 14 и 15.

При считывании информации с мультиплексной голограммы, записанной с помощью данного устройства записи, пучки излучения со всех микроголограмм, составляющих мультиплексную голограмму, восстанавливаются одновременно, при этом восстановленные пучки пространственно разделены. Считывание информации осуществляется с помощью многоканальной считывающей оптической головки с числом фотоприёмных каналов считывания, равным числу записанных голограмм (рис. 5).

Таким образом, построение устройства ОГП по предложенному методу мультиплексирования  и использование в устройстве многоканальной оптической головки  записи, а при последующем считывании многоканальной считывающей оптической головкой при одновременной работе каналов на стадии считывания позволяет:

1) устранить вращение регистрирующей  среды, тем самым упростить  систему и уменьшить требования  к её механической стабильности;

2) реализовать параллельный  процесс считывания отдельных микроголограмм, что обеспечивает более высокую скорость считывания информации.

 

В предложенном методе можно  использовать регистрирующие среды  с различной толщиной фоточувствительного  слоя: от 7–20 мкм до 1 мм, на котором  регистрируются как тонкослойные трёхмерные голограммы, так и объёмные (3D) голограммы.

Основные параметры перспективных для ОГП фотополимерных и галогенидосеребряных материалов (ФПМ и ГСМ) представлены в таблице 1.

 

 

Поставим перед собой задачу записать все фильмы, отснятые Уолтом Диснеем за всю продолжительность его кинематографической деятельности. Уолт Дисней является создателем первого в истории звукового мультфильма, первого музыкального и первого полнометражного. В своей необыкновенно напряжённой жизни Уолт Дисней как режиссёр снял 111 фильмов и был продюсером еще 576 киноработ. Фильм, снятый на киностудии, в среднем весит 4.7 Гб.

Общее количество информации, которое  необходимо записать на диск N=3228.9 Гб.

Для записи матрицы мультиплексных голограмм в качестве фоточувствительного  материала возьмем «Диффен» с толщиной фоточувствительного слоя h=1 мм и показателем преломления n=1.3.

В качестве источника излучения  используем гелий-неоновый лазер с длиной волны λ=0.633 мкм. Угол расходимости опорного пучка для данного типа лазеров Ф=10⁰

Требуется записать N=27736039804109 бит информации.

В качестве транспаранта используем ЖК-матрицу с разрешением 1024х1024 элементов, частота обновления картинки жидкокристаллического транспаранта может составлять 200Гц с  шагом исходной структуры 14 мкм.

Можем рассчитать линейные размеры ЖК-матрицы 1024*14=14.336(мм)

Чтобы обеспечить независимое считывание каждой отдельной наложенной голограммы и избежать влияния помех, создаваемых соседними наложенными голограммами, угол между соседними каналами многоканальной оптической головки (Δφ) должен быть больше, чем величина угловой селективности отдельной голограммы (Δθ).

Угол Δφ задается условиями регистрации наложенных голограмм. Как

правило, на практике при мультиплексировании  обеспечивают такие условия эксперимента, чтобы Δφ = (2÷5)·Δθ.

Для периода дифракционной решеткой d=0.000285 мм^-1 (3500лин/мм):

Половина угла между опорной  и объектной волнами: θ=ArcSin()≈60^о

Количество голограмм, которое можно записать в диапазоне опорного пучка: (Ф*n*h)/d≈789(шт)

Введем ограничение по шумам: ОСШ=3 => предельное число записанной информации будет составлять d/(4λ*(ОСШ)²)≈57(шт)

Проверим условие селективности  записанных голограмм. Δφ=360⁰/57⁰=6⁰ величина угловой селективности отдельной голограммы на регистрирующей среде Диффен Δθ =0.5⁰. На практике  Δφ = (2÷5)·Δθ, т.е. Δφ = 5*0.5=2.5⁰.

Количество записываемых голограмм  на одну мультиплексную голограмму определяется также габаритным соображениями, поскольку  изображения со всех наложенных голограмм  восстанавливаются одновременно и  должны быть пространственно разнесены. Экспериментально проверена возможность записи мультиплексных голограмм, каждая из которых содержит 20 голограмм.

Одновременно без учета мультиплексирования  мы можем записать k=1024*1024=1048576 бит информации. Определим минимальный размер голограммы D для записи k бит информации:

 D=λ*(N/2Ω)^1/2≈0.633*(1048576/1) ^1/2=648мкм

Площадь участка 648*648*10^-12=4.2*10^-7м²

С учетом мультиплексирования можем  одновременно записать до 20 голограмм, что соответствует 1048576*20=2097152 битам  информации.

Запись всех фильмов Уолта займет 5.5м²

Для транспаранта с разрешением 1024х1024 элементов, частота обновления картинки жидкокристаллического транспаранта может составлять 200Гц. Следовательно, 3228.9 Гб информации можно записать со скоростью: 110 мин.

Перспективы и разработки голографической памяти.

Несмотря на кажущуюся  простоту, суть явлений, происходящих в процессе записи и считывания информации голографическими методами, достаточно сложна. Ее невозможно наглядно изобразить на паре картинок, здесь более уместен  язык формул. Вероятно, именно этим объясняется то, что, хотя "академические" разработки в области голографической памяти ведутся уже давно - еще с начала 60-х гг., практические результаты появляются гораздо медленнее, чем хотелось бы, несмотря на пристальный интерес к этой технологии со стороны крупнейших промышленных компаний, государственных и военных структур. В 1995 г. по инициативе Управления перспективных исследований и разработок министерства обороны США (DARPA) были начаты работы в рамках пятилетней программы, среди участников которой компании IBM, Kodak, Rockwell и несколько университетов. Ее составными частями стали проект HDSS (Holographic Data Storage Systems) по разработке голографических систем хранения данных и проект по исследованию материалов носителей - PRISM (Photorefractive Information Storage Materials). С состоянием работ и результатами обширных научных исследований можно ознакомиться в подробном и хорошо иллюстрированном отчете принимавшей в них участие группы ученых из компании IBM. К сожалению, из этого документа невозможно понять, насколько же действительно приблизилась перспектива появления реальных коммерческих продуктов. Более того, заключительный раздел отчета с описанием возможных применений голографической памяти и типов устройств на ее основе содержит рассуждения весьма общего характера, которые уже давно хорошо знакомы всем, кто когда-либо интересовался этим вопросом.

Фирма IBM, признанный лидер  в области систем хранения данных, исследовала историю и перспективы  развития запоминающих устройств (ЗУ) с точки зрения поверхностной плотности записи (рис. 6).

Голографическая память, по сравнению со всеми остальными видами памяти, как известно, имеет ряд  выигрышных позиций. Здесь и высочайшая скорость чтения, поскольку обмен  происходит целыми страницами, которые  могут содержать миллионы двоичных битов, и высочайшая плотность, которая  теоретически может достигать нескольких десятков терабит на кубический сантиметр носителя. Тысячи голографических страниц могут быть сохранены в одном и том же объеме записывающей среды с помощью различных вариантов мультиплексирования. Его можно выполнить за счет изменения угла падения лучей лазера, длины его волны, фазы опорного луча пространственного изменения точки входа информационного и опорного лучей в среду записи при ее сдвиге или вращении, а также комбинации всех этих способов. Так как интерференционные шаблоны однородно заполняют весь материал, это наделяет голографическую память другим полезным свойством - высокой достоверностью записанной информации. В то время как дефект на поверхности магнитного диска или магнитной ленты разрушает важные данные, дефект в голографической среде не приводит к потере информации, а вызывает всего лишь "потускнение" голограммы. Кроме того, весьма впечатляет и феномен, связанный с тем, что при разбиении носителя на несколько фрагментов каждый из них несет в себе всю информацию - это означает высочайшую надежность, устойчивость к повреждениям и простоту тиражирования.

Работы по созданию голографической  памяти начались более 40 лет назад, и сегодня ряд компаний, например NTT и Optware в Японии, InPhase Technology в США, имеют законченные разработки с голографическими дисками (Holographic Versatile Disc – HVD) и картами (Holographic Versatile Card – HVC), и приступают к продаже своих первых коммерческих приборов. Рассмотрим несколько голографических устройств, уже вышедших на рынок.

Info-MICA

Компания NTT продемонстрировала прототип накопителя высокой емкости, в основу которого положена технология многослойной тонкопленочной голографии, и устройство для считывания данных. Емкость носителя (сто слоев) размерами  с почтовую марку – 1 Gb. Новая карта памяти была названа Info-MICA (Information-Multilayered Imprinted CArd), так как ее многослойная структура похожа на структуру породы слюды. Запись информации производится следующим образом. Сначала цифровые данные перекодируются в двухмерные изображения, которые затем преобразуются в голограмму с помощью технологии CGH (Computer Generated Hologram), и наконец эти голограммы записываются в виде особых структур на слоях носителя. Слои представляют собой волноводы. Когда луч лазера фокусируется на торце такого волноводного слоя, он начинает распространяться по нему, рассеиваясь на записанных структурах. Рассеянный свет формирует двухмерные изображения в плоскости, параллельной волноводному слою. Они захватываются CCD-сенсорами и декодируются в исходные цифровые данные.