WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

Forward — запускает расчет голограммы Backward — запускает процедуру восстановления hour/min — индикаторы оставшегося времени Process B, F — графические индикаторы оставшегося времени Forward time — индикатор затраченного времени на моделирование голограммы Backward time — индикатор затраченного времени на восстановление объекта Object — изображение объекта Hologram — изображение смоделированной голограммы Reconstruction — изображение восстановленного объекта Manual zoom — позволяет рассматривать объект с произвольным увеличением (задается при помощи zoom factor) Scrollbar — включает полосу прокрутки Save holo — позволяет записать в 8-битный файл смоделированную голограмму Save rec — позволяет записать в файл восстановленное изображение объекта Prefix — приставка в имени записываемого файла ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Создать 8 битный серый объект (256 color, grayscale) — белая точка на черном фоне, размер объекта (например) 32 на 32 точки (использовать Mspaint или другие доступные графические редакторы), размер точки на объекте соответствует длине волны с частотой 1ТГц.

2. Получить дифракционную картину, оценить телесный угол, под которым она получена.

3. Восстановить объект, оценить качество восстановления 4. Создать 8 битный серый объект — две белых точки на черном фоне, размер объекта (например) 32 на 32 точки (использовать Mspaint или другие доступные графические редакторы).

5. Получить дифракционную картину, оценить телесный угол, под которым она получена и ее качество (должны быть четко различимы полосы (дуги гипербол) толщиной в несколько пикселей, полос на дифракционной картине должно быть много).

6. Восстановить объект при достаточном контрасте и разрешении дифракционной картины, при недостаточном — изменить параметры и повторить пункт 5.

7. Определив оптимальное соотношение времени расчета и точности (свою формулу для оценки приведите в отчете), постройте дифракционную картину сложного бинарного объекта. Оцените качество и приемлемую скорость вычислений.

8. Проделать пункт 7 для объекта с градациями серого в структуре.

Примечание: слишком малое расстояние между объектом и голограммой в эксперименте нереализуемо.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ Подготовьте отчет в соответствии с ходом работы. Представьте расчеты телесных углов и качества восстановленного изображения. Рассуждения об определении оптимального времени вычислений для получения качественного изображения сопровождайте графическими зависимостями. Представьте несколько восстановленных изображений различного качества. Приведите зависимость качества восстановленного изображения от телесного угла.

Дайте развернутые ответы на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Каким образом записывается информация о фазе терагерцовой волны 2. Опишите общие соображения, которыми следует руководствоваться при работе с «толстым» объектом, обладающим дисперсией 3. Рассчитайте дальнюю зону для ТГц излучения частотой 1.6ТГц, дифрагирующем на объекте с характерным размером 5 мм.

4. Рассчитайте шаг микрометрического двигателя линии задержки для сканирования ТГц импульса длительностью 10 пс фемтосекундным импульсом в 100 фс ровно по 100 непересекающимся точкам.

5. Сравните различные способы оценки качества восстановленного изображения (например, число Штреля, среднеквадратичная ошибка, функция корреляции и др.).

ЛИТЕРАТУРА 1. http://en.wikipedia.org/wiki/Terahertz_radiation 2. http://en.wikipedia.org/wiki/THz-TDS 3. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику М.: Мир, 4. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта. — М.: Наука, 1985.

5 Лабораторная работа №ОПТИЧЕСКОЕ БИСТАБИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Цель работы: Изучить принцип работы кольцевого оптического резонатора, создающего бистабильную зависимость интенсивности света на выходе оптического резонатора от интенсивности накачки.

Объект исследования: Оптическое бистабильное устройство на основе нелинейных оптических эффектов Задачи, решаемые в работе:

1. Получение и анализ гистерезисной зависимости при работе кольцевого оптического резонатора 2. Построение логических элементов на основе петли гистерезиса СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ Для физики и техники оптических компьютеров нового поколения принципиальное значение представляют методы создания бистабильности и мультистабильности. Реализация таких систем позволяет конструировать системы параллельной обработки информации.

Оптическая бистабильность Оптическая бистабильность — одно из проявлений самовоздействия света в нелинейных системах с обратной связью, при котором определ интененной сивности и поляризации падающего излучения соответствуют два возможных устойчивых стационарных состояния поля прошедшей волны, отличающихся амплитудой и (или) параметрами поляризации. Передаточные характеристики таких систем, показывающие зависимость стационарных значений выходной интенсивности Iп, степени эллиптичности п и угла наклона п главной оси эллипса поляризации прошедшего излучения от соответствующих характеристик падающего (I,, ) неоднозначны и обладают ярко выраженными гистерезисными свойствами.

При циклически адиабатическом изменении входной интенсивности или поляризации в широком диапазоне бистабильное устройство функционирует обратимо, прич предыдущее состояние системы однозначно определяет, каем кое из двух устойчивых состояний поля реализуется на выходе. Именно обратная связь в нелинейных системах является причиной возникновения области значений параметров интенсивности и поляризации падающего излучения, для которой передаточные характеристики Iп(I,, ), п(I,, ) и п(I,, ) неоднозначны, то есть фиксированным значениям (I,, ) соответствует m стационарных состояний поля прошедшего излучения. Если устойчивы два из них, то в этой области параметров (I,, ) в оптической системе реализуется оптическая бистабильность, если больше — мультистабильность. Наряду со стационарными состояниями в нелинейной системе с обратной связью могут возникать режимы устойчивого, периодического, субгармонического и хаотического изменения интенсивности и поляризации света.

В качестве оптически бистабильных устройств широко используются: пассивные оптические резонаторы, содержащие нелинейные среды, где обратная связь возникает за сч отражения от зеркал; системы с распредел обет енной ратной связью (встречные волны непрерывно взаимодействуют в сечениях нелинейной среды); оптоэлектронные гибридные системы, в которых обратная связь осуществляется за сч управления параметрами оптической среды ет электрическим сигналом с детектора прошедшего светового потока. Представляет интерес безрезонаторная оптическая бистабильность, обусловленная корреляциями пар атомов в сильном электромагнитном поле. Оптический гистерезис и оптическая бистабильность возникают также в сложных активных лазерных системах.

Амплитудная бистабильность в пассивном кольцевом оптическом резонаторе Возникновение оптической бистабильности удобно пояснить на примере кольцевого оптического резонатора, содержащего изотропную нелинейную среду. В такой системе возможна абсорбционная и дисперсионная бистабильность. Первая возникает, если от интенсивности света зависит коэффициент поглощения, вторая — показатель преломления. Рассмотрим дисперсионную оптическую бистабильность в предположении неизменности поляризации света в оптическом резонаторе, когда длительность падающего импульса и намного больше времени обхода оптического резонатора tp и времени релаксации нелинейности (и >> tp,и >> ).

В этом случае изменение медленно меняющейся амплитуды линейно поляризованной волны E(t, z) в нелинейной непоглощающей среде, помещ енной в оптический резонатор, описывается уравнением E 1 E ik + = - nE (5.1) z t nЗдесь — групповая скорость, k — волновое число, n0 — линейный показатель преломления. Зависящая от интенсивности нелинейная добавка к показателю преломления n2 удовлетворяет релаксационному уравнению n + n2 = |E|2 (5.2) t — нелинейная константа среды. В кольцевом оптическом резонаторе (рис.

5.1) линейно поляризованное излучение, проходя через входное зеркало (коэффициент отражения r), падает в точке z = 0 на нелинейную среду длины l.

Рис. 5.1: Схема кольцевого оптического резонатора.

Пройдя через не оно частично отражается от выходного зеркала (коэффие, циент отражения r), полностью — от двух других зеркал и снова попадает в среду. Интегрируя (5.1), (5.2) и учитывая граничные условия в точке z = 0, можно получить систему уравнений для поля на входе в среду E(t, 0) и для нелинейного изменения (набега) фазы (t) при прохождении светового импульса через оптический резонатор:

E(t, 0) = 1 - r · E0 + rE (t - tp, 0) exp -i 0 + (5.3) + = kl |E (t - tp, 0)| t Здесь E0 — амплитуда падающей волны, 0 = k(n0l +L), l +L — полная длина оптического резонатора. В стационарном режиме система уравнений (5.3) сводится к трансцендентному уравнению для поля в оптическом резонаторе |ED|2 = Iвх, |Ec|2 = Ic :

(1 - r) Iвх = Ic 1 + r2 - 2r cos (0 + klIc), (5.4) которое легко решить графически. Для этого представим (5.4) в виде системы Ic уравнений для коэффициента пропускания Tc = (1 - r) и полного набега Iвх фазы :

(1 - r)Tc = 1 + r2 - 2r cos (0 + klIc) (5.5) Tc = (1 - r) - klIвх Первое выражение описывает кривую пропускания (рис. 5.2, а). Второе выражение в (5.5) да семейство прямых, исходящих из начала координат (для ет простоты полагаем 0 = 0), наклон которых меняется с изменением интенсивности падающего света. Точки пересечения обоих графиков дают решение уравнения (5.4).

Рис. 5.2: Амплитудная оптическая бистабильность: а — графическое решение уравнений (5.5); б — зависимость интенсивности света на выходе оптического резонатора от интенсивности линейно поляризованной накачки.

При малых и достаточно больших Iвх оно единственно (соответственно точки A и L). При интенсивностях падающего света, удовлетворяющих неравенству IБ1 < Iвх < IБ2 у оптического резонатора появляются три рабочие точки (C, E, G). Граничным интенсивностям соответствуют прямые BF (IБ1) и DK(IБ2). Линеаризовав (5.3), можно показать, что если >> tm, то при интенсивностях IБ1 < Iвх < IБ2 из тр рабочих точек только две, лежаех щие соответственно на участках BD и F K кривой пропускания (C и G), являются устойчивыми относительно плосковолновых возмущений той же поляризации. Рабочие точки, лежащие между D и F на кривой пропускания (например, E), оказываются неустойчивыми.

При адиабатическом изменении Iвх меняется показатель преломления нелинейной среды, а следовательно, и оптическая длина оптического резонатора.

Возникающая из-за этого фазовая отстройка оптического резонатора от начального состояния приводит к изменению выходной интенсивности.

При увеличении входной интенсивности рабочая точка движется по устойчивой части кривой пропускания до точки D (Iвх = IБ2). В ней стационарное решение становится неустойчивым и происходит переход в устойчивую точку K. При дальнейшем увеличении Iвх рабочая точка движется по устойчивому участку KL кривой пропускания. Уменьшая входную интенсивность, оптическую систему можно вернуть в начальное состояние (точка A). При этом рабочая точка движется сначала по устойчивой части кривой пропускания LKGF. В точке F (Iвх = IБ1) выходная интенсивность резко уменьшается — система переходит в положение B. Дальнейшее уменьшение Iвх снова связано с движением по устойчивому участку BA кривой пропускания. В результате циклического изменения входной интенсивности передаточная характеристика Iп(Iвх) = (1 - r)Ec, п =, п = принимает вид петли гистерезиса (рис.

5.2, б) и если Iвх лежит между IБ1 и IБ2, то интенсивность на выходе может быть либо большой, либо маленькой в зависимости от того, каким образом изменяется интенсивность (увеличивается или уменьшается). Такое бистабильное поведение лежит в основе двоичных переключающих устройств. Оптическая бистабильность наблюдается в пассивных оптических резонаторах с различными нелинейными средами: атомными парами, изотропными средами, жидкими кристаллами, полупроводниками и т.д.

Оптические логические устройства на основе оптической бистабильности Полный набор полностью оптических логических устройств для синтеза более сложных блоков оптического компьютера реализуется, например, на основе пассивных нелинейных резонаторов-интерферометров, в которых в результате светоиндуцированного изменения оптической длины происходит сдвиг пика пропускания (резонанса) относительно длины волны падающего излучения. В зависимости от начальных условий (начального положения пика пропускания и начальной интенсивности) в пассивном нелинейном резонаторе нелинейный процесс завершается установлением одного из двух устойчивых состояний пропускания (отражения) падающего излучения.

На рис. 5.3 и 5.4 приведены передаточные характеристики бистабильного интерферометра — зависимости интенсивности выходного сигнала (отраж енного Iотр и прошедшего Iпр) от интенсивности сигнала на входе Iвх, складывающегося из сигнала подсветки I0 и информационного сигнала I1 или I1 и I2. Если I0 + I1 = Iвкл — (порог переключения) — происходит переход системы из состояния с высокой интенсивностью на выходе ”1”) в состояние с низкой интенсивностью на выходе (”0”, рис. 5.3, а) или наоборот (рис. 5.4, а). Вообще говоря, гистерезис, характерный для оптической бистабильности, в данном случае не обязателен. Важно лишь обеспечить достаточно большой перепад между высокой и низкой выходными интенсивностями по отношению к изменению входной интенсивности, вызвавшей этот перепад.

Рис. 5.3: Передаточная характеристика бистабильного интерферометра в отраженном пучке (а) и схема с логической функцией”НЕ”(б).

Рис. 5.4: Передаточная характеристика бистабильности в проходящем пучке (а) и схема устройства с логическими функциями”И”,”НЕТ”,”ДА”(б).

Элемент”НЕ”реализуется с использованием отраж енного от бистабильного интерферометра потока (рис.5.3,б). Интенсивность Iвх устанавливается несколько ниже порога переключения Iвкл, что соответствует высокой интенсивности отраж енного сигнала. Незначительная добавка I1 приводит к резкому уменьшению интенсивности Iотр, а снятие I1 — к восстановлению высокого уровня Iотр. На рис. 5.4(б) дана схема устройства, представляющего собой по сути оптически программируемый элемент процессора, в котором тот или иной вид логической операции зада значением интенсивется ности подсветки I0. На бистабильный интерферометр, кроме подсветки, подаются ещ два информационных пучка I1 и I2 и на выходе рассматривае ется интенсивность проходящего пучка. Если интенсивность подсветки выбрана такой, что I0 = Iвкл - 0.5I1 (рис. 5.4, а), то наличие сигнала хотя бы в одном из информационных пучков переводит элемент в единичное состояние для проходящего луча (логическая функция”ИЛИ”). При установке I0 = Iвкл - 1.5I1 элемент включается лишь при одновременной подаче сигнала (”1”) в обоих информационных каналах (функция”И”). Если выполняется условие I0 < Iвкл -(I1 +I2), то при любой комбинации состояний I1, I2 на выходе имеет место низкий уровень интенсивности (функция”НЕТ”). Наконец, при I0 > Iвкл бистабильный интерферометр всегда оста во включ ется енном состоянии (функция ’”ДА”). Для отраж енного потока в этой же схеме обеспечиваются также функции”ИЛИ –- НЕТ”и”И –- НЕТ”.

Рис. 5.5: Передаточная характеристика (а) и схема триггера с раздельными инверсными входами и выходами (б).

Такой набор элементов является достаточным для синтеза более сложных блоков. На рис. 5.5 даны некоторые примеры организации взаимодействия между отдельными элементами. Бистабильность с гистерезисной зависимостью (рис. 5.5, а) действует как оптический триггер с раздельными инверсными входами и выходами (рис. 5.5, б).

Чтобы получить RS-триггер, один из входных сигналов в схеме рис. 5.5(б) необходимо инвертировать. (RS-триггер имеет два входа и два устойчивых состояния, которые меняются под действием входных сигналов, при этом обязательно попеременно то с одного, то с другого входа.) Инвертирование можно сделать с помощью дополнительного элемента”НЕ”(рис. 5.6, а). В исходном состоянии интенсивность I2 выбрана чуть ниже порога переключения элемента”НЕ”, и уровень сигнала высок. Его сумма с начальной интенсивностью I1 за сч регулировки последней соответствует примерно центральной ет области гистерезисной петли. Система находится в состоянии с низким пропусканием (выключен). Манипуляции интенсивностью пучка I2 (R-вход) не могут изменить это состояние. Кратковременное же увеличение интенсивности I1 (S-вход) приводит к включению системы. После этого ближайшим по времени всплеском сигнала I2 триггер опрокидывается в исходное состояние.

Рис. 5.6: Передаточная характеристика (а) и схема триггера с раздельными инверсными входами и выходами (б).

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |






















© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.