VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Интерес к цифровой оптической обработке информации вызван необходимостью преодоления проблем, с которыми столкнулась аналоговая вычислительная техника: малая точность вычислений и отсутствие гибкости, присущей электронной технике. В процессе развития этого направления был предложен ряд концепций построения оптоэлектронных вычислительных устройств и блоков, исследованы возможности создания соответствующей элементной базы, были разработаны перспективные оптические и оптоэлектронные логические элементы и функциональные узлы [1]. Можно отметить три отличительных особенности оптики, которые делают ее привлекательной для цифровых вычислений. Первое — это широкая полоса частот оптических источников излучения, которая может для полупроводниковых лазеров достигать гигагерц. Второе — это широкая полоса пространственных частот. Третьей, относящейся к оптическим соединениям, характеристикой является отсутствие интерференции при распространении сигналов. Два оптических сигнала могут распространяться друг через друга, не оказывая взаимного влияния. Эти характеристики дают возможность обрабатывать данные при больших скоростях и с недостижимым для электронных устройств уровнем организации связи между различными элементами [2].

Важной областью применения оптики являются многоканальные устройства. Использование нескольких длин волн может обеспечить считывание для любого заданного участка памяти, при одновременном использовании большого числа каналов. Привлекательным свойством применения нескольких длин волн в оптических вычислениях является то, что управление переключением осуществляет сам луч, несущий информацию, и не требуется предусматривать отдельный вход для управляющего луча. Напротив, использование целого ряда длин волн делает в большей мере параллельными операции [3], используемые для маршрутизации сообщений, в которых начальные биты в общем потоке битов сообщения содержат информацию об адресе, используемую каждым переключателем, с которым сталкивается сообщение по мере прохождения по сети.

Таким образом, целью работы является разработка макета устройства управления лазерным излучением.

В последнее время интерес исследователей вызывают нелинейно-оптические нанокомпозитные материалы на основе квантовых точек (КТ) - металлических или полупроводниковых наночастиц, носители заряда в которых ограничены в пространстве по всем трём измерениям. Данные материалы обладают рядом уникальных свойств, таких как фотопроводимость, оптическая бистабильность, фоторефракция и значительно лучшие фото и химическая стабильность в сравнении с органическими красителями [4].

Для стабилизации квантовых точек и препятствия их агломерации используется метод заключения квантовых точек в оболочку различной природы. При этом, в зависимости от соотношений ширины запрещенной зоны ядра (квантовый точки) и оболочки, могут возникать различные нелинейно-оптические эффекты. Так, в случае, когда ядро имеет более узкую запрещенную зону, оболочка выступает в роли пассиватора поверхностных состояний и локализует электронно-дырочную пару внутри ядра. Такой подход применяется, например, при решении задач увеличения эффективности люминесценции. Для случая когда ширина запрещенной зоны ядра и оболочки сопоставимы возникает пространственное разделение носителей заряда что приводит к значительному увеличению времени жизни фотовозбужденной электронно-дырочной пары, кроме того, данный эффект приводит к смещению максимума люминесценции в длинноволновую область [5-6].

Применительно к системам управления лазерным излучением можно выделить эффект поляризации электронами и дырками поверхности квантовой точки на границе с оболочкой, инициированный внешним электромагнитный полем. Наведенная плотность заряда на границе ядро/оболочка приводит к возникновению так называемой «диэлектрической ловушки» в которую могут быть захвачены электроны возбужденные в квантовой точке, что позволяет реализовать режим оптического ограничения излучения.

Проведенный анализ возможных путей получения нанокомпозита подобного рода показал перспективность использования методов золь-гель химии. Данный метод обеспечивает эффективную стабилизацию квантовых точек в оптически прозрачной матрице, не оказывает существенного влияния на их спектр люминесценции и позволяет существенно упростить процесс изготовления нанокомпозита [7].

Для оценки принципиальной возможности использования подобного рода структур в системах управления оптическим излучением, в данной работе в качестве оптически активного вещества предлагается использование квантовых точек сульфида кадмия, синтезированных по методике [7]. Для фиксации квантовых точек сульфида кадмия в силикатной матрице был использован прекурсор тетракис(2-гидроксиэтил)ортосиликат (ТГЭОС), который успешно используется для включения в силикатную матрицу полисахаридов и олигосахаридов, белков и ферментов, а также при формировании материалов с кислотно-основными красителями [7].

Для исследования нелинейно-оптических процессов протекающих в НКТ использовался метод являющийся разновидностью широко распространенного метода z-скана. Схема универсальной установки для исследования нелинейно-оптического взаимодействия непрерывного лазерного излучения с НКТ приведена на рисунке 1.

В качестве источников непрерывного когерентного оптического излучения используется: He-Ne – лазер (λ = 633 нм) со средней мощностью 10 мВт (1) и твердотельный лазер с диодной накачкой (λ = 405 нм) со средней мощностью 40 мВт (2). Для позиционирования образца применяется микрометрический транслятор. Изменение интенсивности входного излучения осуществляется при помощи калиброванных нейтральных светофильтров. Для изменения уровня входной мощности используется вращающаяся обойма с установленными нейтральными светофильтрами (3).

Исследуемые образцы нанокомпозитов помещаются в кювету (4) из кварцевого оптического стекла с плоскопараллельными стенками и длиной 20 мм в направлении распространения луча.

Рисунок 1 – Универсальная установка для исследования нелинейно-оптического взаимодействия лазерного излучения с нанокомпозитами.

Ограничивающие диафрагмы (5), (9) устанавливается на расстоянии 200 мм от светоделительного куба (6) и образца (4) соответственно. Конструкция установки позволяет проводить исследования нелинейного взаимодействия коллинеарных лазерных пучков. Для этого световые лучи от лазеров с различными длинами волн совмещаются при помощи светоделительного куба (6) установленного на микрометрический транслятор. Излучение определенной длины волны выделяется узкополосным интерференционным светофильтром (10). Регистрация значений выходной оптической мощности излучения осуществляется при помощи фотоприемника (7) и двухканального измерителя оптической мощности и энергии Coherent LabMax (8). Ошибка измеренного значения не превышала 6%.

При включении модифицирующего луча наблюдается падение уровня выходной мощности считывающей подсистемы, что свидетельствует об увеличении фотоиндуцированного коэффициента поглощения, как показанно на рисунке 2а. При этом наблюдается его выраженная зависимость от мощности модифицирующего излучения и концентрации КТ. На рисунке 2б представлены результаты для НКТ с концентрацией КТ 0,1% масс.

а) б)

Рисунок 2 – Зависимость изменения мощности излучения λ=633 нм, прошедшего через НКТ, от уровня мощности модифицирующего луча λ=405,9 нм: а) концентрация КТ 0,3% масс. б) концентрация КТ 0,1% масс.: (­­­ 45 E_max= 90Дж/см²)( –·– 22 E_max= 44Дж/см²)(­­­ 11 E_max= 22Дж/см²)( –·· 5 E_max = 11Дж/см²)( – – 2.5 E_max = 55Дж/см²)( ––– 1.25 E_max = 2.8Дж/см²)

В данном эксперименте с момента включения модифицирующего лазера, время, при котором уровень считывающего сигнала достигает 90% своего минимального значаения, не превысило 5 секунд. При выключении модифицирующего лазера, величина времени восстановления системы несколько больше и достигает 15 секунд. При этом мощность модифицирующего излучения и концентрация КТ мало влияют на динамические характеристики системы.

На рисунке 3а приведены полученные зависимости величины оптического отклика НКТ от концентрации квантовых точек и дозы экспозиции. Рисунок 3б отображает зависимость величины фотоиндуцированного коэффициента поглощения от дозы экспозиции и концентрации КТ. Максимально достигнутая в наших экспериментах величина фотоиндуцированного коэффициента поглощения α, составляет α ≈ 13.8629 см^-1, при дозе экспозиции E = 90 Дж/см².

а) б)

Рисунок 3 – а) зависимость величины оптического отклика ЭЗ НКТ от концентрации КТ и дозы экспозиции, б) зависимость величины фотоиндуцированного коэффициента поглощения от дозы экспозиции и концентрации КТ.

Полученные результаты исследования нелинейно-оптических свойств НКТ демонстрируют, что величина отклика НКТ на модифицирующее излучение может варьироваться мощностью последнего. Данный факт позволяет рассматривать его как основу для создания устройств нечеткой логики, поскольу предложенный в данной работе подход обеспечивает плавное изменение мощности лазерного излучения на считывающем канале в зависимости от мощности модифицирующего излучения на управляющем канале. Учитывая тот факт, что нанокомпозит может быть сформирован на поверхности оптичесекого волоконного свветовода, можно предположить о возможности создания на его основе распределенной волоконно-оптической нейронной сети. В этом случае, управляющий и считывающий каналы разработанного устройства могут быть реализованы в одном волоконном световоде.

Список использованных источников

1. Евтихиев Н.Н. Информационная оптика / О.А. Евтихиева, И.Н. Компанец, А.Е. Краснов, Ю.Н. Кульчин, Б.С. Ринкевичюс. - М.: МЭИ – 2000 – 612 с.

2. Оптические вычисления. / Под ред. Арратуна Р, - М.:Мир. 1993 - 441 с.

3. Оптическая обработка информации/ под ред. Д. Кейсесент, М.:Мир, 1980 – 320 с.

4. Medintz I. L. et al. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing /Nature materials. – 2005. – Т. 4. – №. 6. – С. 435-446.

5. Wiedemann U., Alt W., Meschede D. Switching photochromic molecules adsorbed on optical microfibres /Optics express. – 2012. – Т. 20. – №. 12. – С. 12710-12720.

6. Resch-Genger U. et al. Quantum dots versus organic dyes as fluorescent labels /Nature methods. – 2008. – Т. 5. – №. 9. – С. 763-775.

7. Shchipunov Y. A., Karpenko T. Y., Krekoten A. V. Hybrid organic–inorganic nanocomposites fabricated with a novel biocompatible precursor using sol-gel processing /Composite Interfaces. – 2005. – Т. 11. – №. 8-9. – С. 587-607.

Код для цитирования: Скопировать