ФОТОННЫЙ ЭХО-ПРОЦЕССОР С ЛАЗЕРНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Полезная модель относится к вычислительной технике и может быть использовано при создании запоминающих устройств и устройств обработки информации на основе фотонного эха.
Известны оптические фазовые процессоры, в которых для запоминания и обработки информации используется явление фотонного эха (см. патент США №3896420, М. кл. G11C 13/04, опубл. 22.07.1975 г.; патент США №4459682, М. кл. G11C 13/04, опубл. 10.07.1984 г.; патент США №4479199, М. кл. G11C 13/04, опубл. 23.10.1984 г.). В качестве носителей информации этих эхо-процессоров используется материал, обладающий неоднородно-уширенной полосой поглощения. При этом элементарные области такого материала при сканировании интенсивным световым (лазерным) лучом будут поглощать излучение только в пределах однородно-уширенной линии, связанной с частотой приложенного лазерного импульса и являющейся значительно более узкой в частотном диапазоне, чем неоднородно-уширенная полоса поглощения. Это могут быть кристаллы или стекла, легированные ионами редкоземельных элементов.
Недостатком этих эхо-процессоров является необходимость использования сменяемых криогенных жидкостей и громоздкого гелиевого криостата для поддержания температур жидкого гелия, обеспечивающих условие возбуждения фотонного эха в носителе информации.
Известен фотонный эхо-процессор с лазерным охлаждением (см. С.В.Петрушкин, В.В.Самарцев. «О возможности создания оптически охлаждаемого твердотельного эхо-процессора», Изв. РАН, сер. физика, том 68, №9, стр.1308-1310, 2004 г.), выбранный в качестве прототипа.
Эхо-процессор содержит твердотельный носитель информации, оптически сопряженный через устройство ввода излучения с источником возбуждения импульсов фотонного эха, а через устройство вывода излучения с устройством
3+
регистрации сигнала фотонного эха, например лавинным фотодиодом. Кроме того, эхо-процессор содержит источник излучения накачки антистоксового лазерного охлаждения, оптически сопряженный с твердотельным носителем информации. В качестве твердотельного носителя информации используется пластина из иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами трехвалентного тулия (YAG:Tm), которые являются как центрами возбуждения фотонного эха, так и центрами антистоксового лазерного охлаждения. В этом случае при совмещении на одном носителе информации сценариев эхо-процессинга и лазерного охлаждения оказываются задействованными различные энергетические переходы ионов тулия, что приводит к взаимному влиянию этих процессов и, как следствие, к искажению выходной информации. Для полного устранения взаимовлияния этих сценариев друг на друга, необходимо осуществлять воздействие импульсами возбуждения фотонного эха и излучением накачки лазерного охлаждения на пространственно разнесенных участках носителя информации. Однако в этом случае в носителе информации возникает температурный градиент, который приводит к ошибкам запоминания и обработки информации.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является выравнивание температуры в процессе антистоксового лазерного охлаждения по всему объему твердотельного носителя информации фотонного эхо-процессора и устранение тем самым ошибок обработки информации в процессоре.
Поставленная задача решается тем, что в фотонном эхо-процессоре с лазерным охлаждением, содержащем твердотельный носитель информации, выполненный из материала, содержащего центры возбуждения фотонного эха на ионах редкоземельного элемента, оптически сопряженный через устройство ввода излучения с источником возбуждения импульсов фотонного эха и с источником излучения накачки антистоксового охлаждения, а через устройство вывода излучения с устройством регистрации сигналов фотонного эха, в твердотельный носитель информации дополнительно введены ионы
другого редкоземельного элемента в качестве центров антистоксового охлаждения.
Твердотельный носитель информации может быть выполнен в виде активного световода, сердцевина которого изготовлена из материала, содержащего центры возбуждения фотонного эха, а оболочка выполнена из материала, содержащего центры антистоксового охлаждения, при этом источник возбуждения импульсов фотонного эха и источник излучения накачки антистоксового охлаждения оптически сопряжены с сердцевиной и оболочкой активного световода соответственно.
Устройство ввода излучения и устройство вывода излучения могут быть выполнены в виде мультиплексора и демультиплексора соответственно.
На фиг.1, 2 представлены варианты исполнения фотонного эхо-процессора с лазерным охлаждением.
2
3+
3+
3
Фотонный эхо-процессор с лазерным охлаждением содержит источник 1 возбуждения импульсов фотонного эха и источник 2 излучения накачки антистоксового охлаждения, оптически сопряженные через устройство ввода излучения 3, с твердотельным носителем информации 4, который через устройство вывода излучения 5 оптически сопряжен с устройством регистрации сигналов фотонного эха 6. В этом случае в качестве устройств ввода 3 и вывода 5 излучения могут быть использованы светоделительные пластины. Твердотельный носитель информации 4 может представлять собой плоскую пластину с размерами порядка 1×1 см, выполненную из материала, содержащего центры возбуждения фотонного эха 7 на ионах одного из редкоземельных элементов, например трехвалентного тулия (Тm), и центры антистоксового охлаждения 8 на ионах другого редкоземельного элемента, например трехвалентного иттербия (Yb). В качестве материала твердотельного носителя информации 4 могут быть использованы оптические кристаллы или стекла (YAG, LаF, стекло ZBLANP). В этом случае центры возбуждения
фотонного эха 7 и центры антистоксового охлаждения 8 равномерно распределены в материале твердотельного носителя информации 4.
Твердотельный носитель информации 4 может быть выполнен также в виде активного световода, сердцевина 9 которого изготовлена из материала, содержащего центры возбуждения фотонного эха 7, а оболочка 10 выполнена из материала, содержащего центры антистоксового охлаждения 8, при этом источник 1 возбуждения импульсов фотонного эха и источник 2 излучения накачки антистоксового охлаждения оптически сопряжены через устройство ввода излучения 3 с входами сердцевины 9 и оболочки 10 активного световода, при этом выход сердцевины 9 световода, содержащего центры возбуждения фотонного эха 7, оптически сопряжен через устройство вывода излучения 5 с устройством регистрации сигналов фотонного эха 6. Показатель преломления материала сердцевины 9 активного световода должен быть выше показателя преломления материала оболочки 10.
В этом случае устройство ввода излучения 3 выполнено в виде мультиплексора, а устройство вывода излучения 5 в виде демультиплексора, каждый из которых содержит соответствующую вогнутую дифракционную решетку 11, 12 и соответствующий кварцевый блок 13, 14.
При этом источник 1 возбуждения импульсов фотонного эха и источник 2 излучения накачки антистоксового охлаждения соединены с мультиплексором устройства ввода излучения 3 через соответствующие волоконные световоды 15, 16. Демультиплексор устройства вывода излучения 5 через волоконный световод 17 сопряжен с устройством регистрации сигнала фотонного эха 6, а через волоконный световод 18 обеспечивает отвод излучения антистоксовой флуоресценции, т.е. отвод тепла.
Фотонный эхо-процессор работает следующим образом. Излучение от источника 1 возбуждения фотонного эха и от источника 2 излучения накачки антистоксового охлаждения поступает с помощью устройства ввода излучения 3 на твердотельный носитель информации 4, содержащий центры возбуждения фотонного эха 7 и центры антистоксового охлаждения 8, откуда сигнал
фотонного эха через устройство вывода излучения 5 поступает на устройство регистрации сигналов фотонного эха 6. Один или несколько импульсов от источника 1 возбуждения импульсов фотонного эха, введенных через устройство ввода 3 в материал твердотельного носителя информации 4, являются сигнальными, а остальные вспомогательными. В результате эффекта фотонного эха в твердотельном носителе информации 4 происходит та или иная обработка сигналов. Частота источника 2 излучения накачки антистоксового охлаждения выбрана так, что излучение не может поглотиться центрами антистоксового охлаждения 8 без одновременного поглощения тепла. В результате колебательная энергия фонона ионов Yb3+ при поглощении фотонов преобразуется в энергию возбуждения электронной оболочки, и эта энергия выносится затем из материала твердотельного носителя информации 4 вместе с излучением антистоксовой флуоресценции большей частоты. Таким образом центры антистоксового охлаждения 8 в материале твердотельного источника информации 4 равномерно охлаждают материал в соответствии с механизмом антистоксового охлаждения до температуры жидкого гелия, при которой обеспечивается устойчивое функционирование фотонного эхо-процессора. Равномерность охлаждения центров возбуждения фотонного эха 7 обеспечивается за счет равномерного распределения центров антистоксового охлаждения 8 в материале носителя информации 4. Сигнал фотонного эха несет в себе результат выполненной операции обработки и через устройство вывода излучения 5 поступает на устройство регистрации фотонного эха 6, после чего может быть вновь использован для других операций.
Фотонный эхо-процесссор с носителем информации 4, выполненным в виде активного световода работает аналогично. Излучение от источника 1 возбуждения импульсов фотонного эха поступает через волокно 15 на дифракционную решетку 11 мультиплексора устройства ввода излучения 3, вводится этой решеткой сквозь кварцевый блок 13 в сердцевину 9 активного световода твердотельного носителя информации 4, возбуждает фотонное эхо, сигнал которого поступает через кварцевый блок 14 на дифракционную
решетку 12 демультиплексора устройства вывода излучения 5 и вводится волокном 17 для последующей регистрации в устройство регистрации 6. Одновременно излучение от источника 2 накачки антистоксового охлаждения поступает через волокно 16 на дифракционную решетку 11 мультиплексора устройства ввода излучения 3, вводится этой решеткой через кварцевый блок 13 в оболочку 10 активного световода, где происходит поглощение излучения центрами антистоксового охлаждения 8 с одновременным поглощением тепла, которое частично выводится дифракционной решеткой 12 и волокном 18 для мониторинга процесса охлаждения. В этом случае дифракционная решетка 11 вместе с кварцевым блоком 13 представляет собой мультиплексор устройства ввода информации 3, который за счет выбора параметров дифракционной решетки и кварцевого блока вводит излучение двух разных длин волн из двух волокон 15 и 16, подключенных к источнику 1 возбуждения импульсов фотонного эха и источнику 2 накачки антистоксового охлаждения, в один и тот же активный световод твердотельного носителя информации 4. На выходе антистоксовое излучение флуоресценции оболочки 10 и сигнала фотонного эха сердцевины 9 активного световода твердотельного носителя информации 4 разделяются демультиплексором устройства вывода излучения 5, образованным дифракционной решеткой 12 и кварцевым блоком 14, по разным волокнам 17 и 18. В данном случае также достигается равномерное охлаждение центров возбуждения фотонного эха 7 носителя информации 4, так как диаметр сердцевины 9 активного световода достаточно мал.
Заявляемое техническое решение позволяет устранить температурный градиент при охлаждении твердотельного носителя информации за счет равномерного распределения центров антистоксового охлаждения, что обеспечивает устранение ошибок обработки информации в эхо-процессоре.