Управляемые транспаранты

Управляемые транспаранты служат для пространственной модуляции светового пучка по амплитуде, фазе или поляризации и применяются в системах ввода-вывода данных.

По способу управления модуляцией светового пучка различают электрически и оптически управляемые транспаранты. Оба типа могут осуществлять дискретную или аналоговую модуляцию светового пучка. В первом случае транспарант должен обладать нелинейной характеристикой, во втором, наоборот, должен иметь линейную зависимость оптических свойств элемента от управляющего сигнала.

В основе работы управляемых транспарантов могут лежать различные физические явления: электрооптические, акустооптические, магнитооптические. Управляемые транспаранты условно можно разделить на следующие типы:

  1. Электрически управляемые транспаранты
  2. Оптически управляемые транспаранты

С адресацией электрическим напряжением

  1. Жидкокристаллические
  2. На основе электрооптической керамики
  3. На ферромагнитных материалах
  4. На монокристаллических сегнетоэлектриках
  5. Акустооптические устройства

Жидкокристаллические

Для пространственной модуляции света используют два электрически управляемых эффекта, наблюдающихся в жидких кристаллах: наведённое двулучепреломление и динамическое рассеяние света. Процесс изменения оптических свойств слоя жидкого кристалла носит пороговый характер.

Конструкция ячейки транспаранта представляет собой сэндвич, состоящий из плёнки жидкого кристала между двумя электродами, напылёнными на стеклянных подложках и обычно прозрачными.

Эффект динамического рассеяния применяют для амплитудной модуляции проходящего или отражённого светового пучка. Он обусловлен переносом заряда через слой жидкого кристалла и возникновением в нём гидродинамических нестабильностей. Перемешивание в электрическом поле приводит к значительному ослаблению интенсивности проходящего через ячейку света. По окончании действия электрического поля слой приобретает исходную структуру и становится прозрачным.

Под действием электрического поля в жидком кристалле происходит также процесс переориентации молекул(В- и S-ориентационные (полевые) эффекты). В результате при оптимальном расположении оптических осей слоя жидкого кристалла относительно вектора поляризации света достигается максимальное изменение двулучепреломления и соответственно фазовая модуляция света.

Твист-эффект (Т-эффект), близкий по природе к S-эффекту, обеспечивает поворот плоскости поляризации света.

Время электрооптического переключения в тонких слоях жидких кристаллов составляет 10 мкс.



На основе электрооптической керамики

Структура PLZT-керамики представляет собой горяче прессованную смесь лантана, цирконата и титаната свинца. Наблюдаемые в ней эффекты являются результатом ориентации в электрическом поле вектора поляризации сегнетоэлектрических доменов. Как следствие этого, происходит переориентация оптических осей зёрен кристаллов, обладающих явно выраженным двулучепреломлением.

Обычно различают четыре основных принципа, лежащих в основе работы приборов:

  1. Продольный электрооптический эффект в деформированной керамике.
    Электрический вектор поляризации в этом случае первоначально ориентируется вдоль пластинки по касательной к профилю её изгиба. Свет проходит через прозрачные электроды перпендикулярно пластине. Вызываемый электрическим полем поворот вектора поляризации сегнетоэлектрика приводит к изменению двулучепреломления пластины.
  2. "Краевой" эффект
    Сущность "краевого эффекта" заключается в том, что при подаче электрического поля на элементы матрицы, вследствие обратного пьезоэффекта, происходит увеличение толщины пластинки в межэлектродном промежутке. Это приводит к возникновению механического напряжения на соседних с элементом участках пластины и к соответствующей ориентации в них сегнетоэлектрических доменов. Тем самым механическое напряжение керамики здесь заменено электрическим аналогом. Записанная информация считывается в виде световых сегментов, окружающих переключаемый элемент.
  3. Обратный пьезоэффект
    Третий тип приборов использует электрически управляемое изменение длины оптического пути (электрооптический эффект) или механическое изменение толщины пластинки (обратный пьезоэффект) непосредственно в межэлектродном промежутке. Элемент матрицы работает как фазовый модулятор, в котором различна длина светового пути или локальное смещение фазы волнового фронта при отражении от пластины соответствует "единичному" или "нулевому" состоянию элемента.
  4. Эффект рассеяния света в крупнозернистой керамике
    Свет, проходящий через керамическую пластинку, рассеивается в определенном телесном угле, величина которого зависит от направления вектора поляризации матричного элемента. Рассеяние света может вызываться переходом керамики из электрически деполяризованного состояния в поляризованное состояние.

    Время переключения элемента модулятора на основе керамики с матричным адресованием составляет 10 мкс. Для создания транспарантов с индивидуальным адресованием можно использовать параэлектрическую керамику, имеющую скорость переключения десятки наносекунд.


    На ферромагнитных материалах

    С помощью применения новых материалов и полупроводниковых инжекционных лазеров, по-видимому, будут преодолены трудности связаные с токами перемагничивания и поглощением ферромагнетиков в видимой области спектра. Имеются сообщения о разработках на ортоферритах.

    Запись производится локальными магнитными полями, создаваемыми с помощью токовых петель. При этом происходит поворот плоскости поляризации света, распространяющегося в веществе,вдоль силовых линий магнитного поля(эффект Фарадея). Стирание и перезапись информации могут производится неограниченное число раз. В этом случае для записи 1 бита информации требуется время 10 нс при токе 1 А и диаметре токовой петли 100-300 мкм.

    На монокристаллических сегнетоэлектриках

    Эти материалы электрически бистабильны. Механизм действия транспарантов основан на переключении спонтанной поляризации, которая сопровождается изменением оптических свойств кристалла. Возможна как фазовая, так и амплитудная модуляция света.

    Акустооптические устройства

    Акустооптические устройства являются по существу одномерными преобразователями и формируют движущееся окно входных данных. Основные типы таких преобразователей - это устройства с объёмными и поверхностными волнами. В них используют явление дифракции света на акустических волнах, распространяющихся в среде взаимодействия, причём в устройствах с объёмными волнами используются как эффект Брэгга, так и эффект Рамана-Ната.

    Создание многоканальных модуляторов, формирующих двумерные массивы данных, возможно с помощью большого числа индивидуально адресуемых ячеек, число которых соответствует числу каналов модуляции. Временная последовательность m электрических импульсов по n каналам преобразуется в модуляторе в бегущее изображение с числом элементов m*n. Длительность импульса считывания должна составлять десятки наносекунд, чтобы акустическую решётку можно было бы считать неподвижной.

    Разработан модулятор со следующими параметрами: число каналов n=34, число элементов в каждом канале m=128. Производительность оцениваeтся в 1 Гбит/c.