Результат интеллектуальной деятельности: ФОТОННЫЙ ЭХО-ПРОЦЕССОР С ЛАЗЕРНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Изобретение 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 неоднородноуширенной полосой поглощения. При этом элементарные области такого материала при сканировании интенсивным световым (лазерным) лучом будут поглощать излучение только в пределах однородноуширенной линии, связанной с частотой приложенного лазерного импульса и являющейся значительно более узкой в частотном диапазоне, чем неоднородноуширенная 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 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:Tm³⁺), 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 направлено изобретение, 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.

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 см², выполненную из материала, содержащего центры возбуждения фотонного эха 7 на ионах одного из редкоземельных элементов, например трехвалентного тулия (Tm³⁺), и центры антистоксового охлаждения 8 на ионах другого редкоземельного элемента, например трехвалентного иттербия (Yb³⁺). В качестве материала твердотельного носителя информации 4 могут быть использованы оптические кристаллы или стекла (YAG, LaF₃, 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 центров возбуждения фотонного эха твердотельного носителя информации за счет равномерного распределения центров антистоксового охлаждения, что обеспечивает устранение ошибок обработки информации в эхо-процессоре.