OPTOELEKTRONIKAI ESZKÖZÖK ÉS INFORMÁCIÓ-TECHNOLÓGIAI ALKALMAZÁSAIK PhD tézisfüzet KÉSZÍTETTE: REMÉNYI JUDIT TÉMAVEZETŐ: DR. LŐRINCZ EMŐKE BUDAPEST 2005
A kutatások előzménye, célkitűzések A korszerű berendezésekben, például az információfeldolgozás, adattárolás területén a hagyományos, tisztán elektronikus megoldások helyett egyre jelentősebb az optikai, optoelektronikai eszközök alkalmazása. Doktori munkámban bizonyos optoelektronikai eszközöket illetve speciális alkalmazásaikat vizsgáltam, ez alapján javaslok vizsgálati módszereket és alkalmazásukkal új megoldásokat. A modern optikai berendezések legfontosabb fényforrásai a lézerek, ezek vizsgálata, minősítése volt kutatásaim egyik területe. A legtöbb alkalmazásnál fontos szerepe van a fényforrás koherenciatulajdonságainak; bizonyos esetekben a nagyfokú koherencia teszi alkalmassá, illetve kényelmesen alkalmazhatóvá a lézert, máskor viszont a nyalábok interferenciája zavarhatja az eszköz működését, ilyen esetekben a rövid koherenciahossz az előnyös, de sok elrendezésben a köztes eset az optimális, ha a pontosan beállított nyalábok interferenciájára van szükség, de a parazita fények interferenciája kerülendő. A koherencia-függvény mérésére szolgáló interferométeres módszer gyakran nehézkes, ezért más mérési eljárást kerestem és vizsgáltam. A folyadékkristályos kijelzők (LCD) jelenlegi legelterjedtebb alkalmazása az információ megjelenítése a felhasználó számára, de mint olyan eszköz, mellyel a fény különböző tulajdonságai módosíthatóak, az adatkezelés folyamatában térbeli fénymodulátorként (SLM) más feladatok ellátására is egyedülállóan alkalmasak lehetnek. Számos optikai alapon működő adattároló, adatfeldolgozó rendszerben és egyéb alkalmazásokban nem a fény intenzitásának, 2
hanem fázisának térbeli modulációjára van szükség. Gyakorlati rendszerekben ezt célszerű hozzáférhető elemek felhasználásával megvalósítani, erre kerestem megoldást LCD és polarizációs elemek alkalmazásával. Nagy sűrűségű adattárolásra ígéretes megoldás a holografikus módszer, melyben előnyösen a bemenő adatkép Fourier transzformáltját kell a hologramban rögzíteni. A világos és sötét adatpixeleket megjelenítő LCD Fourier transzformáltjában nagy intenzitáscsúcsok jelennek meg, melyek az anyag telítődése miatt jelentősen csökkentik a rögzítés minőségét. Ennek kiküszöbölésére pl. fázismaszkot alkalmaznak, mely a világos képpontokról érkező fény fázisát helytől függően tolja el. Ehelyett előnyösebb lenne az adatbeviteli eszköz, tehát az SLM komplex háromállapotú modulációját megvalósítani, vagyis két ellentétes fázistolású, magas áteresztésű (+1, -1), illetve egy alacsony áteresztésű (0) állapotot használni egyszerű amplitúdó-moduláció helyett. Ez az adattároláson kívül optikai korrelátorokban és egyéb alkalmazásokban is hasznos lehet. A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Atomfizika Tanszékén szélessávú jelek fázisvezérlésére szolgáló akusztooptikai késleltető-vonalat terveztünk és építettünk a BME Villamosmérnöki Karán kifejlesztett úthossz-diszperzió elméletének kísérleti megvalósításával. Az elrendezés lépcsős tükörrel hozott létre frekvenciafüggő fázistolást, így a rendszer időkésleltetése nem volt változtatható, ami korlátozta az eredmények gyakorlati jelentőségét. Az elmélet egyértelmű igazolásához szabályozható frekvenciafüggő fázistolás szükséges, mellyel a vezérelhető időkésleltetés megvalósítható. 3
Új tudományos eredmények (tézisek) 1. Új, közvetett módszert fejlesztettem ki néhány longitudinális módusban működő lézer koherencia-függvényének mérésére. A módszer lényege, hogy a különböző úthossz-különbségű beíró nyalábokkal a törölhető és újraírható rögzítő anyagba írt polarizációs hologramok diffrakciós hatásfoka arányos a beíró nyalábok koherenciafokával, tehát a diffrakciós hatásfok mérése lehetőséget nyújt az időbeli koherencia-függvény egyszerű és gyors meghatározására. A módszert egy frekvencia-kétszerezett Nd:YAG lézer vizsgálatára alkalmaztam és helyességét kísérletileg igazoltam. [5, 9] 2. Megmutattam, hogy egyszerű, tömeggyártott csavart nematikus (TN) folyadékkristályos kijelzőt (LCD) tartalmazó polarizációs optikai rendszer polarizációs elemei beállításának optimalizálásával, 406 nm hullámhosszú lézerfény alkalmazása esetén, elérhető olyan háromállapotú moduláció, amely hatékonyan alkalmazható holografikus adattárolásban a Fourier-sík homogenizálására, ezzel az adatrögzítés javítására, mivel a két magas áteresztésű szint (+1, -1) fázisa pontosan ellentétes, és a polarizációs intenzitás-veszteség <20%, illetve az alacsony áteresztésű (0) szint transzmissziója elhanyagolható zajt okoz az 1:200 kontrasztérték miatt. A matematikai modellel optimalizált beállítást kísérletileg is ellenőriztem. [2, 4] 4
3. Felismertem, hogy az amplitúdó-modulátorként széles körben elterjedt, tömeggyártott csavart nematikus (TN) folyadékkristályos kijelzők (LCD) polarizátorokból és hullámkésleltetőkből álló optikai összeállításban térbeli fázismodulátorként alkalmazhatóak például optikai adattároló vagy jelfeldolgozó rendszerekben. A kijelzőt tartalmazó polarizációs optikai rendszert matematikailag modellezve megkerestem annak kis veszteségű, közelítőleg konstans áteresztésű fázismoduláló beállításait. A számítások eredményeit kísérletileg igazoltam piros, zöld és kék lézerfény alkalmazásával. [3, 4] 4. Elsősorban fázisvezérelt antennarendszerekben szükséges, szélessávú, változtatható időkésleltetésű vezérlőjel előállítására térbeli fázismodulátorként működő folyadékkristályos kijelző alkalmazását javasoltam akuszto-optikai késleltető-vonalban, mely így úthosszdiszperzióval valósít meg nagy, változtatható időkésleltetést. Az akuszto-optikai cellával optikai tartományba konvertált és frekvenciakomponenseire bontott jelre a kijelzővel frekvenciától függő, szabályozható fáziskésleltetést adhatunk, mely a frekvenciakomponensek egyesítése és a rádiófrekvenciás tartományba visszakonvertálás után a jel frekvencia-független időkésleltetését hozza létre. Ezzel kísérletileg igazoltam az úthossz-diszperzió elméletét. [1, 6, 7, 8] 5
A tézispontokhoz kapcsolódó tudományos közlemények 1. Maák P., Reményi J., Jakab L., Richter P., Frigyes I., Habermayer I.: True time delay for short pulses based on optical path-length dispersion: Experimental proof of functioning Proceedings 2000 IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology (Dana Point, USA, 2000) 449-452 2. Domján L., Koppa P., Szarvas G., Reményi J.: Ternary phaseamplitude modulation with twisted nematic liquid crystal displays for Fourier-plane light homogenization in holographic data storage Optik, 113 (2002) 382-390 3. Reményi J., Koppa P., Domján L., Lőrincz E.: Phase modulation configuration of a liquid crystal display ICO XIX: Optics for the quality of life konferencia, (Firenze, Olaszország, 2002) 793-794 4. Reményi J., Várhegyi P., Domján L., Koppa P., Lőrincz E.: Amplitude, phase and hybrid ternary modulation modes of a twisted-nematic liquid-crystal display at ~400 nm Applied Optics, 42 (2003) 3428-3434 5. Reményi J., Lőrincz E.: Coherence function measurement of a multi-mode laser by polarization holography European Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO-Europe 2003) konferencia (München, Németország, 2003) 6
6. Reményi J., Maák P., Frigyes I., Jakab L., Richter P.: Demonstration of continuously variable true time delay in frequency dependent phase compensating system with acoustooptics and liquid crystal modulator Optics Communications, 226 (2003) 211-220 7. Reményi J., Maák P., Frigyes I., Jakab L., Richter P.: Variable true time delay realized with acousto-optics and liquid crystal spatial light modulator Microwave Photonics 2003 konferencia (Budapest, 2003) 8. Reményi J., Maák P., Jakab L., Richter P., Frigyes I.: Improvements in optically generated variable delay lines for phased array antennas INICA 2003 International ITG-Conference on Antennas (Berlin, Németország, 2003) 9. Reményi J., Lőrincz E.: Többmódusú lézer koherenciafüggvényének mérése polarizációs holográfiával Kvantumelektronika 2003 konferencia (Budapest, 2003) További tudományos közlemények 10. Reményi J., Ch. Carré, G. Pauliat, G. Roosen: Development of a confocal DIC microscope to follow the kinetics of photopolymerization COST P8 workshop (Párizs, Franciaország, 2004) 7