Между оптикой и акустикой [76]

Не секрет, что многие важнейшие открытия в науке были сделаны на стыке двух или нескольких, практически никак не связанных до этого направлений. Однако среди узлов, сцепляющих разные ветви научного прогресса в единое целое, хватает и таких, которые лишь смутно обозначились, однако реально во что-либо существенное так и не воплотились. Иначе говоря все предпосылки для нового эволюционного этапа вроде бы сформированы и готовы к объединению, но… Что-то вдруг не склеивается, как говорится, и вся конструкция рассыпается на многие десятилетия. Или даже века. Наглядный тому пример могут дать три важных для науки события, происходившие практически одновременно и, на первый взгляд, абсолютно независимо друг от друга в 1880-1881 годах.

Летом 1880 шотландский изобретатель-самоучка Александр Грэхем Белл (1847-1922), в ту пору работавший в Канаде и США, создает свой первый «фотофон» [1] – беспроводной телефон, в котором речь передавалась с помощью светового луча, модулированного звуками голоса. В тот же год, но только в Британии, другой шотландец Уильям Томсон на основе физики вихревых колец придумывает новаторскую модель эфира как вихревой губки, то есть среды с гранулированной упругой структурой. Еще через несколько месяцев, летом 1881 норвежец Карл Бьеркнес с большим успехом представляет в Париже свою гидродинамическую модель электромагнетизма, подкрепленную как внятными теоретическими выкладками, так и эффектными опытами-демонстрациями. Тогда же, в 1881, Белл успешно применяет свой фотофон на практике – для связи между зданиями, расположенными на расстоянии порядка 200 метров друг от друга…

Кроме одновременности, каких-либо осмысленных связей между упомянутыми событиями для истории науки по сию пору не существует. Единственное, пожалуй, что их все объединяет, это гигантское несоответствие в оценках важности работы по мнению самих авторов и со стороны научного сообщества. Белл, в частности, считал фотофон важнейшим изобретением своей жизни, намного более значительным, чем его же телефон, принесший изобретателю мировую славу. Но если телефон был оценен и востребован практически сразу, то смысл и полезность беспроводного устройства опто-акустической связи оставались непонятыми еще очень долгое время. О бесславной судьбе, выпавшей на долю очень важной для самого Томсона модели эфира как вихревой губки, а также о быстром забвении теории Бьеркнеса, составлявшей для скандинавского затворника дело всей жизни, уже было рассказано ранее. Принципиальный для развития физики узел, другими словами, завязать не удалось.

Сегодня, если фотофон Белла кто-то вдруг и вспоминает, то почти всегда в контексте оптоволоконной телефонной связи. Как правило, демонстрируя этим примером, что важная современная технология может опираться в своей основе на древнее изобретение, сильно опередившее эпоху и остававшееся невостребованным почти сотню лет. Куда реже упоминают Белла в качестве родоначальника наук оптоакустики и акустооптики, с разных сторон изучающих воздействие света и звука друг на друга, а также тонкие нюансы их совместных взаимодействий с материей. Практически все базовые элементы белловского фотофона – зеркала, линзы, чувствительные к колебаниями света и звука кристаллы – по сию пору составляют основу в арсенале оптоакустических экспериментов и исследований. Область практических приложений этой науки сегодня очень обширна, но в данном случае особый интерес представляет направление под названием оптический компьютер.

*

Суть этого устройства в двух словах сводят к такой технологии, где основные обработка и передача информации происходят не в электронных, а в оптических цепях и схемах. Носителями же информации являются не потоки заряженных частиц-электронов, а, соответственно, пучки и волны света. К сожалению, выбранный здесь термин – «оптический компьютер» – не очень удачен, ибо искусственно ограничивает понимание сути данного предмета. Компьютерами по традиции называют устройства для решения вычислительных задач, то есть, грубо говоря, мощные и сильно продвинувшиеся в своем развитии арифмометры. Которым лишь на определенных этапах их эволюции начали находить и другие полезные приложения, вроде обеспечения коммуникаций, обработки изображений, поддержки баз данных и так далее.

Оптический же компьютер, напротив, по самой природе своей гораздо лучше подходит именно для этих задач. А математические вычисления – функции арифмометра – обеспечивает, так сказать, в качестве дополнительного бонуса. По мере того, как наука приходила к пониманию, что искусственный интеллект – это не склад истин и рецептов на все случаи жизни, а некая универсальная система для связей и сравнений всевозможных объектов и событий, стало ясно и то, что оптический компьютер гораздо ближе к этой концепции, чем электронная вычислительная машина. Множество разнообразных задач – таких как распознавание образов и машинное зрение, спектральный анализ сигналов и связь, навигация в пространстве и быстрый поиск в базах данных – с помощью оптических процессоров удается решать эффективнее и, если угодно, более естественно, чем в кремниевых микросхемах.

Благодаря принципиальным физическим отличиям фотонов от электронов, свет обладает многочисленными преимуществами с точки зрения передачи и обработки информации. Более отчетливо выраженные волновые свойства, а также отсутствие у фотона электрического заряда и массы покоя предоставляют оптическим компьютерам практически безграничный потенциал в развитии. Возможности одновременной и параллельной работы с различными длинами волн, с их разной поляризацией и с очень высокой опорной частотой излучения обеспечивают фантастические скорости передачи и плотность информации. Прозрачные среды применяются для высокоэффективного хранения данных, их обработки и коммутации. Более того, в прозрачной среде информацию, закодированную оптическим лучом, можно обрабатывать вообще без затрат энергии.

Идеологически чистый, как иногда выражаются, оптический компьютер подразумевает конструкцию, вообще лишенную каких-либо электропроводов и вспомогательных электронных устройств. Но увы, как показала практика, при нынешнем уровне технологий и материалов рассчитывать на чисто оптические решения пока не приходится. Поэтому и в военной технике – главной области применения таких устройств – и в прочих сферах, где весьма недешевые оптические компьютеры получают распространение, наиболее развиты оптоэлектронные подходы, оптимально комбинирующие преимущества обеих технологий в одном аппарате. Однако имеется и существенно иное, тоже весьма активно развиваемое направление – под названием оптоакустическая обработка информации.

**

С точки зрения идеологической чистоты оптоакустика, или иначе акустооптика, представляется куда более приемлемым решением. Точнее даже сказать естественным, коль скоро имеется возможность обходиться без электроники и ее проводов. Несколько необычное одновременное применение сразу двух терминов объяснятся существенными для специалистов нюансами. Оптоакустика, по определению, занимается теми явлениями, где свет воздействует на акустические характеристики среды. А в акустооптике, наоборот, изучаются эффекты воздействия интенсивного (ультра-) звука на поведение света. Для неспециалистов важна лишь общая физика взаимодействия оптических и акустических волн, поэтому на порядок слов можно не обращать внимания.

Как показали исследования, физика таких взаимодействий весьма богата разнообразными эффектами. С помощью ультразвука, скажем, можно управлять рассеиванием и преломлением света – это называется акустооптическая дифракция и рефракция. Под действием мощных оптических волн, с другой стороны, можно усиливать слабые акустические волны, делая громкими практически неслышные звуки. Более того, в определенных условиях свет может сам генерировать акустические волны, а звук, в свою очередь, порождать излучение света. Иначе говоря, многогранность акустооптических эффектов позволяет эффективно манипулировать по сути любыми параметрами оптических волн. В частности, говоря о современной технике, методами акустооптики управляют интенсивностью лазерного излучения, положением оптического луча в пространстве, поляризацией и фазой оптической волны, а также спектральным составом и пространственной структурой оптических пучков.

Понятно, что для такого рода технологий – одновременно быстрых, точных и потребляющих мало энергии – очень важной областью применений стали системы оптической обработки информации вообще и оптические процессоры в частности. В самом общем случае типичный оптический процессор строится на основе трех главных элементов. Во-первых, оптическая схема для преобразования входного изображения в выходное, коль скоро в таких устройствах и вход, и выход, и даже команды управления представляют собой те или иные картинки. Во-вторых, схема организации обратной связи, обеспечивающая возможность подачи на вход процессора его же выходного сигнала. И в-третьих, оптический усилитель, компенсирующий потери информации при обработке.

В традиционном оптическом процессоре все эти элементы физически представляют собой более или менее громоздкие конструкции из зеркал, линз и кристаллов. Понятно, что для условий массового производства аппаратура подобного рода не очень подходит, а при изготовлении малыми партиями оказывается чересчур дорогой в сравнении с электроникой. В то же время интегральные микросхемы-чипы дают великолепный пример того, к чему можно было бы свести оптический процессор в идеале. Теоретически, по крайней мере, ничто не препятствует тому, чтобы создать подходящий прозрачный кристалл в качестве оптического усилителя и внутри его объема сконструировать оптический процессор из множества микроскопических элементов, взаимодействующих друг с другом волнами света и звука.

***

Кроме того, для интегральных оптических процессоров будущего уже имеются и еще более красивые идеи – создать среду с переменной управляемой структурой. Подобно электронным чипам FPGA с перепрограммируемой логикой, внутри такого оптического процессора нужные зеркала, линзы, оптические транспаранты и межсоединения не устроены заранее, а создаются специальными командами управления по мере необходимости. Надо только подчеркнуть, что идеи эти касаются сугубо квантовых по своему устройству процессоров. Иначе говоря, речь тут идет не об оптических компьютерах вообще, а о об устройствах на основе когерентного света, принципах квантового усиления и прочих эффектах квантовой физики.

Важнейшую роль при решении этой задачи играют материалы с ярко выраженными нелинейными оптическими свойствами. Если охарактеризовать эти свойства в простых словах, то речь идет о средах, способных существенно изменять свои оптические характеристики под влиянием проходящего через них света или звука. Благодаря этому в среде имеется возможность для взаимного влияния пучков света и импульсов звука, перекачки энергии между пучками и других взаимодействий. И что особо важно, становится возможным при помощи одних направленных волн создавать пространственные неоднородности, выполняющие функции оптических элементов для других волновых сигналов. Наиболее естественный, вероятно, способ порождать такие элементы-неоднородности с нужными свойствами предоставляет голография.

Причем голография, кроме того, предоставляет и существенно иной тип межсвязей, принципиально отличающихся не только от проводов, но и от геометрических лучей оптики. В данном случае сигналы между элементами передаются не лучами, а путем распространения наложенных волн в пространстве, при этом связь между волнами устанавливается с помощью сформированных в среде решеток, которые также наложены друг на друга. Можно утверждать, что 3-мерная или «глубокая» голограмма является самым совершенным элементом связи различных волн, так как составляющие ее трехмерные решетки однозначно связывают определенные пары волн и не реагируют на другие волны.

Наконец, голограммы можно использовать здесь не только в качестве принципиальных узлов оптического процессора, но также и в роли памяти – как для хранения картинок-команд, так и элементов обработки. Помимо огромной емкости и скорости выборки, голографическая память обладает целом рядом других достоинств и особенностей, разобрать которые имеет смысл отдельно.

←Ранее

↑На уровень вверх↑

Далее→

[1] A.G. Bell, «On the Production and Reproduction of Sound by Light», the American Journal of Sciences, Third Series, vol. XX, #118, October 1880, p. 305-324