Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 22 статьях в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в 12 журналах, входящих в перечень ВАК (подчеркнуты в списке основных публикаций), в 8 патентах на изобретение и 2 патентах на полезную модель, а также в 61 материале всероссийских и международных конференций и симпозиумов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 337 наименований и приложений. Приложения включают 9 актов использования и внедрения результатов работы. Работа содержит 362 страницы основного текста, включающих 26 таблиц и 243 рисунка.
Личный вклад автора
В диссертации изложены результаты работ, выполненных автором в течение более 20 лет лично и в соавторстве. В части работ, выполненных в соавторстве и включенных в диссертацию, автор является инициатором проведенных работ (выдвигал идею, формулировал задачу, намечал пути ее решения) и внес определяющий вклад в проведение экспериментов, разработку основных конструктивных решений и методик исследований, проведение теоретических расчетов. Кроме того, автор осуществлял обработку, анализ и обобщение результатов.
Ряд результатов, вошедших в диссертацию, получен в соавторстве с Г.Е.Адамовым, В.А.Барачевским, А.Ф. Беляниным, И.С.Голдобиным, А.Г.Девятковым, М.М.Краюшкиным, которым автор благодарен за плодотворное сотрудничество. Автор выражает также благодарность сотрудникам и аспирантам, работающим под его руководством в ОАО «ЦНИТИ «Техномаш».
основное содержание работы
Во введении обосновывается актуальность разработок технологий и оборудования для создания новых композиционных материалов и многослойных функциональных структур с использованием фотохромных и светоизлучающих соединений, направленных на формирование элементной базы высокопроизводительных систем хранения, считывания и обработки данных; формулируются цель работы и задачи, решаемые для достижения поставленной цели; перечислены основные научные результаты, выносимые на защиту; показаны научная новизна исследования и его практическая ценность.
В первой главе рассмотрены материалы и устройства оптической памяти, нейросетевой обработки информации на основе: микро- и оптоэлектронной элементной базы, оптические нейрокомпьютеры и конструктивно-технологические решения в области биомолекулярной и гибридной электроники, приборы на основе: молекулярных сред, включая слоистые структуры для информационных систем, в том числе, реализующих голографические принципы хранения данных; функциональных сред с использованием бистабильных молекул, имитирующих работу полупроводникового транзистора; сред на основе явления электронно-структурной неустойчивости проводящих молекулярных комплексов.
Обоснована актуальность разработки композиционных материалов и многослойных структур, реализующих процессы записи, хранения, считывания и обработки информации на основе фотоиндуцированных управляемых изменений оптического пропускания, преломления, флуоресценции. Представлены схема этапов работы для достижения поставленной цели и последовательность их выполнения.
Рассмотрены физические, химические и технологические свойства БР, основные БР-содержащие среды (суспензии, гели, твердые слои и другие) и способы их формирования (метод Ленгмюра-Блоджет, центрифугирование, полив, электрофоретическое осаждение). Анализ рассмотренных БР-содержащих сред и способов их формирования показал, что наиболее технологичными при получении твердых слоев, отвечающих требованиям стабильности, долговечности, управляемости оптическими и динамическими характеристиками, являются методы центрифугирования и полива, дающие возможность формирования пленок на основе полимерных матриц. Для различных водорастворимых полимеров (поливиниловый спирт, полиакриламид, желатина и другие) рассмотрены совместимость с БР и другими фазами (соли различных металлов, наночастицы), а также возможность воздействовать на оптические параметры БР-содержащих полимерных пленок.
Представлены конструкции для компонентов информационных систем. Приведены примеры использования БР в многослойных структурах и в голографических элементах для устройств обработки, записи, хранения и считывания информации, коммутационных устройств, а также информационно–измерительных приборов для диагностики технологических процессов изготовления материалов электроники. Показаны функциональные преимущества и перспективность применения БР в приборах электронной техники. На основе результатов аналитического обзора обосновываются: оптимальность многослойной структуры, включающей слои на основе БР, волноводные и светоотражающие слои, для изготовления компонентов информационных систем и нейросетевых технологий; целесообразность использования желатины в качестве полимерной матрицы для БР.
Рассмотрены физические, химические и технологические свойства сред на основе органических соединений, испытывающих необратимые и фотохромные превращения под действием лазерного излучения и обеспечивающих запись и недеструктивное считывание оптической информации флуоресцентным и фоторефрактивным методами. Предложены базовые процессы, реализуемые в функциональных средах на основе фотохромов (БР), хромонов и светоизлучающих соединений – продуктов фотоперегруппировки хромонов, перспективные для построения устройств нейросетевой обработки информации, 3D многослойных носителей данных и других компонентов информационных систем.
Базовый процесс в фотохромных БР-содержащих средах. Нейросетевая обработка информации на основе выбранного базового процесса. Базовый процесс в БР связан с изменением концентрации поглощающих центров БР (максимум поглощения на = 570 нм (БР570)) в результате их взаимодействия с квантами света и переходом БР570 в форму М412 (максимум поглощения на = 412 нм). Этот базовый процесс может быть использован (рис. 1) для создания формальных нейронов и выполнения основных нейросетевых операций в среде БР: взвешивание вектора входных сигналов в соответствии с матрицей весовых коэффициентов синаптических связей, сложение взвешенных значений входных сигналов, формирование выходного сигнала в соответствии с активационной функцией.
|
|
Рис. 1. Устройство нейронной сети на основе базового процесса: 1, 6 плоские волноводы, включающие дифракционные решетки ввода и вывода излучения; 2, 4, 7 БР-содержащие слои (фотоприемный, слой весовых коэффициентов и слой нейронов); 3, 5 цилиндрические линзы.
|
Рис. 2. Пропускание (Рвых/Рвх) БР-содержащего слоя в зависимости от плотности мощности (Рвх) воздействующего излучения.
|
Световой поток (входной вектор), воздействует на БР-содержащий слой 2 и создает в нем фотоиндуцированное распределение измененного показателя поглощения. Волновод 1 формирует световой фронт, который модулируется по интенсивности в соответствии с распределением показателя поглощения БР-слоя 2 и, посредством линзы 3, распределяется на поверхности БР-слоя 4 (слоя весовых коэффициентов, в данном случае, коэффициентов пропускания соответствующих участков БР-слоя). Взвешенные компоненты входного вектора формируются линзой 5 в световой поток, поступающий на входы нейронов БР-слоя 7. Функция сложения входных сигналов осуществляется как результат совместного воздействия на один и тот же участок слоя 7 световой энергии соответствующих взвешенных компонент входного вектора и изменения пропускания этого участка согласно зависимости нелинейной активационной функции нейрона от суммы взвешенных входов (рис. 2). Формирование выходного сигнала нейрона осуществляется активирующим световым фронтом, создаваемым в волноводе 6. Значение выходного сигнала определится как доля энергии активирующего фронта, прошедшая через соответствующий участок БР-слоя 7. Выходные сигналы нейронов БР-слоя 7 образуют непрерывный световой фронт. Обучение системы, заключающееся в формировании весовых коэффициентов (коэффициентов пропускания БР-слоя 4), может быть достигнуто оптически - методом обратного распространения. Для практического исполнения устройств на основе базового процесса предложены многослойные структуры, включающие БР-содержащие полимерные слои.
Требования к параметрам БР-содержащих полимерных пленок по формированию и взаимодействию нейронов определены методом программно-математического моделирования.
БР-содержащие полимерные пленки предназначены для формирования нейронов путем изменения поглощения этих пленок воздействием на них модулированных световых потоков. Разработанная программно-математическая модель позволяет реконструировать изменения распределения показателя поглощения пленок на основе БР и модуляции интенсивности световых фронтов (при многократном последовательном или совместном прохождении световых фронтов через БР-содержащие среды) для пленок, полученных из суспензий, пленок, полученных методом Ленгмюра-Блоджетт (моно- и многослойных), а также полимерных БР-содержащих пленок. В модели использовано упрощенное балансное уравнение для скорости изменения концентрации молекул в форме БР570 (СБР570) и форме М412 (СМ412):
dСМ412/dt = dБР570 (l)A1Мвх(t)СБР570 - dМ412(l)A2Мвх(t)СМ412 - (1/t)СМ412,
где dБР570 и dМ412 – сечения взаимодействия молекул БР570 и М412 на длине волны, соответствующей импульсу света; А1, А2 – квантовые выходы переходов БР570 ® М412 и М412 ® БР570; Мвх – плотность потока фотонов; t – время жизни М412. Предполагается, что СБР570 + СМ412 = С – общая концентрация молекул БР, принимающих участие в фотоцикле.
В модели использовались значения сечения взаимодействия: излучение при l = 570 нм для БР570 – 2,322Ч10-2 нм2; излучение при l = 412 нм для БР570 – 1,617Ч10 2 нм2, для М412 –
0,291Ч10 2 нм2; излучение при l = 630 нм для БР570 – 0,442Ч10-2 нм2. Квантовые выходы переходов БР570 ® М412 и М412 ® БР570 приняты равными 0,3. В результате моделирования и программно-математических компьютерных исследований определены требования к БР-содержащим полимерным пленкам. Оптическая плотность пленок должна лежать в пределах 0,8–1,3 при толщине БР-содержащих полимерных пленок 6–14 мкм. В этом случае изменение поглощения-пропускания составляет 10–50% от первоначального значения при воздействии световых потоков с плотностью мощности (Р) 1–100 мВт/см2 на λ = 630 нм и длительностью 0,1–10 с.
Базовые процессы записи и считывания данных в средах на основе синтетических хромонов и светоизлучающих соединений — продуктов фотоперегруппировки хромонов для 3D многослойных оптических носителей информации. Базовые процессы предлагается реализовать в функциональных материалах, выполненных в виде многослойной волноводной структуры, с чередующимися полимерными и фоточувствительными слоями (рис. 3). В состав центрального волноводного слоя входит соединение класса хромонов, которое в исходном состоянии (форма А) не поглощает в видимой области спектра и поглощает в УФ диапазоне (<350 нм). Воздействие на длине волны в этой области необратимо переводит молекулу хромона в люминесцирующую форму с lмах = 520 нм с поглощением на lмах = 440 нм.
|
Рис. 3. Схематическое изображение базовых процессов записи и считывания информации. 1 граничные слои планарных волноводов; 2 – хромон-содержащие слои; 3 – световые потоки записывающего излучения; 4 – области записи в однофотонном режиме; 5 – область записи в двухфотонном режиме.
|
Базовый процесс записи, пригодный для 3D многослойного оптического носителя информации, основан на явлении двухфотонного поглощения, которое реализуется при достижении достаточного значения плотности мощности (Р) излучения (измеренное пороговое значение для применяемых материалов на l = 680 нм составляет ≈3×108 Вт/см2), при этом осуществляется одновременное поглощение сразу двух одинаковых квантов света через виртуальный уровень, что соответствует удвоенной энергии кванта и l = 340 нм. Запись реализуется с использованием острой фокусировки излучения и позволяет обеспечить локальные необратимые фотоиндуцированные превращения светочувствительных соединений в заданной точке без изменения состояния в других областях (рис. 3). Во избежание перегрева используется импульсный лазер. Процесс считывания данных в многослойной структуре может быть реализован как последовательно на основе двухфотонного возбуждения флуоресценции отдельных записанных битов, так и параллельно на основе однофотонного возбуждения флуоресценции множества записанных битов в заданной области заданного слоя (рис. 4).
|
Рис. 4. Схематическое изображение процесса параллельного считывания в многослойных волноводных структурах. 1 – граничные слои волновода; 2 – хромон-содержащие слои; 3 – записанные биты информации.
|
Требования к композиционному материалу центрального слоя волновода. Предложенные базовые процессы и физико-математическое моделирование определили комплекс требований к функциональным и технологическим характеристикам материалов многослойной структуры для 3D многослойных носителей данных. Область чувствительности к записывающему излучению, обеспечивающему фотоиндуцированный перевод молекул хромона во флуоресцирующую форму, должна лежать в пределах 330–360 нм. В этом случае излучение 360 нм, применяемое в ходе технологического процесса отверждения полимера в присутствии соответствующего фотоинициатора, не вызывает несанкционированных фотоиндуцированных необратимых переходов. Коротковолновая граница определяется зоной поглощения ( 330 нм) материала матрицы центрального слоя планарного волновода. Область чувствительности к считывающему излучению возбуждающему флуоресценцию продуктов фотоперегруппировки хромонов, должна лежать в пределах 420–460 нм, область флуоресценции – 500–560 нм. Полимерная матрица для центрального слоя волновода должна обеспечивать получение оптически однородных полимерных пленок толщиной 1–3 мкм с массовым процентным содержанием (%, масс) хромона ≤5 и n ≥1,49 при оптической плотности на = 442 нм (после перевода хромона в люминесцирующую форму) в пределах 0,01–0,02.
Во второй главе рассмотрены конструктивные принципы создания многослойных структур на основе композитных материалов для компонентов информационных систем, в том числе 3D оптических носителей информации и оптической нейросетевой обработки информации. Предложенные многослойные конструкции, несмотря на различное назначение, обладают сходным набором элементов интегральной оптики (планарные волноводы, встроенные дифракционные решетки), конструктивные характеристики которых рассчитаны по единым методикам. Проведена оценка зависимых от коэффициента преломления параметров волновода (толщина) и дифракционной решетки (период и глубина).
Допустимые толщины волновода h в зависимости от значений n* (n* – эффективный показатель преломления) определялись из решения волноводного дисперсионного уравнения:
 ,
где k = 2p/l – проекция волнового вектора на ось, совпадающую с направлением распространения света в волноводе; p = 3,14; n1, n2 – показатели преломления граничных слоев и n0 – показатель преломления центрального слоя волновода; m = 1, 2, ... – модовое число волновода. Предельное (критическое) значение толщины hкр для условия одномодового волновода вычислялось по формуле:  ... С целью обеспечения контролируемого локального и направленного вывода световой энергии из планарного волновода выполнена оценка распределения интенсивности излучения вдоль дифракционной решетки.
|
