Устройство для полной записи информации о волновом поле

 

1 ",. . ° - x и +чФ%ийиив

О fl ИСАЙ И Е 484485

Союз Советских

Социалистических

Реслублик .

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 06.02.73 (21) 1879678/26-25 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет—

Опубликовано 15.09.75. Бюллетень ¹ 34

Дата опубликования описания 07.06.76 (51) Ч, 1хл. 6 03с 9!08

Государстееииый комитет

Совета Мииистроа СССР оо делам иэобретеиий и открытий (53) УДК 772.99(088.8) (72) Автор изобретения

О. Ф. Меньших (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛНОЙ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ

О ВОЛНОВОМ ПОЛЕ

Изобретение относится к области физической оптики и квантовой электроники и может быть использовано в радиотехнике и голографии в качестве высокоинформативного запоминающего устройства голографических коррелято ров и анализаторов спектра сложных р адиотехнических сигналов.

Известны устройства для записи информации о волно вом поле в форме голограмм, которые используют запись двух голограмм, получаемых от интерференции пространственно когерентных предметного пучка авета и двух пучков опорных колебаний, находящихся в квадратурных отношениях (фаза колебаний одного опорного пучка сдвинута от фазы другого на 90 установкой светового фазов|ращателя). Запись голограмм с двумя квадратурными боковыми, опорными пучками нужна потому, что на голограмме записывается фотография интерференционного поля предметной и опорной волн в виде распределения квадрата модуля амплитуды интерферированной волны, содержащего в качестве неизвестных распределение амплитуды предметной волны и распределение фазы предметной, волны, то есть два неизвестных распределения предметной волны (вместе с детерминированным когерент ным фоном опорной волчины). Для нахождения указанных распределений необходимо иметь два независи2 мых интерференционных распределения квадрата модуля амплитуды интерферированной волны, Для обеспечения независимости записей интерферограмм поэтому требуется запи5 сать две голограммы от одного и того же предметного пучка и двух квадратур ных опорных пучков.

Как показывают теоретические исследования по оптимизации процессов записи инфор10 мации о волновом поле, создаваемом освещенным когерентным светом исследуемым объектом (предмето»), для получения полной информации об электромапнитном монохроматическом волновом поле, распространяющемся в

l5 линей ной неоднородной стационарной неактивной неизотропной среде, достаточно зарегистрировать четыре замкнутые голограммы.

Известные устройства записи не позволяют технически осуществить поставленную задачу.

20 Следовательно, записываемые голограм мы пе обеспечивают оптимально высокую разрешающую способность по исследуемому объекту (предмету) при восстановлении голограммы в лучах лазера.

Целью изобретения является увеличение разрешающей способности при голографическом восстановлении исследуемого ооъекта (предмета) . Для этого в устройство записи введены дополнительные боковые опорные

30 пучки когерентного света, .находящиеся в

484485

К 13 1,JЦ) 11 4 17 I I I>J 2 0 1 J I 0 11 E I I J J ß ë J I J J 3 I t I 0 17 I i! O I 1 . l 117 из а цп!О, 0P701 о Jtс! 7»Ityto пол 11 17 изацип Основныхх опорных пучков, Кроме того, исследуемый объект (предмет) освещается ортогона 7»II0 поляризованными двумя пучка3ги когерептного света. Вращение плоскости поляризации света достигается применением поляризациопного вращателя — ячейки Фарадея, а освещение исследуемого объекта (предмета) пучками когерептного света с ортогональной поляризацией достигнуTo применением оптпческОГО сУммсlт01711.

Ня чертежике дана блок-схема предложенного устройства.

Устройство содержит оптический квантовый генератор 1, оптический делитель 2 с двумя выходя ми (например, полупрозрачпуlo пластинку), первый выход которого связан с поляризацпоппым вращателем 3, осуществя!11IОЩИМ 110130POÒ П 70CKOCTJI ПОЛЯДИЗЯЦПИ КОГСрентного света ня угол 90 . Выход поляризациоппого вращателя связан с дополнительным оптическим делителем 4 с тремя выходямн.

Второй выход оптического делителя 2 связан с основным оптическим делителем 5 с тремя выходамп. Один из выходов каждого пз оптических делителей 4 и 5 связан с оптическим сумматором 6, выход которого связан оптически с исследуемым объектом 7 (предметом).

Предметный световой пучок от исследуемого объекта (предмета), воздействует на голограмму. Кроме того, вто рые и третьи выходы оптичеоких делителей 4 и 5 образуют две пары ортогональных по поляризации опорных боковых пучков, находящихся в квадратурных отношениях, обусловленных, введением в ива дратурные ка налы фазовращателей 9 и 10, осуществляющих фазовый сдвиг соответствующих опорных пучков на 90 .

Излучения оптического квантового генератора (ОКГ) 1, когерентные во времени и по пространству (режим ОКГ с одной поперечной модой колебаний), делятся 110 потоку на две равных компоненты в оптическом делителе 2 с двумя выходами (полупрозрачной пластинке). Одна из этих компонент, например с вертикальной поляризацией, воздействует на исследуемый объект и голограмму через делитель 5, оптический сумматор 6 и фазовращатель 10, образуя предметный и два квадратурных опорных пучка света с вертикальной поляризацией. Другая компонента действует на предмет 7 и голограмму 8 таким же образом, используя оптический сумматор 6, оптический делитель 4 и фазовращатель 9; однако образуемые ею предметный и два опорных квадратурных пучка света немеют горизонтальную поляризацию, благодаря установке вращателя 3 плоскости поляризации света на угол 90, выполненного, пап|ример, на ячейке

Фарадея (либо кварцевой правовращающей или левовращающей пластине соответству!Ощей оптической толщи!!ы).

Фазовращатели 9 и 10 представляют сооой стеклянные неактивные пластинки определен5

- 1

IIJ7JI I U 1щ1111ы, оп1ГС 1с 11! J< JIIJ! J(IIrJU! J !j) lз11 1 170 товых колебашш в JJJn па це.7ое нечетное число четвертей световых волн, излучаемых ОКГ.

Оптический сумматор 6 может представлять ссбой обычную полупрозрачную пластинку с двумя ортогонально расположенными оптическими Входами, Об!7 аз, Iощими уГлы с и 70скОстью пластинки 45. Однако при этом образуется также и два оптических выхода для коллинеарно суммировапного светового потока, то есть энергия излучения, падающего на исследуемый объект (предмет) 7, уменьшается вдвое, так как один из выходных лучей не используется. Более рациональным решением является установка дополнительно к полупрозрачной пластинке оптического сумматора

6 также отражателя, плоскость которогсо параллельна плоскости полупрозрачной пластинки. Прп этом оба х!"1зя!1ных выходных поToKlI полупрозрачнои пластинки падают на исследуемый объект (предмет) параллельно друг другу и рассматриваются как единый двухкомпоненJJII»III поток, освещающий исследуемый объект (предмет). В качестве исследуемого объекта (предмета) может быть взято какое-либо непрозрачное тело — предмет, форму которого следует запечатлеть на голограмме. Более интересным для практических прпложепий случаем является использование исследуемой среды, прозрачной для светового потока (и в энергетическом смысле), дифракция света в которой отражает некий пространственный образ регистрируемого физического процесса, характеризуемого функциями времени. Например, важно голографировать простра!Иственное распределение акустических волн в прозрачной звукопроводящей среде, возбуждаемой пьезодатчиками от электрических сигналов, спектр которых надлежит проанализировать. В этом случае процесс голографической записи должен происходить квазимгновенпо (должны быть использованы

0KI в моноимпульсном режиме с длительностью импульса света, существенно меньшей времени, в течвние которого фронт акустической волны переместится на четверть длины волны света). B противном случае на голограмме не получится квазимгно вепного отпечатка распределения акустической волны по пространству. Рассматриваемая голограмма 8 должна обладать достаточно высокой разрешающей способностью и чувствительностью.

По условиям изложенной теоремы о полной записи волнового поля требуется иметь четыре замкнутых голограммы. Под замкнутостью голограммы необходимо понимать, например, голографическую поверхность в виде сферы, внутри которой помещены исследуемый объект, источник излучения и элементы опорных каналов. Однако при использовании ограниченных по сечению плоских волн света использование пластин-голограм !ы ограниченных размеров (не замкнутой) обосновано, поскольку для ограниченных плоских пучков света интенсивность электромагнитных полей

484485 з н!1«.чс (:(3(, (эффск! И(ч1О! О сечен((я (() чк плоской с«его«ой «олны незпачнтельна. Разрешающая способность но предмету при этом определяется апертурой (сечением) плоской волны, а следовательно, размерами голопраммы (той ее части, где записана интерферограмма). Можно показать, что при диаметре апертуры плоской волны порядка 100 мм теоретическая разрешающая способность намного выше той, которая могла бы реализоваться на практике.

1(ак известно, основной трудностью в оптическом диапазоне волн является осуществление голографической записи с квадратурными опорныв(и каналами. Де((ст вительно, два опорных пучка света, падающие на п,(оскость голограммы, будут квадратурными только тогда, когда разность их фаз в любой заданной точке голографической пластины будет составлять 90 . Для обеспечения этого условия необходимо выполнение ряда трудновыполнимых условий: фронт опорных волн должен быть плоским либо одинаковым по форме и масштабу для обоих опорных пучков; опорные пучки должны быть взаимнопараллельными, а в случае некоторой неизбежной сферичности пучков последние должны исходить из одной точки, то есть опорные пучки должны совпадать в пространстве; фазовращатели (9 или 10) должны обеспечивать сдвиг фазы светового колебания на целое нечетное число чет(вертей волн света по всей своей плоскости, а пластинка фазоьращателя должна быть строго плоскопараллельной.

Добиться выполнения этих условий возможно, если использовать в качестве делителей 4 и о комбинации полупрозрачной пластинки и последовательно установленной ((o одному из ее оптических выходов двухлучевой системы типа интерферометра Рождественского, в одну из оптических ветвей которого устанс(влена фазовращающая пластинка (9 или 10) . При этом второй выход полупрозрачной пластинки используется как выход пучка света, подаваемого на одигн из входов оптического сумматора 6, а выходной пучок с интерферометра действует на голограмму 8 как два сколлимирован нь(х квадратурных опорных пучка. Практическое осуществление такого алгоритма записи голограммы возможно, хотя и достаточно сложно.

Рассмотрим возможность записи голограммы при использовании четырех опорных пучков, каждая из двух пар которых с одной и той же поляризацией содержит пучки, не находящиеся в квадратурных отношениях.

Действительно, по условиям полной записи необходимо синтезировать четыре неза висимых голограммы, поскольку. неизвестных распределений (амплитуд и фаз) также четыре. Однако теорема не утверждает, какие именно четыре голограммы необходимо записать, действительно ли необходима запись голограмм с использованием квадратурных

6 о((орных ((брчко«, В р;(дногехннческой оорабогке сигналов использование квадратурных принципсв единственно приемлемо, поскольку радиотехнические цепи являются принципи5 ально одновременными. B оптике имеют дело с 3(ногомерными системами (двумерными llo пространству и одномерными по времени), поэтому можно отказаться от необходимости квадратурной записи, если использовать про(0 странсгвенное перемещение источников опорных каналов между собой.

Однако двумерность оптического поля ((0 пространству позволяет использовать для разделения каналов различия в пространственl5 ных координатах, что адекватно разделеншо каналов ((pl(! .надрать рнои Обраоотке сигналов. Это ((рактнческ(! подтверждается способностью на одной голограмме записывать несколько различны.: предметов (или один н тот

20 же движущийся предмет) прн использовании всякий раз опорных пучков со смещающимся по координатам пространства источником опорной волны (для точечных источников опорных волн) либо прп использовании опор25 ных пучков, падающих на плоскость голограммы, поочередно под различными углами (для опорных пучков, представляющих плоские волны). Так поступают, например, при голографическом кино.

ЗО Упростить процесс полной записи информации о волновом поле исследуемого объекта (предмета) можно путем использования четырех опорных пучков, представляющих две пары взаимно ортогональных компонент све85 та по поляризации, причем пучки светя каждой пары (с одной и той же поляризацией) воздействуют на плоскость голограммы под различными углами (то есть источники плоских o(lopHblx волн разнесены в пространстве).

40 Ортогональность поляризации указанных пар пучков следует сохранить, поскольку информация о волновом псле содержится в распределении взаимно ортогональных касательных составляющих вектора электрического поля

45 на поверхности голограммы. В выражеш(и для каждой из таких касательных содержится два неизвестных параметра — амплитуда н фаза интерферирова нного колебания, раздельное измерение которы.; возможно при записи двух

50 независимых уравнений дзя электрической компоненты поля заданной поляризации. Эти два независимых уравнения создаются прн голографировании исследуемого объекта с помощью двух опорных каналсв, создающих из55 лу чения Одной и то же поляризации (что н компонента освещаемого объекта), но падающие на плоскость голограммы нод различными углами.

Как известно, при восстановлении голограммы, записанной с одним боковым опорпыгм пучком света, восстановленная во.т((а содержит в первом приближении трн компоненты — нулевой порядок днфракцнн восстанавливающей (опорной) волны, первый порядок

65 дифракции (+1), составляющий предметну(о

484485

ЦНИИПИ Заказ 704

Изд. Хо 1823

Тираж 529

Подписное

МОТ, Загорский филиал

7 волну, и комплексносопряженный первый поря док дифракции (— 1), представляющий комплексно-сопряженную .предметную волну (энергии комплеконосопряженных п редмет ных волн одинаковы), Наличие комплексносо пряженной волны (предметного «двойника») в ряде случае может ухудшить разрешающую способность по предмету при голографическом воccTBiHовлении, Из вестен способ устранения волны

«двойника» посредством использования специфической записи голограммы, называемой голограммой типа «киноформ». Такие голопраммы легко могут быть синтезированы с помощью вычислителыной машины и изготовлены методом фотопечати с последующи м уменьшением размеров. В рассматриваемом устройстве записи такого рода гологра м1мы также могут быть получены посредством соответствующего выбора угло в волновых векто|ров опорных пучков относителыно волнового вектора цредметной волчины нулевого порядка дифракции. Можно показать, в частности, что волновые векторы ка идой из пар опорных пучков одной и той же поляризации должны быть взаимно симметрично расположенными относительно вол новото вектора предметной волны нулевого порядка дифракции, а в одежном из таких опорных канало в (одной поля ризации) должен быть установлен оптический фазовращатель (9 или 10), сдвигающий фазу светового колебания на целое нечетное число четвертей световой волны. При этом восстанавливается одно единственное изображение исследуемого объекта (предмета), что повышает энергетику предметной волны и разрешающую способность BoccTBHoIBëåííого предмета.

Структура устройства записи, представленvdH на чертеже, остается одинаковой как пр рассмотрении записи с использованием квадратурных ортогональных по поляризации пар о по рных пучков, так и при ра сомотрении за5 писи голограммы типа «киноформ» без использо вания квадратурных опорных пучков.

Разница состоит только в практической реализации оптических делителей 4 и 5. Так, в первом случае делители 4 и 5 содержат сочеl0 тание полупрозрачной пластиночки и двухлучевого интерферометра Рождественского и фазовращатели 9 и 10 входят в состав ветвей указанных интерферометров, à Во втором случае — оптические делители 4 и 5 представля15 ют сочета|ния полупрозрачных пластин с допол нительны ми отражателями (как при построении оптического сумматора 6), причем указанные дополнительные отражатели разнесены по пространству относительно полу20 прозрачных пластинок, что как раз и определяет различие в углах падения на плоскость голопра|ммы опорных пучочков одной и то же поляризации.

25 Предмет изобретения

Устройство для полной записи и|нформации о воликовом поле, со|держащее источник когерентного излу-чения, канал, состоящий из

80 првдмевного и двух опорных трактов, находящих ся в квад ратурных отношениях, регистрирующую среду, отличающееся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности при восстановлении голограммы, оно содер85 жит дополнительно аналогичный канал, состоящий из предметного и двух опорных тракторов, находящихся в квадратурных опношениях, причем оба канала связаны через вращатель поляризации, например, на 90 .