Устройство для полной записи информации о волновом поле

Сфвз Советских Социалистических Реслублик(23) Приоритет -Опубликовано 15.09,75. Бюллетень Хо 3Дата опубликования описания 07.06.76 осударстееииый комитетСовета Мииистроа СССРоо делам иэобретеиийи открытий(72) Автор пзобретени О. ф. Меньших 71) Заявите 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛНОЙ ЗАПИ О ВОЛНОВОМ ПОНфОРМАЦ 1Изобретение относится к области физической оптики и квантовой электроники и может быть использовано в радиотехнике и голографии в качестве вьосокоинформативного запоминающего устройства голографичеоких корреляторов и анализаторов спектра сложных радиотехнических сигналов.Извеспны устройства для записи информации о волновом 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 оветового фазовращателя), Запись голограмм с двумя квадратур- ными боковыми, опорными пучками нужна потому, что на голограмме записывается фотография интерференционного поля предметной и опорной волн в виде распределения квадрата модуля амплитуды интерфериров анной волны, содержащего в качестве неизвестных распределение амплитуды предметной волны и распределение фазы предметной, волны, то есть два неизвестных распределения предметной волны (вместе с детерминированным когерентным фоном опорной волчины). Для нахождения указанных распределений необходимо иметь два независи. мых интерференционных распределения квадрата модуля амплитуды интерферированной волны, Для обеспечения независимости записей интерферограмм поэтому требуется запи сать две голограммы от одного и того жепредметного пучка и двух квадратурных опорных пучков.Как показывают теоретические исследования по оптимизации процессов записи инфор мации о волновом поле, создаваемом освещенньом когерентным светом исследуемым объектом (предметом), для получения полной информации об электромапнитном монохроматическом волновом поле, распространяющемся в 15 линейной неоднородной стационарной неактивной неизотропной среде, достаточно зарегистрировать четыре замкнутые голограммы.Известные устройства записи не позволяюттехнически осуществить поставленную задачу, 20 Следовательно, записываемые голограммы пеобеспечивают оптимально высокую разрешающую способность по исследуемому объекту (предмету) при восстановлении голограммы в лучах лазера.25 Целью изобретения является увеличениеразрешающей способности при голографическом восстановлении исследуемого ооъекта (предмета). Для этого в устройство записи введены дополнительные боковые опорные 30 пучки когерентного света, находящиеся вк 5 дР 1) 15 пых Оцоцсц ццх ц цлеюццс цо. 151- Р и 3 Я ц и 10, О 15 т О Г О ц с л ы 1 У 10 и О л 51 Р и 3 Я ц и ц О с ц О В- цых опорных пучков. Кроме того, исследуемый объект (цредмет) освещается ортогоЯлыо цоляризоваццымц двумя пучка.5 ги когерецтцого света. Вращение плоскости поляризации света достигается применением цоляризаццо)нного вращателя - ячейки Фарадея, а освещение исследуемого объекта (предмета) пучками когерецтцого света с ортогональной поляризацией достигнуто применением оптцче- скОГО сул м ят 01) я.На чертеже дана блок-схема предложенного устройства.Устройство содержит оптический квантовый генератор 1, оптический делитель 2 с двумя выходя ми (цяпример, полупрозрачпуо пластинку), первый выход которого связан с цоляризаццоццым вращателем 3, осуществг 51- ющим поворот плоскости поляризации когсрентного света ця угол 90. Выход цоляризаццоццого вращателя связан с дополнительным оптическим делителем 4 с тремя выходамн. Второй выход оптического делителя 2 связан с основным оптическим делителем 5 с тремя выходами, Один цз выходов каждого цз оптических делителей 4 ц 5 связан с оптическим сумматором 6, выход которого связан оптически с исследуемым объектом 7 (предметом), Предметный световой пучок от исследуемого объекта (предмета),воздействует ца голопрамму. Кроме того, вторые и третьи выходы оптцчеоких делителей 4 и 5 образуют две пары ортогоцальных по поляризации опорных боковых пучков, находящихся в квадратурных отношениях, обусловленных, введением в ива)дратурцые капалы фазовращателей 9 и 10, осуществляющих фазовый сдвиг соответствующих опорных пучков ца 90,Излучения оптического квантового генератора (ОКГ) 1, когерентные во времени и пс пространству (режим ОКГ с одной поперечной модой колебаний), делятся цо потоку ца две равных компоненты в оптическом делителе 2 с двумя выходами (полупрозрачной пластинке). Одна из этих компонент, например с вертикальной поляризацией, воздей)ствует ца исследуемый объект ц голограмму через делитель 5, оптический сумматор 6 и фазовращатель 10, образуя предметный и два квадратурцых опорных пучка света с вертикальной поляризацией, Другая компонента действует ца предмет 7 ц голограмму 8 таким же образом, используя оптический сумматор 6, оптический делитель 4 и фазовращатель 9; однако образуемые ею предметный и два опорных квадратурцых пучка света имеют горизонтальную поляризацию, благода)ря установке вращателя 3 плоскости поляризации света на угол 90, выполненного, например, ца ячейке Фарадея (либо кварцевой правовращающей или левовращающей пластине соответствующей оптической толщиы).Фазовращатели 9 и 10 представляют сооой стеклянные неактивные пластинки определен 5 10 5 20 25 30 35 40 45 50 60 65-1цоц Олцц 1)п 1 с сГцццс и.ба ф;з 15 с. товых ко ебацц в ццх ца целое нечетное число четвертей световых волн, излучаемых ОКГ. Оптический сумматор 6 может представлять собой обычную полупрозрачную пластинку с двумя ортогоцальцо расположенными оптическими входаи) обцазуОщи углы с плоскостью пластинки - , 45. Однако цри этом образуется также и два оптических выхода для коллинеарцо суммцровацного светового потока, то есть энергия излучения, падающего ца исследуемый объект (цредмет) 7, уменьшается 5 двсе, так как один из выходных лучей це используется, Более рациональным решением является установка дополнительно к полупрозрачной пластинке оптического сумматора 6 также отражателя, т,лоскость которогсо параллельна плоскости полупрозрачной пластинки. Прц этом оба укзяных выходных потока полупрозрачнои пластинки падают на исследуемый объект (предмет) параллельно друг другу и рассматриваются как единый двухкомпоненпый 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 интерес)ным для практических црпложеций случаем является использование исследуемой среды, прозрачной для светового потока (и в энергетическом смысле), дифракция света в которой отражает некий пространственный образ регистрируемого физического процесса, хара)ктеризуемого функциями времени. Например, важно голографировать прострацственное распределение акустических воли в прозрачной звукопроводящей среде, возбуждаемой пьезодатчиками от электрических сигналов, спектр которых надлежит проанализировать. В этом случае процесс голографической записи должен происходить квазимгновенцо (должны быть использованы ОКГ в моноимпульсном режиме с длительностью импульса света, существенно меньшей времени, в течвние которого фронт акустической волны переместится ца четверть длины волны света). В противном случае ца голограмме не получится квазимгновеццого 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-голограмы ограниченных размеров (це замкнутой) обосновано, поскольку для ограниченных плоских пучков света интенсивность электромагнитных полейзя 1 слс 1 эффск цноо сс 1 снц ц) чх плоской сегоой олнь незначительна, Разрешающая способность цо предмету при этом определяется апертурой (сечением) плоской волны, а следовательно, размерами голопраммы (той ее части, где записана ицтерферограмма). Можно показать, что при диаметре апертуры плоской волны порядка 100 мм теоретическая разрешающая способность намного выше той, которая могла бы реализоваться ца практике.1(ак известно, основной трудностью в оптическом диапазоне волн является осуществление голографической записи с квадратурными оцсрцыви каналами. Дествительно, два опорных пучка света, падающие на плоскость 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 трудновыцолцимых условий:фронт опорных волн должен быть плоским либо одинаковым по форме и масштабу для обоих опорных пучков; опорные пучки должны быть взаимнопараллельцыми, а в случае некоторой неизбежной сферичности пучков последние должны исходить из одной точки, то есть опорные пучки должны совпадать в пространстве; фазовращатели (9 илц 10) должны обеспечивать сдвиг фазы светового колебания на целое нечетное число четвертей 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 5 комбинации полупрозрачной пластинки и последовательно установленной цо одному из ее оптических выходов двухлучевой системы типа интерферометра Рождественского, в одну из оптических ветвей которого устанслена фазовращающая пластинка (9 или 10). При этом второй выход полупрозрачной пластинки используется как выход пучка света, подаваемого на один из входов оптического сумматора 6, а выходной пучок с интерферометра действует на голограмму 8 как два сколлимированньх 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 ц той же поляризацией содержит пучки, не находящиеся в квадратурных отношениях,Действительно, по условиям полной записи необходимо синтезировать четыре независимых 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 боирцых нучко, 13 р;дцогехнцческсй оорябо- ке сигналов использование квадратурных принципсв единственно приемлемо, поскольку радиотехнические цепи являются цриццицц ально одновременными. В оптике имеют делос яцогомернымц системами (двумерными цо пространству и одномерными по времени), по.этому можно отказаться от необходимости квадратурцой записи, если использовать про- О странсгвенное перемещение источников опорных каналов между собой.Однако двумерцость оптического поля цопространству позволяет использовать для разделения каналов различия в црострацствец цых координатах, что адекватно рязделеншоканалов црц .Вадрятс рцсц сор яоотке сигналов. Это црактцческц подтверждается способностью на одной голограмме записывать несколько различных предметов (цли один ц тот 20 же движущгйся предмет) прц использованиивсякий раз опорных пучков со смещающимся по координатам пространства источником опорной волны (для точечных источников опорных волн) либо прц использовании опор цых пучков, падающих на плоскость голограммы, поочередно под различными углами (для опорных пучков, представляющих плоские волны). Так поступают, например, црц 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 свеЗ 5 та по поляризации, причем пучки света каж.дой пары (с одной ц той же поляризацией) воздействуют на плоскость голограммы под различными углами (то есть источники плоских опорных волн разнесены в пространстве).40 Ортогональцость поляризации указанных царпучков следует сохранить, поскольку информация о волновом псле содержится в распределении взаимно ортогональных касательных составляющих вектора электрического поля 45 на поверхности голограммы. В выражеши длякаждой из таких касательных содержится двя неизвестных параметра - амплитуда ц фаза интерферированцого колебяцця, раздельное измерение которых возможно при записи двух50 независимых уравнений дзя электрическойкомпоненты поля заданной поляризации. Этц два независимых уравнения создаются црц голографированцц исследуемого объекта с помощью двух опорных каналов, создающих излучения одной и то же поляризации (что ц компонента освещаемого объекта), цо цядяю.щие на плоскость голограммы цод различными углами.Как известно, прц восстановлении голограммы, записанной с одним боковым опорцысм пучком света, восстановленная волна содержит в первом приближении трц компоненты - нулевой порядок днфракццц восстанавливающей (спорной) олн, первы порядок65 дифракции (+1), составляющий предметнуо484485 ЦНИИПИ Заказ 704 Изд Мо 1823 Тираж 529 Подписное МОТ, Загорский филиал 7волну, и комплексносопряженный первый порядок дифракции ( - 1), представляющий комплексно-сопряженную предметную волну (энергии комплеконосопряженных предметных волн одинаковы), Наличие комплексносопряженной волны (предметного двойника) в ряде случае может ухудшить разрешающую способность по предмету при голографическом восстановлении,Известен 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 последующим уменьшением размеров. В рассматриваемом устройстве записи такого рода голограм 1 мы также могут быть получены посредством соответствующего выбора углов волновых векторов опорных пучков относителыно волнового вектора цредметной волчины нулевого порядка дифракции, Можно показать, в частности, что волновые векторы каидой из пар опорных пучков одной и той же поляризации должны быть взаимно симметрично расположенными относительно волновото вектора предметной волны нулевого порядка дифракции, а в одном из таких опорных каналов (одной поляризации) 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 восстановленного предмета.Структура устройства записи, представленая на чертеже, остается одинаковой как пр рассмотрении записи с использованием квадратурных ортогональных по поляризации пар опорных пучков, так и при расомотрении за писи голограммы типа киноформ без использования квадратурных опорных пучков.Разница состоит только в практической реализации оптических делителей 4 и 5. Так, в первом случае делители 4 и 5 содержат соче таяне полупрозрачной пластинки и двухлучевого интерферометра Рождественского и фазовращатели 9 и 10 входят в состав ветвей указанных интерферометров, а во втором случае - оптические делители 4 и 5 представля ют сочетания полупрозрачных пластин с дополнительными отражателями (как при построении оптического сумматора 6), причем указанные дополнительные отражатели разнесены по пространству относительно полу прозрачных пластинок, что как раз и определяет различие в углах падения на плоскость голопраммы опорных пучков одной и то же поляризации. 25 Предмет изобретения Устройство для полной записи информациио воликовом поле, содержащее источник когерентного излучения, канал, состоящий из З 0 првдмевного и двух опорных трактов, находящихся в квадратурных отношениях, регистрирующую среду, отличающееся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности при восстановлении голограммы, оно содер 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.