Способ голографического измерения спектрального состава модулированного оптического излучения Советский патент 1985 года по МПК G01J3/28 G03H1/00 

Изобретение относится к оптической спектроскопии и предназначеню для регистрации и анализа спектра излучения, провзаимодействовавшего со средой, например, при распрестранении света через среду с изменяющимися во времени неоднородностя ми, Известен способ оптического смещения, применяемый для измерения спектрального состава излучения с разрешением а единицы герц, в котором исследуемое излучение смешивается с излучением гетеродина и получаемый таким образом интерференционный сигнал поступает на фот детектор, где преобразуется в злектрический, последний далее анализир ется известными методами. Но при ис следовании ряда медленных процессов в физике, биофизике, химии, сейсмологии такого разрешения зачастую не достаточно. Наиболее близким по те;;нической сути к изобретению являетсяголографи :ческий способ измерения спектрального состава модулированного оптического излучения, заключающийся в записи голограммы сигнальной волны, которую направляют в плоскость ре:гистрации совместно с опорной волно с изменяющейся по сечению частотой, и последующем восстановлении голограммы плоской волной и считывании спектра. Этот способ имеет недостат ки, которые заключаются в следуюш,ем В процессе записи голограммы в каждом ее сечении регистрируется опред ленная спектральная компонента сигнала с ее амплитудой и фазой, т.е. информация о каждой спектральной компоненте сигнала локализована на малом (узком) участке голограммы. Это обстоятельство снижает динамический диапазон и дифракционную эффективность. Формирование спектра в плоскости голограммы на фоне постоя ных засветок усложняет считывание его, так как требуется использование оптической системы и фильтраш и Целью изобретения является расши рение динамического диапазона, увеличение дифракционной эффективности и упрощение считьгоания. Цель достигается тем, что в способе голографического измерения спек трального состава модулированного оптического излучения, заключающемся в записи голограммы сигнальной эолны при ПОМ01ЧИ опорной волны с изменяющейся по сечению частотой, последующем восстановлении голограммы плоской волной и считывании спектра, в каждой точке опорной волны осуществляют дополнительное изменение частоты во времени, а восстановление голограммы осуществляют волной, сопряженной с опорной. На фиг, 1 изображена принципиальная схема установки для реализации способа; на фиг. 2 - схема взаимодействия волн при падении на голограмму} на фиг. 3 и 4 - регистрируемые спектры сигнала. Сущность изобретения заключается в следующем. Первый этап - зтап записи информации о световом поле, модулированном во времени при взаимодействии с исследуемой средой, т.е. на голограмму попадает излучение, комплексная амплитуда которого является функцией времени E(ч,i) ( + i КСОВб . 0) В качестве опорной волны используется нестационарная волна с линейным изменением частоты по координате и во времени ю (.X, i:) UJ- а х- «2 t вида E,(),) (2) (см.фиг.2). Волна такого типа характеризуется тем, что волновой фронт во времени поворачивается относительно гшоскости регистрации и смещается вдоль этой плоскости. Волна такого типа может быть сформиро вана только в течение ограниченного времени. На регистрирующен материале, например на голографической фотопластинке, регистрируется распределение световой мощности. т/1 и)) tlexp -ic(xi-,c(,t2jdt ехр ;Ухсо5& + компл.сопр,, представляющее картину интерференции указанных волн и усредненное за время экспозиции Т , которое определяется временем существования нестационарной опорной волны. Опре деленная спектральная компонента сигнала в каждый момент времени регистрируется в виде интерференционн картины на определенном участке гол граммы, причем этот участок смещается со временем. Из-за изменения наклона фронта опорной волны поотношению к плоскости регистрации чЪстота полос интерференционной стр туры изменяется. Таким образом, на голограмме регистрируется картина сигнала в виде участка цилиндрической линзы Френеля, причем этот участок для каждой спектральной компоненты сигнала смещен по оси X на величину, пропорциональную частоте этой компоненты. В этом можно убедиться, перейдя к спектральному представлению (2jexp -iQtj:;S2 -dU) и выполняя интегрирование по м ()ехр + компл.сопр. Распределение информации об опр деленной спектральной компоненте сигнала по площади голограммы приводит к расширению динамического диапазона регистрируемых спектральных компонент и к увеличению дифра ционной эффективности. Ситуация в данном случае аналогична той, кото рая имеет место при переходе от фотографической регистрации с дина мическим диапазоном 1:10-1:100 к г лографической регистрации с динами ческим диапазоном, на 2-3 порядка большим. Второй этап - этап получе ния информации о спектре сигнала. На этом этапе с помощью плоской стационарной восстанавливающей вол ны производится реконструкция сигнала в пространственном представлении с помощью самой голограммы. Каждая цилиндрическая линза Френел дает свое действительное изображение спектральной линии, поэтому не требуется никакой дополнительно рптики, В результате на выходе мож рыть сфотографирован или зарегистрирован Лотоэлектрически спектр дулированного сигнала. В рамках критерия Релея спектральное раэре- шение определяется полным временем регистрации Е-v) 1/Т, а область дисперсии диапазоном частот в опорной волне л) 2« Хд/29, где 2 Xj - линейный размер голограмт мы. При использовании механических систем формирования нестационарной опорной волны легко достигается величина отношения л-) I с/Ч , равная 10 - 10. Реализация способа осуществляется следующим образом (см.фиг. 1), Излучение лазера 1 разделяется на два пучка 2 и 3. Пучок 2 взаимодействует с исследуемым объектом 4. В пучке 3 формируется нестационарная опорная волна, для чего излучение пропускают через телескопическую систему 5, 6. Первый элемент 5 телескопической системы линейно смещается перпендикулярно оптической оси со скоростью V . Точка, в которую собирается излучение в средней фокальной плоскости телескопической системы, также смещается. Излучение, вьпсодящее из второго элемента 6 телескопической системы, при этом характеризуется поворотом фронта волны, а в плоскости регистрации 7, отстоящей от телескопической системы на двойное фокусное, формируется опорная волна нужной структуры. Экспериментальная проверка функционирования способа выполнена для амплитудной модуляции, имитирующей воздействие объекта, с различными скважностями. На фиг. 3 в качестве иллюстрации приведена запись спектра для скважности 0,5. Область дисперсии состааляет л19 Гц. Спектральное расстояние между нулевой и первой гармониками дает величину 1,Д95 Гц и между нулевой и третьей гармониками ,47 Гц. Эти величины хорошо совпадают с определяемыми периодами модуляции сигнала 1/Т, . и равными соответственно 1,49 Гц и 4,47 Гц. Аппаратная функция, соответствующая времени экспозиции, cocтaвляющe y в данном случае Т 8с, имеет ширину 0,125 Гц. Из этой же записи спектра видно, что при отстойке на девять ширин аппаратной функции от сильной линии фон от аппа- ратной функции не превышает 3 значения сильной компоненты в максимуме. Аппаратная функция схемы, определенная экс.периментальяо для различных времен записи хорошо совпадает с расчетным значением, в част иости для 7 32,5 с экспериментальное и расчетное значения дают 0,52-tO-s и 0,51-10-3 Гц. Из записи/ приведенной на фиг, 4, видно, что в структуре спектра уаеренно различаются пички, отличакндиеся по интенсивности более,, чем в 1АОО раз Такик образомэ динамический диапазон метода превосходит 10,

Таким образом, для типичных исходных данных (су№-1а.раая экспозиция

5 И) дж/см, отношение интенсивное ей сигнальной и опорной волн . t/10, время экспо-;

зиции 10 с - 10 мин) динамический диапазон увеличивается более чем з 100 раз, а дифракционная эффективность возрастает в 10-40 раз. Это, и свою очередь, ведет к тому что

изучение медленных процессов в области физики, биофизики, химии, сейсмологии с использованием заявляемого способа характеризуется повышркием точности измерений и

увеличением j-rx надежности.

СПОСОБ ГОЛОПРАФИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА МОДУЛИРОВАННОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, заключающийся в записи голограммы сигнальной волны, которую направляют на голограмму совместно с опорной волной с изменяющейся i;o сечению частотой, и последующем восстановлении голограммы плоской волной и считывании спектра, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона, увеличения дифракционной эффективности и упрощения считывания, в каждой точке опорной волны осуществляют дополнительное (Л изменение частоты во времени, а восстановление голограммы осуществляют волной, сопряженной с дпорной. П,j , о ел СО сл in

Л (. t)

лД

)(7S

. 7/2 бУ,9Гц

л

O.OS /,000 O.OS 1з 0,3 7,000 0,39

Фае.З

О

0,0,8

/

Фиг.