Устройство для голографирования в пузырьковых камерах Советский патент 1985 года по МПК G03H1/00 G01T5/06 

Изобретение относится к исследованию свойств элементарных частиц с помощью пузырьковых камер, а более конкретно к устройствам снятия информации в камерах, и может быть при менено для других случаев голографи рования изменяющихся по форме или движущихся объектов через искажаю-, щие турбулентные среда. В настоящее время в физике высоких энергий для исследования свойств : лементарнь1х частиц все большее распространение получают быстроциклирую щие камеры с голографическим съемом информации. Известно устройство для съема голографической информации с пузырьковых камер, содержащее лазер, систему линз, пузырьковую камеру и регистрирующий прибор Щ . Однако влияние искажений, вносимых термическими турбулентностями и локальньми неоднородностями оптичесKiK элементов устройства съема инфор мации, ухудшает качество восстанавли Баемого с голограмм изображения, соз давая трудности при обработке получа мой информации. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для голографирования в пузырьковых камерах, содержащее лазер, оптически связанные с лазером систему формирования опорного пучка и систему формирования предметного пучка, последняя через пузырьковую камеру связана с регистрирующим прибором. Оптическая сист ма формирования предметного пучка состоит из системы линз, увеличивающей геометрические размеры луча светалазера до величины, необходимой для голографирования пузырьковой камеры. Оптическая система формирования опорного пучка состоит из системы двух полупрозрачных и двух непрозрач ных зеркал, направляющих часть света предметного пучка на регистрирующий прибор, минуя рабочий объем пузырьковой камеры. Луч света от лазера проходит оптические системы формирования опорного и предметного пучков. Затем предметный пучок зеркалом направляется на пузырьковую камеру. При прохождении предметного пучка света через экспонируемый объем камеры свет рассеивается на пузырьках, образующих треки элементарных часРИЦ интерферирует со светом опорного пучка, прошедшего на регистрирующий прибор минуя камеру, и образует голограмму на фотопленке в регистрирующем приборе 2 j. .Однако проходящий через камеру предметный пучок света в значительной мере искажается из-за флуктуации коэффициента преломления рабочей жидкости, вызываемых термическими турбулентностями. Другой причиной искажений являются локальные неоднородности оптических элементов устройства (свили, пузырьки в стекле, пылинки и т.п.). Влияние паразитных искажений проходящего света проявляется при восстановлении голограмм в виде уменьшения контрастности изображения пузырьков и появления значительной неоднородности фрна полученного изображения. Следствием этого является снижение разрешения пузырьков в треке, ухудшение точности восстановления событий в пузырьковой камере и трудности при обработке полученной информации на автоматических измерительных приборах. Вьшеперечисленные эффекты не дают возмож ность получить высококачественные изображения, восстановленные с голограмм. Цель изобретения - улучшение качества восстановленного с голограмм изображения рабочего объема пузырьковой камеры путем повьшения контрастности пузырьков и улучшения однородности фона изображения, восстановленного с голограммы. Указанная цель достигается тем, что в устройство для голографирования в пузырьковых камер&х, содержащее лазер, оптически связанные с лазером систему формирования опорного пучка и систему формирования предметного пучка, которая через пузырьковую камеру связана с регистрирующим прибо-г ром, дополнительно введены оптическая линия задержки света, два электрооптических кристалла, поляризационная призма, фазосдвигающий элемент, электронный блок задержки и полупрозрачные зеркала, причем первые два полупрозрачных зеркала расположены последовательно по ходу основного луча лазера под углом к его оси перед оптической системой формирования предметного пучка, оптическая линия задержки света размещена по ходу луча лазера, отраженного от первого полупрозрачного зеркала, и оптически связана через второе полупрозрачное зеркало с оптической системой формирования предметного пучка, после второго полупрозрачно- го зеркала и перед системой формирования опорного пучка последовательно расположены первый электрооптический кристалл, поляризационная призма для разделения пучка, в одном из которых расположен фазосдвигающий элемент система сведения пучков, состоящая из отражающего зеркала и третьего полупрозрачного зеркала, и второй электрооптический кристалл, причем электрооптические кристаллы через электронный блок задержк связаны с лазером. Работа устройства основана на сочетании методовтдвухэкспозиционной голографической, интерферометрии и голографического вычитания изображений. В голографической интерферометрии осуществляется интерференция волн, проходящих по одному и тому же пути, но в разные моменты времени. ,Вид интерференционной картины-обусловлен лишь изменениями, которые про изошли с объектом за время между пер вой и второй экспозициями (либо во время одной из экспозиций). Голография позволяет зафиксировать световую волну и восстановить ее копию в любой нужный момент времени и поэтому голографическая интерферометрия в от личие от обычной не связана с требованием одновременности формирования волн. Введение сдвига фазы одного из опорных пучков на 180 позволяет получить равномерный фон восстановленного изображения, так как в этом слу чае происходит так называемое голографическое вычитание изображений, когда области объекта не изменившиеся между экспозициями, при восстанов лении исчезают и видны только те области, которые определенным образом изменились. На чертеже представлена схема предлагаемого устройства для гологра фирования в пузырьковых камерах. Устройство содержит последователь но расположенные лазер (источник когерентного излучения) 1, два полупрозрачных зеркала 2 и 3, оптическую систему формирования предметного пучка 4, пузырьковую камеру 5, запол ненную рабочей жидкостью 6 непрозра ное зеркало 7, регистрирующий прибор (голографическую камеру) 8. По ходу луча, отраженного от первого полупрозрачного зеркала 2, размещена оптическая линия задержки света 9, которая оптически связана с полупрозрачным зеркалом 3. В свою очередь полупрозрачное зеркало 3 оптически связано с одной стороны с оптической системой формирования предметного пучка 4, а с другой стороны с последовательно расположенными электрооптическим кристаллом (например, ячейкой Поккельса) 10, поляризационной призмой 11, непрозрачным зеркалом 12,фазосдвигающим элементом (полуволновой пластинкой) 13, полупрозрачным зеркалом 14, электрооптическим кристаллом (ячейкой Поккельса) 15, оптической системой формирования опорного пучка 16 и регистрирующим прибором 8. Кроме того, оптически связаны также и поляризационная призма 11, непрозрачное зеркало 17, полупрозрачное зеркало 14 и оптическая система формирования опорного пучка 16. Электрооптические кристаллы 10 и 15 электрически связаны через электронный блок задержки 18 с лазером 1о Оптическую линию задержки 9 можно вьшбЛнить в виде системы зеркал, например двух плоских и одного сферического, которая позволяет плавно осуществлять любые временные задержки (от нескольких наносекунд вплоть до нескольких микросекунд). Устройство работает следующим образом. Импульс плоскополяризованного света от лазера 1 делится первым полу- . прозрачным зеркалом 2 на две части. Часть света,, которая проходит сквозь полупрозрачные зеркала 2 и 3 (первый предметный пучок), попадает на вход оптической системы формирования предметного пучка 4, увеличивающей размеры луча света до размеров голографируемого объекта. Далее этот свет, проходя через объем пузырьковой камеры 5, искажается из-за фпуктуаций коэффициента преломления, обус- ловленных термическими турбулентносг тями, и частично рассеивается на пу зь рьках в рабочей жидкости 6. Кроме того, эта часть света несет в себе информацию о локальных неоднородностя оптических элементов, входящих в устройство. Затем этот световой поток зеркалом 7 направляется на регистри рующий прибор 8. Одновременно с этим часть света проходит сквозь полупрозрачное зеркало 2, отражается полупрозрачным з калом 3 (первый опорный пучок) и на правляется на электрооптический кристалл 1Q, который (как и электрб оптический кристалл 15) обладает свойством поворачивать плоскость ,поляризации падающего плоскополяризованного света лазера 1 на 90 , ес ли к нему приложено электрическое напряжение,, Далее свет попадает в поляризационную призму 11, которая обладает свойством пропускать свет, если ее плоскость поляризации совпадает с плоскостью поляризагщи падающего света и отражает весь свет в сторону, если эти плоскости поляризации взаимно перпендикулярны. В предлагаемом устройстве плоскость поляризации поляризационной призмы 11 выставляется параллельно плоскости поляризации падающего света лазера 1. В первоначальный момент на электрооптические кристаллы 10 и 15 не подается электрическое напряжение и, следовательно, свет лазера 1 после электрооптического кристалла 10 сквозь поляризационную призму 11, отражается зеркалом 17, проходит сквозь полупрозрачно.е зеркало 14, электро- оптический кристалл 15 и после опти ческой системы формирования опорного пучка 16 попадает на регистрирую щий прибор 8 одновременно с первым предметным пучком света, прошедшим через пузырьковую камеру 5. Интерференция этих двух пучков света (пр метного и опорного) образует на фот пленке регистрирующего прибора .первую голограмму,-в которой фиксифуется изображение объекта голограф рования и все паразитные искажени прошедшего через объект света. . другая часть светового импульса лазера 1, отраженная полупрозрачным зеркалом 2, направляется на вхо оптической линии задержки света 9, которая создает определенную (заранее заданную) задержку во времени о носительно света, прошедшего сквозь полупрозрачные зеркала 2 и 3. Полупрозрачное зеркало 2 отражает определенную часть задержанного светово импульса на оптическую систему форм рования предметного пучка 4, после которой пучок света, увеличившись до необходимых размеров, проходит пузырьковую камеру 5 с рабочей жид , .костью 6 и, вобрав в себя информацию о голографируемом объекте, образует второй предметный пучок (для получения второй голограммы), который зеркалом 7 направляется на регистрирующий прибор 8. .Второй опорный пучок формируется из части света, прошедшей после оптической линии задержки света 9 сквозь полупрозрачное зеркало 3. Этот свет попадает на электрооптический кристалл 10, на который в этот момент с электронного блока задержки :18 подается электрическое напряжение и в этом случае элекгрооптический кристалл 10 поворачивает плоскость поляризации падающего на него света на 90 . Таким образом, поляризационная призма 11 становится теперь- непрозрач|Ной для падающего света, так как их плоскости поляризации взаимно перпендикулярны, и, следовательно, она играет роль зеркала, отражающего свет на непрозрачное зеркало 12. Далее свет проходит фазосдвигающий элемент 13, где претерпевает сдвиг по фазе на 180 поотношению к свету первого опорного пучка. Отразившись от полу прозрачного зеркала 14, свет попадает в электрооптический кристалл 15, на которьй в этот момент также подается электрическое напряжение с электройного блока задержки 18. В результате этого плоскость поляризации света восстанавливается, т.е. становится параллельной плоскости поляризации света предметного пучка (это необходимо для того, чтобы предметный и опорный пучки света могли интерфери-ровать). Затем свет попадает в оптическую систему формирования опорного пучка 16 и вместе со светом второго предметного пучка образует вторую голограмму на фотопленке регистрирующего прибора 8, причем на том же самом кадре, где уже находится первая голограмма, образованная той частью света, которая прошла сквозь полупрозрачное зеркало 2. Таким образом. на регистрирующем приборе один и тот же участок фотопленки последовательно записьшаются две голограммы объекта, но со сдвигом фазы одного из опорных пуч- ков между экспозициями на 180 . 71 При носстановлении такой двойной голограммы видны только те области, которые претерпели определенные изме нения между экснозициями, а области объекта, не изменившиеся между экспо зициями, при восстановлении взаимно погашают друг друга и образуют однородный фон изображения, т.е. реали зуется метод голографического вычитания . Схема устройства построена таким образом, чтобы обеспечить минимальные отличие оптических путей света во время первой и второй экспозиций. Начиная от полупрозрачного зеркала 3 (где происходит разделение света н предметный и опорный пучки), пути обоих предметных пучков полностью идентичны. Опорные пучки проходят пути одинаковой длины, в основном, через одни и те же оптические элемен ты, и отличие этих путей состоит в том, что они отражаются от различных непрозрачных зеркал 12 и 17, которые имеют небольшие размеры и их нетрудно изготовить с достаточной точностью, с тем, чтобы отличные формы этих зеркал не искажали дополнительно фазовой микроструктуры света опор ного пучка. Интервал времени между двумя последовательными экспозициями выбирается исходя из условия, что регистрирующий объект должен при этом . сдвинуться или измениться в размеpax на величину , т.е. порядка О, 1 -10 м (где Л - длина волны падающего света) согласно теории голо графической интер ферометрии. В данном случае такими объектами являютс пузырьки пара в рабочей жидкости ка меры, образующие треки элементарных частиц. Скорость роста пузырьков в жидкостях, используемых в камере колеблется от 0,2 м/с (водород) до 3,2 м/с (фреон) для пузырьков разме ром около 10 м. Следовательно, для того, чтобы пузырьки увеличились в размерах (т.е. изменились)на необхо димую величину (7/0,1-10 м), оптическая линия задержки света 9 должн обеспечить сдвиг во времени части 1 светового импульса лазера 1, отразившейся от полупрозрачного зеркала-2, по отношению к части света лазера 1-, прошедшей сквозь полупрозрачное зеркало 2, на (30-500) х с (в зависимости от типа рабочей жидкости, используемой в пузырьковой камере). Основной источник неоднородности фона изображения - термические турбул-ентности, имеют характерное время измерения своей конфигурации около 10 с, что на 3-4 порядка большевремени между экспозициями и, следовательно, изменение турбулентностей за это время мало и не влияет на достигаемую с помощью предлагаемого устройства однородность фона изображения . Использование предлагаемого устройства дает возможность улучшить качество восстанавливаемого с голограмм изображения. Устраняется влияние стабильных локальньк неоднородностей оптических элементов и термической турбулентности, увеличивается контрастность изображения пузырьков, повьпиается (примерно в 200 раз) степень однородности фона изображения. В результате этого улучшается разрешение близлежащих пузырьков, а следовательно, и точность восстановления событий в пузьфьковой камере. I Упрощается обработка голографической информации с помощью автоматических устройств, работающих в линию с ЭВМ. Частота циклирования камеры не будет столь сильно влиять на качество изображения как это имеет место при обычном голографировании. Устройство применимо в любом известном варианте двухлучевых схем голографирования (афокальной, сфокусированных изображений и т.д.), оно позволяет при необходимости выравнивать оптические пути опорного и предметного пучков и изменять угол между ними. I Применение устройства позволяет улучшить технические характеристики пузырьковой камеры как физического прибора.

T iMS18

EM

l-iib

:... Л

jj

ГТ-1

Сф|Я

12

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГОЛОГРАФИРОВАНИЯ В ПУЗЫРЬКОВЫХ КАМЕРАХ, содержащее лазер, оптически связанные с лазером систему формирования опорного пучка и систему формирования предметного пучка, котордя через пузырьковую камеру связана с регистрирующим прибором, отличаю щ-е е с я тем, что, с целью улучшения качества восстановленного с голограммы изображения, в устройство дополнительно введены оптическая линия задержки света, два электрооптических кристал.па. поляризационная призма, фазосдвигающий элемент, электронный блок задержки и полупрозрачные зеркала, причем первые два полупрозрачных зеркала расположены последовательно по ходу основного луча лазера под углом к его оси перед оптической системой формирования предметного пучка, оптическая линия задержки света размещена по ходу луча лазера, отраженного от первого полупрозрачного зеркалами оптически связана через второе полупрозрачное зеркало с оптической системой формирования предметного пучка, после второго полупрозрачного зеркала и перед системой формирования опорного пучка последовательно рассл положены первый электрооптический кристалл, поляризационная призма для разделения пучка, в одном из которых расположен фазосдвигающий элемент, система сведения пучков, состоящая из отражающего зеркала и третьего полупрозрачного зеркала, и 4 второй электрооптический кристалл, причем электрооптические кристаллы через электронный блок задержки о ;о связаны ,с лазером.