Устройство для записи голограмм Советский патент 1991 года по МПК G03H1/04 G02B5/32 

Изобретение относится к голографии, в частности к устройствам для получения голограмм, и может быть использовано для создания художественных голограмм и стационарных голографических оптических элементов (ГОЭ): голографических дифракционных решеток, линз, пространственных фильтров, компенсаторов, мультипликаторов.

Цель изобретения - повышение качества голограмм и расширение класса решаемых задач.

На фиг, 1 показана блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - осциллограмма сигнала; на фиг. 3 - блок-схема устройства, вариант.

Устройство для записи голограмм содержит источник 1 когерентного излучения, полупрозрачное зеркало 2, глухие зеркала 3 и 4, одно из которых 4 укреплено на пье- зоэлементе 5 и образует фазосдвигающее устройство, линзы 6, формирующие опорный и объектный пучки нужной конфигурации, генератор 7 синусоидальных сигналов, регистрирующая среда 8, синхронный усилитель 9, сумматор 10, фотоприемное устройство, состоящее из фотоприемников 11 и 12.

На фиг. 2 приведена осциллограмма сигнала U на выходе синхронного усилителя, настроенного на частоту модуляции На участке АБ система стабилизации включена.

ON Ю W СЛ 00 VI

На участке Б В система стабилизации выключена. Для иллюстрации отработки системой изменения разнос™ фаз приведены остаточные нестабильности топографического поля относительно регистрирующей среды, возникающие при приложении фазовых возмущений в моменты времени ti, t2 и ts.

На фиг. 3 приведен пример конкретного выполнения устройства, где фазосдвигаю- щее устройство выполнено из двух элементов, один из которых состоит из зеркала 3, укрепленного на пьезоэлементе 5; подключенном к выходу синхронного усилителя 9, а другой состоит из зеркала 4, укрепленного на магнитострикционном элементе 13, подключенном к генератору 7 синусоидальных сигналов.

Благодаря экспериментально установленным зависимостям сигналов самодифракции Un на частоте модуляции QH сигналов UaJl на частоте 2Q измеренных одновременно фотоприемниками, установленными за регистрирующей средой, от величины рассогласования случая амплитудной и амплитудно-фазовой первичной голографической структуры (ПГС) становится возможной стабилизация голографического поля относительно регистрирующей среды при любой ПГС. Эксперименты показали, что в случае амплитудной ПГС, с одной стороны Цд. О, U2jL 0 при 0, с другой стороны при 0 имэют УлУ 0, LteJiy 0 и, следовательно, сигнал Ujij зарегистрированный каждым мз фотоприемников, может использоваться для стабилизации голографического поля, Поскольку при записи стационарных голограмм с чисто фазовой ПГС для стабилизации используется сигнал Uia&fUj, 0 как при ДуЮ, так и при 2 0), то при наличии амплитудной составляющей {т. е. в случае амплитудно-фазовой ПГС)стабилизация голографического поля с использованием как Цд, так и U2JLстановится невозможной, так как измеренные каждым из фотоприемников, отличные от нуля при отсутствии рассогласования сигналы фазовой составляющей ПГС на частоте Qn амплитудной составляющей на частоте 2 Одают растущий по величине ложный сигнал коррекции,

В устройстве стабилизация становится возможной благодаря тому, что, как экспериментально показано, а случае амплитудной ПГС, во-первых, знак сигналов Од., измеренных за регистрирующей средой, как в опорном, так и объектном пучках одинаков, во-вюрых, сигналы Uz/b измеренные

в этих пучках, также имеют одинаковый знак, Поэтому, используя два регистрации сигналов на обеих гармониках и алгебраический сумматор, возможно осу5 ществить стабилизацию голографическсго поля относительно регистрирующей среды. При этом в случае превышения амплитудной составляющей ПГС над фазовой в устройстве сигналы, зарегистрированные

10 фотоприемниками I1 IA 12, суммируются сумматором и далее удвоенная амплитудная составляющая сигнала подается на син- хрониый усилитель, настроенный на частоту Q. Если фазовая составляющая

15 ПГС превышает амплитудную, то сигналы с фотоприемников 11 и 12 вычитаются и сигнал, соответствующий удвоенному сигналу чисто фазовой составляющей ПГС подается на синхронный усилитель,

20 настроенный на частоту 2 О..С синхронного усилителя сигнал коррекции подается на фазосдвигающий элемент, который корректирует фазу одного из пучков так, чтобы устранить рассогласование голографиче25 ского поля и записываемой ПГС.

. Устройство работает следующим образом.

Излучение источника 1 когерентного излучения направляется на полупрозрачное

30 зеркало 2, делящее исходный пучок на объектный и опорный, которые с помощью зер- 3 и 4 и линз 8, формирующих заданную (ч зависимости от объекта записи) конфигурацию опорного и объектного пучков, на35 правляются на регистрирующую среду 8. Зеркало 3 укреплено на пьезоэлементе 5 и образует фазосдвигзющее устройство. В регистрирующей среде 8 осуществляется зкс- понировзние гологрэфического поля

40 возникающего при интерференции опорного и объектного пучков и происходит запись первичной голографической структуры, на которой пучки дифрагируют вследствие явления самодифракции, В результате за ре45 гистрирующей средой в направлении опорного пучка распространяются как прошедший ее опорный- так и продиф- рагировавший на ПГС объектный пучки, интерферирующие между собой. В на50 правлении объектного пучка распространяются прошедший, регистрирующую среду объектный и продифрагировааший на ПГС опорный пучки, также интерферирующие между собой.

55 Результат интерференции зависит от фазовых соотношений между опорным и объектным пучками и, следовательно, от природы ПГС и случайных фазовых возмущений. Сигнал самодифракции весьма мал,

но его можно выделить, используя малую по величине принудительную модуляцию разности фаз опорного и обьектного пучков на частоте Qc помощью пьезоэлемента 5, на который подается напряжение с генератора 7 синусоидальных сигналов, Выделение сигналов самодифракции на частоте Qпроизводится с помощью фотоприемного устройства, состоящего из фотоприемтжов 11 и 12 и синхронного усилителя 9. Сумма- тор 10 позволяет формировать сигнал коррекции системы стабилизации как в случае записи чисто фазовой, так и в случаях записи амплитудной и амплитудно-фазовой ПГС.

Известно, что при отсутствии рассогла- сования между ПГС и голографическим полем сигнал на частоте 2 Q равен нулю, если ПГС фазовая. Экспериментально установлено, что для случая чисто амплитудной ПГС при отсутствии рассогласования-сйгнал на частоте QpaeeH нулю, а при появлении рассогласования появляется отличный от нуля сигнал на частоте О.Этот сигнал выделяется и усиливается синхронным усилителем до величины, которая требуется для получе- ния фазового сдвига, компенсирующего исходное рассогласование. В случае записи амплитудно-фазовой ПГС стабилизация го- лографического поля становится невозможной, так как измеренные каждым фотоприемником отличные от нуля при отсутствии рассогласования сигналы фазовой составляющей ПГС на частоте QM амплитудной составляющей на частоте 2 Q дают ложный монотонно возрастающий по вели- чине сигнал коррекции. В устройстве стабилизация голографического поля при записи голограмм с амплитудно-фазовой ПГС становится возможной, поскольку экспериментально показано, что в случае амплитудной ПГС сигналы QH 2 Q, измеренные в направлении как прошедшего регистрирующую среду опорного, так и объектного пучков, имеют одинаковые знаки. Поэтому при превышении в ПГС амплитудной составляющей над фазовой в устройстве сигналы, зарегистрированные фотоприемниками 11 и 12, суммируются сумматором 10 и далее удвоенная амплитудная составляющая сигнала подается на синхронный усилитель 9, настроенный на частоту О.ЕСЛИ фазовая составляющая ПГС превышает амплитудную, то сигналы с фотоприемников 11 и 12 вычитаются и сигнал, соответствующий удвоенному сигналу чисто фазовой составляющей ПГС, подается на синхронный усилитель, настроенный на частоту 2 Q. С синхронного усилителя сигнал коррекции подается на фазосдвигающий элемент, который корректирует фазу одного из пучков так, чтобы устранить рассогласование голографического поля и записываемой ПГС.

Устройство (фиг. 3) собрано на стандартной топографической плите ипа СИН-1. В качестве источника 1 когерентного излучения использован лазер ЛГН-503, работающий на длине волны 514,5 нм, с мощностью излучения 0,5 Вт. Полупрозрачное зеркало в качестве светоделителя 2 для разделения пучка на опорный и объектный, поворотные зеркала 3 и 4, микрообъективы 6 образуют узлы формирования опорного и объектного пучков, имеющих равную интенсивность и в регистрирующей среде. В области интерференции опорного и объектного пучков установлена стеклянная пластинка со слоем голографической регистрирующей среды 8. В качестве регистрирующей среды используются слои незадубленной бихромирован- ной желатины. Зеркало 4 установлено на магнитострикционном вибраторе 13, представляющем собой ферриговый стержень с намотанной поверх него катушкой индуктивности и предназначено для модуляции фазы одного из пучков по синусоидальному закону с частотой модуляции Q 55 кГц и

малой амплитудой модуляции .Частота задается генератором синусоидальных сигналов 7 типа Г-118. Интенсивность пучков, провзаимодействовавших с регистрирующей средой, регистрируется фотоприемниками 11 и 12 типа ФДК-142 и поступает на синхронный детектор 9 типа КЗ-2, настроенный на частоту Ј2либо 2 Q. Сигнал коррекции с выхода синхронно- гйусилителя подается на пьезоэлементтипа КП-1, который вместе с укрепленным на нем зеркалом 3 образует фазосдвигающий элемент, который компенсирует случайный фазовый сдвиг между опорным и объектным пучками. Выполнение фазссдвигающего элемента в виде двух элементов позволяет повысить чувствительность устройства для записи голограммы, поскольку фазосдвигающий элемент может быть выполнен мало- инер онным, что обеспечивает его работу на достаточно высокой частоте модуляции Q, и тем самым повысить отношение сигнала к шуму в системе стабилизации, а фазо- корректирующий элемент может быть выполнен оптимальным для осуществления коррекции фазы в большом динамическом диапазоне и в отдельных участках голограммы, что особенно важно при больших ее габаритах. Для этого, например, фазокор- ректирующий элемент может быть выполнен в виде гибкого зеркала, укрепленного на матрице из пьезоэлементов, причем каждый элемент матрицы через сумматор соединен с соответствующим элементом мат- ричных фотоприемников ,11 и 12.

Проведено шесть серий экспериментов, которые показали, что после включения си- стемы стабилизации остаточные нестабильности положения интерференционной

картины не превышают величины тп,в то

время как при отключенной системе стаби- лизации смещения интерференционной

картины достигают величины -к. Проведенные лабораторные испытания показали, что дифракционная эффективность голографи- ческих оптических элементов на слоях бих- ромированной желатины, записанных в лабораторных условиях на голографиче- ском стенде типа СИНИ, в результате применения устройства выросла на 10% и достигла величины, близкой к предельно возможной (до 97%).

Таким образом, благодаря новому конструктивному решению, основанному на явлении самодифракции в амплитудно-фа- зовой ПГС в регистрирующей среде, устройство для записи голограмм позволяет существенно повысить качество голограмм и осуществить запись художественных голограмм и стационарных голографических оптических элементов, что существенно расширяет класс решаемых задач,

Формула изобретения

1.Устройство для записи голограмм, включающее источник когерентного излучения, объектный и опорный каналы, оптически связанные с нелинейной регистрирующей средой, обладающей свойством самодифракции под воздействием излучения, два фотоприемника, установленных за средой, выходы которых соединены с входами схемы сравнения, с выходом которой соединен усилитель, два фазосдвигающих устройства, одно из которых соединено с выходом генератора синусоидальных сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения качества голограмм, схема сравнения выполнена в виде сумматора, а усилитель - синхронным, выход которого соединен с вторым фазосдви- гающим устройством,

2.Устройство по п. 1, отличающее- с я тем, что в качестве нелинейной регистрирующей среды, обладающей свойством самодифракции под действием излучения, использован слой незадубленной бихроми- рованной желатины.

Изобретение может быть использовано для создания художественных голограмм и голографических оптических элементов. Цель изобретения - повышение качества голограмм. Устройство содержит источник когерентного излучения, узлы формирования опорного и объектного пучков с фазосд- вигающим устройством, подключенным к генератору синусоидальных сигналов, регистрирующую среду, фотоприемное устройство, синхронный усилитель, выход которого соединен с фэзосдвигающим устройством. Фотоприемное устройство выполнено в виде двух фотоприемников, установленных за регистрирующей средой на оптических осях узлов формирования опорного и объектного пучков. Дополнительно введен сумматор, вход которого подключен к синхронному усилителю. Устройство работаете использованием нового эффекта самодифракции на слоях незздубленной бихромированной желатины. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Фиг.

и,в

A

A t

t

Ґ

-1

Редактор А. Козориз

Составитель Е. Дорофеева

Техред М.МоргенталКорректор С. Шевкун

oiriii

BitMUH

Фм.2

Фиг. J