Устройство для полной записи информации о волновом поле Советский патент 1975 года по МПК G03C9/08 

3 кваДра Iуриыл oiiioiuciiii/ix it л.меющие поляризацию, ортогональную ноляризации основных опорных пучков. Кроме того, псследуемып объект (предмет) освещается ортогоиально поляризованными двумя пучками когерентного света. Вращение нлоскости поляризаций света дост;нгается нрименением поляризационного вращателя - ячейки Фарадея, а освещение исследуемого объекта (нредмета) пучками когерентного света с ортогональной ноляризацией достигнуто применением онтнческого сумматора. На чертеже дала блок-схема нредложенного устройства. Устройство содержит оптический кваитовый генератор 1, оптический делитель 2 с двумя выхода:МИ (например, полунрозрачпую пластинку), первый выход которого связан с нолярнзационпым врани1телем 3, осуществляющи.ч поворот плоскости поляризации когерентного света на угол 90°. Выход поляризацнонного вран ателя связан с донол1нителы1ы. онтичеоки.м делителе.м 4 с тре.мя выходам и. Второй выход оптического делителя 2 связан с осиовиым оитическим делителем 5 с тре.мя выхода.ми. Один из выходов каждого из оптических делителей 4 п 5 связан с оптическим сумматором 6, выход которого связаа оптически с исследуемы.м объектом 7 (предметом). Предметпый световой пучок от исследуемого объекта (предмета) воздействует ла голог1ра1Мму. Кроме того, вторые и третьи выходы оптичеоких делителей 4 и 5 образуют две пары ортогональных по поляризации опорных боковых пучков, паходящихся в квадратурных отнощениях, обусловленных введением в мвадратуриые KainavTbi фазовращателей 9 и 10, осуществляющих фазовый сдвиг соответствующих опорных пучков на 90°. Излучения онтического квантового генератора (ОКГ) 1, когерентные во времени и по нрострайству (режи.м ОКГ с одной поперечной модой колебаний), делятся по потоку на две равных компоненты в оптическом делителе 2 с двумя выходами (полупрозрачной пластипке). Одиа из этих кол-шонент, на пример с вертикальной поляризацией, воздействует па исследуемый объект и голограмму через делитель 5, оптический сум-матор 6 и фазовращатель 10, образуя пред.метный п два квадратурпых опорных пучка света с вертикальной ноляризацией. Другая компонента действует на предмет 7 и голограмму 8 таким же образом, исиользуя оптический сумматор 6, оптический делитель 4 и фазовращатель 9; однако образуемые ею предметный и два онорных квадратурных пучка света вмеют горизоитальиую поляризацию, благодаря установке вращателя 3 плоскостн поляризации света на угол 90°, выполненного, например, на ячейке Фарадея (либо кварцевой правовращающей или левоврао:,ающей нластине соответствующей оптической толщины). Фазовращатели 9 и 10 представляют собой стеклЯ|ННые неактивные пластинки определен4iiui голаи НЫ, опречсппспцпс пабсг |)азы световых колебаний в них на целое нечетное число четвертей световых волн, нзлучаемых ОКГ. Оптический сумматор 6 может представлять собой обычиую полупрозрачную пластинку с двумя ортогонально расноложенньши онтическимп входа.ми, образующп.ми углы с плоскостью пластинки +45°. Одпако прн это.м образуется также и два оптических выхода для коллинеарно су.ммнроваиного светового нотока, то есть энергия излучении, надающего на наследуемый объект (пред.мет) 7, у.меньщается вдвое, так как одии из выходных лучей не иснользуется. Более рациональиы.м рещением Является установка донолнительно к полупрозрачпой пластинке оптического су.м.матора 6 также отражателя, плоскость которогсо параллельна нлоскостн полупрозрачной пластинкн. Прн этом оба указанных выходных нотока полупрозрачной пластинки надают на исследуемый объект (предмет) параллельно друг другу н рассматриваются как единый двуХКОМпонентпый поток, освещающий исследуемый объект (предмет). В качестве исследуе.мого объекта (предмета) .может быть взято какое-либо непрозрачное тело - предмет, фор.му которого следует запечатлеть на голограм.ме. Более интересным для практических прнложений случаем Является использование исследуемой среды, нрозрачной для светового потока (и в эпергетичеоко.м смысле), дифракция света в которой отражает некий иространствевный образ регистри руемого физического процесса, характеризуемого функциями времени. Нанример, важно голографировать простра1НСтвенное распределение акустических волН в прозрачной звукопроводящей среде, возбуждаемой пьезодатчика1ми от электрических си ли а лов, снектр которых надлежит проанализировать. В этом случае процесс голографической заниси должен происходить квазимгновенно (должны быть использованы ОКГ в моноимнульсном реж1нме с длительностью Импульса света, существенно меньщей времени, в течение которого фронт акустической волны переместится на четверть длины волны света). В противном случае на голограмме не получится квазимгновенного отпечатка раснределения акустической волны по пространству. Рассматриваемая голограмма 8 должна обладать достаточно высокой разрещающей способностью и чувствительностью. По условиям изложенной теоремы о полной записи волнового поля требуется иметь четыре замкнутых голограммы. Под зам1кнутостью голограммы неО:бходимо нонимать, например, голографическую поверхность в виде сферы, внутри которой помещены исследуемый объект, источник излучения и элементы опорпых каналов. Однако при использовании ограниченных но сечению плоских волн света использование нластин-голограммы ограниченных размеров (не замкнутой) обосновано, поскольку для ограниченных плоских пучков света иптенсивность электромагнитных полей ja ирел.слами уф(|к:к111В11()го сечении пучка плоской световой 1ю. незначительна. Разрешающая способность по предмету нри определяется апертурой (сечением) плоской , а следовательно, размерами гололраммы (той ее части, где занисана нптерферограмма). Можно показать, что нрп днаметре анертуры нлоской волны порядка 100 мм теоретическая разрешающая способность намного выше той, которая могла бы реализоваться :На практике. Как известно, основной трудностью в оптическом диапазоне волн является осуществление голографической записи с квадратурными онорньимн каналами. Действительно, два онорных нучка света, падающ,ие на плоскость голограммы, будут квадратурными только тогда, когда разность их фаз в любой зада-нной точке голографической пластины будет составлять 90°. Для обеспечения этого условия необходимо выполнение ряда трудновыноллимых условий: фронт ОНОр:НЫХ ВОЛ.Н ДОЛЖеН быть ПЛОСКИ1М либо одинакОВым но фор.ме к масштабу для обоих онорных пучков; онорные нуЧКп должны быть взаимнонараллельнылги, а в случае некоторой неизбеж1ной сферичности пучков последние должлы исходить из одной точки, то есть оиорНые пучки должны совпадать в пространстве; фазовращатели (9 или 10) должны обеспечивать сдвиг фазы светового колебания на целое нечетное число четвертей волн света но всей своей нлоскости, а нластинка фазовращателя должна быть строго нл.оскопараллельной. Добиться выполнения этих воз.можно, если использовать в качестве делителей 4 и 5 ко1мбинации полупрозрачной пластинки и последовательно лстановленной но однОМу из ее оптических выходов двухлучевой системы типа интерферометра Рождественского, в одну из оптических ветвей которого установлена фазовращающая пластинка (9 или 10). При этОМ второй выход полунрозрачной 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 сколлимированных квадрат р«ых опорных пучка. Практическое осуществление такого алгорит.ма записи голограММы возможно, хотя и достаточно сложно. Рассмотрим возможность записи голограммы нри использовании четырех онорных пучков, каждая из двух нар которых с одной н той же поляризацией содержит нучки, не находящиеся в квадратурных отношениях. Действительно, по условня.м нолной заниси необходИМО синтезировать четыре независи-мых голограммы, носкольку неизвестных распределепий (а.мплитуд и фаз) также четыре. Однако теорема не утверждает, какие именно четыре голограммы необходимо занисать, действительно ли необходима запись голограмм с использованием квадратурных опорных пучков. В радиотехнической обработке сигналов нснользование квадратурных нринцинсв единственно приемлемо, поскольку радиотехнические ценн являются принцнпнально одновременными. В имеют дело с многомернымн системами (двумерными но нространству и одномерными но временн), поэтому можно отказаться от необходимости квадратурной записи, если использовать пространственное перемещение источников оиорных каналов между собой. двумерность онтического иоля но нространству нозволяет иснользовать для разделения каналов различия в пространственных координатах, что адекватно разделению каналов нри квадратурной обработке сигпалов. Это практически подтверждается сиособностью на одной голограмме занисывать несколько различных пред.метов (или один п тот же движущийся предмет) при использовании всякий раз опорных пучков со смещающи.мся по координатам пространства И1сточникол онориой волны (для точечных источников опорных волн) либо при иснользова1ннн оиорных пучков, падающих на нлоскость голограм мы, ноочередно под различными углами (для опорных пучков, представляющих плоские волны). Так поступают, напрпмер, нри голографическом кино. Упростить процесс полной записи информации о волновоМ поле исследуемого объекта (нред.мета) можно нутем использовання четырех онорных пучков, представляющих две пары взаимно ортогональных комнонент света по поляризации, причем пучкп света каждой пары (с одной н той же поляризацией) воздействуют на нлоскость голограммы под различнымн углами (то есть источники плоских опорных волн разнесены в пространстве). Ортогональность поляризации указапных пар пучков следует сохранить, носкольку информация о волновом поле содержится в раснределенин взаимно ортогональных касательны. составляющих вектора электрического ноля на поверхности голограммы. В выражении для каждой из таких касательных содержится два неизвестных параметра - а гплитуда н фаза интерферированного колебапп-я, раздельное измерение которых возможно при записи двух независимых уравнений дня электрической компоненты поля заданной пслярпзации. Этп два независимых уравнения создаются при голографнрованпи исследуемого объекта с помощью двух опорных каналов, создающих излучения одной и то же ноляризации (что и компонента освещаемого объекта), но падающие на плоскость голограмм) под различ ыми углами. Как известно, при восстаповлении голограмМы, записанной с одним боковым онорHbLM пучкоМ света, восстановленная содержит в первом нрнближении три комно 1енты - нулевой порядок дифракции восстанавливающей (опорной) волны, первый норядок дифракции (+1), составляющий предметную