Трансформации волновых полей при разночастотной записи и считывании динамических ? (2) — голограмм

Актуальность темы

.

Классическая голография предполагает использование для записи голограмм опорного и объектного источников одной и той же частоты излучения. Считывание голограмм может производиться как излучением той же частоты, так и частотами отличными от используемых при записи. Запись и считывание голограмм на разных частотах широко применяется для решения ряда задач современной науки и техники: недеструктивного восстановления изображений в системах передачи, хранения и обработки информации, изучения временных характеристик фотопроцессов, а также переноса инфракрасных и акустических изображений в видимую область спектра.

Однако изменение частоты излучения при считывании существенно меняет ряд важных параметров восстановленных изображений, включая их пространственную локализацию, масштаб и разрешающую способность, а также дифракционную эффективность голограмм. Таким образом, применительно к указанным задачам возникает необходимость изучения трансформаций волновых полей при разночастотной записи и считывании динамических и обычных голограмм, а также эффективности многочастотной записи наложенных голограмм с учетом характеристик реальных регистрирующих сред.

Вместе с тем за последние годы возник интерес к изучению процессов формирования голографических изображений в нелинейно-оптических средах с квадратичной нелинейностью (х (2)-голограмм), что связано с исключительно высоким быстродействием динамических голограмм (ДГ) такого типа и возможностями их применения для задач оптической обработки и передачи информации. В этом случае становится возможным использование для записи ДГ объектного и опорного-пучков с различными частотами излучения, причем разность частот может быть сравнима с самими частотами излучения. Таким образом, существенно различными становятся все три частоты излучения, участвующие в записи и считывании голографических изображений.

Трансформационные свойства и качество голографических изображений в этом наиболее общем случае записи и считывания голограмм в настоящее время мало изучены и исследование их в рамках данной диссертации является актуальным. Особый интерес представляет многоволновая запись и считывание динамических %(2*-голограмм (%(2)-ДГ) с использованием многочастотных источников излучения как в опорном, так и в объектном пучках, которая позволяет одновременно переключать большое число информационных каналов.

Цель работы.

Цель работы заключалась прежде всего в изучении преобразования пространственной структуры волновых полей при разночастотной записи и считывании %(2)-голограмм, а также сравнительном анализе трансформационных свойств х (2)" и Х (3)" гологРаммДля ее реализации требовалось решить следующие задачи:

— Теоретически изучить трансформационные свойства и аберрации третьего порядка %(2)-ДГ во внеосевой схеме записи с опорным точечным источником.

— Провести теоретические и экспериментальные исследования трансформационных свойств изображений, восстанавливаемых %(2)-ДГ во всех вариантах смешения частот при использовании многочастотных опорных и объектных пучков.

— Экспериментально изучить многочастотную запись и считывание наложенных ДГ в фоторефрактивных кристаллах4 при изменении угла считывания голограмм.

— Сформулировать подход к количественной оценке предельной разрешающей способности изображений точечных источников при использовании различных схем и вариантов смешения частот для записи и (2) «» считывания % -ДГ.

— Выполнить сравнительный анализ трансформационных, аберрационных и селективных свойств тонких и объемных %2) — и х (3)-голограмм.

Научная новизна работы.

1. Проведен теоретический анализ и экспериментальное исследование трасформационных свойств и аберраций в параксиальном скалярном приближении в случае записи наложенных х (2)~ДГ многочастотными ч объектным и опорным источниками во всех вариантах смешения частот взаимодействующих пучков. Введено понятие локрисов как геометрических мест изображений, сформированных многочастотными опорными и объектными точечными источниками.

2. Экспериментально подтверждены вид и положение локрисов, а также масштабов изображений, сформированных %(2)-голограммами при использовании многочастотных объектных и опорных пучков. Установлена возможность записи ахроматических изображений при взаимодействии таких пучков. Продемонстрирована возможность формирования голограммами в случае повышения частоты восстановленного излучения не только мнимых, но и действительных изображений посредством изменения положения опорного точечного источника.

3. Впервые экспериментально изучены трансформационные свойства изображений, восстанавливаемых Х (2)-ДГ в случае понижения и смещения частоты. Выполнен анализ условий неколлинеарного синхронизма в двухосном кристалле КТР применительно к распространению опорной и объектной волн в одной из главных плоскостей этого кристалла для всех вариантов смешения частот.

4. Для объемных х (3)" гологРамм установлено существование локриса, формируемого при разночастотной записи и считывании с использованием плоской опорной волны, когда считывание голограмм осуществляется в брэгговских условиях. Экспериментально продемонстрирована запись наложенных объемных ДГ в фоторефрактивных кристаллах CdF2: Ga и SBN на четырех длинах волн аргонового лазера 458, 476, 488 и 514 нм с последующим брэгговским считыванием каждой голограммы на всех длинах волн. Результатом такой записи и считывания явилось формирование матриц из 4×4 восстановленных изображений с пространственно-временным и спектральным разделением.

5. Сформулирован и экспериментально проверен подход к количественной оценке предельной разрешающей способности схем разночастотной записи и считывания %2) — и х (3)" гологРамм изображений точечных источников. Получены экспериментальные данные об относительной интенсивности Штреля и полуширине восстановленного дифракционного изображения при изменении длины волны считывания, а также при отклонении углов считывания голограмм от брэгговских углов.

На защиту выносится:

1. Теоретический анализ трансформаций волновых полей в параксиальном скалярном приближении при разночастотной записи и считывании х2)-ДГ применительно к определению пространственной локализации, масштабов и аберраций третьего порядка изображений, формируемых %2)-ДГ во всех вариантах смешения частот взаимодействующих пучков, включающий:

A. Установление существования прямолинейных отрезков, линий и строго ограниченных областей возможного расположения ч реконструированных голографических изображений точечных источников (локрисов, а также их линий, зон и полей).

B. Определение условий формирования действительных и мнимых, а также ахроматических изображений при записи и считывании (2) «» наложенных % -ДГ.

C. Правило поточечного геометрического построения изображений,.

2) «» создаваемых % -ДГ.

D. Установление условий трансформационных соответствий восстановленных волновых полей при разночастотной записи и считывании обычных и %2)-ДГ при всех вариантах смешения частот применительно к положению и масштабам, а также аберрациям третьего порядка голографических изображений точечных источников.

2. Экспериментальное подтверждение применимости параксиальной теории тонких %2)-ДУ для описания трансформационных свойств процессов записи и преобразования изображений в нелинейных квадратичных средах конечной толщины в широком диапазоне изменения соотношений частот и положений опорного и объектного источников в условиях, когда спектры пространственных частот объектных пучков заключены в пределах угловой селективности голограмм, в том числе: А. Экспериментальное подтверждение теоретической зависимости трансформационных свойств х (2)-гологРамм от соотношения частот излучения объектного и опорного пучков и положения опорного источника.

B. Экспериментальная демонстрация возможности записи наложенных Х*2)-ДГ с использованием многочастотных опорного и объектного пучков.

C. Показана возможность получения как монохромных, так и ахроматических голографических изображений при неколлинеарных многочастотных взаимодействиях. ч.

D. Определены условия неколлинеарного синхронизма взаимодействующих волн в двухосном нелинейном кристалле КТР и одновременного достижения синхронизма для избранных комбинаций частот.

3. Результаты сравнительного анализа свойств тонких и объемных %<2) — и Х (3)-голограмм, позволившие применить понятие локриса к описанию разночастотной записи и считывания х (3)-гологРамм: объемных при брэгговском считывании и тонких в условиях трансформационных соответствий %2) — и х (3)" гологРаммЭкспериментальное подтверждение этих результатов на примере многочастотной записи наложенных объемных ДГ в фоторефрактивных кристаллах CdF2: Ga и SBN с последующим брэгговским считыванием каждой голограммы на всех длинах волн и формированием матриц из 4×4 восстановленных изображений с пространственно-временным и спектральным разделением.

4. Обнаружение расширения полосы спектральной чувствительности кристаллов CdF2: Ga в ближнюю ИК область при переходе рабочих температур от азотных к комнатным и демонстрацию возможности высокоэффективной записи динамических отражательных голограмм в этих кристаллах.

5. Формулировка и экспериментальное подтверждение применимости теоретического подхода Штреля-Марешапя к количественной оценке разрешающей способности голографических изображений точечных источников, а также определение важных для практики зависимостей разрешающей способности голографических изображений от условий.

2) (3) записи и считывания % - и хголограмм — соотношении и вариантов смешения частот, геометрии записи и считывания, а также диаметра голограмм.

Практическая ценность работы.

1. Теоретически и экспериментально показана возможность получения большого числа голографических изображений путем записи %(2)-ДГ с многочастотными опорным и объектным пучками, что важно для решении проблем сверхбыстрого оптического переключения с изменением длины волны спектрально разнесенных информационных каналов.

2. Метод формирования матриц дифрагированных пучков с пространственно-временным и спектральным разделением порядков дифракции, основанный на записи наложенных объемных ДГ с последующим брэгговским считыванием каждой^{голограммы} на всех длинах волн, использованных для записи, может быть применен в задачах многоканального оптического переключения сигналов, в системах хранения информации, а также для экспресс-анализа спектральной чувствительности регистрирующих материалов.

3. Результаты исследования голографических свойств кристаллов CdF2: Ga представляют интерес для динамической голографии благодаря высокой чувствительности, возможности эффективной записи и считывания голограмм в видимой и ИК областях спектра при комнатных температурах, температурного управления временем хранения голограмм, а также изотропности оптических свойств и сравнительной дешевизне изготовления крупных однородных кристаллов. 4. Подход к количественной оценке предельной разрешающей способности схем записи и считывания %2) — и х (3)-голограмм изображений точечных источников может быть использован при анализе применимости таких схем для получения заданного разрешения изображения. Результаты исследования параметров качества голографического изображения в зависимости от условий восстановления голограммы представляют интерес для решения задач голографической регистрации ансамблей частиц малого размера.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы и содержит 178 страниц машинописного текста, 4 таблиц, 38 рисунков и 117 библиографических ссылок.

Выводы диссертационной работы.

1. На основе скалярной параксиальной теории тонких голограмм выполнен теоретический анализ пространственной локализации, масштабов и аберраций третьего порядка изображений, формируемых (2) динамическими % -голограммами во всех вариантах смешения частот.

Установлено существование геометрического места точек возможных локализаций восстановленных точечных изображений при.

2) многочастотнои записи динамических % -голограмм и заданного расположения объектного и опорного источников, а также строго ограниченных областей возможного расположения реконструированных голографических изображений (полей и зон локрисов), зависящих от.

2) пг варианта смешения частот и геометрии пучков, записывающих % -ДГ, и определены границы этих областей.

2. Сформулировано правило поточечного геометрического построения изображений, создаваемых динамическими х (2)-Г0Л0ГРаммами> основанное на использовании точек пересечения соответствующих локрисов и частотно-векторных лучей. Установлены условия соответствия трансформаций (положения и масштабов), а также аберраций третьего порядка голографических изображений, формируемых динамическими х (2)~гологРаммами во всех вариантах смешения частот и обычными голограммами.

3. На основе расчета интенсивности Штреля согласно критерию Марешаля определены области параметров записи динамических %2)-голограмм, задаваемых значениями критических соотношений частот, углов схождения опорного и объектного излучения, а также координат опорного источника, в пределах которых может быть реализовано высокое качество восстановленных изображений при использовании осевых и внеосевых схем записи с повышением, понижением и смешением частоты считывающего излучения.

4. Экспериментальные результаты диссертации продемонстрировали.

2) применимость параксиальной теории тонких динамических % -голограмм для описания трансформационных свойств процессов записи и преобразования изображений в нелинейных квадратичных средах конечной толщины в широком диапазоне изменения соотношений частот и положений опорного и объектного источников в условиях, когда спектры пространственных частот объектных пучков заключены в пределах угловой селективности голограмм. Продемонстрирована.

2) возможность записи наложенных динамических % -голограмм с использованием многочастотных опорного и объектного пучков. Определены условия неколлинеарного синхронизма взаимодействующих волн в двухосном кристалле КТР и одновременного достижения синхронизма для избранных комбинаций частот.

5. Для объемных х (3)-Г0Л0ГРамм установлено существование локриса, формируемого при разночастотной записи и считывании с использованием плоской опорной волны, когда считывание голограмм осуществляется в брэгговских условиях. Экспериментально продемонстрирована запись наложенных объемных динамических голограмм в фоторефрактивных кристаллах CdF2: Ga и SBN на четырех длинах волн аргонового лазера 458, 476, 488 и 514 нм с последующим брэгговским считыванием каждой голограммы на всех длинах волн.

6. Проведенные исследования нового фоторефрактивного кристалла CdF2: Ga показали, что эта среда может успешно применяться для записи и считывания динамических голограмм при комнатных температурах в спектральном диапазоне 400−800 нм при изменении пространственной частоты от 80 до 5000 мм" 1. Максимальное значение ДЭ ДГ достигает.

60%. Голографическая чувствительность этих кристаллов в пределах видимой области спектра составляет 10−100 мДж/см2 по уровню ДЭ=1%. Понижение температуры приводит к увеличению времени хранения и ДЭ, но сопровождается снижением чувствительности кристаллов CdF2: Ga к записи в длинноволновой части спектра.

7. В результате исследования качества изображений, создаваемых обычной голограммой, в зависимости от угловой расстройки считывающего излучения относительно угла Брэгга получено экспериментальное подтверждение применимости развитого в главе 2 теоретического подхода к количественной оценке разрешающей способности голографических изображений точечных источников,.

2> (3) восстанавливаемых % - и %1 -голограммами.

Благодарности.

Приношу свою благодарность моему научному руководителю доктору физ.-мат. наук, профессору Д. И. Стаселько и доктору физ.- мат. наук, профессору, академику Ю. Н. Денисюку за постановку задач и поддержку работы над диссертацией, доктору физ.-мат. наук, профессору А. И. Рыскину за поддержку работы, В. Н. Сизову, С. И. Климентьеву,. А. С. Щеулину, С. Н. Корешеву, М. К. Шевцову, В. Н. Назарову, Г. В. Лукомскому и В. А. Косниковскому за помощь в экспериментальной работе, В. Н. Крылову, В. Г. Беспалову, А. Г. Калинцеву за стимулирующие обсуждения и консультации, а также А. Б Каплуну за предоставленный кристалл КТР. Работа над диссертацией была выполнена при поддержке гранта МНТЦ № 474, Государственной научной стипендии для молодых ученых в области физики и астрономии, научных стипендий им. академиков Н. А. Теренина и В. П. Линника, грантов РФФИ НШ-98.2003.2 и № 01−02−1754.