Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Асимметризация профиля тонкой динамической голограммы в реальном времени

Диссертация: Асимметризация профиля тонкой динамической голограммы в реальном времени
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Второй подход к решению проблемы асимметризации профиля динамического голографического корректора — это метод, основанный на использовании петли оптической обратной связи. В этом случае запись динамической решетки производится картиной интерференции двух световых волн, одна из которых несет информацию о моментальном фазовом профиле корректора. Однако практическая реализация такой схемы… Читать ещё >

Асимметризация профиля тонкой динамической голограммы в реальном времени (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Глава 1. Обзор литературы
    • 1. 1. Развитие методов коррекции искажений оптических сигналов от статических к динамическим
    • 1. 2. Применение тонкие голографических модуляторов на основе оптически-адресуемых жидких кристаллов для коррекции искажений
    • 1. 3. Методы повышения дифракционной эффективности рельефно-фазовых структур
  • Глава 2. Асимметризация профиля голографического корректора методом компьютерной голографии
  • Глава 3. Алгоритм расчета эффективности дифракции
  • Глава 4. Применение оптической обратной связи для асимметризации формы профиля голографического корректора
    • 4. 1. Теоретическое исследование схемы записи голографического корректора
    • 4. 2. Экспериментальное исследование схемы записи голографического корректора в петле оптической обратной связи с телевизонно-компьютерным замыканием
    • 4. 3. Экспериментальное исследование схемы записи голографического корректора в петле оптической обратной связи с использованием электрически-адресуемого жидкокристаллического модулятора
  • Глава 5. Исследование механизма самоассиметризации фазового профиля жидкокристаллического голографического корректора

Задача восстановления оптических сигналов, искаженных несовершенными элементами оптических схем, появилась практически с момента появления самых простых оптических систем. Решения этой задачи выделились в отдельное направление, названное адаптивной оптикой. Особенно интенсивное развитие эта область получила в связи с активной работой над увеличением разрешающей способности наземных телескопов (с помощью коррекции искажений вносимых атмосферой и оптическими элементами). В настоящее время практически на всех крупных телескопах используются такие системы, позволяющие довести угловую разрешающую способность телескопа до его дифракционного предела.

Решения задачи восстановления оптических сигналов не ограничивается только применениями, связанными с телескопами. Модули по адаптивной коррекции сигналов могут быть применены к практически любым системам с оптическим переносом информации. Начиная от восстановления формы фронта лазерных пучков, заканчивая улучшением качества фотоснимков. Задача получения подобных компактных и дешевых устройств, позволяющих нивелировать влияние некачественных оптических элементов и рассеивающих сред, является актуальной задачей.

Общий подход к процедуре адаптивной коррекции можно описать в несколько этапов:

• Регистрация искажённого изображения и анализ его искажений.

• Обработка полученной информации об искажениях.

• Вычисление требуемого оптического профиля фазового корректора и его воспроизведение с помощью некоторого специально управляемого оптического элемента, входящего в состав оптической системы.

• Получение восстановленного изображения за счет включения фазового корректора в оптическую схему.

Данная схема может работать в непрерывном режиме, обеспечивая коррекцию волновых фронтов в реальном времени (при условии, что каждый из шагов может быть реализован с необходимыми скоростными характеристиками).

В данной диссертации рассматривается один из методов адаптивной оптики — динамическая голографическая коррекция. В этом методе в качестве фазового корректора используется голограмма [1−4], записанная как картина интерференции плоской опорной волны и искаженной сигнальной волны точечного источника. При облучении такой голограммы пучком с искаженным волновым фронтом восстанавливается неискаженная световая волна [5,6].

Данный подход позволяет преодолеть недостатки классической линейной адаптивной оптики, основным корректирующим элементом которой является деформируемое зеркало на пъезокерамике. Это такие недостатки как, высокая сложность в изготовлении, ограничение по быстродействию, и дороговизна. Адаптивная голография относится к классу нелинейно-оптических методов, гораздо более дешёвых и быстродействующих, но онатакже не лишена недостатков. Разработке и реализации методов по преодолению одного из этих недостатков (потеря мощности излучения) посвящена данная диссертация.

Проблема потери интенсивности возникает из-за того, что при обычных методах записи интерференционных картин формируется симметричный корректирующий профиль, дифракционная эффективность которого в рабочий (1-ый или -1-ый) порядок дифракции в пределе не может превышать 40%. Для решения этой проблемы используются методы асимметризации формы фазового профиля, целью которых является преобразование формы к пилообразному виду, дающему 100% дифракционной эффективности в первый порядок.

В настоящее время разработано 3 метода асимметризации:

1. Компьютерная голография — решение, основанное на полностью компьютерной генерации формы профиля корректирующей голограммы.

2. Системы с оптической обратной связью (ООС).

3. Самоасимметризация за счет внутренней анизотропии среды модулятора.

Все три подхода были предметами исследования в данной диссертации и им посвящены соответствующие главы.

В рамках подхода полностью компьютерной процедуры расчета асимметричной формы корректирующего профиля, был исследован алгоритм, предложенный в [7]. Он основан на обработке сугубо локальной информации, а потому свободен от недостатков предыдущих лобовых подходов расчета градиентов, которые требовали сложной обработки всей картины поля, что приводило к медленной работе схемы и ошибкам идентификации спусков-подъемов. Автором был проведен эксперимент, реализующий, согласно алгоритму [7], генерацию профиля в реальном времени. Эксперимент показал потенциальную дифракционную эффективность более 70−75%.

Следует отметить, что для расчета дифракционной эффективности асимметричных профилей автором был разработан алгоритм численного расчета, основанный на интегрировании вторичных волн с поверхности корректора на базе формулы Гельмгольца-Кирхгофа. Ознакомиться с этим методом можно в главе 3.

Второй подход к решению проблемы асимметризации профиля динамического голографического корректора — это метод, основанный на использовании петли оптической обратной связи [8−10]. В этом случае запись динамической решетки производится картиной интерференции двух световых волн, одна из которых несет информацию о моментальном фазовом профиле корректора. Однако практическая реализация такой схемы оказывается весьма затруднительной. Одна из трудностей носит технический 5 характер и заключается в необходимости точного пространственного совмещения в масштабе 1:1 фазового рельефа, формируемого на пишущей и считывающей сторонах модулятора. Вторая трудность носит более фундаментальный характер. При записи топографической решетки в оптически адресуемом жидкокристаллическом пространственном модуляторе света в петле оптической обратной связи процесс записи носит существенно динамический характер. В течение времени установления асимметричного профиля в определенных зонах модулятора может наблюдаться немонотонное по времени изменение глубины фазового профиля, что может приводить к гистерезисным эффектам и замыванию формируемой топографической решетки.

В настоящей работе исследована схема записи голографического корректора в петле ООС, в которой замыкание контура ООС осуществляется телевизионно-компыотерным методом [9]. Это позволяет преодолеть эффекты, вызванные гистерезисной динамикой корректора и сложности построения оптической схемы.

Автором был проведен численный расчет итерационного процесса установления формы профиля с учетом неточности совмещения сигналов (сдвиг, растяжения), который показал возможность реализации подобной схемы асимметризации на практике. На основе этих результатов был проведен эксперимент, в котором петля ООС была реализована с помощью ПЗС камеры и компьютерного проектора (см. главу 4). Расчет дифракционной эффективности для результатов эксперимента показал, что мощность может превышать 70−75%.

Также был проведен эксперимент, в котором замыкание ООС осуществлялось с помощью электрически адресуемого модулятора Но1оеуе 1X2002, который подключался к компьютеру вместо монитора, и напрямую выводил картинку полученную с ПЗС камеры в виду фазового, профиля. Эксперимент так же показал возможность применимости данной схемы асимметризации для получения фазовых корректоров с дифракционной эффективностью близкой к 100%.

В рамках третьего подхода к процедуре асимметризации фазового профиля, который был обнаружен в [11−13], автором было проведено теоретическое исследование причин самоасимметризации профиля и реализована программа~для^компьютерной симуляции этого процесса. Симуляция показала возможность достижения дифракционной эффективности более 50%.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Реализация метода компьютерной голографии, основанная на использовании сугубо локальной информации, может быть применима для записи голографических корректоров с эффективностью близкой к 100%) в реальном времени.

2. Использование схем записи топографического корректора с петлей оптической обратной связи на базе телевизионно-компьютерного переноса информации позволяет проводить эффективное восстановление сигнала в реальном времени.

3. Использование электрически адресуемых фазовых модуляторов позволяет еще более упростить схему записи эффективных голографических корректоров в петле оптической обратной связи.

4. Использование физических механизмов, приводящих к самоасимметризации фазового профиля, позволяет повысить дифракционную эффективность динамического голографического корректора.

Выводы:

1. Разработана модель динамического топографического корректора с учетом вторичного поля, создаваемого поляризацией среды под действием внешнего поля.

2. Расчет показал возможность автоматического формирования фазового профиля асимметричной формы, которая позволяет достичь эффективности дифракции близкой к 100%.

3. Сила рассмотренного эффекта автоматической асимметризации фазового профиля зависит от периода внешнего поля Е (х) и от величины поляризуемости среды, в общем случае представленной тензором.

4. Модель может быть расширена для расчетов реальных модуляторов за счет замены коэффициентов тензорами, введением подвижности нематиков, записи упругих сил в тензорном виде, учета дополнительных граничных эффектов.

Заключение

.

1. Проведено экспериментальное исследование метода компьютерной голографии, основанного на использовании сугубо локальной информации, которое показало, что схема может быть применима для записи голографических корректоров с эффективностью близкой к 100% в реальном времени.

2. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование схемы записи жидкокристаллического голографического корректора в петле обратной оптической связи с телевизионным замыканием.

3. Проведено экспериментальное исследование с использованием электрически адресуемого фазового модулятора в петле оптической обратной связи. Показано, что такой вид замыкания позволяет еще более упростить схему записи эффективных голографических корректоров.

4. Построена теоретическая модель процесса самоассиметризации фазового профиля динамического голографического корректора. Выявлены факторы, которые позволяют повысить дифракционную эффективность.

5. Разработан алгоритм расчета дифракционной эффективности для несимметричных периодических фазовых профилей любой формы.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Ю.Н. Принципы голографии: -Л., ГОИ- 1978, 125 с.
  2. Ю.И. Голография и ее применение: Л.:Наука — 1973, 180 с.
  3. Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. Пер. с англ: — М.: Мир 1973, 686 с.
  4. Г., ред. Оптическая голография. Пер. с англ: — М.: Мир 1982, т.1, т.2. 736 с.
  5. Berenberg V.A., Leshchev А.А., Soms L.N., Vasil’ev M.V. Venediktov V.Yu., Onokhov A.P., Beresnev L.A. Polychromatic dynamic holographie one-way image correction using liquid crystal SLMs // Optics Communications. 1999. V.166. P.181−188.
  6. В.Ю., Фрейганг H.H. Асимметризация профиля динамической голографической решетки на основе сугубо локальной информации // Оптика и Спектроскопия. 2008. Т.104. № 2. С. 347−351.
  7. В.А., Венедиктов В. Ю. Формирование тонких динамических голографических решеток с дифракционной эффективностью, близкой к 100%, в оптической системе с обратной связью // Оптический журнал. 2001. Т. 68. № 9. С.34−41.
  8. В.Ю., Иванова Н. Л., Ласкин В. А., Фрейганг Н. Н. Асимметризация профиля тонкой динамической голографической решетки в петле оптической обратной связи с телевизионным замыканием // Квантовая Электроника. 2009. Т.39. № 10. С. 973−976.
  9. В.Ю., Ласкин В. А., Пасечник И. М., Савинов В. А. Аналоговая асимметризация профиля тонкой динамической92топографической решетки в матричном жидкокристаллическом транспаранте // Оптика и Спектроскопия. 2010. Т. 109. № 6. С. 1195−1200.
  10. Berenberg V.A., Chailca A.N., Ivanova N.L., Onokhov A.P. Phase reflective OA LC SLM with the clear aperture up to 50-mm for recording dynamic holographic grating with high-diffraction efficiency // Proc. SPIE 2003 -Vol.4493-P. 239.
  11. H.B., Онохов А. П., Чайка A.H. Реверсивная запись интерференционных решеток с дифракционной эффективностью свыше 50% на струтуре «аморфный гидрогенезированный кремний — нематический жидкий кристалл» // Письма в ЖТФ — 2001 — т.27 № 15 -с.57−61.
  12. В.А., Иванова Н. В., Феоктистов Н. А., Чайка А. Н. Прямая запись тонких динамических дифракционных решеток в оптически адресуемых пространственных модуляторах света с дифракционной эффективностью более 50% // ЖТФ 2008 — т.78 — № 4 — с.99−103.
  13. Г. И., Ефименко И. М., Степанов С. А. Оптика градиентных и дифракционных элементов. —М.: Радио и связь, 1990. — 136 с.
  14. С. Т. Грейсух Г. И. Туркевич Ю. Г. Оптика дифракционных элементов и систем. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986 -223 с.
  15. D. Gabor. Microscopy by reconstructed wavefronts. // Proc. R. Soc. London, Ser.A. 1949 — V.197 -p.454−487.
  16. H. Kogelnik. Holographic Image Projection through Inhomogeneous Media. // Bell System Technical Journal 1965 — V.44 — No. 10 — p.2451−2455.
  17. Leith E.N., Upatnieks J. Holographic Imagery Through Diffusing Media // J. Opt. Soc. Am. 1966 — V.56 — No.4 — p.523−523.
  18. Goodman J.W., Huntley W.H., Jackson D.W., Lehmann M. Wavefront-reconstruction imaging through random media // Appl. Phys. Lett. 1966 -V.8 — No. 12 — p.311−313.
  19. Goodman J.W., Jackson D.W., Lehmann M., Knotts J. Experiments in LongDistance Holographic Imagery // Appl. Opt. 1969 — V.8 — No.8 — p. 15 811 586.
  20. Upatnieks J, VanderLugt A., Leith E. Correction of Lens Aberrations by Means of Holograms// Appl. Opt. 1966-V.5-No.4-p.589−593.
  21. Kogelnik H., Pennington K.S. Holographic Imaging Through a Random Medium//J. Opt. Soc. Am. 1968 — V.58 — No.2 — p.273−274.
  22. Toth L., Collins S.A. Reconstruction of a Three-Dimensional Microscopic Sample using Holographic Techniques // Appl. Phys. Lett. 1968 — V.13 -No.l — p.79−81.
  23. Ю.Н., Соскин С. И. Топографическая коррекция деформационных аберрации главного зеркала телескопа. // Оптика и спектроскопия 1971 -т. 31 — № 6 — с. 992−999.
  24. Ю.Н., Соскин С. И. Топографическое исправление аберраций оптической системы, обусловленных деформацией главного зеркала. // Оптика и спектроскопия. 1972 — т. ЗЗ — № 5 — с.994−996.
  25. С. В. Display of Holograms in White Light // Bell Syst. Tech. J. -1966-V.45-No.6-p. 1841 1850.
  26. Ю.Е., Синцов B.H. Топографический синтез апертуры составного объектива. // Оптика и спектроскопия 1974 — т.36 — №.3 — с.608−611.
  27. Munch J., Wuerker R. Holographic technique for correcting aberrrations in a telescope // Appl. Opt. 1989 — V.28 — No.7 — p. 1312−1317.
  28. Munch J., Wuerker R., Heflinger L. Wideband holographic correction of an aberrated telescope objective. // Appl. Opt. 1990 — V.29 — No. 16, p.2440−2445.
  29. Lemelin G., Lessard R., Borra E. An investigation of holographic correctors for astronomical Telescopes. // Astron. and Astrophys. 1993 — V.274 — No.3 — p.983−992.
  30. Andersen G., Munch J., Veitch P. Holographic correction of large telescope primaries by proximal, off-axis beacons. // Appl. Opt. — 1996 — V.35 — No.4 -p.603−608.
  31. Andersen G., Munch J., Veitch P. Compact, holographic correction of aberrated telescopes//Appl. Opt. 1997 — V.36 — No.7 p.1427−1431.
  32. .Я., Пилипецкий Н. Ф., Шкунов В. В. Обращение волнового фронта М., Наука, 1985 — 247 с.
  33. В.В. Обращение волнового фронта при вынужденном рассеянии света М., Наука, 1990 — 181 с.
  34. Ю.И., Бутусов М. М., Островская Г. В. Голографическая интерферометрия. М., Наука, 1977 — 339 с.
  35. Berenberg V.A., Venediktov V. Yu, Ivanova N. L. Large-aperture optically addressed spatial light modulator development. // Proceedings of SPIE-- 2005 V.5777- p.711−715.
  36. Berenberg V.A., Petrushin Yu.A., Venediktov V.Yu. et al. New elements and schemes for holographic correction in mid-IR. // Proceedings of SPIE 2002 -V.4884-p. 291−297.
  37. Venediktov V.Yu., Berenberg V.A., Danilov .V.V. et al. Holographic correction in mid-IR us-ing OA LC SLM elements. // Proceedings of SPIE -2000 V.4124 — p. 257−264.
  38. Berenberg V.A., Freygang N.N., Leshchev A.A. et al. System of phase conjugation with a two-stage holographic corrector recording scheme. // Proceedngs of SPIE 2005 — V.6018 — p.60180J-1−60180J-6.
  39. M., Вольф Э. Основы оптики. M.: Наука, 1970 — 855 с.
  40. L. В., Hirsch P. М., Jordan J. A. The kinoform: a new wavefront reconstruction device // IBM J. Res. Develop. 1969 — v. 13 — p. 150.
  41. С. Т. Грейсух Г. И. Туркевич Ю. Г. Оптика дифракционных элементов и систем. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние. 1986 -223 с.
  42. Toyoda H., Kobayashi Y., Yoshida N. et al. High efficient electrically-addressable spatial light modulator for reconfigurable optical interconnection. // OSA Snowmass Meeting, SLM'99 technical digest 1999 — SMB3.
  43. Fisher A.D. and Warde C. Technique for real-time high-resolution adaptive phase compensation// Opt. Lett 1983 — V.87 — p.353−355.
  44. Dou R., Vorontsov M.A., Sivokon V.P., and Giles M.K. Iterative technique for high-resolution phase distortion compensation in adaptive interferometers // Optical Engineering 1997 — V.36 — № 12 — P.3327−3335.
  45. Degtiarev E.V., and Vorontsov M.A. Spatial filtering in nonlinear two-dimensional feedback systems: phase-distortion suppression// JOSA B.-1995.-Vol. 12, No.7.-P. 1238−1248.
  46. M.A., Киракосян М. Э., Ларичев A.B. Коррекция фазовых искажений в нелинейном интерферометре с оптической обратной связью//Квантовая электроника.-1991 .-Т. 18, № 1.-С. 117- 120.
  47. Fisher A.D. and Warde С. Technique for real-time high-resolution adaptive phase compensation // Opt. Lett 1983 — V.87 — p.353−355.
  48. JI.M. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. М.: Наука, 1978.-384 с.
  49. В.А., Венедиктов В. Ю., Ласкин В. А. Самоасимметризация профиля фазовой решетки в S-слое нематика. Частично-непрерывная модель // Оптика и Спектроскопия. 2010. Т.109. № 6. С.1208−1211.
  50. В.Ю., Ласкин В. А., Савинов В. А. Асимметризация профиля картины интерференции двух волн в реальном времени // Оптика и Спектроскопия. 2010. Т. 109. № 4. С. 669−671.
  51. Press W.H., Flannery В.Р., Teukolski S.A., Vetterling W.T. Numerical Recipes. The Art of Scientific Computing // Cambridge: Cambridge University Press.
  52. В.Ю., Г.Е.Невская, М.Г.Томилин. Жидкие кристаллы в динамической голографии (обзор) // Оптика и Спектроскопия. 2011.1987.1. Т. 111. № 1. С.121−142.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!