Оптоинформатика (стр. 2 из 19)
В таблице 1 приведены расчетные и экспериментальные значения максимальной дифракционной эффективности для голограмм различного типа при амплитудной или фазовой модуляции.
Таблица 1. Максимальная дифракционная эффективность голограмм
различного типа
| Тип голограммы | “Тонкая” | “Толстая” (или объёмная) | ||||
| Пропускающая | Отражательная | |||||
| Ампл. | Фазовая | Ампл. | Фазовая | Ампл. | Фазовая | |
| ДЭмакс(теор.) | 6.25 | 33.9 | 3.7 | 100 | 7.2 | 100 |
| ДЭмакс(эксп.) | 6.0 | 32.6 | 3.0 | 90 | 3.8 | 99.9 |
 |
Рис. 1. Поперечное сечение максимумов интенсивности стоячих волн, образованных при интерференции плоской R и сферической волны О. 1,2,3,4 – характерные положения регистрирующей среды, соответствующие различным схемам записи голограмм.
1,2,3 – голограммы в попутных пучках. 4 – голограммы во встречных пучках («отражательные»), 1 – осевые голограммы, 2 – внеосевые «тонкие» голограммы, 3 – внеосевые «толстые» голограммы.
Голографический метод записи получил широкое распространение для изготовления оптических элементов (голографических оптических элементов, ГОЭ) самого различного назначения: фокусирующих систем, проекционных экранов, переключателей и т.д. Голографические методы используют в интерферометрии, для хранения информации (оптическая память), изготовления защитных наклеек. К настоящему времени осуществлена запись полноцветных голографических изображений, реализована идея голографического кинематографа. В настоящее время продолжаются работы по внедрению голографических методов в тех областях науки и техники где предъявляются повышенные требования к информативной ёмкости полученного изображения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Оптическая схема импульсной лазерной системы приведена на рис. 2.
Рис. 2. Оптическая схема импульсной лазерной системы Green Star.
Зеркала 31, 32 и 33 образуют кольцевой резонатор задающего генератора импульсной лазерной системы, генерирующего на длине волны 1053 нм. Внутри резонатора находятся активный элемент – кристалл YLF:Nd, пассивный модулятор добротности на основе кристалла галлий-скандиевого граната, активированного ионами хрома (GSGG:Cr), и элементы СС и Пр1, обеспечивающие однонаправленный режим генерации в кольцевом резонаторе. С помощью линз Л1 – Л4, и призм Пр2 – Пр4 лазерный пучок расширяется и попадает на вход усилителя на основе неодимового стекла. После прохода по усилителю, лазерное излучение отражается от нелинейно-оптического элемента обращающего волновой фронт – ВРМБ-зеркала (пластинка l/4, Л5 и кювета ВРМБ) и проходит второй раз по усилителю. На втором проходе по усилителю помимо усиления происходит коррекция аберраций лазерного стержня усилителя, вследствие обращения волнового фронта. На выходе из усилителя, лазерное излучение выделяется поляризационным зеркалом П1 и после зеркала П2 и пластинки l/4 поступает на кристалл калий-титанил фосфата (KTP), где происходит удвоение частоты лазерного излучения.
С использованием лазерного излучения с длиной волны второй гармоники 527 нм осуществляется запись голограмм в попутных (рис. 3) и во встречных (рис. 4) пучках.
Рис. 3. Оптическая схема записи голограмм в попутных пучках.
Рис. 4. Оптическая схема записи голограмм во встречных пучках.
Схема измерений характеристик голограмм приведена на рис. 5.
Рис. 5. Измерение дифракционной эффективности и контраста голограмм.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Собрать оптическую схему записи голограмм* с использованием импульсного лазера.
2. Выполнить запись импульсных голограмм пропускающего и/или* отражательного типа с использованием галоидосеребряных регистрирующих материалов (с учетом всех правил техники безопасности при работе с высоковольтным оборудованием и лазерами).
3. Выполнить измерение параметров*, характеризующих качество восстановленного голограммой изображения (зависимость дифракционной эффективности от плотности энергии, контраст изображения, расстояние от объекта до голограммы, масштаб изображения, угол дифракции).
* - на усмотрение преподавателя.
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Отчет о проделанной лабораторной работе должен включать в себя:
4. Описание экспериментальной установки для записи голограмм в целом и отдельных её элементов (импульсный лазер, оптические и механические элементы, приборы и устройства регистрации параметров лазерного излучения).
5. Описание последовательности действий при записи импульсных голограмм пропускающего и отражательного типа с использованием галоидосеребряных регистрирующих материалов (выбор и построение оптической схемы эксперимента, измерение плотностей энергии и их соотношения в опорном и объектном пучках, запись голограмм и обработка регистрирующего фотоматериала).
6. Описание результатов измерения параметров, характеризующих качество восстановленного голограммой изображения (зависимость дифракционной эффективности от плотности энергии, контраст изображения, шумы).
ПРИЛОЖЕНИЕ
Дифракционная эффективность голограммы характеризует её способность восстановить объектную волну (I1) при освещении голограммы опорной волной (IR) и может быть измерена экспериментально и рассчитана по формуле:
В голографии для оценки качества регистрирующего материала часто используют зависимость ДЭ от экспозиции в опорном пучке НR при заданном соотношении объектного и опорного пучков m (m=Но/НR). Рассмотрение экспериментальной зависимости ДЭ=f (НR) позволяет выбрать оптимальные значения экспозиции НR, а также оценить величину максимального фазового набега для данного типа регистрирующего материала, которая может быть вычислена с использованием следующих выражений:
а) для случая зеркального («плоского») объектного пучка
б) для случая диффузного («рассеивающего») объектного пучка
где
Т - амплитудное пропускание голограммы
jо – максимальный фазовый набег
m – соотношение пучков при записи
e - нормированная экспозиция (e =1 соответствует значению экспозиции НR при которой достигается максимальное значение дифракционной эффективности ДЭ=ДЭмакс)
Знание величины максимального фазового набега jо для данного регистрирующего материала позволяет рассчитать значение ДЭ(e) с использованием вышеприведенных формул при любом другом соотношении пучков как для зеркальных, так и диффузных объектов.
Геометрическое изменение масштаба восстановленного голограммой изображения Mгеом. в общем случае можно оценить, используя выражение:
Знак “+” соответствует мнимому изображению, а знак “-“ – действительному изображению.
В выражении для М используются следующие обозначения:
l1 – длина волны света при записи голограммы
l2 – длина волны света при восстановлении голограммы
z1 – расстояние от голограммы до объекта при записи голограммы
z2 – расстояние от голограммы до опорного пучка при записи голограммы
z3 – расстояние от голограммы до опорного пучка при восстановлении голограммы
Изменение углового размера объекта будет определяться только изменением длины волны при восстановлении голограммы и составит:
Мугл. =
В общем случае, когда плоские опорная и восстанавливающая волны идут под углом к оси (QR и QС соответственно), углы дифракции для мнимого Qv и действительного Qr изображений можно определить по формулам:
Qv = mQ1+QC - mQR
Qr = -mQ1+QC + mQR
где m=l2/l1 , Q1 – положение объектной волны.
 |
Для случая записи голограммы диффузного объекта дополнительно измеряют контраст К восстановленного голограммой изображения. Для этого, как правило, экспериментально измеряют яркость максимально «светлых» (Iсв) и «тёмных» (Iт) участков в фокусе восстановленного голограммой изображения и вычисляют К по формуле:
К=(Iсв-Io)/ (Iт-Io),
где Io – значение яркости в отсутствие лазерного освещения, определяемое величиной «темнового» тока измерительной аппаратуры.