Практичне застосування фоторефрактивного ефекту (стр. 2 из 5)

1.3 Умови спостереження фоторефрактивного ефекту

Необхідними умовами для фоторефрактивного ефекту в електрооптичних кристалах є:

1. Фоточутливість на даній довжині хвилі.

2. Існування центрів локалізації заряду.

3. Достатньо висока рухливість фотозбуджених носіїв.

Так, в LiNbO₃, легованому залізом, стани Fe²⁺ є заповненими електронними пастками, а Fe³⁺ - іонізованими донорами, і поля просторових зарядів виникають завдяки просторовому перерозподілу двох-валентних станів.

Величини світлової енергії, необхідні для збудження фоторефракції, мають порядок 1÷10² Дж/см², тобто можуть бути забезпечені звичайними лазерними джерелами. Спостерігається значна відмінність величини фоторефракції в різних матеріалах. В одному й тому ж матеріалі ефект суттєво залежить від довжини хвилі збуджуючого світла і температури, а також від таких факторів, як якість кристалів, характер і концентрація домішок. Відзначалася залежність величини фоторефракції від попереднього опромінення рентгенівськими або гаммапроменями.

Фоторефрактивний ефект можна використовувати для оптичного запису інформації в твердому тілі. В залежності від вибору матеріалу таке середовище може бути або реверсивним, або володіти властивістю довготривалої пам’яті. З другого боку, в ряді випадків фоторефрактивний ефект може виявитися лімітуючим фактором для багатьох застосувань. Наприклад, при експлуатації електрооптичних і нелінійних оптичних пристроїв у ряді випадків необхідно обмежувати величину інтенсивності вхідного світлового пучка, оскільки кристали, які використовуються в цих пристроях, при великих інтенсивностях світла можуть виявляти фоторефрактивний ефект, що приводить до нестійкості робочих характеристик.

2.ГОЛОГРАФІЧНА ІНТЕРФЕРОМЕТРІЯ

Голографічнаінтерферометрія (див. монографії [4—7] вданийчасєоднимзнайважливішихметодівдистанційногонеруйнівноготестуваннявнайрізноманітнішихобластяхпромисловості, науки, вмедициніітакдалі. Вона заснована на порівнянні двох або декількох хвильових фронтів, зяких принаймні один євідновленим з голограми. Відзначимо, що саме застосуванняголографічних методів запису дозволяє інтерферометрувати складні хвильові фронти, у тому числі і відбиті від реальних (не модельних) дифузно розсіюючих об'єктів.

Максимальна точність вимірювань, які виконуються методами голографічної інтерферометрії, може досягати субмікронного рівня. Вона великою мірою визначається використовуваним методом інтерпретації інтерферограми [5], а також точністю визначення положення інтерференційних смуг. Так, при стандартній погрішності таких вимірювань в 0.5—0.1 ширини смуги і при урахуванні того, що зсувсмуги на свою ширину відбуваєтьсяпри зсувівідбивючої тестованої поверхні на відстань приблизно λ/4, характерна точність методу при λ = 633 нм складає приблизно 0.1÷0.02мкм.

Перші успішні спроби використання ФРК для цілей голографічної інтерферометрії послідували відразу за виявленням високочутливого запису в Bi₁₂SiO₂₀ (BSO) [8]. Даний кристал і по теперішній час залишається одним з найбільш перспективних для таких застосувань. Застосування ФРК в системах голографічної інтерферметрії найдоцільніше в тих випадках. коли проводиться швидкий якісний контроль виробів при поточному виробництві, безперервному спостереженні за об'єктами або процесами, а також при необхідності контролю їх поведінки під дією низки зовнішніх чинників (температури, навантажень, частоти збудження і т. д.) з метою виявлення екстремальних ситуацій. Саме у подібних завданнях такі найважливіші особливості ФРК, як можливість роботи в безперервному режимі або в циклічному режимі з високою швидкістю повторення за відсутності яких-небудь процедур обробки і скільки-небудь помітної деградації самого ФРК, можуть виявитися вирішальними.

2.1 Двохекспозиційна голографічна інтерферометрія

Суть даної методики полягає в послідовній імпульсній реєстрації на одній і тій же ділянці фоточутливого середовища двох голограм одного і того ж об'єкту (рис. 2.1, а). В результаті освітлення подібної складної суперпозиційної голограми початковим опорним пучком відновлюється зображення об'єкту, покрите мережею інтерференційних смуг. У їх розташуванні, орієнтації, частоті полягає інформація про зміни, що відбулися з об'єктом за час Δt між експозиціями, отримання якої і є основною метою даного експерименту.

Дешифровка результуючої ітерферограми, тобто виявлення реальних змін, що відбулися з об'єктом, є окремим і часто вельми складним завданням. Дещо спрощуючи, можна говорити, що у випадку відбиваючого об'єкту, світлі смуги на відновленому зображенні локалізовані на тих його ділянках, які або зовсім не змістилися, або змістилися на величини, кратні λ/2, вздовж так званих напрямків максимальної чутливості (рис. 2.1). Темні ж смуги при. цьому відповідають ділянкам, що змістилися на відстань λ/4 (2L + 1) (L— будь-яке ціле число), де спостерігається когерентне віднімання амплітуд хвильових полів, відновлених з двох послідовно записаних голограм.

Двохекспозиційні ітерферограми теплових потоків над працюючою радіоелектронною схемою і прозорих пластмасових; моделей під навантаженням (рис. 2.1, б, в) були отримані в [9,10] при використанні кристала BSO.

Рис.2.1. Схема установки для двохекспозиційної голографічної інтерферометрії прозорих об'єктів (а) і типові двохекспозиційні голографічні-ітерферограми прозорих об'єктів, отримані в [9,10] при запису в кристалах BSО (б,в).1- лазер, 2- світоподільник, 3- спостережуваний об'єкт, 4 — зразок взірець ФРК, 5 — проектуюча лінза, 6 — видікон, 7 — монітор.

Найважливішою особливістю ФРК, яку необхідно враховувати в подібних експериментах, є динамічний характер записуваних голограм. Прочитування подібної двохекспозиційної голограми опорним пучком на тій же довжині хвилі неминуче призведе до її оптичного стирання. Тому для подовженнячасу спостереження відновленого зображення потрібне або ослаблення інтенсивності зчитуючого пучка, або використання запису телевізійного зображення.

Стираюча дія позначається не тільки в процесі зчитування, але і протягом запису другої з голограм. Стиранню в даному випадку піддається перша раніше записана голограма. Тому для досягнення максимального контрасту інтерференційних смуг перша голограма повинна записуватися до амплітуди, близько в два рази більшої, ніж друга. При роботі на початковій ділянці запису, де амплітуда голограми у ФРК пропорційна часу запису, це фактично означає приблизно подвоєну величину експозиції при запису першої голограми [9,10].

2.2 Голографічна інтерферометія в реальному часі

При використанні даної методики проводиться імпульсний запис одної єдиної голограми спостережуваного об'єкту в деякий початковий момент часу t_о. Далі проводиться спостереження об'єкту, що освітлюється початковим світловим пучком, через голограму, що освітлюється опорною хвилею (рис. 2.2). В результаті за площиною голограми відбувається інтерференція реальної об'єктної хвилі, що відбилася або пройшла через об'єкт в даний момент часу t, і відновленої з голограми хвилі, відповідаючої стану об'єкту у момент часу t_о. Аналогічно випадку двохекспозиційної голограми, спостерігач бачить об'єкт, покритий мережею інтерференційних смуг, які відображають різницю між станами об'єкту в моменти часу t_о і t. Очевидно, що за наявності стійкої голограми і незмінних умовїї (а також об'єкту) освітлення є можливість спостерігати безперервні зміни стану об'єкту в часі, з чим зв'язана назва методу.

Рис. 2.2. Схема установки для отримання голографічних інтерферограмм прозорих об'єктів в реальному часі».

1 — спостережуваний об'єкт, 2 — зразок ФРК, 3 — вихідна площина;пунктирі лінії показують світловий пучок, відновлений з голограми

Використання ФРК як фото чутливого середовища не дозволяє реалізувати дану методику голографічної інтерферометії в чистому вигляді. Дійсно, безперервне відновлення голограми, записаної у ФРК, рано чи пізно приведе до стирання її початкового стану, що, природно, накладає обмеження на максимально можливу тривалість спостереження за об'єктом. Більш того, при одночасному розповсюдженні через ФРК об'єктної хвилі в його об'ємі за відсутності спеціальних засобів застереження додатково записуватимуться голограми всього набору станів за час спостереження об'єкту через голограму. Проте ця методика простіша і швидша, ніж двохекспозиційна.

2.3 Голографічна інтерферометія за допомогою двох довжин хвиль

На відміну від розглянутих вище дана методика призначена для контролю рельєфу поверхні і точності позиціонування спостережуваних об'єктів. Інтерферограмма тут також двохекспозиційна, проте голограми записуються не в різні моменти часу, а на різних довжинах хвиль λ₁ і λ₂, близьких по величині |λ₁ - λ₂| << λ_1,2 (рис. 2.3, а). Відновлення інтерферограмм здійснюється на одній з довжин хвиль λ₁ або λ₂. В результаті інтерференції двох хвильових фронтів, відновлюваних з двох вказаних голограм, відбувається порівняння фазових рельєфів одного і того ж об'єкту, але взятих в різному масштабі. Відновлене зображення буде покрито системою смуг, що відповідають рельєфу поверхні: центр кожної світлої або темної смуги відповідає точкам, що залягають на однаковій глибині щодо плоского хвильового фронту, освітлюючого об'єкт. Перехід з однієї темної смуги на поряд лежачу означає зсув по глибині об'єкту на величину: