2639

Закономерности динамической голографии существенно отличаются от статического случая благодаря тому, что возникшая динамическая голограмма сама активно воздействует на падающую на неѐ волну, трансформируя еѐ определѐнным образом.

Динамические голограммы записываются в средах, обладающих разнообразными типами нелинейности: тепловым, когда среда

изменяет показатель преломления n под влиянием нагрева, созданного падающей волной; электрострикционным, когда плотность среды меняется под действием электрического поля падающей волны; комбинационным, когда среда способна к комбинационному рассеиванию света и др.

Преобразование волновых полей. Динамические голограм-

мы в отличие от статических, как правило, не обладают долговременной памятью и поэтому используются не для воспроизведения волновых полей, а для осуществления различных преобразований этих полей.

В частности, свойственная динамической голографии перекачка энергии между двумя попутными световыми пучками применяется при коррекции излучения лазеров для перекачки энергии сильной волны «неправильной» формы в слабую «правильную» волну. В задачах коррекции излучения лазеров широко используется способность осуществлять обращение фронта объектной волны в самый момент еѐ существования.

Для обращѐнного волнового фронта в оптическом диапазоне в англоязычной научной литературе принят термин optical phase

conjugation – оптическое фазовое сопряжение. Волновой фронт

определяется как поверхность постоянной фазы, (R) const .

Поэтому формы волновых фронтов взаимно обращѐнных волн совпадают,

1 ( R) 2 (R) const ,

а направления распространения противоположны (рис.3.3), откуда и происходит название – обращение волнового фронта.

При прохождении исходной, идеально направленной когерентной волны через среду из прозрачного материала с сильными неоднородностями показателя преломления направленность прошедшей волны во много раз ухудшается (рис.3.4,а).

87

Если на ту же среду с противоположной стороны направить волну, точно обращѐнную по отношению к прошедшей через неѐ (рис.3.4,б), то, в силу обратимости законов линейного распространения, обращѐнная волна в результате преломления на тех же неоднородностях выправится на обратном проходе до идеально направленной. Это необычное свойство обращѐнной волны лежит в основе большинства приложений обращения

волнового фронта.

Рис.3.3

Волновые фронты встречных волн – падающей (1) и обращѐнной (2) – совпадают,

Рис.3.4

Прохождение через оптически неоднородную среду:

а) идеально направленного пучка, б) обращѐнного к нему.

Наиболее просто обратить плоскую волну. Если известно

направление еѐ распространения, то для обращения достаточно

установить плоское зеркало перпендикулярно n .

Однако сферическую волну плоским зеркалом обратить не удаѐтся: расходящейся сферической волне для обращения должна соответствовать сходящаяся к тому же источнику сферическая волна

88

Для обращения волны произвольной структуры необходимо иметь зеркало с профилем, в точности совпадающим с профилем волнового фронта, т.е. для каждой волны требовалось бы своѐ особое зеркало, способное менять свою форму.

Методы нелинейной оптики и динамической голографии позволяют реализовывать «зеркало», автоматически подстраивающееся под форму любой падающей волны так, чтобы отобразить сигнал в форме обращѐнной волны.

Свойство обращѐнной волны детально воспроизводить ход падающей волны при своѐм распространении лежит в основе большинства возможных приложений обращения волнового фронта.

К ним относится прежде всего схема компенсации фазовых

искажений при двукратном прохождении пучка через усилитель (рис.3.5). Усилитель Полупрозрачное

зеркало

Устройство

для формирования Лазер о. в. ф.

Рис.3.5

Схема компенсации фазовых искажений с использованием обращения волнового фронта.

Идеально направленное излучение маломощного задающего лазера с помощью полупрозрачного зеркала вводится в усилитель. Оптические неоднородности последнего существенно ухудшают направленность усиленного излучения. Прошедшее излучение обращают тем или иным методом и вновь пропускают через усилитель. В результате обратного перехода обращѐнная волна восстанав-

89

ливает исходную идеальную направленность и к тому же дополнительно усиливается.

Предполагается также использование обращения волнового фронта в задачах: самонаведения излучения для доставки энергии на мишень малых размеров и для оптической связи; оптической обработки информации; компенсации временного расплывания импульсов при передаче информации по волоконным световодам и др.

3.3. Визуализация акустических и электромагнитных полей

Спомощью голографии решается проблема визуализации акустических полей и электромагнитных полей в радиодиапазоне. Остановимся на этих применениях голографии.

3.3.1. Акустическая голография и еѐ применение

Это интерференционный метод записи, воспроизведения и преобразования звуковых полей. Методы акустической голографии используются в звуковидении – получении изображений объектов с помощью акустических волн, для получения амплитудно-фазовой структуры отражѐнных и рассеянных полей, измерения характеристик направленности акустических антенн, пространственно - временной обработки акустических сигналов.

Основной принцип акустической голографии аналогичен оптической голографии: вначале регистрируется интерференционная структура двух волн, опорной и рассеянной предметом, а затем по полученной записи – акустической голограмме – осуществляется восстановление либо изображения предмета, либо изображения рассеянного этим предметом поля на некотором расстоянии от него. Наличие в акустике как нелинейных (квадратичных) приѐмников, реагирующих на интенсивность звуковой волны, так и линейных (микрофонов и гидрофонов), реагирующих на мгновенные значения звукового давления или колебательной скорости, а также относительно малая скорость распространения звука, существенно отличают голографию акустическую от оптической голографии как по методам регистрации и восстановления акустических голограмм,

90

так и по способам их практического применения. В частности, для получения акустических голограмм можно обойтись без опорной акустической волны. Для линейных детекторов, позволяющих передать фазу сигнала, акустический опорный сигнал можно заменить электрическим, который суммируется с акустическим сигналом после преобразования последнего в электрический. В некоторых схемах акустической голографии можно вообще обойтись без опорной волны, если скорость регистрации акустического поля много больше скорости звука, мгновенное распределение акустического поля в данном случае является голограммой.

Восстановление акустических голограмм может осуществляться как оптическим, так и чисто электронными средствами. При оптическом восстановлении акустическую голограммы можно преобразовать в эквивалентную оптическую голограмму, которую затем осветить когерентным светом от лазера. При электронных методах восстановления акустической голограммы еѐ преобразуют в последовательность электрических сигналов, которые обрабатывают по некоторому алгоритму с применением ЭВМ.

Методы получения и регистрации акустических голограмм зависят от используемого диапазона частот и от области применения методов акустической голографии.В диапазоне инфразвуковых, звуковых и низких ультразвуковых частот чаще всего для получения акустических голограмм применяются электроакустические преобразователи: микрофоны, вибродатчики, и гидрофоны, которые преобразуют звуковое давление (колебательное смещение) в эквивалентный электрический сигнал.

Поскольку для получения изображения акустический детектор должен быть пространственным, то возможны несколько способов регистрации акустической голограммы с помощью электроакустических преобразователей. Для повышения быстродействия и лучшего использования светового потока применяют другие способы, основанные на использовании электрооптических, магнитооптических и термопластических материалов, называемых пространственно-временными модуляторами света.

91

В устройстве с использованием одного из таких модуляторов на основе электрооптического кристалла ДКДП (рис.3.6) имеется двумерная решѐтка звукоприѐмников, сигналы с которых, последовательно опрошенные электронным образом, управляют лучом специальной электронно-лучевой трубки, экран которой выполнен из электрооптического материала.

Рис.3.6

Получение акустических голографических изображений с помощью матричного приѐмника: 1 – объект; 2 – излучатель; 3 – задающий генератор; 4 – устройство формирования сигнала голограммы; 5- двумерная решѐтка приѐмников; 6 – пространственно – временной модулятор света на основе ДКДП; 7 – лазер и коллиматор; 8 – проекционное оптическое устройство; 9 – видеокон; 10 – TVмонитор.

Попадание электронного луча на какое-либо место экрана вызывает локальное изменение показателя преломления материала экрана. После электронного сканирования структура экрана представляет собой фазовую оптическую голограмму, восстановление которой может осуществляться в проходящем или отражѐнном когерентном свете.

При использовании электронных методов восстановления, как правило цифровых, электрические сигналы с приѐмников звука преобразуются в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя и поступают в оперативное запоминающее устройство ЭВМ. Затем сформированный массив данных подвергается обработке по алгоритму Фурье-Френеля, и восстановленное изображение выводится на полутоновый дисплей.

92

В диапазоне высоких ультразвуковых частот для получения акустических голограмм используются разнообразные методы визуализации звуковых полей. Наибольшее распространение в акустической голографии получили методы, основанные на пондемоторных эффектах – деформации поверхности раздела двух сред, изменения ориентации частиц в звуковом поле и т.д. Наиболее часто используется метод поверхностного рельефа, основанный на способности жидкости деформироваться под воздействием радиационного давления (рис.3.7).

Рис.3.7

Метод поверхностного рельефа: 1 и 2 – излучатели; 3 – объект; 4 – поверхность раздела жидкость – газ; 5 – луч лазера; 6 – проекционная оптика; 7 – восстановленное изображение; 8 – генератор.

Вэтом методе два расходящихся пучка ультразвуковых волн (один

–опорный, а другой – рассеянный предметом) пересекаются на свободной поверхности жидкости и деформируют еѐ, образуя поверхностную стоячую волну.

Возникающая при этом картина ряби на поверхности является аналогом фазовой оптической голограммы. Если на неѐ направить когерентное оптическое излучение под некоторым углом, то в отражѐнных световых волнах можно получить восстановленное изображение предмета. Метод поверхностного рельефа имеет множество модификаций, в частности, для устранения влияния паразитных вибраций на поверхность раздела накладывают прозрачную термопластическую плѐнку, толщина которой изменяется в зависимости от величины радиационного давления и

93

созданного ими локального разогрева термопластического материала.

Для получения акустических голограмм в диапазоне высоких ультразвуковых частот применяются жидкие кристаллы. Один из используемых в них для этой цели эффектов состоит в том, что под действием ультразвука нарушается первоначальная ориентация молекул, что приводит к локальному увеличению рассеяния света, освещающего этот кристалл, и на нѐм формируется голограмма.

Качество акустических голограмм и восстановленных по ним изображений зависит от большого числа факторов. Отметим некоторые из них. При оптических методах восстановления акустических голограмм возникают масштабные искажения в восстановленном изображении. Если запись акустической голограм-

мы осуществляется на длине волны звука зв , а восстановление –

на длине волны света св , то неискажѐнное изображение можно получить только в том случае, когда перед восстановлением

оптическая голограмма уменьшена точно в зв св раз. Как

правило, это осуществить невозможно из за очень больших величин (например: зв 1 2см , св 0,63 км , 3 107 ),

поэтому голограмму уменьшают не в раз, а в m , где m 1. При этом поперечные размеры восстанавливаемого

объекта изменяются в m раз, а продольные – в m2 раз, т.е.

изображение предмета оказывается сильно сжатым по продольной координате, поэтому пока не удаѐтся получить неискажѐнное объѐмное (трѐхмерное) акустическое изображение. По этой причине для получения разрешения по глубине (т.е. по дальности объектов) обычно прибегают к импульсному режиму работы излучателя. В этом режиме регистрируют голограммы различных сечений предмета по глубине, а затем, используя томографические методы, по восстановленным изображениям сечений предмета воссоздают его трѐхмерное изображение. Такую обработку выполняют, как правило, на ЭВМ.

Оптические и акустические изображения одного и того же предмета могут существенно отличаться друг от друга, поскольку

94

механизмы взаимодействия звуковых и световых волн с веществом могут быть совершенно различными. Предмет может идеально отражать световые волны, но полностью поглощать акустические, и наоборот. На этом различии основано действие акустических голографических микроскопов, предназначенных для исследования структуры клеток, которые без введения контрастной жидкости прозрачны для световых волн, но хорошо поглощают ультразвуковые колебания.

Качество собственно акустических изображений существенно зависит от механизма взаимодействия звука с веществом. Звуковые изображения всегда «хуже» оптических, поскольку волновые размеры акустических голограмм имеют порядок не более (100 – 1000), а в оптическом случае волновые размеры легко могут быть

доведены до 105 106 (например, фотопластинка размером 240х240мм2 при св 0,63 км имеет волновой размер 4 105 ). Для

того, чтобы частично обойти эту трудность и получить изображение удовлетворительного качества в акустической голографии используют специальные приѐмы, например, многочастотное излучение, облучение предмета со многих сторон, накопление изображений.

Применение акустической голографии.

На инфразвуковых и низких звуковых частотах методами акустической голографии можно получить информацию о структуре земной коры, о подстилающей дно океана поверхности, выявить наличие крупномасштабных неоднородностей в естественных средах. В диапазоне звуковых и низких ультразвуковых волн методы акустической голографии применяются в подводном звуковидении, бесконтактной диагностике машин и механизмов по собственному шумоизлучению, при излучении полей различных колебательных конструкций и т.п. В диапазоне высоких ультразвуковых частот акустическая голография используется для получения акустических изображений в самых различных областях науки и техники, например, вакустической микроскопии для биологических исследований, в устройствах медицинской диагностики для получения информации о строении внутренних

95

органов, в дефектоскопии для получения изображений внутренних дефектов материалов.

3.3.2. Радиоголография и еѐ применение

Радиоголография - метод записи, восстановления и преобразования волнового фронта электромагнитных волн радиодиапазона, в частности диапазона СВЧ. Методы радиоголографии – прямые аналоги методов оптической голографии. Голографический процесс в обоих случаях сводится к получению (регистрации) голограммы и восстановлению (реконструкции) изображения. Для регистрации используются непрерывные среды, чувствительные к излучению радиодиапазона.

Вкачестве непрерывных сред применяются плѐнки холестерических жидких кристаллов, тонкие плѐнки жидкостей, плѐнки антимонида индия, люминофоры и др. Оптические свойства этих веществ (цвет, показатель преломления, плотность почернения, интенсивность свечения и др.) зависят от температуры и локально изменяются под действием тепла, выделяющегося при поглощении радиоволн. Для регистрации голограмм используются также матрицы газоразрядных диодов, светящихся под действием поля СВЧ. Для регистрации видимого изображения обычно поверхность материала фотографируют, а затем восстанавливают изображение с помощью получения оптической голограммы.

При регистрации голограмм СВЧ с помощью радиоприѐмных устройств предметная волна принимается антенной (зондом) и подаѐтся на нелинейный преобразователь (детектор). Опорная волна может существовать в пространстве одновременно с предметной волной, образуя в ней интерференционную картину (естественный способ), а может имитироваться изменением фазы (непрерывным или дискретным) в тракте опорной волны (искусственный способ).

Врадиоголографии используются одиночные сканирующие антенны и многоэлементные антенные системы.

Радиоголография применяется для моделирования и измерения параметров антенн. Измерение параметров в традиционных радиотехнических методах осуществляется вводом индикаторной антенны в дальнюю зону испытуемой антенны. Для современных

96