книги из ГПНТБ / Применения лазеров

На фиг. 6, а показана схема, использованная Картером. Для получения опорного и объектного пучков в ней приме­ няется расщепитель пучка на дифракционной решетке. Ос­ вещающее объект излучение, так же как и излучение, дифра­ гированное объектом, проходит через обычный микроскоп,

Ф и г . 6. Схема голографической микроскопии: регистрация голо­ граммы (а) и получение изображения (б) (из работы [21]).

а опорный пучок отражается от зеркала и. фокусируется в точку. Голографическое изображение образуется в систе­ ме, показанной на фиг. 6, б. Шумовые компоненты на ста­ дии восстановления удаляются с помощью пространственного фильтра. Поле зрения в данной схеме не может превысить поля зрения при нормальном использовании микроскопа, однако в ней можно получить разрешение, равное предель­ ному разрешению микроскопа, и довольно большую глубину регистрируемого изображения. Глубина изображения огра­ ничивается когерентностью опорного пучка и разрешением фотоэмульсии голограммы.

На фиг. 7а представлено изображение миры из трех штрихов, полученное по данной схеме без диффузного рассеивателя. Разрешение составляет 1 мкм, однако общее качество изображения довольно невысокое. Использование

мелкозернистого рассеивателя из опалового стекла спо­ собствует удалению некоторых из наблюдаемых дефектов изображения (фиг. 7 б), однако при высоких разрешениях это приводит к ряду других проблем (не считая потерь в разрешении). Причиной шумов является когерентный ха­ рактер процесса формирования изображения.

К настоящему времени сделано много для решения этой проблемы, однако^до сих пор не удалось получить

Ф и г . 76. Изображение миры, полученное в голографическом микроскопе с диффузным рассеивателем.

сколько-нибудь удовлетворительного результата. Одним из решений при этом является использование апертуры, превышающей апертуру, требуемую для получения задан­ ного разрешения, одновременно с применением диффузного рассеивателя [69]. Этот метод, однако, не эффективен, если разрешение должно составлять несколько микрон. Можно ожидать, что эффективным окажется использование чисто фазового случайного рассеивателя в контакте с объектом

[140].

Работа [140] представляет собой лишь лабораторные исследования, ее результаты не были использованы для создания прибора. Ван Лигтен [144, 145] довел свою работу

лиз в светлом и темном полях и интерферометрию, можно использовать после завершения процесса регистрации, когда время изучения не ограничено.

3. 2. Микроскопия с использованием фраунгоферовской голографии

В микроскопических методах, рассмотренных в преды­ дущем разделе, использован внеосевой опорный пучок. Развитие другого направления в голографической микро­ скопии связано со специальным применением — опреде­ лением размеров движущихся частиц. Именно в процессе работ по применению голографии в этой области были выявлены характерные свойства фраунгоферовских голо­ грамм [94, 121]. Первоначально данный метод микроско­ пии был использован для регистрации изображений капель

Этому применению голографии посвящено большое чис­ ло публикаций [105, 129, 131]. Приведенное здесь обсуж­ дение в значительной мере следует работе [125].

Аэрозольная камера. Сконструирована и изготовлена голографическая камера (лазерный анализатор частиц тумана), которая представляет собой измерительное устрой­ ство для регистрации размеров и относительного положе­ ния капель с диаметром в диапазоне 5— 100 мкм. В устрой­ стве осуществляется метод голографии Фраунгофера. Оно содержит две основные подсистемы — систему регистрации и систему воспроизведения.

В системе регистрации рубиновый лазер, работающий в режиме модуляции добротности, освещает исследуемый объем, экспонируя голограмму. Малая длительность лазер­ ного импульса обеспечивает фактическую неподвижность частиц тумана и дает возможность одновременно зарегис­ трировать размер и относительное положение частиц в объеме с большим разрешением и большой глубиной поля зрения.

■ Пленка

■ изображение

■исследуемыйoâseM

- Точечная диафрагма

(d=200jHKM)

■ Диафрагма

- Диафрагма

- Рубиновый лазер

Ф и г . 10. Оптическая схема голографического анализатора частиц.

Не—Ne-лазером, работающим в непрерывном режиме. Восстанавливаемая волна образует объемное видимое изо­ бражение порции частиц тумана, занимающих часть объема, зарегистрированную на голограмме. Наблюдение и изме­ рение размеров и положений частиц в различных плоскос­ тях исследуемого объема проводят с помощью телевизион­ ной системы со специальной оптикой.

Первое устройство, на котором проверялась эффектив­ ность метода, было создано в 1963 г. [105]. Для устра­ нения фоновой засветки в нем использовали пространствен­ ный фильтр, поэтому изображения имели характерный вид дисков Эйри.

В 1964 г. были изготовлены два лазерных анализатора частиц тумана, которые работали в полевых условиях [132, 133]. Оптическая схема этих анализаторов показана на фиг. 10. Пучок рубинового лазера, работакщего в ре­ жиме модуляции добротности, в анализаторе пропускается через две диафрагмы диаметром 2 мм, установленные на расстоянии 56 см друг от друга, что позволяет избавиться от внеосевых мод лазерного излучения и получить на входе передней собирающей линзы коллиматора относительно однородное распределение интенсивности. Линзы Lj и L2 расширяют и коллимируют лазерный пучок; диаметр его при этом может быть увеличен в 20 раз. Частицы тумана могут проходить через исследуемый объем с глубиной 3 см вдоль оптической оси. Две линзы L3 и L4 с фокусным рас­ стоянием 19 см и относительным отверстием Ѵ3 съюстированы так, что их фокусы совпадают. Эта система отображает капли тумана в объем, расположенный непосредственно перед плоскостью 35-миллиметровой пленки Panatomic-X фирмы Kodak. Расстояние от плоскости пленки до ближай­ шей границы изображения исследуемого объема состав­ ляет 1 см.

Устройства были установлены на специальном прибор­ ном прицепе. Лазерная головка и коллиматор устройства крепились вертикально под алюминиевой плитой толщиной 12,5 мм. Две выпуклые пластины (фиг. 11) ограничивают исследуемый объем. Проекционная оптика и затворы рас­ положены в верхней вертикальной трубке. В верхней сек­ ции имеются два дополнительных элемента — соленоид для

изучать частицы диаметром 30 мкм и более. Разрешение пленки Panatomic-X и проецирующие линзы не давали возможности зарегистрировать частицы меньшего диа­ метра. Затем в конструкцию анализаторов были внесены изменения, а полученные данные обработаны для измерения диаметров зарегистрированных частиц туманов.

В 1965 г. два лазерных анализатора, описанные выше, были модифицированы и вновь испытаны в полевых усло­

вания (воспроизведения) лазерного анализатора. Голо­ грамма восстанавливается при освещении коллимирован­ ным излучением Не—Ne-лазера с выходной мощностью 0,3 мВт. Лазерный свет сначала фокусируется с помощью собирающей линзы на точечную диафрагму, которая дей­

ствует как фильтр нижних пространственных частот, сглаживающий мелкомасштабные изменения интенсив­ ности в поперечном сечении пучка. Голограмма устанав­ ливается в подвижной рамке, а восстанавливаемые действи­ тельные изображения проецируются на фотокатод видикона