2.5.2 Методи і засоби голографії

В даний час існує багато голографічних методів і схем, які

можуть бути використані для вирішення широкого кола завдань, що виникають в

процесі наукових досліджень і при вирішенні конкретних технічних проблем.

Склад комплексу голографічного апаратури зображений на малюнку 1, там же

вказані призначення окремих приладів і функціональні зв'язки між ними.

Крім приладів в комплекс включені також розроблені програми для

машинної обробки голографічної інформації на ЕОМ. Наведений комплекс

Цікаве застосування голографії в якості носія інформації.Часто необхідно отримати об'ємне зображення предмета, якого ще не існує, і, отже, не можна одержати голограму такого предмета оптичними методами.У цьому випадку голограма розраховується на ЕОМ (цифрова голограма) і результати розрахунку відповідним чином переносяться на фотопластинку.З отриманої таким способом машинної голограми об'ємне зображення предмета відновлюється звичайним оптичним способів.Поверхня предмета, отриманого з машинної голограмі, використовується як еталон, з яким методами голографічної інтерференції проводиться порівняння поверхні реального предмета, виготовленого відповідними інструментами.Голографічна інтерферометрія дозволяє зробити порівняння поверхні виготовленого предмета і еталона з надзвичайно великою точністю до часток довжини хвилі.Це дає можливість виготовляти з такою ж великою точністю дуже складні поверхні, які було б неможливо виготовити без застосування цифрової голографії і методів голографічної інтерферометрії.Само собою зрозуміло, що для порівняння еталонної поверхні з виготовленої не обов'язково відновлювати оптичним способом машинну голограму.Можна зняти голограму предмета, перевести її на цифрову мову ЕОМ і порівняти з цифровою голограмою.Обидва ці шляхи в принципі еквівалентні.Особливості голограм як носіїв інформації роблять дуже перспективними розробки по створенню голографічної пам'яті, яка характеризується великим обсягом, надійністю, швидкістю прочитування і т. д.

Малюнок 2.21 - Склад комплексу голографічного апаратури

2.5.3 Оптична голографія

Розглянемо найпростішу голографічну схему, що складається з джерела випромінювання,

голографіруемого стаціонарного об'єкта, що реєструє елемента і розміщених

на робочій плиті оптичних елементів для формування опорного і сигнального

пучків. Така схема представлена ​​на малюнку - 2 де 1 - джерело випромінювання, 2

- Елементи розширення випромінювання, 3 - светоделітель, 4, 5, 8, 9 -

відбивачі, 6 - світлофільтр, 7, 10 - поляризаційні елементи, 11 -

стаціонарних об'єкт, 12 - голографічний реєстратор.

Для отримання голограм високої якості необхідно, щоб величина видности

(В) задовольняла умові:

В = В1 Вr Вw ³ (1)

де окремі складові В1, Вr і Вw визначаються співвідношеннями:

В1 = (2)

де значення I1 максимальне, а I2 мінімальне випромінювання в зоні інтерференції.

Вr = (3)

коеффіціеннти А1 і г перебувають експерементально.

Вw - складова видности, обумовлена ​​спектральним складом

інтерферуючих хвиль.

Нерівність (1) накладає жорсткіші обмеження на кожну складову

видности в отдельності.Виравніваніем інтенсивностей опорного і сигнального

пучків за допомогою світлофільтра 6 можна домогтися відповідного значення В

1. Установка заданої поляризації, в опорному і сигнальному пучках, а

отже, і вибір відповідного значення Вr

проводиться за допомогою поляризаційних елементів 7і 10. При лінійної

поляризації використовуваного випромінювання для цього застосовують кристалічні

полуволновий пластинки. . Змінюючи оптичну довжину опорного пучків

ка перестановкою відбивачів 4 і 5, необхідно домогтися рівності

оптичних довжин інтерферують пучків в центрі реєстратора, при

ніж в якості довжини сигнального пучка вибирається оптична довжина

променя, що проходить через середню або найбільш відповідальну точку

сцени, для якої в цьому випадку Вw = 1. Переміщуючи відбивач 8,

можна змінювати кут сходження сигнального і опорного пучків прііх падінні на

реєструючий елемент і тим самим змінювати просторову частоту

інтерференційної картини на реєстраторі. [8]

При голографірованіі динамічних об'єктів і нестаціонарних процесів в

площині реєстрації утворюється нестаціонарна інтерференційна картина.

Для реєстрації цієї картини необхідно застосувати стадіальні методи і схеми

голографірованія. Один з таких методів, заснований на принципі

стробування. Тут перед реєструючим елементом розміщується

безинерціочний затвор, який відкривається на деяку частку періоду кожен

раз при переміщенні інтерференційної картини на один період. Керувати

затвором можна сигналом з точкового детектора, розташованого в якій-небудь

точці зони інтерференції, що знаходиться поза областю дії затвора. Цей

метод голографірованія, однак, придатний лише у випадках переміщення

об'єкта як цілого, коли швидкість переміщення інтерференційних смуг

однакова по всій поверхні реєструючого елементу.

Таке ж обмеження має спосіб голографірованія зі зворотним зв'язком, в

якому в одному з потоків встановлюється елемент з керованою оптичної

завдовжки. Змінюючи оптичну довжину цього елемента відповідно до бігом

інтерференційної картини, її можна зупиняти на певну частину

періоду. Схема способу голографірованія зі зворотним зв'язком наведена на

малюнку 3. Синхронізація керованого елемента з бігом інтерференційної

картини здійснюється таким же чином, як і в попередньому методі. Крім

того, цей метод можна використовувати для голографірованія стаціонарних

об'єктів при наявності вібрацій.

Більш універсальним способом є імпульсна голографія.В цьому способі

нерухомість інтерференційної картини щодо реєстратора

досягається скороченням часу експозіціідо такої величини, протягом

якої інтерференційну картину можна вважати нерухомою.

Малюнок 2.22 - Схема голографірованія зі зворотним зв'язком: 1 - лазер, 2 -

светоделітель, 3 - дзеркало, 4 - п'єзоелектричний кристал;

5 - короткофокусний об'єктив з точковою діафрагмою, 6 - фотопластинка;

7-лінза, 8 - щілинна діафрагма, 9 - фотопомножувач, 10 -

електронний блок управління.

Рисунок 2.22 - Схема голографіровапія з локальної опорною хвилею:

1-лазер, 2 - коллімірующая система, 3 - дзеркало, підтримуване рукою;

4 - транспарант, 5 - светоделітель, 6 - лінза, 7, 10 - дзеркала, 8 -

площину зображення об'єкта, 9 - фотопластинка.

Цей спосіб знайшов саме широке застосування при голографірованіі рухомих

об'єктів і нестаціоцарних процесів. З його допомогою вдалося отримати

голограми живих об'єктів, падаючих крапель рідини, що обертаються роторів,

летить кулі, що рухаються часток і т. д.

Слід зазначити, що зменшення часу експозицій викликає необхідність

збільшувати інтенсивність випромінювання, щоб зберегти енергію, необхідну дли

експонування. Тому імпульсна голографія можлива лише при

використань досить потужних, звичайно твердотільних, оптичних квантових

генераторів (ОКГ)

При тривалості імпульсів (3 ¸ 5) × 10-8 с, які

забезпечуються добре відпрацьованою лазерної технікою (наприклад, ОКГ на рубіні з

пасивним затвором), можна виробляти голографічну реєстрацію об'єктів,

переміщаються зі швидкостями від декількох метрів до декількох сотень метрів

секунду в залежності від геометрії освітлення і напрямки руху об'єкта.

Запропоновано ряд методів голографічної реєстрації швидко рухаються і

бистропротекающих процесів, заснованих на навмисному зміні частоти

випромінювання в опорній або сигнальної хвилі. Це дозволяє без істотного

укорочення тривалості імпульсів існуючих ОКГ (приблизно 10-8 с)

реєструвати об'єкти, що рухаються з великими швидкостями.

Суть методу голографірованія з локальної опорною хвилею полягає в тому,

що опорна хвиля формується як частина сигнальної. Це призводить до

автоматичної фазової модуляції опорної повні. У випадку, коли весь об'єкт

знаходиться в русі як ціле, вся або будь-яка частина сфокусованої опорної

хвилі може бути використана для реєстрації голограми. Якщо ж частина

об'єкта переміщається по відношенню до інших його частин, то, виділивши за допомогою

діафрагми певну частину опорної хвилі, можна спостерігати в реальному

часу інтерференційні смуги, які й визначають переміщення частин

об'єкта по відношенню до частини об'єкта, виділеної діафрагмою.

За допомогою наведеної на малюнку 4 схеми вдалося зареєструвати голограму

транспаранта, освітлюваного за допомогою знаходиться в руках дзеркала.

Розглянутий метод придатний для голографічного реєстрації об'єктів,

мають малий розкид швидкостей. Низька інтенсивність опорної хвилі в

значною мірою ускладнює застосування цього методу. [3]

2.5.4. Голографічні системи НВЧ діапазону. Системи топографічної реєстрації

з отриманням відновленого зображення в реальному масштабі часу

Проблема отримання зображень, відновлених за СВЧ голограмам в

реальному масштабі часу, представляє істотний інтерес для багатьох

практичних додатків, тому вже на ранніх стадіях розвитку голографії

було запропоновано кілька систем, які в принципі дозволяють вирішити

поставлену задачу. Ймовірно, першою з таких систем була система Росса. В

цій системі СВЧ випромінювання, розсіяне досліджуваним об'єктом, надходить на

приймальню матрицю. Кожен елемент цієї матриці пов'язаний з відповідним

елементом в матриці модуляторів світла, причому в якості останніх Росс

пропонував використовувати електрооптичні осередку Керра. Ма-тріца

електрооптичних елементів модулює випромінювання лазера відповідно до

законом зміни інтенсивності в площині приймальні матриці і створює таким

чином динамічну оптичну голограму, за якою відновлюється

зображення об'єкта. [2]

Очевидно, можна запропонувати ще ряд систем подібного типу, які будуть

відрізнятися один від одного принципово тільки типом модулятора світла:

акустичні модулятори, модулятори на рідких кристалах нематического типу,

механічні та інші модулятори.

Вельми перспективними є системи просторової тимчасової модуляції

світла за допомогою електронного променя, т. е. системи, в яких використовуються

спеціальні електроннопроменеві трубки (ЕПТ). Ці системи можуть застосовуватися

безпосередньо в тих випадках, коли швидкості розвитку процесу малі в

відношенню до швидкостей розгортки променя і комутації реєструючих елементів в СВЧ матріце. [9]

При цьому переміщення променя по екрану ЕПТ синхронізується з перемиканням

елементів в реєструючої СВЧ матриці, так що певного положення променя

на екрані відповідає певне положення реєструючого елементу

(Приймального, що передає або «обурює») в СВЧ матриці. Інтенсивність

електронного променя визначається величиною сигналу, одержуваного в системі

реєстрації СВЧ голограм, наприклад, за допомогою приймачів перемножителя і

т. д. Цей промінь створює на екрані, освітленому від когерентного джерела світла

і грає роль модулятора, потенційний рельєф, який перетворюється в

пропорційне глибині цього, рельєфу зміна коефіцієнта пропускання

або фазової затримки. Таким чином здійснюється просторово-

тимчасова модуляція когерентного світлового потоку.

Як модулирующих середовищ в таких системах можуть застосовуватися

термопластики, кристали КДР, АДР, електрооптична кераміка.

У цих системах можуть також застосовуватися звичайні ЕПТ (з фосфорним екраном)

суміщені з перетворювачами некогерентного світлового зображення в

фазовий або амплітудний рельєф на модуляторі когерентного світла. Таке

перетворення може здійснюватися за допомогою рідких кристалів і

термопластиків з підкладкою з фотопровідника та інших матеріалів.

Усі розглянуті варіанти систем з візуалізацією зображень в реальному

масштабі часу вимагають для своєї реалізації джерел когерентного світла.

Однак можлива побудова систем з отриманням зображень в реальному

масштабі часу і без використання таких джерел. Суть роботи таких

систем полягає в тому, що прийняті СВЧ коливання перетворюються в

коливання іншої природи, наприклад в ультразвукові коливання або СВЧ

коливання іншого діапазону із збереженням амплітудно-фазових співвідношень,

потім відновлюються відповідно ультразвукові або мікрохвильові зображення і

візуалізуються без застосування когерентних джерел світла.

Малюнок 2.23 - Схема голсграфіческой реєстрації з отриманням відновленого

зображення в реальному масштабі часу:

1 - генератор СВЧ коливань частоти w1, 2-передавальна антена;

3 - об'єкт, 4 - змішувач зсуву, 5 - опорний генератор перший

проміжної частоти, 6 - смуговий фільтр з центральною частотою

РГ1 = w1 + W1, 7 - антена опорного променя, 8 - приймальна СВЧ матриця;

9 - багатоканальний приймач, 10, 12 - змішувачі, 11 - смугові фільтри;

13 - фазообертачі, 14 - смугові фільтри з центральною частотою W 2;

15, 17 - ультразвукові перетворювачі, 16 - середа, в якій

може поширюватися ультразвук, 18 - керовані джерела світла;

19 - помножувач частоти, призначений для утворення частота другого

гетеродінірованія. [10]

По суті, в таких системах когерентне джерело світла замінюється

когерентним джерелом ультразвукових або СВЧ коливань. Збереження

амплітудно-фазових співвідношень досягається за рахунок властивостей квазілінійного

(Лінійності по відношенню до комплексної амплітуді) супергетеродинних методів

прийому. У разі переходу з одного діапазону СВЧ. в інший можна

використовувати параметричні перетворювачі. Розглянемо таку схему

докладніше на прикладі системи з використанням ультразвукових

перетворювачів.

На малюнку 5 наведена структурна схема системи. В цій системі опорна хвиля

створюється на частоті гетеродина РГ1. Якщо продетектировать сигнали

на виході 11, отримаємо СВЧ голограму. Але в пристрої малюнку 5 коливання з

виходу 11 потрапляють на змішувачі 12, де змішуються з коливаннями

другого гетеродина РГ1 який імітує освітлення голограми при

відновленні. Необхідний фронт відновлювальної хвилі створюється системою

фазовращателей 13. Отримані на виході 12 сигнали перетворюються в

ультразвукові сигнали і поширюються в середовищі 16, утворюючи в

деякій площині ультразвукове зображення досліджуваного об'єкта, яке

може бути візуалізовано-яким з відомих методів. Для напів-чення

зображення в реальному масштабі часу можна застосувати, наприклад, систему

лінійних перетворювачів 17 ультразвукових сигналів в електричні і потім

подати їх на малоінерційні джерела світла.