Главная | Обратная связь

Особливості динамічних голограм:

ДИНАМІЧНА ГОЛОГРАФІЯ

 

Динамічна голограма реєструється в середовищі, оптичні параметри якого помітно змінюються безпосередньо під час дії випромінювання, яке формує голограму. Це призводить до дифракції випромінювання на голограмі в процесі її реєстрації, зміни характеристик записуючих хвиль і появи нових хвиль.

Зазвичай зчитування динамічних голограм проводиться під час реєстрації голограми однією з хвиль, що її формують. В результаті цього стадії формування і зчитування динамічної голограми, на відміну від голограми статичної, нерозривно зв'язані, а процес запис-зчитування є одночасним.

Параметри динамічної голограми визначаються характеристиками випромінювання (довжиною хвилі, шириною спектру, потужністю і тривалістю дії), властивостями реєструючого середовища (нелінійною сприйнятливістю і часом релаксації), а також умовами запису (величиною і орієнтацією внутрішніх і зовнішніх електричних полів; геометрією запису, станом поляризації взаємодіючих хвиль і наявністю між ними частотного зміщення і так далі).

Розрізняють стаціонарний і нестаціонарний режими запису динамічної голограми. Стаціонарний режим запису, при якому амплітуда модуляції оптичних параметрів середовища залишається незмінною в часі, можливий, якщо час реєстрації голограми істотно перевищує час релаксації середовища. Нестаціонарний режим запису реалізується, якщо час запису голограми менший за час її релаксації. При цьому, завдяки виникаючому просторовому розузгодженню голограми щодо інтерференційної картини хвиль, що її формують, як правило, відбувається нестаціонарний енергообмін – перерозподіл енергії між тими хвилями, що взаємодіють в об’ємі реєструючого середовища, в результаті чого можливе значне підсилення слабких хвиль за рахунок сильніших. Динамічні голограми дають можливість управляти інтенсивністю, формою і напрямом розповсюдження хвиль і в даний час застосовуються для компенсацій спотворень хвилевого фронту в адаптивній оптиці і лазерній техніці, для вирішення завдань оптичної обробки інформації в реальному часі. Для отримання динамічних голограм використовують нелінійні фоторефрактивні реєструючі середовища: електрооптичні і рідкі кристали; резонансно поглинаючі пари металів, ефекти вимушеного нелінійного розсіяння світла, тощо.

Особливості динамічних голограм:

· Можливість вирішення завдань оптичної обробки інформації в реальному часі;

· Можливість управляти інтенсивністю, формою і напрямком розповсюдження хвиль;

· Використання нелінійних реєструючих середовищ і джерел випромінювання, що є потужнішими ніж для оптичної голографії для отримання статичних голограм.

Слід зазначити, що ефекти, пов'язані з динамічним характером запису (коли інтерференційна картина записується в реєструючому середовищі, яке реагує на випромінювання безпосередньо в процесі його дії), виявляються також і при записуванні статичних голограм на нереверсивних середовищах. Це відбувається при реєстрації голограм на світлочутливих матеріалах, які не утворюють прихованого зображення і не потребують проведення післяекспозиційного підсилення зареєстрованої голограми. Такі ефекти (особливо при використанні великих експозицій) властиві багатьом середовищам, зокрема лужно-галоїдним кристалам, кристалам ніобату літію, полімерним матеріалам на основі фенантренхінона, матеріалу реоксан та ін. З дослідження саме цих ефектів, властивих запису інформації на лужно-галоїдних кристалах, ніобаті літію, а також на реоксані, і було почато дослідження закономірностей динамічних голограм.

При записуванні динамічних голограм виникає ряд цікавих явищ, перспективних для практичного використання. Розглянемо явище нестаціонарного енергообміну (рис.1), яке виникає при записуванні голограм на реєструючих динамічних середовищах з нелокальним відгуком.

На кристал V падають дві плоскі хвилі R і S, створюючи стоячу хвилю з розподілом інтенсивності I(x) (рис.1а – графік зліва). Завдяки властивостям кристалу ніобату літію (реєструюче середовище з нелокальним відгуком), що виникає під дією цієї стоячої хвилі розподіл показника заломлення (гармоніка розподілу показника заломлення - фазові гратки з максимумами, які на рис.1 позначені z1, z2, z3) опиниться дещо зміщеною щодо реєстрованої інтерференційної картини – вгору або вниз залежно від напряму оптичної осі кристалу С. Виявляється, що якщо згадане зміщення рівне чверті періоду гратки, то в міру записування голограми енергія хвиль R1 і S1, що виходять з кристалу і спочатку мають однакові амплітуди, почне перерозподілятися. При цьому хвиля R1 підсилюється, а S1 послаблюється. На рис.1б приведені залежності інтенсивності цих хвиль від часу.

Рис.1. Ілюстрація явища нестаціонарного енергообміну в кристалі ніобату літію. Направлена передача енергії між хвилями R і S (що інтерферують в об'ємі V) – а; I(t) – залежність інтенсивності хвиль (IS і IR), що виходять, від часу експозиції динамічної голограми – б

 

Фізична суть цього явища полягає в наступному. Як видно з рис.1 при зміщенні на чверть періоду максимуми інтенсивності поля стоячої хвилі потрапляють на якісь певні «схили» гармоніки розподілу показника заломлення. В результаті виявляється, що хвильове поле проходить через кристал таким чином, що хвилі R і S стають нерівноправними. Одна з них (в даному випадку R) відбивається від гармоніки показника заломлення як від щільнішого середовища, а інша хвиля (S) – як від менш щільного середовища.

У такій ситуації, як відомо, одна із складових при віддзеркаленні втрачає у фазі половину довжини хвилі, а друга зберігає ту ж фазу. Та компонента, яка, відбившись від схилу гармоніки показника заломлення, втратила половину періоду, складеться з хвилею, яка пройшла крізь схил із зворотним знаком. Амплітуди цих двох хвиль віднімуться і інтенсивність відповідної сумарної хвилі, що виходить з кристалу, зменшиться. Інтенсивність іншої хвилі, що виходить з кристалу, включає компоненту, яка не змінила фазу при віддзеркаленні від структури голограми, відповідно збільшиться.

Дане явище було запропоновано використовувати в лазерних системах для корекції форми хвильового фронту: за допомогою нестаціонарного енергообміну хвиль R і S, забезпеченого динамічною голограмою зсуву, відбувається перекачування енергії з пучка потужного лазерного випромінювання R з деформованим хвильовим фронтом в слабий пучок S з необхідною формою хвильового фронту – рис.2.

 

 

Рис.2. Коррекція форми хвилевого фронту за допомогою динамічної сдвиговой тривимірної голограми

 

Таким чином, динамічна голографія є синтезом голографії і нелінійної оптики, причому голографія використовується для опису складних трансформацій хвильових фронтів, а нелінійна оптика - для опису характеру поведінки світлочутливого середовища при дії на неї випромінювання.

Динамічні голограми дають можливість управляти інтенсивністю, формою і напрямом розповсюдження хвиль і застосовуються сьогодні для компенсацій спотворень хвильового фронту в адаптивній оптиці і лазерній техніці, для вирішення завдань оптичної обробки інформації у реальному часі. Для отримання динамічних голограм використовують нелінійні фоторефрактивні реєструючі середовища: електрооптичні і рідкі кристали; резонансно поглинаючі парі металів, ефекти вимушеного і нелінійного розсіяння світла і так далі.

Фоторефрактивні динамічні середовища – світлочутливі середовища (світлочутливі матеріали), в яких розподіл інтенсивності випромінювання в реєстрованому світловому полі перетворюється в розподіл зміни показника заломлення середовища, а ініційовані світловою дією зміни параметрів реєструючого середовища відбуваються безпосередньо в процесі запису інформації (під впливом випромінювання). Розрізняють динамічні середовища з локальним і нелокальним відгуком: середовище з локальним відгуком – просторовий розподіл фотоіндукованого показника заломлення при запису синусоїдальної інтерференційної картини синфазний або протифазний розподілу інтенсивності в інтерференційній картині; середовище з нелокальним відгуком – просторовий розподіл фотоіндукованого показника заломлення при запису синусоїдальної інтерференційної картини зміщений по фазі по відношенню до розподілу інтенсивності в інтерференційній картині.

В якості фоторефрактивних динамічних реєструючих середовищ в даний час використовують фоторефрактивні кристали наступних речовин:

• ніобат літію (LiNbO3);

• ніобат літію, легований атомами F (LiNbO3:F);

• танталат літію (LiTaO3);

• силікат вісмуту (Bi12SiO20);

• германат вісмуту (Bi12GeO20).

Можна також вказати динамічні реєструючі середовища, що дозволяють отримувати амплітудно-фазові голограми, - кристали фториду кадмію (CdF2) з бістабільними домішковими центрами.