3.3. Цветная голография
Голограммы Денисюка записываются когерентным лазерным излучением, а считывать их можно в обычном белом свете. При этом цвет восстановленного изображения предмета будет таким же, как и цвет лазерного излучения, использовавшегося при записи. Последнее позволяет записывать цветные изображения при использовании лазеров, излучающих в красной, синей и зеленой областях спектра. Рассматривая такую голограмму в белом свете, мы получаем изображение предмета в тех же цветах. Сложение их, так же как и в цветном телевидении, передает цветовые оттенки предмета.

Голографическая установка для записи цветных голограмм по методу Ю.Н.Денисюка на основе непрерывных лазеров представлена на рис. 3.5

Рис. 3.5. Принципиальная оптическая схема установки для записи отражательных цветных голограмм: 1 - He-Ne лазер λ=633нм; 2 - Ar лазер λ =515нм и 488нм; 3 -подвижные поворотные зеркала; 4 - затвор; 5 пространственный фильтр; 6 - телескопическая система; 7 - кассета для записи голограмм плоского зеркала; 8 - фотопластинка; 9 - эталонное зеркало; 10 - кассета для записи тест-объектов; 11 - тест-объект; 12 - зеркала подсветки.
Установка имеет две оптические схемы: для записи голограмм плоского зеркала, необходимых для проведения измерений параметров голограмм и для записи цветных голограмм тест объектов. Основой установки являются одномодовые непрерывные гелий-неоновый He/Ne (633 нм, красная область спектра) и аргоновый Ar (515, 488 нм, зелено-синяя область спектра) газовые лазеры, оснащенные эталонами Фабри-Перо для получения одночастотного режима облучения.

Для записи голограмм плоского зеркала лучи от лазеров (1,2) с помощью поворотных зеркал (3) направляются на телескопическую систему (6), которая формирует пучок света, попадающего в кассету (7) с делительным зеркалом, фотопластинкой и эталонным зеркалом. Делительное зеркало делит падающий пучок на ряд из 11 идентичных пучков с последовательно уменьшающейся в два раза интенсивностью, каждая из которых участвует в записи голограмм диаметром 5 мм. Такой способ позволяет на одной пластинке записать несколько рядов голограмм в различных областях спектра и определить не только экспозиционные, но и спектральные характеристики голограмм.

При записи тест-объектов поворотные зеркала направляют пучок света на пространственный фильтр (5), который представляет собой микрообъектив и точечную диафрагму. Пространственно фильтрованный и расширенный до необходимых размеров пучок освещает фотопластинку и тест-объект. Допускается дополнительная подсветка объекта зеркалом (12). Запись голограмм производится по методу Ю.Н.Денисюка. Максимальное время экспозиции 200 с. Установка рассчитана на запись голограмм с размерами 18х24 см².

Объемные голограммы широко используются в музейных выставках экспонатов, представляющих историческую или культурную ценность, хищение или порча которых привела бы к невосполнимым утратам. Такие голограммы реально передают не только объем экспоната, но и его цвет, создавая полную зрительную иллюзию оригинала.

Радужные голограммы. Изготовление голограмм как плоских, так и объемных, представляет собой технически достаточно сложную задачу, поэтому голограммы дороги. В тоже время стоимость радужных голограмм невысока, благодаря тому, что их можно достаточно просто копировать и, что не мало важно, рассматривать в белом свете. Эти голограммы широко используются в рекламных и дизайнерских целях.

История появления радужных голограмм берет начало с 1969 г., когда Бентон, сотрудник фирмы Polaroid Corporation предложил способ копирования голограмм, заключающийся в том, что при записи голограммы одновременно с изображением предмета записываются и элементы спектрального прибора (щель, линза), выделяющего при наблюдении в белом свете излучение с определенной длиной волны. Часть информации при этом теряется, однако полученная голограмма сохраняет свойства объемности предмета. Если использовать технологии, принятые в микроэлектронике, то можно получить рельефные изображения голограммы на металлической пластинке и использовать в дальнейшем для получения оттисков на покрытой металлом полимерной пленке. Такие голограммы используют как средства защиты от подделок при производстве ценных бумаг, технических устройств, бытовой техники. Эти голограммы очень эстетичны и обращают на себя внимание яркостью и игрой цвета.

3.4. Голографическая интерферометрия
Прежде, чем перейти к голографическим методам измерений, сравним классическую интерферограмму и голограмму.

В классической интерферограмме информация об исследуемом объекте регистрируется за счет точной фиксации фазы световой волны. Фазовые сдвиги, вносимые объектом, кодируются на интерферограмме в виде числа и местоположения полос. Однако классические интерферограммы не пригодны для изучения объектов, содержащих светорассеивающие объемы или поверхности. Изменение фазы оказывается столь сложным, что зафиксировать и расшифровать его не представляется возможным. На помощь приходят голографические методы, суть которых состоит в том, что на этапе записи фиксируется изменение хорошо известной фазы опорного сигнала, промодулированное изменением фазы предметной волны, а на этапе восстановления той же опорной волной восстанавливается изображение предмета. Появилось направление, сочетающее в себе основные особенности классической интерферометрии и голографии – голографическая интерферометрия.

Голографическая интерферометрия позволяет осуществлять интерференционное сравнение двух или нескольких волновых фронтов, соответствующих различным состояниям исследуемого объекта. Позволяет зримо наблюдать малые деформации изделий при изменении нагрузки и распределение этих деформаций по поверхности тела, также используется для измерения протяженности объектов и исследования вибраций.

Посмотрим, как с помощью голографического метода осуществить интерферометрическое исследование.

Пусть на голограмме зафиксирована интерференционная картина, соответствующая начальному состоянию объекта. Прервем экспонирование и, не убирая голограмму из голографической схемы, изменим исследуемый объект (например, произойдет тепловая деформация в результате локального нагрева). Вторично экспонируем голограмму. На одной голограмме фиксируются две интерференционные картины, существовавшие в различные моменты времени и соответствующие двум состояниям объекта.

Осветим голограмму опорным пучком. Обе предметные волны наблюдаются одновременно и, интерферируя, усиливают яркость изображения, а в участках, где произошли изменения с объектом, образуют интерференционные полосы. В этой интерференционной картине опорной волной служит волна, рассеянная самим объектом в его начальном состоянии и имеющая ту же самую микроструктуру. Поэтому контраст интерференционных полос близок к единице.

Проведенное упрощенное рассмотрение процесса голографической регистрации малых изменений, происходящих со светорассеивающими объектами, показывает, что интерференция используется дважды и, соответственно, регистрируются два типа интерференционных картин.

Интерференционная картина, вид которой определяется формой предметной волны и типом голографической схемы, имеет весьма малый период, обычно 1…100. Контраст полос зависит от светорассеивающих свойств объекта и соотношения интенсивностей опорного и предметного пучков. Другая картина полос наблюдается в области восстановления изображения объекта. Зависит от характера изменений, произошедших с объектом, а контраст определяется соотношением яркостей двух одновременно восстановленных изображений объекта. Область пространства, где достигается максимальный контраст интерференционных полос такого типа, называется объемом локализации полос. Подобное явление не наблюдается в классической интерферометрии, где полосы формируются во всей зоне пересечения двух пучков.

Методы получения голографических интерферограмм. В голографической интерферометрии наибольшее применение находят лазеры видимого диапазона. В первую очередь, это He/Ne-лазеры и Ar-лазеры. Существует несколько способов получения голографических интерферограмм.

Метод реального времени. Голограмма объекта в его начальном состоянии записывается на регистрирующем материале и проявляется. Наблюдая сквозь голограмму, освещенную опорной волной также освещенный объект, мы одновременно регистрируем две волны: волну восстановленного изображения и ослабленную за счет оптической плотности голограммы предметную волну. Применяется для медленно изменяющихся процессов

Метод двух экспозиций. Удобен для исследования быстропротекающих процессов, если начальные и конечные состояния четко выделены. Записывая на голограмме две, существующие в различное время предметные волны, и восстанавливая их одновременно с помощью опорной волны, получаем на фоне изображения объекта локализованную интерференционную картину, контраст которой не зависит от величины смещения.

Стробоголографический метод. Если состояние объекта меняется во времени непрерывно, то для получения достаточного контраста рекомендуется использовать стробоголографический метод. Например, при исследовании вибраций необходимо осуществлять механическое или электрооптическое стробирование излучения непрерывного лазера (стробирование - прерывание излучения с заданной частотой). Причем световые импульсы должны быть синхронизированы с моментами нахождения объекта в крайних положениях. В этом случае полосы имеют постоянный контраст.

Метод усреднения по времени. Если поведение объекта подчиняется гармонической закономерности, можно записывать голограмму при непрерывном освещении объекта в течение времени, которое много больше периода изменений. Этот метод часто используется в голографической виброметрии благодаря своей простоте. Не требуется ни проявлять голограмму непосредственно в схеме, ни стробировать лазерное излучение. На рис. 3.6. приведены полученные методом усреднения голографические интерферограммы вибрирующей лопатки компрессора газотурбинного авиационного двигателя. Показаны две формы колебаний на резонансных частотах. Получение их традиционным способом - сканированием вибрирующей поверхности датчиком со щупом – сопряжено с большими временными затратами и часто сопровождается ошибками и промахами.


Рис. 3.6. Интерферограммы вибрирующей лопатки компрессора на

резонансных частотах: две формы колебаний.

Расшифровка голографических интерферограмм. Расшифровка интерферограммы, покрывающей восстановленное с голограммы изображение исследуемого объекта, является тем более сложной задачей, чем меньше объем начальных сведений об изучаемом процессе. Наиболее простой в реализации является задача голографической дефектоскопии. Несимметричность концентрации интерференционных полос в отдельных областях свидетельствует о неадекватности условий закрепления, нарушении соединений слоев и т.п.
3.5. Динамическая голография
В рассмотренной выше голографии (статической) процесс записи приводит к возникновению в регистрирующей среде скрытого изображения, не влияющего на записывающие пучки. Лишь после проявления среда приобретает свойства голограммы, изменяющей параметры проходящего через нее считывающего пучка. Это позволяет восстанавливать записанные изображения неподвижных стационарных объектов.

В динамических голограммах в качестве регистрирующих сред используются вещества, в которых запись изображения происходит непосредственно под воздействием записываемого пучка без проявления. Поэтому записывающие пучки испытывают изменения, вызванные создаваемой ими же голограммой. Возникает обратная связь.

Время образования динамической голограммы определяется быстротой отклика регистрирующей среды и интенсивностью записывающих пучков.

Рассмотрим простейшую схему двухволновой динамической голографии. Пусть два когерентных пучка пересекаются в нелинейной среде, падая с одной (или разных) стороны под одинаковыми углами к ее поверхности (рис. 3.7)

Рис. 3.7. Запись двухволновой динамической голограммы.
Создаваемая ими интерференционная картина записывается в среде в виде дифракционной решетки, на которой эти же пучки дифрагируют (явление самодифракции). Это приводит к изменениям параметров пучков, поэтому записываемая решетка также изменяется по глубине регистрирующей среды.

Для динамической голографии важны среды с изменяющимся под действием света показателем преломления. Самодифракция двух стационарных пучков в такой среде при совпадении экстремумов записываемой решетки (показателя преломления) и записывающего интерференционного поля не приводит к изменениям их амплитуд, а изменяет только их разность фаз Δφ (среда с локальным откликом). Если решетка оказывается сдвинутой по фазе относительно интерференционного поля на угол, не кратный π, то изменяются и амплитуды (среда с нелокальным откликом). При этом происходит перекачка энергии между волнами. Максимальная перекачка соответствует рассогласованию решеток показателя преломления и интерференционного поля на угол π/2, Δφ=0.

Одновременное преобразование амплитуд и фаз при самодифракции двух волн в среде с локальным откликом возникает либо в нестационарном режиме, либо в случае тонкой решетки в результате появления высших порядков дифракции.

При использовании более чем двух записывающих пучков с различными направлениями распространения и волновыми фронтами динамическая голограмма представляет собой суперпозицию дифракционных решеток, приводящих к различным перераспределениям интенсивностей и фаз взаимодействующих волн.

Динамическая голография позволяет осуществлять обращение волнового фронта, изменение параметров модуляции световых сигналов, сокращение длительности светового импульса и т.п. На основе динамических голографических преобразований создаются системы оперативной памяти, системы для голографического распознавания образов, приборы для исследования быстропеременных процессов и т.д.

3.6. Запоминающие голографические устройства
Голографический способ записи, хранения и восстановления информации перспективен для создания компьютерной памяти. Трехмерные голограммы обладают большой информационной емкостью и имеют ассоциативный характер памяти. В основе этого лежит селективность трехмерной записи, т.е. способность голограммы взаимодействовать только с теми компонентами восстанавливающего излучения, которые присутствовали на этапе записи.

В частности, большая емкость записи достигается за счет того, что на один и тот же участок материала V можно последовательно впечатать голограммы различных объектов при разных направлениях опорной волны и длинах волн записывающего излучения (λ₁, λ₂, λ₃…). Каждая из записанных голограмм может быть считана затем независимо, если ее восстанавливать волной, использованной на этапе записи. При таком способе записи информации элементами, в которых она хранится, являются трехмерные гармоники (изменение показателя преломления, поглощения), каждая из которых заполняет весь объем голограммы. Количество таких независимых элементов равно числу пространственно локализованных ячеек с размерами (λ٠λ٠λ), которое можно поместить в объем V. Так при записи в видимом диапазоне (λ=0,5 мкм) в 1см³ помещается более 10¹³ независимых гармоник.

Оперативные запоминающие голографические устройства. Основные требования, которые предъявляются к оперативным запоминающим голографическим устройствам, это быстрые запись, считывание, стирание и перезапись информации, произвольный доступ к данным. Данные предварительно разбиваются на страницы, каждая из которых записывается в виде отдельной голограммы. Весь массив данных хранится в виде матрицы голограмм. Любая страница может быть считана лазерным лучом, путем адресации его к соответствующей голограмме.

Рис. 3.8. Схема запоминающего голографического устройства с трехкоординатной выборкой.
На рис. 3.8 представлены основные элементы запоминающего голографического устройства.

Лазерный пучок поступает на вход дефлектора Д₁, который отклоняет его в заданном направлении (угол θ). Затем он расщепляется на два пучка с помощью полупрозрачного зеркала З₁. Один пучок с помощью линз Л₁ и Л₂, зеркала З₂, объектива О₁ и голографической дифракционной решетки ГДР направляется на носитель информации Н в качестве опорного пучка. Другой пучок с помощью объектива О₁ вводится в одну из ячеек линзового растра Р (матрица миниатюрных линз с параллельными оптическими осями, размещенных на равных расстояниях друг от друга). Сублинзы увеличивают угловую расходимость объектного пучка, позволяя охватить всю апертуру объектива О₃, формирующего Фурье-образ входной страницы, набранного на устройстве набора страниц (УНС). Световой конус, образованный сублинзой, направляется в сторону УНС с помощью объектива О₂. При этом УНС вносит в этот проходящий световой поток страницу двоичной информации путем пространственной модуляции по амплитуде. Оптическая схема обеспечивает совпадение опорного и информационного световых пучков по всей площади матрицы. После экспонирования регистрирующей среды и фиксации голограммы процесс записи заканчивается.

Массив страниц записывается и хранится в виде матрицы пространственно разделенных и регулярно расположенных Фурье-голограмм. Для повышения дифракционной эффективности УНС снабжается маской, осуществляющей фазовую модуляцию. При считывании информации опорный пучок направляется дефлектором на нужную голограмму, а объектный пучок блокируется. Мнимое изображение, восстановленное голограммой, проецируется на фотоматрицу. Выборка и передача данных из фотоматрицы может осуществляться как послойно, так и постранично с помощью электронных декодирующих устройств.

Наиболее перспективны объемные голограммы. Для различения наложенных объемных голограмм посредством дефлектора Д₂ и дифракционной решетки ГДР изменяется угол падения опорного пучка. При считывании опорный луч восстановит единственную голограмму, в записи которой он участвовал.

3.7. Голографические технологии для обращения волнового фронта
Из электромагнитной теории поля следует, что для монохроматических световых полей систему уравнений Максвелла в непоглощающей немагнитной среде с симметричным вещественным тензором диэлектрической проницаемости можно свести к линейному уравнению для комплексной амплитуды поля E(r). Любому решению этого уравнения можно поставить в соответствие комплексно-сопряженное решение E₂(r)=CE₁^*(r), которое будет решением того же уравнения при любой комплексной константе C=׀C׀e^iφ
E₂(r)=C[E₁(r)e^iφ(r)]^*= C[E₁(r)e^-iφ(r)], (3.11)
т.е. с измененным знаком пространственно зависящей фазы поля φ. Поэтому в англоязычной литературе для обращения волнового фронта в оптическом диапазоне принят термин оптическое фазовое сопряжение (optical phase conjugation).

Волновой фронт определяется как поверхность постоянной фазы волны φ(r). Поэтому формы волновых фронтов взаимно обращенных волн совпадают φ₁(r)=-φ₂(r)=const, а направления распространения противоположны, откуда и происходит название обращение волнового фронта (ОВФ).

При прохождении когерентной волны через среду из прозрачного материала с сильными неоднородностями показателя преломления направленность прошедшей волны во много раз ухудшается (рис. 3.9а)

а б
Рис. 3.9. Прохождение через оптически неоднородную среду: а) идеально направленного пучка; б) обращенного к нему.

Если на ту же среду с противоположной стороны направить волну, точно обращенную по отношению к прошедшей через нее (рис. 3.9б), то, в силу обратимости законов линейного распространения, обращенная волна в результате преломления на тех же неоднородностях выправится на обратном проходе до идеально направленной. Это необычное свойство обращенной волны лежит в основе большинства приложений ОВФ.

Наиболее просто обратить плоскую волну. Достаточно строго перпендикулярно направлению распространения волны установить зеркало. Для обращения сферической волны требуется сферическое зеркало. Для обращения волны произвольной структуры необходимо иметь зеркало с профилем, в точности совпадающим с профилем волнового фронта.

Методы нелинейной оптики и динамической голографии позволяют реализовать зеркало, автоматически подстраивающееся под форму любой падающей волны. Существует ряд методов ОВФ. Широко распространенный метод ОВФ основан на четырехволновом смешении (см. рис. 3.10)

Рис. 3.10. Схема ОВФ при четырехволновом смешении.
В нелинейно оптическую среду одновременно подаются две встречные опорные волны

[E₁exp(ikz)+E₂(-ikz)]exp(-iωt)

и сигнал

E₃(r)exp(-iωt),

подлежащий обращению.

Интерференционная картина полей E₁ и E₃ в нелинейной среде записывается в реальном масштабе времени в виде голограммы с пространственной модуляцией диэлектрической проницаемости δε(r)~E₁E₃^*(r)exp(ikz).

Это голограмма тут же считывается с помощью второй опорной волны

E₂(-ikz)]

и возбуждается четвертая волна

E₄(r)~ E₁E₂E₃^*(r),

точно обращенная по отношению к падающему сигналу E₃(r).

К такому же результату приводит и второй процесс, идущий одновременно и когерентно с первым: запись голографических решеток, пропорциональных E₂E₃^*(r)exp(-ikz) и их считывание первой опорной волной E₁exp(ikz).

К достоинствам этого метода следует отнести возможность получить коэффициент отражения в обращенную волну, больше 1, ׀E₄׀²>׀E₃׀². Недостатком этого метода является необходимость идеально однородной нелинейной среды, а также идеальная обращенность и высокая мощность волн E₁ и E₂.

Из большинства возможных приложений ОВФ следует сказать, прежде всего, о схеме компенсации фазовых искажений при двукратном прохождении пучка через усилитель в мощных лазерных системах (рис.3.11).


Рис. 3.11. Схема компенсации фазовых искажений усилителя: 1 – лазер; 2 – полупрозрачное зеркало; 3 – усилитель; 4 – устройство для формирования ОВФ.
Идеально направленное излучение маломощного задающего лазера (1) с помощью полупрозрачного зеркала (2) вводится в усилитель (3). Оптические неоднородности последнего существенно ухудшают направленность усиленного излучения. Прошедший пучок обращают тем или иным методом и вновь пропускают через усилитель. В результате обратного прохода волна восстанавливает исходную идеальную направленность и к тому же дополнительно усиливается.

Эхо-голограмма. Фотонное эхо – нелинейный оптический эффект, который позволяет осуществить «обращение времени» в системе атомных частиц. Это одно из самых красивых когерентных явлений, которое составляет основу целого направления в современной оптике и лазерной технике – оптической эхо-спектроскопии. Фотонное эхо является проявлением взаимодействия ультракоротких световых импульсов с веществом – газами, конденсированными средами, плазмой – и обладает своеобразной оптической памятью, может служить основой для хранения, обработки и передачи больших массивов информации.

Объединение свойств голографии и фотонного эха позволяет создать эхо-голограмму. Физическая сущность записи эхо-голограммы состоит в том, что, для того, чтобы зарегистрировать на голограмме нестационарные поля и процессы, необходимо использовать резонансную среду, у которой длина волны λ линии поглощения совпадает с λ излучения, экспонирующего голограмму.

Метод их записи сводится к следующему (см. рис. 3.12).

Рис. 3.12. Эхо-голограмма.

В исходный момент t=0 на резонансную среду направляется импульс предметной волны I_пред, который переводит часть атомов среды из основного состояния с энергией ε₁ в верхнее возбужденное состояние ε₂. В состоянии ε₂ фаза колебаний атомов в течение некоторого времени (время поперечной релаксации) остается такой же, что и фаза объектной волны при t=0. Опорная волна подается в виде импульса I_опор в момент времени t=τ . Этот импульс обращает на 180⁰ фазы колебаний всех атомов среды, после чего колебания начинают развиваться в обратном направлении. В результате по прошествии времени 2τ среда испускает импульс «эха» I_эхо. Волновой фронт этого импульса совпадает с фронтом предметной волны либо обращен (ОВФ) в зависимости от того, в какой последовательности на среду воздействуют импульсы I_пред и I_опор. В случае эхо-голограммы пространственная память объединена с временной памятью, что позволяет воспроизводить процессы, связанные с изменением во времени и в пространстве.

ОВФ используется в задачах оптической обработки информации, компенсации временного расплывания импульсов при передаче информации по волоконным световодам, нелинейно-спектроскопических исследованиях веществ и др.