8.4. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

P. Курц, Хуанг-Куанг Лиу, Р. Оуэн

8.4.1. Введение

В этом параграфе преследуются две основные цели: 1) дать руководящие критерии для выбора элементов голографических схем и 2) предложить практическое руководство по конструированию голографических систем для специальных применений.

Выбор элементов голографической системы в первую очередь определяется тем, какие задачи ставит перед собой экспериментатор, его возможностями и бюджетом, которым он располагает. Укомплектованные голографические установки стоят от 250 до 50 000 долл. и даже выше [61]. Ниже мы перечислим главные оптические элементы, необходимые для голографических работ, и дадим рекомендации по их использованию, а также рассмотрим возможности каждого из них.

8.4.1.1. Лазер

Любой лазер, применяемый в голографии, должен работать в режиме моды или в режиме однофазной моды, которые обеспечивают классическое гауссово распределение интенсивности по поперечному сечению пучка излучения. Особое внимание

необходимо уделять когерентным свойствам лазерного излучения. Для большинства лазеров непрерывного действия можно приблизительно считать, что длина когерентности равна длине резонатора. Для измерения длин путей объектного и опорного пучков удобно пользоваться такой простой вещью, как электрический провод с узелками в качестве маркеров, принимаемых за точку отсчета. Желательно, чтобы выходное излучение лазера было линейно-поляризованным, однако и неполяризованное излучение лазера пригодно для получения голограмм. Необходимая величина мощности выходного излучения определяется как размерами голографируемого объекта, так и конечными требованиями к плотности энергии в плоскости голограммы.

8.4.1.2. Затворы

Для управления длительностью экспонирования пригодны как ручные, так и электронные затворы. Конечно, ручные затворы дешевле. Кроме того, если должным образом следить за плотностью получаемой голограммы, то затворы необходимо применять совместно с измерителем интенсивности света. После того как голографическая установка создана, для повторного получения голограмм вполне достаточно простого отсчета времени экспонирования ручным затвором. Электронные затворы дороже, но они дают существенно большие возможности для управления экспозициями. Они могут измерять интенсивности пучков и позволяют управлять экспозицией автоматически, путем интегрирования значений энергии во время экспонирования.

8.4.1.3. Изолированный стол

В голографии предъявляются высокие требования к механической стабильности элементов голографической системы и всей системы в целом во время экспонирования. Это очевидно из того факта, что голограмма представляет собой записанную на материал интерференционную картину. Если во время экспонирования относительная фаза между объектным и опорным пучками изменится на величину то интерференционные линии перекроются и интерференционная картина разрушится. Величина в относительной фазе эквивалентна разности длин оптических путей опорного и объектного пучков, равной поскольку следовательно, Таким образом, механическая нестабильность, вызывающая за время экспонирования изменение длины оптического пути на недопустима.

Существует большое разнообразие конструкций изолированных столов — от стола в виде ящика с песком до гранитных столов на пневматической изоляции. Различают два класса вибраций:

высокочастотные, которые поглощаются «мертвыми» материалами, такими, как дерево, песок и т. п., и низкочастотные вибрации, поглощаемые изоляцией стола от окружающей обстановки. Для изоляции применяют пористый упаковочный материал, пневматические цилиндры и внутренние трубы. Для получения обычных голограмм типа дисплеев вполне достаточно более дешевых столов в виде ящика с песком. Высококачественная голография требует применения специальных поверхностей на пневматических подставках. Чтобы проверить устойчивость любой поверхности, на нее устанавливают простой интерферометр и наблюдают интерференционные линии при различных амплитудах и периодах движения.

8.4.1.4. Зеркала

Требования к зеркалам очень просты. Отражающая поверхность зеркала всегда должна быть фронтальной (передней) и незагрязненной поверхностью хорошего качества, так чтобы в волновой фронт не вводить дополнительных дифракционных картин. Необходимость регулировки положения каждой зеркальной поверхности определяется требованиями конкретного эксперимента.

8.4.1.5. Светоделитель

Светоделителем может быть либо поверхность стекла, либо устройство, обладающее изменяющейся в широком диапазоне плотностью. Изменением угла наклона стеклянной пластинки можно в небольших пределах управлять проходящей и отраженной составляющими пучка. Если плоское стекло обеспечивает вполне удовлетворительное управление интенсивностями пучков, то нет необходимости применять более дорогие типы светоделителей. Но если требуется более точная регулировка интенсивности, то для этого случая подойдут выпускаемые промышленностью светоделители с полупрозрачным вращающимся зеркалом, у которого коэффициенты пропускания и отражения изменяются по окружности. Их можно автоматизировать, используя привод типа «кабестан» или шаговый двигатель. Хорошее качество пучка дают двулучепреломляющие кристаллы, перед которыми помещают вращаемые полуволновые пластинки, однако при этом нужно тщательно следить за ориентацией поляризации. Другой полезной разновидностью светоделителя являются фотополимерные дифракционные решетки, которые изготавливают голографическим способом.

8.4.1.6. Пространственный фильтр

Хотя голограммы можно изготовить без применения пространственной фильтрации, их качество нельзя сделать хорошим. Пространственный фильтр необходим и для формирования

восстановленного изображения хорошего качества и обязателен при получении количественных характеристик в голографии. Пространственный фильтр состоит из положительной линзы (обычно это объектив микроскопа) и точечной диафрагмы, расположенной в фокальной точке линзы. Через это точечное отверстие пройдет только та часть световой волны, которая распространяется параллельно оптической оси. Всякий свет, идущий непараллельно оптической оси (обусловленный рассеянием на пыли, поперечными модами лазерного излучения и т. п.), будет блокироваться и не пройдет через точечную диафрагму.

8.4.1.7. Линзы

Первоначально линзы использовались для расширения лазерного пучка. Следовательно, главное требование в этом случае заключается в том, чтобы как положительные, так и отрицательные линзы имели по возможности малое фокусное расстояние для достижения заданного расширения пучка на кратчайшем расстоянии. Иногда расширение объектного пучка можно получить за счет рассеивателя.

8.4.1.8. Пленка

В голографии находят применение многие типы пленок и других материалов для регистрации голограмм. Первое требование, которое к ним предъявляется, — это высокое разрешение. Оно определяется длиной волны лазерного излучения и половиной угла между объектным и опорным пучками. Требуемое разрешение в линиях на миллиметр определяетя выражением

Обычно для излучения Не — Ne-лазера с длиной волны А эта величина лежит в пределах в случае когда угол между объектным и опорным пучками находится в пределах

Эмульсии, обладающие достаточным разрешением, крепятся на жесткой стеклянной или на гибкой ацетатной подложке. Стеклянные пластинки обеспечивают большую стабильность, но их стоимость обычно больше. Пленка стоит дешевле и ее можно жестко закрепить, если зажать между стеклянными пластинками или прижать к металлической пластинке, как в фотоаппарате.

8.4.1.9. Держатель пленки

Для удовлетворительного выполнения большинства экспериментов в голографии можно изготовить держатели пленки или держатели пластинки, различные по конструкции и принципу действия. В тех случаях, когда требуется точная воспроизводимость голограмм, необходимо использовать держатели с прецизионной регулировкой. Иногда держатель можно даже приспособить для проявления фотопластинки на месте. В некоторых голографических устройствах требуется быстрое, повторяющееся считывание информации, для чего необходимо иметь устройство транспортировки пленки шириной 70 мм.

Таким образом, мы видим, что для голографических систем имеется большой выбор различных элементов. Однако какой из них использовать и в какое время, зависит от рода работы, которая выполняется голографическим способом, и от того, какие расходы допускает бюджет. Иногда изобретательность экспериментатора возмещает ограниченность бюджета. В конечном счете за выбор деталей отвечает экспериментатор, и все решается его благоразумием.

8.4.1.10. Краткое содержание остального материала параграфа

До сих пор одно из главных применений голографии лежит в области голографического неразрушающего контроля (ГНК) и оказывается, что разработанные методы оптического ГНК или голографической интерферометрии являются действительно самым полезным результатом этих применений. Недавно эта тема была превосходно изложена в книге [19]; полезной также является книга Кольера и др. [151. Некоторые сведения по этому вопросу можно Найти в § 10.4 настоящей книги. Последующее содержание настоящего параграфа требует от читателя понимания таких терминов, как реальное время, двойная экспозиция и методы усреднения по времени, рассмотренные в указанной выше литературе. Поэтому мы здесь сконцентрируем внимание на некоторых конкретных системах ГНК, чтобы дать некоторое практическое руководство для конструирования обычных голографических систем.

При написании этого параграфа предполагалось, что читатель знаком с основами голографии. Главное внимание мы уделим голографическому неразрушающему контролю, который сыграл значительную роль в прошлом и, по-видимому, найдет широкое применение в будущем. Сначала мы рассмотрим общие аспекты ГНК, а затем уже и конкретные системы (см. разд. 8.4.2-8.4.6). При этом конкретные голографические системы, имеющие отношение к ГНК, обсуждаются с точки зрения потребителя. Следовательно, в нашем рассмотрении мы будем подчеркивать, за исключением раздела,

посвященного голографии спеклов, практическую, а не теоретическую сторону вопроса. Поскольку голография спеклов как метод разработана недавно, мы рассмотрим ее теоретические основы. Последовательность изложения методов ГНК в разд. 8.4.2-8.4.5 выбиралась таким образом, чтобы подготовить читателя к разд. 8.4.6, в котором описываются методы ГНК с использованием автоматической обработки данных. Этот гибридный метод объединяет все системы, рассмотренные в предыдущих разделах параграфа. Гибридный метод представлен здесь не только благодаря его собственным достоинствам, но, что более важно, как идея комбинирования известных методов с целью использования их индивидуальных преимуществ для выполнения данного исследования.

В разд. 8.4.7 мы рассмотрим голографию движущихся объектов главным образом в связи с возможностью разработки голографической кинокамеры.

Раздел 8.4.8 знакомит читателя с рядом других голографических систем, потенциальное применение которых в будущем очевидно.