ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Предисловие. Оптика создает новую информатику

    Прогресс цивилизации на рубеже XX и XXI веков во многом обеспечивается стремительным развитием информационных технологий. Информационно-телекоммуникационные технологии завтрашнего дня разрабатываются на оптических принципах. Уже повсеместно применяются волоконно-оптические системы связи, скорость передачи информации по которым тысячекратно превышают предельные скорости в электрических линиях. Создаются оптические системы сверхплотной записи информации, основанные на голографических принципах. Уже разработаны основные узлы цифровых оптических компьютеров, причем их архитектура более причудлива и богата дополнительными возможностями, отсутствующими у электронного аналога. Многообещающим вкладом оптики в информатику может стать создание искусственного интеллекта.

       Лекционный курс «Оптоинформатика», предназначенный для студентов старших курсов, магистров и аспирантов СПбГУ ИТМО, представляет новое научное направление в оптике, связанное с изучением и разработкой информационных технологий, использующих электромагнитное излучение оптического диапазона.

Лекционный курс «Оптоинформатика» сопровождает экспериментальный практикум, который включает два основных раздела. Часть I «Лазерные системы и их применение в оптонформатике» посвящена исследованию лазерных источников излучения, применяемых в системах оптоинформатики. Часть II «Информационные возможности объемных голограмм», посвящена изучению физических принципов работы голо- графических устройств, предназначенных для хранения, накопления, восстановления и обработки информации.

       Данное пособие включает описание 4-х работ экспериментального практикума и теоретический раздел, посвященный основам теории лазерных систем и их применения в голографических системах записи информации, в оптических системах сверхбыстрой передачи и обработки информации. В теоретическом разделе представлено также толкование основных терминов и понятий лазерной техники, приведены оригинальные работы по проблемам оптоинформатики.

Экспериментальный практикум

Лабораторная работа № I-1 «Импульсная голография. Получение голограмм и измерение их параметров»

Цель работы: Практическое ознакомление с устройством импульсного лазера и особенностями голографических импульсных установок, методами записи голограмм на голографических регистрирующих материалах, их обработки и измерения параметров, с использованием метода импульсной голографии в оптико-информационных технологиях.

Объект исследования: Импульсная лазерная система на кристаллах иттрий-литиевого фторида активированных ионами неодима (YLF:Nd) с генерацией излучения на длинах волн ИК (1053 нм), видимого (527 нм) и УФ (351 нм) диапазонов спектра с длительностью одиночного импульса генерации 15…20 нс и энергией до 1 Дж, трансмиссионные (пропускающие) и отражательные голограммы.

Задачи, решаемые в работе

1.Ознакомление с принципом действия и устройством импульсного лазера для голографии.

2.Ознакомление с оптическими и механическими элементами для построения схем записи импульсных голограмм на примере оптических схем записи трансмиссионных (пропускающих) и отражательных голограмм (см. рис. 1, 2 и 3).

3.Ознакомление с устройствами и приборами регистрации параметров лазерного излучения (энергия излучения, длительность лазерного импульса) при записи импульсных голограмм.

4.Ознакомление с различными типами регистрирующих сред для записи импульсных голограмм и практическое ознакомление с методами обработки галоидосеребряных регистрирующих материалов при записи импульсных голограмм зеркальных и диффузных объектов.

5.Ознакомление с методами оценки качества голографического изображения при его реконструкции (см. рис.4).

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

       В своих экспериментах по записи первых осевых голограмм Д. Габор (1948) использовал излучение ртутной лампы с низкой степенью когерентности. После изобретения в 1960 году Т. Мейманом рубинового лазера началась эпоха лазерных высококогерентных источников света. В 1961 году А. Джаваном с сотрудниками был создан He-Ne лазер, Е. Снитцером первый неодимовый лазер, а в 1964 году Е. Гордон с сотрудниками получили непрерывную генерацию в аргоне. Изобретение лазеров дало новый импульс исследованиям в области голографии. В 1962 году Е. Лейт и Дж. Упатниекс получили голограммы с внеосевым взаимным расположением интерферирующих пучков. В том же 1962 году Ю.Н. Денисюк предложил способ записи голограмм во встречных пучках. Современные лазеры для голографии генерируют излучение практически во всем видимом спектральном диапазоне с высокой степенью временной и пространственной когерентности. Лазеры могут быть непрерывного действия и импульсными (t_{импульса}<10^-4 сек). Использование для записи голограмм импульсных лазеров позволяет осуществлять запись подвижных объектов или быстропротекающих процессов, характерные времена которых меньше длительности лазерного импульса. Кроме этого, при записи импульсных голограмм нет необходимости обеспечивать высокую степень виброустойчивости оптической схемы записи и отдельных её элементов, что характерно в случае использования лазеров непрерывного действия. Во время записи голограммы происходит «запоминание» регистрирующей средой взаимного расположения «стоячих» волн, образованных при интерференции так называемой опорной волны с объектной, т.е. рассеянной объектом волной. Пример такой картины интерференции плоской опорной и сферической объектной волны приведен на рис.1, где указаны также характерные положения регистрирующей среды при записи голограмм различного типа. Период интерференционной картины (d) зависит от угла между опорным и объектным пучками (2Q), а также длины волны (l) излучения при записи и определяется по формуле Брэгга (1912): 2 d sinQ = l

       Дифракционная эффективность голограммы характеризует её способность восстановить объектную волну (I₁) при освещении голограммы опорной волной (I_R) и определяется как свойствами регистрирующего материала, так и оптической схемой записи голограммы.

В таблице 1 приведены расчетные и экспериментальные значения максимальной дифракционной эффективности для голограмм различного типа при амплитудной или фазовой модуляции.

Таблица 1. Максимальная дифракционная эффективность голограмм

различного типа

Рис. 1. Поперечное сечение максимумов интенсивности стоячих волн, образованных при интерференции плоской R и сферической волны О. 1,2,3,4 – характерные положения регистрирующей среды, соответствующие различным схемам записи голограмм.

1,2,3 – голограммы в попутных пучках. 4 – голограммы во встречных пучках («отражательные»), 1 – осевые голограммы, 2 – внеосевые «тонкие» голограммы, 3 – внеосевые «толстые» голограммы.

Голографический метод записи получил широкое распространение для изготовления оптических элементов (голографических оптических элементов, ГОЭ) самого различного назначения: фокусирующих систем, проекционных экранов, переключателей и т.д. Голографические методы используют в интерферометрии, для хранения информации (оптическая память), изготовления защитных наклеек. К настоящему времени осуществлена запись полноцветных голографических изображений, реализована идея голографического кинематографа. В настоящее время продолжаются работы по внедрению голографических методов в тех областях науки и техники где предъявляются повышенные требования к информативной ёмкости полученного изображения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

       Оптическая схема импульсной лазерной системы приведена на рис. 2.

Рис. 2. Оптическая схема импульсной лазерной системы Green Star.

Зеркала 31, 32 и 33 образуют кольцевой резонатор задающего генератора импульсной лазерной системы, генерирующего на длине волны 1053 нм. Внутри резонатора находятся активный элемент – кристалл YLF:Nd, пассивный модулятор добротности на основе кристалла галлий-скандиевого граната, активированного ионами хрома (GSGG:Cr), и элементы СС и Пр1, обеспечивающие однонаправленный режим генерации в кольцевом резонаторе. С помощью линз Л1 – Л4, и призм Пр2 – Пр4 лазерный пучок расширяется и попадает на вход усилителя на основе неодимового стекла. После прохода по усилителю, лазерное излучение отражается от нелинейно-оптического элемента обращающего волновой фронт – ВРМБ-зеркала (пластинка l/4, Л5 и кювета ВРМБ) и проходит второй раз по усилителю. На втором проходе по усилителю помимо усиления происходит коррекция аберраций лазерного стержня усилителя, вследствие обращения волнового фронта. На выходе из усилителя, лазерное излучение выделяется поляризационным зеркалом П1 и после зеркала П2 и пластинки l/4 поступает на кристалл калий-титанил фосфата (KTP), где происходит удвоение частоты лазерного излучения.

       С использованием лазерного излучения с длиной волны второй гармоники 527 нм осуществляется запись голограмм в попутных (рис. 3) и во встречных (рис. 4) пучках.

Рис. 3. Оптическая схема записи голограмм в попутных пучках.      

Рис. 4. Оптическая схема записи голограмм во встречных пучках.

Схема измерений характеристик голограмм приведена на рис. 5.

Рис. 5. Измерение дифракционной эффективности и контраста голограмм.