Динамическая голографическая микрофазометрия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ
|
Кожевников, Николай Михайлович
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Санкт-Петербург
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1992
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
ЛЕНИНГРАДСКИй ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ШЗЕРСИТЕТ
* *
Кэ правах, рукоти
КОЖЕВНИКОВ Николай Михайлович
ДИНАМИЧЕСКАЯ. ГОЛОГРМИЧЕСКАЯ МИКРОМЗОКЕГРИЯ Ссециальность: 01.04,03 - радиофизика
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических, наук
Сапк-т—Не т р. рбург Г $<32 г
Работа выполнена в. Ленинградском гопуларетвенном техническом университете,
Офицчальннэ оппонента:
доктор ^шико-математических паук профессор И.А.Водоватов,
доктор физхко-математаческих наук ведущий научный сотрудник
' .' Н.Б.Кухтарев,
'доктор фазико-математических наук профессор В.И.О'адалыаузен.
Ведущая организация: Государственный оптический институт км.С.К.ЕаЕидова (г. Санкт-Петербург). -
Залога состоится 31 января 1992 г. в 15 часов на заседании СпещтализЕ-роЕакног'о совета Д 063.38.02 в Ленинградском государственном технической университете по адресу: 195251 Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, 2-й учебный .корпус, ауд.
С диссерташай можно ознакомиться з фундаментальной библиотеке ^шверсихетаг
Автореферат разослан " декабря 1991 г.
Учений секретарь Специализированного
сове-та Д 063.38,02 • '
кандидат фпзико-иатематаческих наук доцент
К.Г.Уткин
<::I СЫ&Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ
^р'МздУгьность. Термин "микро-разомягрия" бил введен б [i] при оо-узздении проблем, связанных с интерференционными методами аналого-ж регистрации матах изменений разности фг.з световых лучков. По-энциальные возможности таких методов характеризуются очень вцсо-эй пороговой чувствительностью измерения сигналов гармонической азовой модуляции (ом) ( ~1СГЭ рад-Вт^2 Гц--'''2), что обуслсвлчва-г перспективность использования методов микрофазомотрии в коге-знтных оптических системах.
Реализация столь высокой чувствительности измерений связана с витанием проблемы адаптивной локачымй стабилизации рабочей тоаки птического интерферометра (ОИ), которач определяется средним фа-овым сдвигом между пучками, обеспечивающим максимальную крутизну реобразования сигнала ФМ. 3 классических СИ такая стабилизация существляется электромеханическими корректорами (гибкими заркала-и) или многоканальными электронным системами фазовой автоподст-ойки [2]. Однако эффективность paöo-гн подобных систем снижается, их сложность существенно возрастает при расширении пространст-енно-временного спектра случайных фдунтуаций разности фаз интер-ерируюадах пучков, особенно при, работе со спекл-неоднороднши учками.
В связи с этим актуальный является-исследование чисто оптичес-лх адаптивных методов пространственно-временной стабилизации ра-очой точки ОИ. Один из таких'.методов, [з], .основанный на использо->ании динамических голограмм (ДГ) в качестве смесителей, пучков ин~ ■ерферометрд, заключается в следующем. .Инерционная шоточувстви— ■ельная среда, в которой формируется ДГ, реагирует только на ьод—• шно меняющееся во времени распределение интенсивности света в интерференционной картине (Ж) пучков. Обусловленные высокочастот--[им инфорлационнш сигналом Ш быстрые смещенья мгновенной КК от-госительно записанной ДГ приводят к перераспределению интенсивно-:тей (энергообмеку) мезду пучками, которое регистрируется на выхода ОИ. В то же время'медленный смещения КК,' вызываемые случайными изменениями взаимной фазы пучков, "отслеживаются" средой и не да-5Т вклада в энергообмен, обеспечивая адаптивную фильтрация низкочастотных фазовых помех в выходном сигнале. Положение рабочей точ-ш ОИ, определяющее крутизну преобразования спектральных компонент
сигнала. ФМ, зашсит .от' пространственного рассогласования усредненной Ж к записанной в среде ДГ.
Актуальность рассмотренного метода связана на только с тради-цконнымн. для микрофазоюгрки "внешними" измерениями, целью которых является определение параметров информационного сигнала <3.1, а роль ДГ сводится к преобразованию этого сигнала в модуляцию интен-оивностей выходных пучков. Очэеидно,.использование фазомодулиро-ваниых пучков открывает возмокность экспериментального исследования свойств самых ДГ ("обратная" задача шкрофазоизтрии), причем чувствительность такого «етода в ряде случаев оказывается на насколько порядков вше, чем при традиционных измерениях дифракционно'.. гЗДектгздостя ДГ я стационарного энергообмена свотових пучков.
Научная новизна и практическая значимость. В основе рассмотренного метода преобразования сигнала лэхлт взаимодействие фа-зт.юдулированннх световых пучков в нелинейной фоточувствительнон' среде. Несмотря на возрастающее число публикаций, посвященных -особенностям такого взаимодействия, последовательная теория дика-¡.глческой голографии И пучков, ойобдшздзя результаты, относящиеся к стационарным пучкам [4]. до сих-лор отсутствовала. Поэтому создание такой тсорз; в рейсах настоящей диссертационной работы яв-лпетсс гцедпосилкой целенаправленного совершенствования адаптивных голографичсских интерферометров, оценки их потенциальных возможностей" и расширения областей практического применения.
Реализация голсграфичоскою метода преобразования сигналов ФМ в каздоы конкретном случае связана с оатиыалытд выбором фоточувствительной среда: к рогимов записи ДГ. В связи с о им большой интерес предогавляет расширение номенклатуры реверсивных срод, среди которых в последнее врем'привлекают к себе-внимание фоточув-стви'гсльннз материалу па осново Сактериородонсхша (БР) и его аналогов [5-7]. Достоинства этих слабоаолияейшх сред с локалвнш керроводаа фотооткликоа, делающие их кокхурентоспособнши при ре-иинли задач дапемической голографкческой шкрофазоиетрии, в нерву» очередь связана -с мала,и временами фотопревращений молекул -БР п с г,озмо~аюстью управления этими временами. В то я,е время голо-гра^ичсскио характеристики таких сред исследованы в настоящее ьремя далеко но полностью, что в значительной степени обусловлено г-лло;: чувствительность?) традиционных экспериментальных методов. «V пользовании; в диосортацак катод й! пучков для изучения талих
сред позволил получить нв толысо ватлуга информация об особенностях голографических процессов, но и продемонстрировать бозчояног сти самого экспериментального метода.
Следует-отметить, что несмотря на заметную активизацию исследований в области динамической голографии пучков, до настоящего времени имелось сравнительно мало соооадений о конпрзтннх технических разработках адаптивных голографических интерферометров, что, безусловно, не способствовало привлечению внимания к метода:.: голографической микрофазоиетрял со стороны потенциальных потребителей. Созданные с рамках диссертационной работ различные адаптивные интерферометры, в том числе в волоконно-оптическом л ннто-гралъно-оптическоы исполнении, являются примерают эффективного использования методов динамической голографии для решения аарокс-го круга задач когерентной оптики и демонстрируют возможности их практического применения. . •
Основными задачами диссертационной работы являются:
1. тзоретичесюй анализ ззаимодействия й! пучков в фоточувотви-тельных средах с целью определения оптимальных рекимов регистрации различных сигналов и условии эффективной адаптивной фильтрации низкочастотных фазовых помех;
2. разработка экспериментальных методов исследования фотоотклика слабонелинейной среды, основанных на динамической голографии -К! пучков; ...
3. теоретическое и экспериментальное изучение особенностей голо-графической записи в фогочувсгвигелышх средах, содержащих БР, и анализ возможности использования этих срод для адаптивной регпс-грации сигналов
4. создание ¡высокочувствительных адаптивных голографических ин-'герферометроъ, в том числе в волоконно-оптическом я интегрально-оптическом исполнении, дат решения различных задач шкрофазоизт-рии. _
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объеи работы 313 е., в том часле 64с. с рисунками, список литература - 235 наименований...
Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной ра-
боты докладывались на:
I. 17 Всесоюзном симпозиуме по я.нзпкз акусто-гидродинамичесюг.': ,
'явлений и оптоакустика, Ашхабад, 1985 г.
2. . У Всесоюзной конференции "Волоконно-оптические системы пере-
дачи", Москва, 1988'г. . -
3. I Всесоюзной конференции по оптической обработке информации, Ленинград, IS88 г.
4. 2 Всесоюзном совеЕ}ании "'¿ото- и элоктрохромные биоэлеыенты технического назначения" ✓ Путанно, Моск.обл., 1933 г.
5. Всесоюзной конференции "Лркмеяение динамической голографии и параметрической и нелинейной оптики в системах обработки информации", Славское, Львовской обл., 1938 г.
G. Всесоюзном сешнаро по закрытой-тематике, Мытищи, ¡\!оск.обл., ISS5 г.
7. I всесоюзной конференции "Физические проблемы оптической свя зи", Севастополь, Г.)Э1 г.
8. Всесоюзном симпозиуме "Физические принципы и методы оптической обработки информации", Гродно, "1991 г.
Э. International Conference "interferómetry189", Poland, Warsaw,-1989.
Ю. International Congreso on Optical Seieaoo and Engineering, iietherlaiidti, Hagus, ХЭЭ1 •
11. i'irst International Soviet Fiber Optics Conference, Lenin-• grud, 13 91.
12. International.Üympóeiua CE/Fibers*9I, USA, Booton, 1991. Материалы работы опубликованы в 33 статьях и тезисах докладо:
Полный список научных и научно-методических работ автора Екляча< в себя ВО наименовании.
В диссертационной работе отражены результаты 1ШР, выполнении в 1Эй4 - 19ЭД г.г. иод руководством автора по-договорам мехду ЛГ7У и Акустическим институтом им .H.H. Андреева All СССР, ШЮ "Гр нит", hü'fK "Научные приборы", Институтом биооргапнчеокой химии-им.i.!.;,'..Шемякина /Л СССР.
СОДЗРШЩЕ РАБОТУ.
Во введении сформулированы задачи диссертации, обоснована их актуальность и научная новизна, а та:-с.:е кратко рассмотрено соде ;:.a>i-;e отдельных разделов работы.
3 n¿p50íi глава, гмеищеЕ обзорна характер, проанализированы
возможности традиционных методов оптической микрофазомегрки и факторы, огранизятпцие пороговую чувствительность этих методов. . Среди этих факторов наиболее существенными являются флуктуации параметров когерентного оптического излучения (в первую очередь, избыточный шум интенсивности) я пространственно-временные флуктуации рабочей точки ОИ, особенно сильно проявляющиеся при гетеро-дшшрованки спекл-неоднородных световых пучков. 3 этоЗ'хп главе рассмотрено использование методов динамической голографии для визуализации пространственного распределения амплитуд смещения поверхности вибрирующего объекта [б].
Ео второй главе изложены основы динамической голографии ОМ световых пучков, взаимодействующих в изотропной фоточуватвителькой среда. При этом нелинейность среды характеризуется фоторе^ракгив-шш£,-еи фотохромчым комплексными параметра™, описывающими изменение диэлектрической проницаемости и коэффициента поглопения, а такке комплексными постоянными времени релаксации Взаимодействие ФИ пучков в такой среда описывается системой связанных нелинейных интегро-дафАеренциальных уравнений для коглплексних амплитуд основных пространственных гармоник фазовой и амплитудной дос ДГ, интексивяостей световых пучков и их взшиной разности фаз Решение этой системы уравнений в отсутствие ® известно как для установившегося ре хила самодифракщш [4], так . и для переходных"процессов [э,Ю]. Для случая ФМ световых пучйов, распространяющихся в слабонелинейной.средеуказанная система уравнений может быть реиена методом последовательных приближений. При этом изменение йятенсиЕНостей пучкоз, обусловленное сигналом ® описывается выражением
I,, м = -1+10110Т(г) [^К^ к Тгл'^К £(1У]„ (I)
где *
Кр(ъ)= -#))]<&', р = £,*, . (2)
Т (2)= Лхр (-сю/соа 9)[1- еар(-сЦ/сс£, 9)] , интенсивности пучков ка входе в среду ( 7.-0), сК- ксэф^щиент поглощения, 28 -угол между направлениям распространения пучков, к = При
выводе формул (1),(2) предполагалось отсутствие ДГ при О' ( £р(г-,0) = .0, р-Е^оО и соответствующее рассматриваемому врибли-
(f
жению постоянство разности фаз вдоль оси ï (<j>(z-,t} = cj>(û;t) = cp(-t) ) . При гармонической модуляции оптической разности фаз Cf(t^-a slnQ формулы (I),(2) для установившегося режима ("к^чГр] ) можно запи сеть в ,виде . .
^КЛЛ (3)
* где ^ ^ ^^ . ^
n = -co Hs-to .
Jn(a)- функции Бесселя, р= £ , & ..
В наиболее актуальной -для -виброштрии случае локальной фото-рефракгивнои среды С 0, 0) в спектре' установив-
шихся колебаний интенсивное1:эй 1+1(гЛ)присутствуют только нечетш гармоники модулирующей частоты Q ,. амплитуда низшей из которых при небольших а описывается формулой ■
причем колебания интексивностей пучков происходят в противофазе открывая возможность ых регистрации дифференциальными фотоприем-яши устройствами (ФПУ), обеспечивающими подавлеше синфазных и: быточных 'флуктуаций интенсивности излучения. Эффективное ripe обр; Еование .сигнала гармонической НА имеет место при условии Кроме тогоДр ~ а « i , так что локальныэ фоторефрактивные сред обеспечивают максимальную для данного кётода'чувствительность и керания высокочастотных сигналов гармонической <й,1.
Колебания иятеысявкостей l+((x',t) на основной частоте модуляци Q. могут быть получена таю?е при -иснользованди нелокальных фото хро.мншг сред С - оДгп^^^О), однако, яьляясь синфазншш, эти колебания не могут 'быть отделены от избыточных флуктуации -и текснзностей-пучков. В средах не с локальным фотохрошка! ( È,£--Im^^Lrvt^- .0) или с нелокальным фоторефрактивным С Û, Хт^Хт-О) откликом в спектре колебаний интенсквностей l+((2;t)nc
• являются четные гармоники частоты Q , амплитуды которых пропорциональны произведениям СГ(а)\Т£ {а), п. = 1,2,... . Поэтому чувстг тел.ы;ссть регистрации гармонических сигналов СМ в этих случаях ::5*.т.е, чем при иепсльэозаЕПИ локальных (Тоторейрактивных сред.
.. iirii-1люстрация аксокочастотного.скгнала^а^онкчесиой >Ш
, сог 0.сЬ , Йст:£»1 , в присутствие сйлйной низкочастотной фазовой' гомехи Лсоьй,^ происходит амплитудная модуляфм гармонических сос--авлящих выходного сигнала • . Если для регистрации используйся локальная фоторефрактяшал среда, то при условия 0.п«0-с ам-[литуда несущего колебания на частоте описывается Еыраяением
(6)
'де1а(о)определяется формулой (5) с учетом ^ (рис.1,а).
В наиболее актуальном случае реализуется режим записи
свазнстационарвой, "бегущей" с переменной скоростью АС2п$'тЙл1., базовой ДГ, пространственно рассогласованной с "бегущей" с той же жоростью ИК. Анализ этого случая показывает, что амплитуда {есуизго колебания ка основной частоте информационного сигнала гаеньшается с увеличением А -в соответствии с формулой
iL(o)
(.7)
V Л1(АО«сЛГ
v » » п 11 _ ... .
1ри этом возрастают амплитуды (А)верхней и низшей боковых час-
готЙ±2.£п(рис.1,с5). . '
1.0
0,3
0,6
Ofi
о, г
гии\ lu \ х 9 0
iöOtf
W'lo2 iö4o° о
а)
Й°>
2
. Рис. I
Из формулы (7} следует важный вывод о том, что условием эффективного подавления, помехи является «. 1 , т.е. скорость ь^пи-
7
О
ск ДГ "долина быть много'меньше максимальной мгновенной скорости обусловленного помехой:'смещения ПК.
Ввиду тоге, что среды с локальным ¡|оторефракт2внш откликом обеспечивают наибольшую крутизну преобразования сигнала гарлони-чаекой 44-1, представляет- интерес исследование механизма такого преобразования э сильнонелинейных фоторефрактивнкх средах. В диссертации такое исследование проведено для случая- одинаковых средних татексиьностеИ пучков н малых амплитуд а высокочастотной Решение системы связанных уравнений-для амплитуда основной гармоники и взшиной разности фаз-.пучков приводят к-выражению _ -оо/согв г, . .1 , -йг/-со&9.-1
Ч' (8)
показ пвамцему, что существует оптимальное значение длины "2 и интенсивности? пучков 10, когда преобразованге сигнала гармоническом '¿¿л при взаимодействии пучков в среде .с заданными параметрами ' наиболее эффективно» ' •
При гетеродинировании новыроздекных по частоте световых пучков, т.е. при льнеШюй модуляции их разности (раз ср(Ь) - , образованная аташ пучками "йегусая" ИК при достаточно малих скоростях обусловливает формирование в среде "бегущей" ДГ, которая вследствие инерционности процесса .записи пространственна еигздака. опшсе-тельн'о ИК, В случае локальных фоточувствительных срод в пра дополнительной' высокочастотной гармонической <й.1 „
) в опзктрз усхааовивдгахся кс ли банки гатенсианостей вы-' ходаих пучков,прясутствую? как четные, так и нечетные гармоники кодулирувдей частоты О. , ашллтуды низгах из которых описываются , формулами
^-.о^о^^та^А^^Цт^ , СЮ)
та® \
ьврхнмй знак соответствует +1~аучку. Входящая в (9) ,(-Ю) функция Ц, смеет Сольаую скорость изменения' в интервала |Я0Ц*\Ц, что открывает возмоешоетт измерения малых разностей, частот
обусловливающих снятие частотного вырождения малых скоростей перемещения зеркал О'Л. Кроме того, при однокаяальной регистрами колебаний интенсивностзй выходных пучков измерение амплитуд при Q0= 0 и скоростей , соответствующих!^ гп_ -- С, позволяет определить параметры (.т^ £ локальной фоточувствктелыюк средь-.
В связи с применением методов динамической голографии в задачах микрофазсметрии большое значение ¡«¿еет кинетика формирования спектральных амплитуд выходного Сигнала ОИ при записи и стирании дГ. В простейшем случае локальной фоторэфрактквной среды одновременная ступенчатая и высокочастотная гармоническая ксдулящя разности фаз ср=а ъ +а£'ш0.1 ,а0(к>о)= а0 ,ао(ио)-- о. приводит к появлению в выходном сягнато как четных, так и нечетных гармоник частоты £2 , а зависимости от времени амплитуд низдях из этих гармоник описываатся формулам
^^^^^^о^Л^^да^^^соза^е^], (12)
Приведенные формулы (12),(13) показывает, что регистрация выходного сигнала на частоте первой гармоники н& обеспечивает высокой чувствительности измерения малых значений аоиз-за квадратичной зависимости!,-,от а.. В то не времяХ,0~а « 1 , и при оптя-. £1 о ■ е га -*,о. ч
кальном выборе амплитуда а , максимизирующей прок з воде ние ио<а)^(а), динамический диапазон и чувствительность измерения а^ сравнимы с соответствующими значениями при измерении амплитуды а гармонической <й.1. Кроме того, как следует из (12), измерение времени-^обращения в нуль амплитуды I р выходного сигнача при а^тги последующей перезаписи ДГ позволяет сравнительно просто и с высокой точностью определить постоянную времена ть='Ц5/1л2.(кетод зг-сдвига).
Б общем случае произвольной елабонелинейной фоточувствительной среды анализ кинетики преобразования Спектра высокочастотной гармонической Ш удобно проводить, используя векторное представление мгновенной <>&р(£)) ,• стационарной (&рст )-и начальной (др(0) ) амплитуд фазовой (р = £ ) и 'амплитудной ( р - сл. ) ЛГ на комплексной плоскости. Преимущество такого представления обусловлено тем, что четные гармошки колебаний интенсивностей пучков пропорциональны мнимой (вещественной), а не_ч?тные_^- вещественной (^мни- • (.•ой) компонентам мгновенных векторов дШМлсЦЬ)). поведение кото-
рых во времени описывается формулой
Дрехр-)), р=£,<*, (14)
р р
являющейся решением соответствующего кинетического уравнения.
Годограф Еектора_Др(Ъ^представляет собой спираль,' начинзкщую-ся из конца БектораЛр(О) и заканчивающуюся б-конце вектора ДрсТ. На .рис,2 приведена векторная диаграмма процесса перезаписи ДГ к соответствующе осциллограммы колебаний интенсивностей выходных пучксв на. частотах 52 и 2.Р . . /
- Рис. 2
1'риДр(0}= С н £>рст= 0 годографа описывают соответственно процессы записи к стирания ДГ. Кинетика этих процессов зависит от отношения Ср^рх/х^ • в частности, период Тр колебаний интенсивно- -стей пучков и логарифмический декремент Л. ропределяется выражениями .
С ¿'четом того, что колебания интенсивностои -'А' пучксв, обусловленные фазовой ДР, являются противофазными, а амплитудной ДГ -скн.£азг!кки. методика высокочувствительного измерения оптических характеристик слабоиелпне1шых сред с использованием ¿М пучков закачается в следующем. Интенсивности ютодных пучков регистриру-10
двумя фотонриемшшами, сигналы с которых посла щ>едварктель-ного усиления складываются или вычитаются в, зависимости от того,, параметры какой ЛД' (амплитудной или разовой) предполагается измерить. После этого результирующий сигнал селективно усиливается на частоте лервой£2и второй25?. гармоник высокочастотной Л. Измерив стационарные амплитуды!^ 20.< пеР1°Д Тр и логарифмический декремент А0 , легко определить стационарную амплитуду Др соответствующей ДГ (вблизи г= 0), уголее пространственного рассогласования с Ж пучков, а также инимупТр^ и вещественнуэт.рГ компоненты постоянной времени ър
¿Р-"УХрП " (16)
(I?)
V V* ^У^-7^»
V = (Тр/^)(11-ГАр/27г)гУ', т.рг = (АрДя)^ , СМ)
где первый индекс у функций. Бессоля борется для фазовой ( р - £ ), а второй - для амплитудной ( р = оС) ДГ. Значения фоторефрактивного фогохромного ^ коэффициентов определяются из соотношения
Основном достоинством рассмотренного метода является высокая точность, обусловленная тем, что измеряемые амнлитудц!^^ пропорциональны др , а не(лр) , как при измерении дифракционной эффективности слабым тестирующим пучком. Следует отметить, что указанное достоинство метода независимо обоукдалось з £12] в связи с его использованием для изучения локальных слабопоглощающих фоточувствительных сред.
Кинетику формирования ДГ в нелокальных средах при использовании невырожденных по частоте ФМ пучков удобно рассматривать в системе отсчета, движущейся синхронно с КК. Легко показать, что в этом случае выражение для мгновенного ьекгора ДГ £\р("Ь) по форме идентично (14) с заменой > ^р^^о/к-р . где
= 1 + , . ' (19) )
скорость линейного-.изменения разности фаз. Таким образом; г при ¿р-=т„-.дрг»1 имеет место значительное увеличение амплитуды, ДГ по сравнению с записью Бнровдоннт;« по частоте пучками (0). . что широко используется на лракгикр Г13, й} . Аргумент.
и.
при Тр\ пржтщот значение-л/2 , обусловливая дополнительнее четвертьволновое пространственное смещение "бегущей" ДГ относительно "бегуцей" КК. Например, если-при 0 записывалась чисто смещенная ДГ (argüpCT ^±ог/2 ), то при указанной резонансной скорости движения Ж записывается несмещенная ДГ. Мскно показать, что при этом значении скорости линейной ® изменяется характер пере- . ходного процесса записи Д\ Например, если- при Qc= 0 имело место медленное затухание и частые осцилляции вектора 5p(t) около стационарного полэжония, то при (tp^i) процесс записи "бегумой" ДО происходит быстро и плавно. Рассмотренные закономерности переходах процессов г.дагут быть экспериментально обнаружены путем регистрации сигналов первой и', второй гармоник колебаний интенсиБ-ностей нэваро:лденнкх по частоте пучков при дополнительной высокочастотной гармонической модуляции кх разности фаз. Следует Tájese обметить, что несмотря на преимущества невырожденных иучков для. регистрации ;>М сигналов, связанные с увеличением амплитуд записываемых ДГ, отмеченные особенности кинетических процессов могут отрицательно влиять на эффективноегь ацалмвного подавления низкочастотных фазовых помех.
Третья х'дава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию процессов голографичзехой записи в фоточувотвительных средах, содержащих бактериородопсин (^СБР) и представляюпщх интерес в связи с применением для решения задач динамической гологра-фичзекой кикрофазсмстряи. Являясь сравнительно слабонединеГшымя малоинзрцронньак средами с локальным керровским фотооткликом, i-Clip в' последнее время привлекают к себе внимание, благодаря достаточно простой технологии изготовления, высокой стабильности параметров, кс, глазное, возможности управления б широких пределах скоростью нелинейного отклика. Упрощенная схема фотоцикла молекулы бактериородопекка (.ЕР.) зкллчает в себя два метастабидьных состояния, отдпчаачдшея дилольными моментами: исходное транс-состояние ÍEP^q) и возбужденное цкс-состояние O^jjg) с максимума-' ми оптического поглощения на длинах волн соответственно 0,57 тем и 0,412 ккм. ГСрк псглощенЕй кванта, света с длиной волны & из до-лоси по1'Ло;г,енпя^ транс -фермы молекула БР, пройдя промежуточные ин-чер^эдаагь: и ъйбросгв протон, оказывается в цис-состояпии. Спустя некоторое зромя, зависящее от многочиспенных факторов (состав бе-.д'.а, температура, слабость и друп;е) возбужденная молекула БР
захватывает протон и возвращается в йскодкоз трале-сосгаякио. Скорость цис-транс перехода может быть значительно увеличена ду--тем освещения ФСБ? излучением с длиной волны\ в полосе поглощения цис-формы БР.
Рассмотренный механизм фотоцикла Б? обусловливает возможность двух способов записи .ЙГ в ФСБР. Первый способ реализуется при-освещении среды двумя когерентными пучка:-® с длиной волны л.^ , г,К которых пространственно модулирует возбуждение молекул БР и, соответственно, их концентрацию в цис-состояняи. Формируемые в этом случае ДГ называются В-голограымами. Второй способ основан на освещении ФСБР интерференционной картиной двух когерентных" пучке-з с .длиной волны Яри этом осуществляется пространственная коду-ляция времени гьзни цис-состояния ЬР. Если теперь осветить среду однородным Сне обязательно когерентным) излучением с длиной волн»: Ав, то в среде запишется ДГ, которую называют ¡¿-голограммой. .
.Идя исследования указанных толографическлх процессов б ч'СБР использовался двухлучевой 07. о электромеханической и пьезоэлектрической модуляцией полскения зеркал гармоническими, лиьейно-не-риодичеокиш сигналами и прямоугольны»»! импульсамиЗапись В-го-лограмм осущестатялась излучением Не-Ь5е лазера 0,6-3 мкм).
М-голограммы формировались пучками Не-СА лазера л = 0,44 мкм) при одновременной засветке.Хор однородным излучением Нё-Ке лазера = С.60 мкм). гЛодулироваяныо по интенсивности выходные пучки ОИ регистрировались однокглалышм или дкфференциаяь- • нил ОПУ с последующем селективным усилением на частотах первой и второй гармоник высокочастотного гармонического сигнала Угло- ^ зал селективность ДГ измерялась с помощь® дополнительного маломощного модулированного по интенсивности Не -Не лазера.•
Наиболее простач кинетика зашей В~гологрнкм Сэкспоненциальное нарастание) наблюдалась в '¿СБ? в виде водных суспензий. Определенные методом х-едзига значения3 - 60 мо зависели от концентрации суспокзии, штенсивностей пучков я'других факторов. Кинетика запаси фазовых ДГ в полимерных пленках, содержащих ЬР, при малых пространственных периодах 15К и небольших интенсивностях пучков состояла из двух участков, отлачавдихся характерными йре,-!№наш нарастания шшшуды^ТГ. Для интерпретации таких эавксх-чосгеЁ была предложена модель фортерояакия ДГ, учитывающая да&у- ^ зита фотовозбукденнкх протонов (ВР^д-™ " ) •
\ Если исходная концентрация D молекул БР в транс-форме много больше концентрации r.(x) = n° + п?соъ2.ихуиотих молекул в дао-Форме ( отсутствие насыщения), глубина модуляции щ интенсивности в. ИК пучков - íq невелика ( m« 1 ), а диффузионное расса-
сывание неоднородного распределения концентрации протонов ri (x)=
ирпроисходит, значительно медленное установления квазистационарного соотношения между Пр и п1 , то-в конце "быстрой" стадии фотовозбуждония справедливы следухщиё выражения
о о а = п..
= ¿Jте , п =тЗтг-га1 , . (20)
о е. ' . оч р
Aví,
где Jü=Gl)I0/h\\, б" - вероятность захвата кванта света молекул oí
г =(i+n°7npj" , rv°t- концентрация термолизованных протонов, я: j' , ^ - коэффициент рекомбинации. Соотношение между
п! лПр остается'в силе в течение последующего медленного дщхрузи-ошюго процесса. Б наиболее интересном случае r-zl ( « ) те- " еретический анализ этого процесса ориводвт к 1$ориуле
l(KLJ У1 > (21)
I р
где - дебаевекая дана экранирования, максвзлловское время релаксация,tp* -2ч~^[1+~(кцУ)> К =2k/L . Пространственная модуляция концентрации п(%) приводит к ютдуляцза диэлектрической проницаемости ерэдн&£ . Лолуэешшэ экспергаязягальнке зависимости амплитуды ДГ'ог времени t в пространственного- периода L .для полимерных пленок, седеркшдос БР,-хорошо соответствую!?-формуле (21). В . то зао .время qsbs6*?8Heiic деЗфузиогшз эффекте в водных суспензиях внрояенн слабо, лозадшачу, вследствие n® » n.p uKLs«L.
При яе&ишгих лнгеисявйостях 1„ пучков, записывающих ДГ в íCBP, экстрмментальиш ЕависзыоетЕ относительной амплитуды иёрг вой гармошки колебаний гагенсивностей выходных пучков 1я/10 от!0 шшштся■ линейныж, что согласуется с формулой (.5) к позволяет определить значения фоторефрзг.тишнх коэффициентов £ для суспензий a fc, 4 3 • I0~4ííi/мДйс дая полимерных плшюк. Эта значения ,• казалось tía, евядэтельствуот о' больших, дифракционных э<$-'¿йктнвксстях фазоекх ДГ, которыо могу? быть записаны в ФСБР интенсивными СБ8ТСвшл$<.пущ-:а\и. Однако при увеличении иатенсивностей пучков 10 - 100 ыкЕт/ш" в зависимости ) наблюдается
насЕг^ёкае ко^фрнцконта^, которое проявляется в.прекращении увз-«т.:чгния относительной амплитуды пря работе с сусвензалш и 14 . • ' •
дакв уменьиении этой амплитуда в случае заллеи ДГ в полимерных пленках. Хроме того, при оолылих интенсивностях записшзаэдих пуч^ коз кинетика формирования В- и М-голограмм становится немокотелнел и при определенных условиях сопровождается резкими "всплесками" амплитуды ДГ.
Теоретическое' исследование злкяния насыщения цис-траис перехода молекул БР ка формирование ДГ в ФСБР основано на анализе кинетического уравнения
(22)
= ¿ro(i+mBco5x)ii-a-^(i* n^ecsx)t) ,
которое отстает поведение нормированной концентрации П ----ri/D молекул БР в цис-состоянаи при записи В-гологр&мм (глм= 0) и M-го-логракм (тв = 0). Для упрощения расчетов считаем К =2ir/L- I.
Для В-голограш при = const (.линейная рекомбинация) решение уравнения {22) тлеет вид
К c*,t)-- ас(*) I-(н0 - %с(*))exp(-(L+ аи)t), (23)
КсСх) , (24)
где R.=RrripCst-J, Ro=-I0 /1Н , I)( = /сгтг - интенсивность насыщения, ?i0 - исходная концентрация молекул БР в цис-4-орме, -t .
В стационарном состоянии ) afc^r^Crf) = п% + п* ссь*-+...,
_i___"_ .
Графики зависимостей функции rv^R,^, определяющей стационарную амплитуду i,-r приведены на ряо.З еялозпшми лилиями. Эта графики объясняют отмеченное вшэ уменьшение ашлитудн ДГ при увеличении цнтенсивнсстей пучков при записи ДГ в полимерных пленках. При квадратичной рекомбинации возбуздекних молекул БР, которая, поеи-дшому, имеет место в суспензиях,, увеличение иптенсивностей пучков приводит к увеличений скорос-гл записи и, следовательно, к увеличении интенсивности насыщения. Поэтому уменьшение амплитуда ДГ начинает прояачятьед при значительно больших штексивнестях пучков.
Кинетика формирования ДГ описывается (формулой (23). В наисодез-интересном случаеm&-' I, R0»i , щмт/пнпв разло^езаеехр^ЬК^^з ряд по модифицированным Зушсшюм Бессоля.Т , п.» ОД,,—.,, войуча-
t"] . (25)
6,4
ДЗ
М
—
ью
У /
//р*
— —- -Г^гг
щ г ■
10й Рис. 3
о Д2 0,4 0,8 0,8 I Рис. 4
еа дляп0 = 0 (предварительная темнова! адаптация ФСБГ)
, (26)
где стационарные значения иопределяются формула:«! (25). Графики функция'п^Ь') приведены на рис.4 сплошными линиями и показывают, что пероходшй процесс записи ДГ при является существенно кемояотоннкл, а максимальное значение п.~0,44 достигается при 1,5!^ ^ Иная ситуация стюет ыесто при по«1 (предварительное насвдвнке. айЕР икгенсавкш однородным световым пучком), когда "Еслдеск" амплитуды ДГ на начальной стадии процесса записи- отсутствует (рис.'4, итрлховга лгонш).
Ддч М-годограмм решение уравнения (22) имеет вид
* = +(п0- пс(*))[ехр(-(1+- тм1 с**) J , (27)
' "^о/^-я • 1тнт£нспвн0сть однородной засветки излучением с шиь ~
я
. и ** л v • / Л" \
длиной зодшы?1ь. Б стационарном состоянии, (х-»« )
» Г'с
2Ко т.
I-
.аун:<:ст приведении« аа рис.3 югрихошш лшташи
м
- гп-' J
1-
(29)
0,4 0,3 42 0,1
Тг -
««=3,5
■ / / / К си
I/ ¡1. л **
к- ■ * у у
т
0,1
Г*
!у=5,й
1 1
а")
О
Рис. 5
4
о)
гУ
V. прит «1 кривые для и 1.1-голсграш согпадакт), показывают, что насыщение '2СБР при записи М-голограмм в случает,, проявляет-
*>>М
ся раньсе, чем при записи 3-голограмм.
Кинетика записи М-гологремм при п0= 0 (пучок вклъчагтся б момент временя £ =-. О) описывается формулой
(30)
а
■эх;
При п0 = I (предварительная засветка среды интенсивные пучком 10 и вгизгвшиз вчломент Ъ - О запиоыващгк пучков с ¿цгинсй волны. лм) с учатвд разложения экспоненциальной функции в ряд пс модафс-иированным функциям Еессвля имеем
Пергоэ слагаемое в формуле (31) объясняет возможней максимум функция г^Эка начальной стадии загаси.' Положение зтсго максимума соответствуетЪ~ 1,5, а значвнпэ|п.* 1 в этот момонт-0,44. • Клнзгкка стирания Н-голограял описывается уравнением (27) с пс(х)= 0, решение которого при тм= I нЯ>>1 записывается. в виде
Графика шухшщй л^Съ)(оп»кшкв линия),^{^(шгрг/евнэ линии) показана на рис.5,а, а йун&цшп£/ь) - на рис.5,б. Бее.отмоченное - . * ■ 17
г
в
особенности кинетических процессов при записи В- и М-голсграмм хорошо соответствуют приведенным в диссертации экспериментальным результатам, полученным с различными полимерными пленками, содерка-цида БР. Для количественного сопоставления этих результатов с. приведенным выае расчетом следует иметь в виду, чт в поглощающих >гСБР параметр^, характеризующий насыщение, зависит от координаты ъ , в для адекватного описания взаимодействия 4М пучков неоДхо-даго усреднить подученные выше амплитуды п. (х.^по г . Кроме -того, в диссертации показано, что элективная толщина ДГ при увеличении кнтенсиьноо.тей пучков увеличивается немонотонно и тлеет максимальное значение при вполне определенных ингенсивностях. Этот вывод экспериментально подтверждается результатами исследования угловой селективности записанных ДГ.
Высокая чувствительность измерения амплитуд спектральных компонент выходного сигнала ОК при гармонической «Л записывающих пучков позволяет обнаружить наличие в иСБ? нелинейного фотохромного отклика, проявляющегося в колебаниях интенснвностей выходных пучков на частоте второй гармоники модулирующего сыгаала, На рис.6,а показаны экспериментальные значения установившихся относительных .'амплитуд первойЗ^Д и второйТ^Д гармоник .туш одного из невырожденных по частоте Фазомодулированных пучков при различных значени-' ях разности частот £5. . Сплошной и штриховой линиями показаны соот-
ветствуйте 'теоретические зависиыоота, полученные по формулам (9), СЮ) .1шгтг£ = 12 ис,«Гл-= 24 ис. - 0,23, ¿Ца.4)= 0,12,
10~0,2 мОг/га«2, 2-1СГ\г?/ы№ (суглензкя), ё,с)= 10 шфЦц. 18 ■
Результат« эксперимента позволяют оценить амплитуды дшамичесхо:; фазовой репйткн ЛЕ^-Ю""® и решетки поглощения Дс{.~3, при постоянном урозне поглощения в суспензии а.~ 2 ш"1. Кинетика записи амплитудно-фазовых ДГ (рис.6,б, экслеримзнт) имеет характер затухающих осцилляции, которые характерны для сред с нелокальны.; откликом и хорово интерпретируются векторными диаграммами на комплексной плоскости.
При реализации голографяческях ОК для регистрации сигналов и.; большое значение имеет вопрос об оптимальном соотношении иктенстш-ностей п. =1%4 интерферирующих пучков и о необходимой точности стабилизации этого соотношения. 3 диссертации показано, что в случае применения 1-СЕР зависимости глубины чодуляции иктенсивностай выходных пучков Г.1=1а/14(0к отношения сигнал/шум (.в ренине ограничения дробовыми шумами) определяются формулами
а соответствующие графики показаны на рис.7 сплошными ленялни.
Максимальное значение 0,5 реализуется прип— 0 к Я. = I, а при п. = I максимум = 0,343 соответствует. значения + I. Начиная с этого значонил зависимость становится немонотонной с максимумом, щябдшазскзкя я П.« I праЯ^».' оуннцпмЭМЯ^ О^такхх; имеет максимум, положение которого смещается.'от 0,5 при налых
(<ок а= I нриЯ^оо . При гетеродангровавш спекл-неоднородных световых пучков усреднение выражений (33) по ?эле» позволяет получать зависимости^ которые для случая, хогда1 пучокспекл-не-однсроднкй, а1.1- ялозкиа, приведены на рис.7 штриховыми линиями.
В четвертой глазе рассмотрены вопросы, связанные с применением фотерэфр&ктнвных элэктрооптических кристаллов (4-РК) в динамической гэлэграфнческсй. «гакро$азоме?рии. Описаны и проанализированы результата экспериментального исследования влияния электрического ноля ка голограйкческуп запись £4! пучками а кристаллах ниобага бария-стсондия, легированных церием (8ВМ:Се). Колебательный характер кинетики формирования стационарной амплитуда фазовой ДТ в этих кристаллах при различных значениях напряженности Енеинего электрического поля соответствует дебаевской длине экранирования 1_,~0,7 ыкм и концентрации компенсирующей ыриыеси ~1С см~~. "¿с-ло!П>зсЕание коротких пилообразных импульсов с большой сквакпостьп дая-модуляция разности фаз зашсьшаягщх пучков позволило впервые наблидать в -Се э#екти, обусловленные нестационарным эьерго-обмепом пучков при их взаимодействии с несмещенной ДГ, формируемой в сильном электрическом поле. Кроме того, такая модуляция разности сбаз упрощает экспериментальное определение пространственного рассогласования ДГ относительно ИК в инерционных ФРК. Приведенные в диссертации результаты исследования энергообмена световых пучков в$ВК:Сепии ступенчатой и гармонической модуляции их разности фаз явились первым'экспериментальным подгверадением возможности применения методов динамической голографии для регистрации Ш сигналов.
В этой же глава описан матричный метод расчета голографических интерферометров га основе ФНС, позваюзднй рассмотреть влияние различных анизотропных факторов на' афТективнооть преобразования сигналов Ш в модуляцию кнтенсивностей выходных пучков. В осьове метода лежи» решение дифференциального матричного уравнения для комплексных векторов Даонса взаимодействующих лучков. 3 случае анизотропной гифракции в кубических кристаллах (например, когда вектор ДГКЦ[П0}), при малом контрасте ИК (110»1+10) я креобла- . дажцем диффузионном механизме формирования внутреннего электрического полл (Е^« Е^, = К(к*1/е)) вектор Д&очса слабого Ш пучка на выходе из кристалла ( -) имеет вид
2С
где p=d/2cos9, g =G/ccíG, el - коэффициент поглощения, G- удельный угол поворота азимута поляризации, обусловленный оптической активностью &РК, Rígl)- матрица поворота на угол gl , - комплексные орты, характеризующие состояние поляризации, Tí- кеэффицк-ент, опрэделящии фоторефрактивныи отклик среды, Г7 Л • f cosgt\
При непосредственной (без- анализатора) регистрации интенсивности этого пучка спектральный состав выходного сигнала СИ существенно зависит от состояния поляризаций S^, В случэе линейких поляризаций Цсоыр .ts'inpj- в выходном сигнале присутствуют только четные гармоники модулирупщзй частоты Q. Кная ситуация имеет место, когда входные пучки поляризованы эллиптически~e°t=jcosp{i,ijt
3 частности, при с -=7r/8±mTi/4, gb ,
- 0,1,..., в отсутствие внешнего воля происходит эффективное ;фе-образование гармонического сигнала Ш, а регистрация выходьот'о сигката ОИ на частоте первой гармоники обеспечивает высокую чув-стЕительнссть измерения амплитуды а модуляционного сигнала.
Б диссертации рассмотрены так^е другие способы регистрации выходного сигнала и другие геометрии взаимодействия 41.1 пучков в йК. Предложенный матричный метод, -ъ отличие от более мощнчх, но значительно более сложных методов расчета (например, ^15]), позволяет в ряде практически вахн'ых случаев, соответствующих борнов-скому приближению постоянной накачки. я слабо- проявлению линейного двулучепрелоадения, определить оптимальные состояния поляри-. зации взаимодействующих пучков и оценить эффективность работы адаптивных голографических интерферометров.
В пятой глазе приведены результаты экспериментального исследования адаптивных голографических интерферометров для регистрации сигналов й.1.. 3 п.5.1 рассмотрены !,яюгоканальные вслохонно-оптиче-ские интерферометры (ИВОИ) с параллельным и последовательным «бором информации. !.130И первого типа предназначался для измерения разности фаз акустических колебаний в различных точках волггавого фронта. Сигнальные и опорное плечи лабораторного макета этого г,ТОЙ были образованы отрчзками многомодового кварц-кзарцеього вр-
21
локсшого световода (Т.ЕВО (КК 50/Г20), соединение которых осуществлялось с помощью сшшетричных- сварных У-ответвителей. Зкходнне. торцы сигыачьных ¡.ШС приклеивались к четвертьволновым коллнмируш-щкм граданам- <ЮТореЛ)рактивной средой слупили полимерные пленки, содержанке БР. Для т-жтации акустических колебаний использовались пьезспреобраз'оьах'е.га кз керамики цТБС-З, напряжение на которые поступало с генератора через блок фазовращателей. Регистрация выходных сигналов осуществлялась многоканальным Й1У на базе фото диодов од_256. Выходные сигналы селективно усиливались и измерялись осциллографом иль вольтметрами. Пороговая чувствительность измерения амплитуда гармонической А! такого ¡530'й составила~10~^рад. •Измерение сдвигов фазы мегду сигналами отдельных каналов осузост-влялось с относительной погреашостьш~0,1 Интерферометр обеспечивал эффективную адаптивную фильтрацию флуктуаций с частотами до ~ 10 Гц.
МБСИ с последовательным сбором информации .и частотным уплотнением каналов предназначался для работы в составе - многоканального телеметрического комплекса (ШК). Напряжение генератора модулировалось по частоте информационный сигналом от датчика измеряемо!: величины и подавалось на льезопреобразователь, осуществляющий чШ оптического излучения ЧМ-сигаалами с несущими частотами —200-400 кГц. После адаптивного голсграфического преобразования интенсивности выходных пучков регистрировались малошуыядим ФШ', сигнал с которого подвергался частотному демультиплексированию и ЧМ-дет-ек-тированцп. Кратковременные значения эксплуатационных параметров рассматриваемого МТК оказались не хуг.е, чем в случае использования пекогеректной.волоконно-оптической линии связи: развязка каналов ?>60 дБ, динамический диапазон.изменения значений измеряемой величины~60 дБ, чувствительность (в относительных значениях измеряемого параметра)^-10"^.
В п.5.2.|'Приведено описание конструкции и результаты исследования экспериментального макета адаптивного интерферометра для измерения ступенчатых субмикронннх смещений объектов. Ш опорного пучка осуществлялась гармоническим напряжением с частотой ЮОкГц, а напъеэопреобразователь зеркала» формирующего сигнальный пучок, подавались иржоутолькко импульсы с амплитудой, подлежащей изме-г рению, Фоторефрактивной средой служили полимерные пленки, содержащие Б?.. Для регистрации сигнааа на частоте второй гармоники /.г,-польэоЕалось синхронное детектирование с визуализацией аг.плт ■
22
ьнла достигнута лороговал
Рис. 8
сигнала на экране осцллчографа (рис.8), чувствительность измерения амплитуды ступенчатих микросмещзнли отражавшей поверхности зеркала"5 А.
С целью оптимизации соотношения между поглощением и фоторефрахтизник взаимодействием пучков исследовались инте-грально-оптическке интерферометры (.п. 5.3), в которых оптически плотная среда, образующая волновод, граничит с менее плотной фотореорахтивноп средой. 3 зтом случае поглощение излучения а основном определяется малыми потерши в волноводе, а взаимодействие пучков обусловлено разовой решеткой, записанной в :мторе^рактаи-нсм покрытии. Для экспериментального исследования этого взаимодействия использовался одномодовнЗ планарный оптический волновод, образованный в подлогке из стекла К8 путем диэдузии ионов кадия. Внешняя поверхность волновода находилась в оптическом контакте с пленкой из нэтялцеялвлозч, содеркадей ЬР, или представляла собой одну из стенок кюветы с водной суспензией БР. !<:акои:,талькоз значение. относительной амплитуды первой гармоники колебаний интенсив-ностей пучков при гармонической составило~1,5-2,О что свидетельствует о перспективности использования рассмотренной геометрии взаимодействия пучков в волноводе.
В последнее время большое внимание привлекают к себе фазовые я поляризационные волоконно-оптические датчики, основанные на регистрации модулированного индормацЕоннмл сигналом спекл-неодно-родного амплитудно-<$азового распределения излучения на выходе МВО. Такие датчики (.МВ0Д) позволяют реализовать безразрывний ввод ин--формации в МВС и обладают некоторыми эксплуатационными преимуществами перед аналогичными датчиками на одномодозых .ВС. Демодуляция сигнала ШЮД с адаптивной фильтрагдаеЗ низкочастотных помех осуществляется путем пространственной фильтрации интерферонциоя-ной спекл-картшш СИСК) с помощью нелинейных инерционных динамических 4юуорефрантивных или фотохремных сред. В- определенном смысле ШОД с такими фильтрами могут быть отнесены к динамическим голографическим интерферометрам (т.ж. нелинейная среда "фиксирует" ИСК излучения), хотя в данном случае фильтр-"годограьзда'1 пред..
назначена не для восстановления изображения, а для выделения областей ИСК с синфазными' колебаниями интенсивности (выбор рабочей точки интерферометра). В п.и.4 теоретически и экспериментально исследуется работа такого МЗОД с поляризационной модуляцией (Ш) излучения и демодуляцией сигнала с помощью нелинейного фотохром-ного фильтра'(НФ). Наиболее интересные выводы теоретического анализа связаны с пол/чеаной оценочной формулой для амплитуды второй гзрмоники колебании интегральной по сечению пучка интенсивности выходного излучения
, об)
где Т0 - среднее значение амплитудного пропускания ^ - постоянная, характеризующая дифференциальную нелинейность характеристики Н4>, - амплитуда ИМ, N - число мод, распространяющихся в ШЗ. Зависимость1от Ы и§£ хорошо соответствует экспориыен- • тальнш результатам исследования ЫВО'Д с НФ на основе фотохромного стекла ФХС-7 с постоянной времени" фотоотклика~5-с.
Еезспорноэ преобразование сигнала <Ж многомодового излучения, аналогичное осуществляемому нелинейны:«! фотохрокнш фильтром, может быть достигнуто при фотоиндуцированном рассеянии света (ФИРС) в высокочувствительных кристаллах электроолтнческих перовскитов (ЭВМ:Се). Периодическое пространственнре смещение пятен ИСК выходного излучения ИБС, падающего на ФРК, приводит к соответствующим смещениям шумового интерференционного поля. Вследствие того, что .инерционные ФЖ реагирует только на усредненное во времени распределение интенсивности света, изменение условий ФИРС при ■1Л пучка обеспечивает модуляцию интенсивности проходящего и рассеянного излучения. . .
В диссертации теоретически рассмотрена зависимость индикатрисы ФИРС от напряженности электрического поляЕ0, приложенного к ФРК. В частности, анализ полученной в работ, формулы
где комплексный коэффициент усиления аыплътудп рассеянного
излучения, 0и1- угол в направлении рассеяния. (при нормальном падении пучка накачки), к=21г/\ , пе- показатель преломления для необыкновенной поляризации, соответствующий элекгрооптичес-кий коэффициент, кЕ- постоянная Больимапа, Т- температура, .е-24 Л
заряд злектрсна, 2лпек&Т/е'Х = 8,21 kB/см (при Л- 0,44 мкм, Пе = 2,3), показывает, что с увеличением EQ максимум ¡£3(0^1 "принимается" к пучку накачки л может фактически "слиться1' с ним. Следует отметить, что абсолютное возрастание 5ИРС при увеличении EQ также в основной обусловлено насыщением лоЕушек, так как в противном случае (2лпеЬ5Д ) внешнее поле обуслоативает запись практически несмещенных ДГ, которые не приводят к энергообмену пучков.
Экспериментальное исследование преобразования Ш сигналов с помощью ФИРС проводилось с ыокодоменлэировеннымн кристаллами SBN , на которые поступало излучение (.%- 0,44 мил) из ¡ЛВС (КК 50/120, длина~10 м). Ш осуществлялась пьезопреобразователем, на который подавались короткие прямоугольные импульсы .длительностью 10 икс с частотой повторения 10 кГц. Глубина модуляции интенсивности выходного излучения достигала при этом 60 $.
В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.
Литература.
1. Андронова И.А., Беритейн й.Л., Зайцев Ю.И. Предельные возмосшо-сти лазерной микрофазометршг. - Изв.АН СССР,"сер.физ., 1982,
т.46, й 8, сЛ590-1593. ■
2, Воронцов М.А., Шмальгаузен В.И. Принципы'адашгаЕНОй сптягл. -М.: Наука", ■ IS85. - 33S с.
Гз. На12 Т..Т., Piddy H.A., Пег U.S. Detector for as optical-íiber acoEiatio sensor iiaing dynanic holographic iaterforonotry. -Gpfe.bafct., 1980» v.5, Ко.II, p.465-487. »
V Бенэцйяё BJ/., Кухтарэв H.B., Одулов С.Г., Соскян М,С. Дннами-чзйгэл ссмодифракция когерентных световых пучков. - УЖ, 1079, г. 129," бшл, c.ii3-i37. . • .
1. Всеволодов H.H. Бзошиглэитн-фэторагастраторы: Фотоматериал на ■ батазряородопсияэ. - Ы.: Наука, 1988. - 224 с.
г5, Нвгфр .'•'., Bxííuohla Ch., Oestorheit 2. Bactoriorhodopain wild-■typ3 and yariaat napartate-96 - aoparaglaa "ao rsveraiblo holographic media. - Biophys.J., 1990, v.50, p.83-93.
V, Котгезмская Е.Я., Соскин M.C., 'Таракенхо В.Б. Усиление контраста иалсмопщкх оптических сигналов прл нолинейном поглощении в. стадах на оспою оактерзородопсана. - Квантовая электроника, I990? 'S.17, й 4, С.448-44Э.
0. Кег-jMlin A.A., t!okruah.isa E.V., JPotrcv ti.?.. Adaptive fcologra-phlo intsrfarometsra operating through self-öiffraction of ro-cor-diag beotts-in photorefractive crystals. - Opt.BngiÄaoi'iag, XSS9, v.20, Ho¿6, p.560-585.:
9. Вяпецкиа В.Л., Кухтарэв H.B., Соскин M.C. Преобразование янтон-спгкостэй ц фаз световых пучков нестационарной •'несаадакиой"
голографической решеткой- - Квантовал электроника, 197/, .... В 2, с.420-425.
10. Грозный А.В., Духовный A.M., Лещев А.А., Сидорович З.Г., Ста-селько Д.И. Преобразование световых пучков пропускающий и отражательными динамическими объемными -голограммами с тепловым механизмом загшси. В кк.¡Оптическая голография. - Л.: Наука, 1979, с.92-122.
11. Stepanov S.I., Sokolov I.A. Adaptive interferometers ueing photorefractive crystals.- Proc.II Int.Conf.on Holographic Systems, Conpone;ita & Applications, UK,Bath, 1989,p.95-100.
12. Gehrtz £2.,Р1ля1 J.,Brauchle Ch.'Sensitive Detection of Phase and Absorption Gratings: Phase-Modulated,Homodyne Detected Holography.- J.Appl.Phya.B, 1987, v.43, p.61-77.
13. Степанов С.И. Нестационарные механизмы голографкческоИ записи в йоторефрактивных кристаллах. В кн.: Оптическая голография с'записыо в трехмерных средах. - Л.:Наука,1986.-с.17-30.
14. Refregtor Ph., Solymar 1., Rajbenbach H., Huigjisrd J.-P. Two-Ъеат coupling in photorefractive Bi-j.pSiOo0 cryetala with moving grating: Theory & experiments. - J.Appl.Phys., 1985, v.58, llo.I, p.45-57.
15. Vachss P., Chang Т.У. Cross-polai'ization .two-beam coupling in optically active photorefractive media. - J.Qpt.Soc.-Amer. ,B, 1989, v.6, llo.9, PЛ683-1692.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Теоретически исследовано преобразование спектра сигналов Ш
■ световых пучков динамическими ашлктудно-фазсвши ДГ, записанными в нелинейных фоточувствзгельных средах с локальным и нелокальным инерционным откликом. Сформулированы условия реализации какси-
■ ыальной чувствительности измерения сигналов ®1 в наиболее распространенных задачах мшсрофаздазгрла.'
2. Показано, что эффективное адаптивное подавление низкочас- • тотных фазовых помех ери голографической регистрации высокочастотных сигналов гармонической ФИюлеёт место, если скорость записи .ЦТ много больше максимальной мгновенной скорости обусловленного помехой смещения*интерференционной картины пучков.
3. Предложен метод регистрации малых допллеровских смешений • частоты, основанный на измерении амплитуд спектральных компонент колебаний интенсивностей невырозденянх но'частоте ФМ пучков, вза-иксдеистаувщих в инерционной фоточувствительной среде.
4. Разработана высокочувствительные методы экспериментального исследования слабонелинейннх фоточувствктельнкх сред, заключающиеся в анализе поведения спектров колебании интенсивностеп а,5 пучков нрн записи и стирании амшитудао-фазовых ДГ в этих средах.
28 . .
В частности, показано, что при использования двухканалъного <:юто-' приемного устройства реализуется одновременное независимое изгле- • рение стационарных амплитуд фазовых решеток и решеток поглощения, их пространственного смещения относительно интерференционной картины пучков, а также комплексных достоянных времени записи ЯГ. Аналогичными возможностями обладает метод, основанный на одаока-нальной регистрации переходного процесса формирования спектра выходного сигнала при записи амплитудао-<$азовых ДГ невырожденными по частоте ®;1 пучками. Высокой точностью и простотой отличаются методы, заключающиеся в измерении спектральных, компонент в входного сигнала при ступенчатом смещении интерференционной картины <Щ пучков относительно записанной в ореде ДГ (метод зг-сдвига).
5. Теоретически и экспериментально исследовано влияние насыщения транс-.да перехода ка кинетику записи и стационарные амплитуда (разовых голограмм В- и Li-типа в средах, содержащих бактериоро-допсин. Проанализированы условия, при которых наблюдаются обусловленные насыщением уменьшение стационарных амплитуд ДГ и резг'е максимумы этих амплитуд в начале и в конце голографических процессов.
>3. Предложен метод регистрации М-голограмм в бактериородопсине, заключающийся в пространственном модуляции времени релаксации интерференционной картиной ч'У пучков с длиной волны в полосе поглощения щс-формы молекул БР и в последующей регистрации колебании иктечсивностей этих пучков.
7. Обнаружены затухающие осцилляции ннтенсивностей невырояден-ннх но частоте CiVi пучков, ззанмодеСсгвувз'Чих в средах, .содержащих бгжсериородопсин. Возникновение таких освдлвдций объясняется фор- ' шрованием в среде амплитудных и фазовых - ДГ с различными постоянными времени.
8. Теоретически и экспериментально исследовано характерное для фоточузствлтелызых сред, содеркашдах бактеряородопспн, медленное возрастание амплитуд ДГ, причиной" которого является диффузия фото-возбузденг.ых протонов.
9. Теоретически проанатазировано ышшс соотношения иктейсив-ностей пучков на глубину модуляции их интенсивностей и отношение сигнал/шум при регистрации этих колебаний идеальвьм ¿отопрл-емником. Показано, что в отличие от классических Oil с полупрозрачной. пластинкой в качестве смесителя пучков, в динамических голо-графических интерферометрах максимальная чувствительность реажзу-
ется пгт неодинаковых зштенеивностях пучков, а отношение этих ин-тепсивностей зависит от степени насыщения среды. Рассмотрен вопрос о енииении чувствительности топографического ОИ при гетеро'диниро-зании спекл-неоднорсданх световых пучков.
10. Экспериментально исследована кинетика гол.графической записи уМ пучками в кристаллах ЭВЫ: Се. Обнаруженные особенности кинетических процессов во пнэшзем электрическом поле, в частности, нестационарный экергообмен и его осцилляции объясняется перекачкой фазы пучков и перезарядкой ловушек дри дрейфовом механизме формирования Д".
11. Предложен матричный метод расчета спектральных а'/ллитуд колебаний интенснвностей <£>М пучков при их взаимодействии в оптически активных кубических кристаллах с преобладающим диффузионным механизмом записи ДГ. Определены оптимальные состояния поляризации этих пучков, обеспечивающие максимальную чувствительность измерения амплитуд сигналов гармонической" Ш,
12. Разработаны к экспериментально исследованы высокочувствительные многоканальные волоконно-оптические интерферометры с го-
■ лог]>афйческой регистрацией сигналов гармонической $11 спекл~неод-нородных световых пучков и адаптивной фильтрацией низкочастотных фазовых помех."
13. Экспериментально реализован адаптивный голографическкй -ен- " герферометр для регистрации субмикронных: ступенчатых смещений объектов с „пороговой чувствительностью 5 X.
14. Теоретически и гкспериментально изучены волоконно-оптические интерферометры для безопоркой регистрации сигналов поляризационной и фазовой модуляции спенл-неодаородаых световых пучков
с помощью нелкнейннх пространствонных фильтров на основе фото-;:Т)о;.шкх стекол к фотоиедуцированибго рассеяния в кристаллах SBN-.Ce. .
ПУБЛИКАЦИИ ПО TSMS ДОСЕРВДКИ
1. Князьков A.B., Коневников U.U., Кузьтноь B.C., Полозков Н.М., Сайкин A.C., Соргущэнно С,Л. Влияние электрического поля на динамическую запись голограш в кристалле ниобата бария-стронция, легированного церием. - Письма в КТФ, -1983, т.9, вып.7, с.399-401.
2. Князьков A.B., Кожевников H.H., Кузьш;;ов ¡O.G., Куликов 3.3., Полозков H.W., Сергущенко-С.А. Влияние электрического поля на дифракционную эффективность голограми в кристаллах ниобата бария-стронция, легированных церием. - kW, IS64, т.54, вып.7,
с.1379-1381.
3. Князьков A.B., Кожевников Н.М., Кузьмине» íJ.C., Полозков H,;,¡., Сайкин A.C., Сергуценко С.А. 3>юргооб;.:ен ^азомодулироъакннх пучков з динамической голографии. - LTQ, I9S4, т.54, выл.9,
с.1737-1741.
4. Барменков И.О., Кожевников Н.Г.1., Сергуценко С.А. Экспериментальное определение величины рассогласования светоиндуцлрован-кой решетки и интерференционной картины в кристалле НБС-Се. -Письма в лТФ, 1935, т.II, вып.II, C.S49-652.
5. Барменков Ю.О., Зосимов В.В., Кожевников K.M., Дяшев Л.М., Сергущэкко O.A. ГолограЛическая вибрсыетркя в реальном времени v с применением кристаллов ниобата бария-стронция. - Тез.дом.
17 Всесоюз.симп. по физике акусто-гидродаиамич.явлений я опто-акустике. - Ашхабад, АН ТССР, 1985, с.17.
G. Ьарчецков D.O., Зосимов В.В., Кожевников Н.М., Лялшев Я.М., . Сергущенко O.A. Применение бактериородопсима для.регистрации • падых ультразвуковых колебаний методами динамической гологра- ' фаИо - Письма в ЕТ<5» IS85, т.12, вып.5, с.281-284.
7. Барменков 0.0., Зосшов В„В., Кожевников Н.М., Лямиев Я.М., Соргущелко O.A. Исследование малых ультразвуковых колебаний' методами динамической голографии. - ДАН СССР, сер. Физика, IS8S, т.290, й 5, с. 1095-1098. .-■
í'. Бармонков Ю.О., Зосимов B.B«, Кожевников Н.М., Котов 0.1Í.; Лямгазв Л.1,1., Николаев В.М. регистрация сигнала фазовой модуляции волоконкогодтического интерферометра с помощью динамической голограммы в бахтериородонсшш. - Акустический журнал, IS87, т.33, вш'.З,-с.568-569. .
9. Аб,гглаев К.Г., Бармэнков Ю.О., Зайцев C.iJ., Зосимов В.Б.. Зубов В.П., Кожевников U.M., Лшовская Ы.Ю., йямшев JL.M. "¿оторе-фрактивная чувствительность полимерных пленок, содержащих бак-тарисродопсин. - 1ТФ, 1983, т.58, вал.4, C.833-83G.
10. Барменков Ю.С., Зосшов Б.З., Коховнчксв d.M., Лиловская tv.S., Лямшев Л.?«. Толографическая фильтрация низкочастотных помех в бпходяом сигнале измерительного интер]/ерометра. - Оптика и спектроскопия, 1988s T.G4, вып.6, с.1339-1343.
П. Барменков Ю.О. Кожевников U.U., Липовская М.Ю. Измерение параметров фоторефрактивннх сред для записи динамических голограмм,- Оптика и спектроскопия, 1983, т.64, вш.1, с.225-228.
12. Кожевников K.M. Деполяризация излучения в анизотропных одно:,:с-довнх волоконных световода:?. - Оптика к спектроскопия, 1083, t.G4, вып.З, с.666-670.
13. Абдулаев Н.Г., Барменков Ю.О., Зайцев С.¡3., Зосимов В.Б., Зубов В.П., КохевнЕКОБ Н.Ы., Лдашав JL.M., Новикова "<1.Б. Гологра-сртчвское устройство для регистрации вибрации в роюше реального времени. - A.c. J5 1473563(15.12.1988), приоритет 29.12.1935.
14. Барменков Ю.О., Кожевников Н.М., Липовская М.Ю., Липовский A.A. Взаимодействие фазоыодулированнях световых пучков.в пленарных волноводах с фоторефрактившаш покрытиями. - Тез.докл.I Бсесо-пз.конф. по оптич.обр.информации, Ленинград, 1938, с.119.
15. Барменкоз D.O., Зосшов Б.В., Кожевников Н.М., Липовская М.Ю., Ляьшев Л.М. Многоканальный волоконно-оптический приемник .с го~ лографичэской демодуляцией ультразвуковых сигналов. - Тез. докл. У "Всесоюз.конф."Волоконно-оптические системы передачи", Москва. 1388.
16. Барменков ¡D.O., Баловолов М.И., Кожевников U.M., Кузнецов А.Е., Липовская M.D., Молотков В.И., Потапов Е.И., Садовский. М. Д. Многоканальный телеметрический комплекс на основа волоконно-оптяческой линии связи. - Изв.вузов ССР,' сер. Приборостроение, IS88, Я 4. С.74-77.
ТУ. Гуравич Л.Ы., Кожевников H.a., Липовская М.Ю., Молотков Б.И., Потапов. Е.И. Многоканальная волоконно-оптическая линия связи для породачЕ частотно-модулированных сигналов. - Тез.докл. У ■ Всесоэз.конф."Волоконно-оптические системы передачи", Москва, . 1988. •
18. Кожевников K.M., ¿¡идовская U.U., Молотков З.'Л., Потапов Е.И.,
Пучлова А.И. '.люгокапалычй дислогопый золоконно-опткческиг. комплекс. - Радиотехника, 1990, .V' 3, с.71-74.
19. Бармекков Ю.О., Кожевников K.M. Линамические гмшшгудко-^Ьазо-быо решетки в бактериородопсина. - Письма в ET'S, 1990, т. 16, вып.I, с.С5-6Э.
20. Голяш А.Г., Кожевников Б.!Л., Котов O.K., парусов O.A., Филиппов В.Н. Регистрация сигнала поляризационной модулядаи в мно-гомодоеых световодах. - Оптика и спектроскопия, 1990, т.68, вш,1„ с.185-189.
21. Kofchevnikov 1ч .Ы., LipovBkaya M.Yu. Adaptive holographic fiberoptic interferoneter. - Proc.3PlE, 1990, v.II2I, p.293-297.
22. Кожевников H.PJ. Применение методов динамической годогра^ди в когерентных оптических приемниках. - Тэз.докл. I Всесозз.кокф. "Физические проблемы оптической связи", Севастополь, IS90,
с.99.
23. tap:.i0HK0F Д.О., Кс::х-ешкоб H.Ü. Адаптивный голограХитескп« интерферометр для измерения ступенчатцх суб:/икронннх смешений.-Письма в 1Ж>, 1991, т.17, вып.2, с.32-35.
24. Kozhsvnikov Й.Ы. Dynamic holographic nicrophaacmatry. -Proo.SPIK, 1991, v.1507.
25. isarmenkov Yu.O., Kozhevnikov It.M., Lipcvskaya ü.'iu. Holographic recording in photorefractive media containing bacterio-rhodopsin. - Proc.spie, 1Э9Г, y.I507.
25. Baraeakov Yu.t)., Xosh8vnikov И.И., bipovskaya М.Уи. Adaptive . fibsy-optical interferometers with dynamic holograms s,a beamsplitters . - Proc.ISP0C9I, Leningrad, 1991,v.l.,p.294-299.
27. Koshevnikov A.M., Barnenkov Уи.0. Dynamic holography applicablen in fiber-optical intsrferoaetry.-Proc.3PIE,1991,v.1584.
28. Еартанков Ю.О., Кожевников ,Н.Ы. Насщенкз фстоотклзпса прп голограф ческой ааяиса в бгасуоряородопслнэ. - ЕТФ, 1991, т.Gl, вш.7, с.116-120.
29. Барт'енков Ю.О., Кожевников Н.М. Запись богущх голограмм в суспензиях, содэрзалзк бактериоротдапсш. -НГ<5,.1931, т.61, вш.7, с.121-125. ■
30. Бармонков D.O., Коровников Н.М< Влияние сильной низкочастотной помехи на чувствительность адаптивного'голографзчоского интерферометра. - Письма в КТэ, 1991, т. 17, вьл.14-, с.¿2-27.
31. Кгтавнзков H.M. АдалТйшьа'-когерентные приемники на основе анизотропных голограмм-в• кубических кристаллах. - Тез.докл. Всесоюз.сшп. "Физические принципы и методы оптической обработки иифорлацли", Гродно,-I991, с.47.
32. Барменков Ю.О.,-Кожевников K.M. Осцилляции «нтенсивностеи невырожденных по частоте "пучков при записи амплитудно-фазовых динамических голограмм.■--Тез.докл.Всесоюз.симп."Физические принципы-и методы оптической обработки информации", Гро)то, 1931, с.46.
33. Абдулаев H.T.j Бармеаков И.О., Кожевников Н.М. Динамические Ы-гологравдлы е бактериородопскне, записанные фазомодулнрован-нами пучками. --'Письма в Ж>, 1991, т.17, вып.18, с.5-10.
Подписано к печати 2.2.». 9.1. Заказ.54е- • ■ :'•
Тирах 100 экз.
Бесплатно
Отпечатано на ротапринта ЛГТУ 1952-51 Санкт-Петербург, Политехническая ул. ,29
