Применение мощных импульсных рубиновых лазеров для целей голографии представляет большой интерес прежде всего в связи с возможностью исследования быстро протекающих процессов. Как известно, рубиновые лазеры с модулированной добротностью излучают очень короткие импульсы света длительностью 10^-9-10^-7 сек. Это позволяет производить голографирование объектов, движущихся со скоростями порядка 1000 м/сек.

Оценку допустимых перемещений объекта за время экспозиции удобно провести на примере точечного объекта, освещаемого параллельным пучком света (рис.1). Величина перемещения предмета d , которая приводит к сдвигу фазы рассеянного света в какой-нибудь точке Q на голограмме на величину 2p , даётся выражением (при d <<R)

где q - угол между направлением перемещения объекта и направлением освещающего луча, a - угол, характеризующий направление рассеянного света.

В случае, например, если предмет перемещается перпендикулярно освещающему лучу, то q = и .

Если время экспозиции, определяемое длительностью импульса, равно D t, то допустимые скорости предмета не должны превышать величины

При длительности импульса D t~10^-9 сек получим v_пред.~1000 м/сек. Экспериментально исследовался, например, полет пули, летящей со скоростью 550 м/сек /1/.

импульсные голограммы диффузно рассеивающих объектов /2/. Эта плёнка позволяет получать голограммы при расстояниях до объекта в несколько метров, однако разрешение её составляет всего около 270 лин/мм, что позволяет работать при углах схождения сигнального и опорного лучей, не превышающих 10°.

Как уже указывалось, значительные трудности при использовании рубиновых лазеров в голографии связаны с их недостаточной когерентностью. По сравнению с гелий-неоновыми газовыми лазерами импульсные рубиновые лазеры генерирует в обычных условиях на значительно большем числе собственных типов колебаний (поперечных и продольных), что значительно ухудшает пространственную и временную когерентность излучения. Структура луча при этом приобретает изрезанную форму, а спектр излучения расширяется. Для обычных рубиновых лазеров ширина спектра имеет порядок 10¹⁰ гц, что соответствует длине временной когерентности в несколько сантиметров. Такого же порядка оказывается и глубина голографического изображения.

Следует отметить, что получение голограмм с такими низкокогерентными рубиновыми лазерами в принципе возможно и экспериментально были получены импульсные голограммы удовлетворительного качества. При этом были использованы оптические схемы, в которых обеспечивается так называемое временное и пространственное согласование сигнального и опорного лучей /1/. Согласование достигается тем, что опорный и сигнальный лучи, которые получены от одного и того же источника, проходят путь одной и той же длины, причём соответствующие области опорного и сигнального пучков попадают на одни и те же участки фотопластинки. При этом сигнальная и опорная волны когерентны друг с другом на пластинке и образуют стационарную интерференционную картину, которая и фиксируется в виде голограммы. Этот принцип реализуется, например, в приведённой на рис.2 простой схеме, которая пригодна для работы в проходящем свете. В этой схеме пространственное согласование сигнального и опорного лучей достигается за счёт использования равного увеличения этих лучей и одинакового числа их отражений, в результате чего относительная структура обоих пучков сохраняется неизменной.

На практике используют также и более сложные схемы. Хотя такие схемы позволяют получить в ряде случаев импульсные голограммы удовлетворительного качества, тем не менее радикальный способ совершенствования импульсной голографии связан с созданием одномодовых рубиновых лазеров, генерирующих на одном продольном и одном поперечной типах колебаний резонатора. В связи с этим вопросы создания одномодовых рубиновых лазеров мы рассмотрим более подробно.

Рассмотрим вначале методы селекции продольных типов колебаний. Как известно, различные продольные типы колебаний оптического резонатора имеют одну и ту же структуру поля, но различные собственные частоты (рис.5). Частотный интервал между продольными модами равен , где L - оптическая длина резонатора, С - скорость света. В связи с этим селекцию продольных мод можно осуществить только с помощью оптических элементов, чувствительных к длине волны излучения. Если, например, в качестве зеркал резонатора использовать отражатели, коэффициент отражения которых зависит от частоты, то очевидно, что генерация будет осуществляться на тех собственных частотах, для которых коэффициент отражения максимален. В качестве такого отражателя обычно

используют одну или две плоскопараллельные кварцевые пластины (рис.4). Коэффициент отражения плоскопараллельной пластины, как известно, зависит от частоты по гармоническому закону, причём частотный интервал между максимумами коэффициента страдания составляет , где d - толщина пластины (рис.5). Применение таких пластин (одной или двух) обычно оказывается достаточным для выделения одного продольного типа колебаний.

Значительно сложнее решается задача селекции поперечных типов колебаний. Различные поперечные типы колебаний различаются между собой прежде всего распределением поля внутри резонатора. Типы колебаний более низкого порядка, грубо говоря, имеют меньшее сечение луча в резонаторе, чем типы колебаний высокого порядка. Поэтому представляется естественный осуществлять селекцию поперечных колебаний с помощью диафрагмы, помещаемой внутри резонатора (рис.5). Очевидно, что такая диафрагма будет вносить для основного типа колебаний меньшие потери, чем для колебаний более высокого порядка, и, таким образом, последние будут подавляться. Такой метод часто используется, например, в газовых лазерах. Однако в случае рубиновых лазеров использование диафрагм оказывается малоэффективным. Удовлетворительную

Рис.4.

селекцию поперечных колебаний удаётся осуществить лишь при очень малых размерах диафрагмы, что приводит к очень большим потерям энергии излучения. Существуют и другие схемы селекции поперечных мод, являющиеся развитием этого принципа, однако они также оказываются малоэффективными.

Рассмотрим оптический резонатор, образованный двумя сферическими зеркалами с радиусами кривизны R₁ и R₂ (рис.6). Оказывается, что такой резонатор устойчиво работает, т.е. имеет собственные колебания с достаточно высокой добротностью, если длина резонатора L удовлетворяет следующим соотношениям: L<R₁ или R₂<L<R₁+R₂.

В областях R₁<L<R₂ и L>R₁+R₂ резко возрастают дифракционные потери (рис.7). При этом для колебаний более низких порядков потери возрастают медленнее, чем для колебаний высоких порядков. Таким образом, на границе области устойчивости резонатор становится селективным. Изменяя длину резонатора в небольших пределах вблизи границы области устойчивости, можно добиться генерации на одном низшем поперечной типе колебаний.

Следует отметить, что метод селекции колебаний, основанный на использовании неустойчивых резонаторов, применяется и для создания одномодовых газовых лазеров, для которых он был впервые предложен /3/. Однако в случае импульсных рубиновых лазеров трудности реализации одномодового режима значительно возрастают. Это связано с тем, что свойства резонатора импульсного лазера в течение импульса накачки непрерывно меняются, а какая-либо его подстройка в процессе излучения практически исключена. Кроме того, в рубиновых лазерах дифракционные потери, определяющие селекцию колебаний в рассматриваемом методе, не являются определяющими. Они составляют обычно лишь небольшую часть от общих потерь резонатора.

помещается затвор, который по окончании импульса накачки быстро открывается, что приводит к резкому возрастанию добротности и выполнению условий генерации. Не вдаваясь в детали, мы здесь лишь отметим, что использование пассивных затворов, которые открываются под действием начинающегося лазерного изучения, способствует селекции колебаний. Пассивный затвор как бы усиливает или подчёркивает селективные свойства резонатора. При этом различия добротностей отдельных мод резонатора могут быть сравнительно небольшими (менее 1%).

Практически наиболее эффективной схемой одномодового рубинового лазера оказалась схема с конфигурацией оптического резонатора, близкой к полуконцентрической /4/ (рис.8). В таком резонаторе одно из зеркал сферическое, а второе - плоское, причём расстояние между зеркалами, т.е. длина резонатора, приблизительно равно радиусу кривизны сферического зеркала R. В качестве плоского зеркала обычно используется плоскопараллельная кварцевая пластина, что обеспечивает, как уже указывалось, и селекцию продольных типов колебаний.

Для иллюстрации можно привести следующие типичные параметры одномодового рубинового лазера с полуконцентрическим резонатором: при длине резонатора 30-40 см мощность излучения составляет 2¸ 25 Мгвт, длительности импульса 10^-8 сек (выходная энергия 0,02 дж). Эти параметры относятся к одночастотному режиму

Сравнительно низкая энергия излучения такого генератора связана с тем, что в полуконцентрическом резонаторе используется лишь небольшая часть объёма активной среды, поскольку диаметр рубинового кристалла значительно превышает поперечные размеры луча. С точки зрения повышения энергии излучения привлекательны резонаторы образованные выпуклым и вогнутым зеркалами (рис.9). Если зеркала расположены таким образом, что их центры совпадают, т.е. расстояния между зеркалами L» R₁-R₂, то селективные свойства такого резонатора оказываются примерно такими же, как и в случае полуконцентрического резонатора. Энергия излучения генератора с выпукло-вогнутым резонатором примерно в 3-4 раза выше энергии излучения генератора с полуконцентрическим резонатором (до 0,1 дж). Недостатком такой схемы является сильная критичность в отношении качества рубинового кристалла (одномодовый режим реализуется только при использовании рубинов с высокой оптической однородностью /5/.

и форма импульса для одномодового генератора с полуконцентрическим резонатором. Как видим, этот лазер излучает чистые поперечные типы колебаний, а исследование спектральных и временных характеристик излучения показывает, что излучается также и одна продольная мода. С помощью интерферометра Майкельсона была исследована временная когерентность излучения. При этом оказалось, что излучение когерентно в пределах всей длительности импульса (~8 нсек).

Таким образом, использование одномодового рубинового лазера позволяет производить голографирование достаточно глубоких сцен (с глубиной порядка 1-2 м).

Особый интерес представляет использование рубиновых лазеров для голографической интерферометрии /1,5,7/. В этом методе в течение короткого промежутка времени осуществляется двухкратная экспозиция исследуемого объекта. При этом необходимо, чтобы оптический генератор излучал два последовательных коротких импульса, разделенных небольшим временным интервалом. Рубиновые лазеры с пассивными затворами, например, легко позволяют осуществлять генерацию двух мощных импульсов, следующих друг за другом через 10^-5-10^-4 сек. Ещё более короткие интервалы между импульсами (менее 10^-6 сек) можно получить в генераторах, работающих в режиме медленного включения добротности.