С целью получения плоских голограмм в нескольких длинах воли сразу ранее был предпринят ряд исследований. Одна из возможностей - ахроматические схемы /1-4/ (с использованием специфических свойств дифракционных решеток /1-3/ или других диспергирующих оптических элементов /4/, в которых несущие пространственные частоты излучения разных длин волн на голограмме одинаковы). Однако, позволяя использовать при записи голограмм широкий спектр, схемы данного типа не позволяют восстановить информацию о спектральном составе освещающей волны, а дают лишь интегральную по спектру информацию. Другой известный метод - запись плоских голограмм при совещании объекта несколькими квазимонохроматическими компонентами излучения по обычной внеосевой схеме и получение информации о частотах при восстановлении в одной длине волны за счет дисперсии голограмм /5/. Но в этом методе происходит падение дифракционной эффективности голограммы с ростом числа используемых для записи длин волн (падение дифракционной эффективности наблюдается и при получении объемных цветных голограмм). В работе /6/ предложен способ получения голограмм в фокальной плоскости спектрального прибора с помощью источника сплошного спектра. Этот метод пригоден для голографирования одномерных амплитудных объектов.

2. Идея предлагаемого метода полихроматической голографии

Предлагается метод получения голограмм, когда объект освещается сразу большой совокупностью квазимонохроматических волн. При этом оказывается возможным сохранить на плоской голограмме информацию о пространственном распределении амплитуд и фаз предметного пучка сразу во всех спектральных компонентах излучения (причем с сохранением такой же дифракционной эффективности, как и при записи голограммы в одной длине волны). Идея предлагаемого метода состоит в том, чтобы записать голограмму-спектр, в которой излучение различных длин волн пространственно разделено и каждая квазимонохроматическая составляющая спектра образует отдельную голограмму на своем участке, так что положение малой голограммы в спектре несет информацию о частоте, а её внутренняя интерференционная структура - о пространственном распределении амплитуд и фаз,предметной волны. Существенными отличиями голограммы-спектра от обычного спектра является наличие высокой пространственной несущей частоты в структуре линий, позволяющей реализовать преимущества внеосевой голографической схемы, а также то, что излучение каждой длины волны регистрируется не в виде узкой линии, а в виде достаточно широкой полосы, чтобы иметь возможность исследовать объемные объекты. Для получения информации в каждой длине волны по отдельности достаточно, чтобы голограммы, образованные разными длинами волн, не перекрывались в спектре (этого легко достичь, используя линейчатый спектр излучения с небольшой спектральной полушириной линий). Предлагаемый метод осуществлен с помощью внеосевой схемы получения голограмм, в которой как предметный, так и опорный пучки дополнительно пропускают через диспергирующую оптическую систему, производящую пространственное разделение излучения различных длин волн.

3. Источники света для полихроматической голографии

В данной работе для получения полихроматических голограмм использовался источник света с охлаждаемым полым катодом. Выбор источника такого типа обусловлен тем, что полый катод излучает богатый линейчатый спектр в широком диапазоне длин волн и может служить источником излучения большей части элементов таблицы Менделеева (как газов, так и металлов), в том числе и одновременно нескольких. Ширина спектральных линий такого источника составляет сотые доли ангстрема, и соответствующая длина когерентности квазимонохроматических составляющих спектра достигает десятков сантиметров, что обеспечивает невысокие требования к выравниванию оптических длин путей интерферирующих пучков. Основным недостатком источников света этого типа является их сравнительно невысокая яркость и ограниченная пространственная когерентность излучения. Однако, проведенные нами измерения этих характеристик излучения разряда в полом катоде показали, что они могут быть достаточны для ряда голографических целей. В некоторых экспериментах, экспозиция пленки Изопанхром-18, например, составляла при получении голограмм 1 мин. при размере области когерентности световой волны 0,3 мм (область когерентности здесь - геометрическое место точек волнового фронта, степень взаимной когерентности в которых ³ 0,7).

4. Запись и восстановление голограымы-спектра

Как отмечалось выше, источник света с полым катодом обладает ограниченной пространственной когерентностью излучения, поэтому в данной работе для получения опорного и предметного пучков применялось амплитудное деление волны и схема голографии сфокусированных изображений, которая, как известно, обладает наименьшими требованиями к пространственной когерентности излучения (см. рис.1) /3/. Однако и в этой схеме при голографировании трехмерных объектов ограниченная пространственная когерентность влияет на глубину голографируемой сцены и приводит к падению разрешения по объекту с ростом расстояния от голограммы до плоскости изображения

Рис.1. Схема установки.для внеосевой полихроматической голографии в частично-когерентном свете. S - источник света. СD - светоделитель, Л₁,Л₂,Л₃ - линзы, З - зеркала, Sp – спектрограф, Г - голограмма, 0-объект.

соответствующих точек объекта. При получении полихроматических голограмм в плоскости, где волновые фронты предметного и опорного пучков совмещены (при квазимонохроматическом освещении здесь обычно расположена голограмма), помещали входную щель диспергирующей оптической системы. При использовании в качестве такой системы спектрографа в выходной плоскости его образуется разложенное в спектр изображение входной щели, которое и образует голограмму. В общем случае когерентность излучения при прохождении оптической системы может изменяться. Однако известно /7/, что при отсутствии аберраций степень пространственной когерентности в любых двух точках выходного зрачка оптической системы равна степени когерентности в сопряженных точках входного зрачка. Поэтому, если осветить спектрограф так, чтобы его входным зрачком

являлась входная щель, то в выходной плоскости степень пространственной когерентности квазимонохроматических компонент излучения сохранится такой же, как и на входе. При этом основная задача полихроматической голографии сводится к получению необходимых (по когерентности и яркости) параметров излучения .на входной щели спектрографа и разумного его освещения (при освещении параллельным пучком, например, последнее требование означает ограничение спектра пространственных частот голографируемого объекта за счет конечной входной апертуры спектрографа)/8/. Предметный и опорный пучки целесообразно расположить в плоскости, перпендикулярной направлений дисперсии спектрографа. При этом восстановленные одновременно в разных длинах волн изображения разделены по вертикали от недифрагировавшего излучения сразу для всего спектра.

Для получения полихроматических голограмм разумно использовать такое излучение, спектральная ширина линий которого не разрешается спектрографом. В этом случае немонохроматичность излучения не оказывается на качестве голограммы, и при анализе её передаточной функции практически не требуется учитывать немонохроыа-тичность излучения, что является преимуществом в сравнении с ахроматическими схемами /1,2/. Применение результатов анализа, проведенного в /9/ для голографии сфокусированных изображений, к схеме полихроматической голографии дополнительно требует, чтобы область когерентности на входной щели спектрографа разрешалась им на выходе.

Современные спектрографы и чувствительные фотопластинки имеют пространственное разрешение » 10 мм^-1, что позволяет получать полихроматические голограмш при размерах области пространственной когерентности на входной щели ³ 10^-2 мм. Для правильной передачи полихроматической голограммой. информации о спектральном составе излучения в широкой области спектра необходимо также учитывать изменение характеристик фотоматериала с длиной волны.

5. Экспериментальная установка и результаты

Схема получения полихроматических голограмм представлена на рис.1. Источником S служил специально разработанный полый

катод (длиной 50 см с расположенным на оси анодом), обеспечивающий необходимые когерентность и интенсивность излучения в области расположения объекта О. Система зеркал З₁, З₂, 3₃ обеспечивает совмещение амплитудным делением предметного и опорного пучков на входной щели D спектрографа Sр (использовался автоколлимационный спектрограф с решеткой 600 штр/мм и с линейной дисперсией в 1 порядке.0,8 нм/мм). Голограммы Г регистрировались на пленке Изопанхром-18 в свете линий неона, наполняющего полый катод в области спектра 585-668 нм. Фотография типичной голограммы-спектра приведена на рис.2. Видно, что в используемой области длин волн получалось 19 непереложенных голограмм размером 3х15 мм.

Рис.2. Фотография голограммы-спектра.

Хотя, как видно из рис.2, линии спектра имеют разную интенсивность, это в некоторых пределах не приводит к искажению информации о спектральном составе предметной волны при восстановлении голограммы, так как сохраняется отношение интенсивностей предметного и опорного пучков для разных длин волн, от которого зависит дифракционная эффективность голограммы и яркость восстановленного с нее изображения. Вид увеличенного участка голограммы с несущей пространственной частотой » 40 мм^-1, полученной по схеме рис.1 в отсутствии объекта, представлен на рис.3а. Интерференционные полосы несущей частоты расположены вдоль спектра, что обеспечивает возможность разделения восстановленных изображений на всех линиях одновременно. В некоторых экспериментах парад входной щелью спектрографа устанавливалась антивиньетирующая линза Л₃, позволяющая использовать более высокие входные щели спектрографа /8/. Объектами голографирования служили две штриховые миры, разнесенные

Рис.3. Увеличенный участок голограммы, полученной а) без объекта, б) с объектом.

и спектром полого катода (при возвращении голограммы в фокальную плоскость спектрографа). На рис. 4 представлен вид голограммы при l = 585,2 нм (а) и восстановленные с нее изображения мир при последовательной фокусировке на каждую из них (б,в). Этот рисунок . демонстрирует возможность восстановления с голограммы-спектра информации об объемности объекта. На рис. 5 показано отношение яркости восстановленного с полихроматической голограммы изображения стеклянного фильтра КС-11 к яркости предметного пучка в отсутствии фильтра в зависимости от длины волны и известный график спектрального пропускания такого фильтра. Результаты этого эксперимента подтверждают правильность передачи полихроматической

Рис.4. Линия-голограмма (а) и восстановленные с ней изображения при фокусировке. в) на верхнюю миру, в) на нижнюю миру.

Рис.5. Зависимость относительной яркости изображений стеклянного фильтра от длины волны.

——— - известная кривая спектрального пропускания фильтра КС-11.

Применение полихроматической голографии может оказаться полезным для резонансной голографической диагностики газов и плазмы с целью повышения чувствительности. Например, можно просвечивать плазму, содержащую один из изотопов элемента, светом другого изотопа, тем самым приближаясь к области максимальной рефракции. Следует отметить возможность голографирования многокомпонентной плазмы в нескольких длинах волн одновременно и, согласно /11/, при этом раздельно изучать отдельные компоненты этой плазмы (в том числе принадлежащие различным элементам или их различным возбужденным состояниям). Метод может быть применен для исследования

Авторы выражают глубокую благодарность В.О.Некучаеву за помощь в работе.

3. Н.Г.Власов, С.Н.Смирнов, А.Е.Штанько, В сб. "Передача информации и ее обработка" под ред. Н.Н.Евтихиева, стр.83, М., 1976.

7. М.Борн. Э.Вольф. Основы оптики, Наука, М., 1973.

8. В.К.Прокофьев. Фотографические методы количественного спектрального анализа металлов и сплавов. М.Л. изд. ГИТТЛ, 1951.

9. Н.Г.Власов, А.Н.Гордеев, Н.П.Пресняков, А.Е.Штанько. Материалы IX Всесоюзной школы по голографии, стр.96, ЛИЯФ, Л., 1977.

10. И.А.Дерюгин, В.Н.Курашов, Д.В.Поданчук, Ю.В.Хорошков. В сб. "Проблемы голографии", вып.2, стр. 227, М., 1973.

11. Ю.И.Островский. Авторское свидетельство № 268732, 1961. Бюлл. изобр. № 14, 1970.