Media-security

ФАЗОВАЯ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКАЯ МАТРИЦА В ГОЛОГРАФИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

С.П.Еркович, Е.Г.Матинян, Ю.Ю.Хрущев

В работе рассматриваются возможности исследования скоростей гидродинамических потоков путем компенсации фазовых набегов за счет линейного электрооптического аффекта. Проверка работоспособности метода осуществлена по двухлучевой голографической схеме в непрерывном излучении с использованием монокристалла дигидрофосфата аммония в опорном пучке. Исследовались линейные скорости, лежащие в интервале от 0,01 мкм/с до 0,5 мкм/с.

Голографическая регистрация пространственных ансамблей движущихся частил является сложной задачей с точки зрения получения голографических изображений, поскольку для ее решения необходимо обеспечить предельную разрешающую способность и контраст восстановленного изображения на большой глубине поля зрения. Как показали Д.И.Стаселько и В.А.Косниковский /1/, при восстановлении изображения ансамбля частиц возникает интенсивный фон, создаваемый расфокусированными частицами и состоящий из пятен, интенсивность которых меняется от точки к точке случайным образом. Средний размер этих пятен имеет примерно ту же величину, что и размер самих частиц. Это обстоятельство сильно затрудняет отделение изображения частицы от зернистого шума. С такого рода трудностями мы встретились при попытке зарегистрировать распределение скоростей ансамбля частиц, взвешенных в жидкости, протекавшей в канале сложной конфигурации.

Несколько путей преодоления ограничений, связанных с .рассеянием света в ансамбле частиц, предложил Д.И.Стаселько /2/. Среди них наиболее простой способ состоит в ограничении диаметра

- 220 -

пучка, просвечивающего ансамбль на стадии записи. Другая возможность заключается в записи частиц на отражение при помощи излучения с ограниченной длиной когерентности, причем нулевая разность хода подбирается по отношению к интересующему сечению ансамбля. В обоях этих методах ограничение числа частиц, дающих вклад в фон, достигается за счет сокращения регистрируемого объема ансамбля.

Свободный от этого недостатка метод преодоления ограничений, связанных с рассеянием света в ансамбле частиц, был предложен Ю.Н.Денисюком, Д.И.Стаселько и В.П.Мининой /3/. Этот метод известен как метод поворота волнового фронта. Волна, освещающая поток частиц, поворачивается во время экспонирования на угол a так, чтобы теневые проекции движущейся частицы в начальном и конечном положениях совпали. Условие компенсации фазовых набегов строго выполняется лишь для частиц, движущихся с определенными скоростями и находящихся на соответствующих расстояниях от голограммы. Изображения остальных частиц оказываются размытыми и менее яркими, что приводит к уменьшению их вклада в фон. Необходимая скорость поворота волнового фронта достигается за счет отражения луча от вращающегося зеркала.

Хотя этот метод и дает возможность зарегистрировать пространственное распределение скоростей в потоке, однако его применение ограничено из-за резкой избирательности по отношению к скоростям.

В связи с этим мы попытались исследовать поле скоростей гидродинамических потоков путем компенсации фазовых набегов за счет линейного электрооптического эффекта. С этой целью опорная волна пропускается через решетку электрооптических кристаллов таким образом, чтобы на каждый участок голограммы попадал опорный пучок, прошедший только через один из электрооптических элементов. Напряжение, подаваемое на электрооптические элементы, изменяется во время экспонирования по линейному закону, причем скорость нарастания напряжения различна для каждого элемента. Это дает возможность зарегистрировать на одном, отдельно взятом, участке голограммы объемное распределение частиц с определенным фиксированным набегом фаз,

- 221 -

который компенсируется данным электрооптическим элементом, а на голограмме в целом - семейство таких распределений. Такой метод одновременной регистрации на голограмме множества пространственных распределений фиксированных набегов фаз позволил исследовать поля скоростей в неоднородном потоке жидкости.

Остановимся кратко на ориентации электрооптического кристалла. Задача оптимальной ориентации кубических кристаллов классов симметрии 43m, 23, 432 для амплитудной модуляции света рассмотрена в /4/, где показано, что максимальный поперечный электрооптический эффект будет иметь место при условии, когда модулирующее поле перпендикулярно плоскости [110], а направление распространения света перпендикулярно плоскости [110], для чего плоскость среза должна проходить через оси Х и У под углом 45° к оси. В этом случае фазовый сдвиг будет определяться выражением:

где n - показатель преломления кристалла; l - длина волны света; r₄₁ - электрооптический коэффициент; ℓ - длина пути луча в кристалле; d - толщина кристалла вдоль поля; u - разность потенциалов.

Это решение остается в силе и для нашего случая фазовой модуляции.

Проверку работоспособности метода мы осуществили на продольном электрооптическом эффекте с монокристаллом дигидрофосфата аммония в излучении непрерывного Не-ne лазера. Для этой цели был взят z-срез кристалла толщиной 10 мм. Электрический вектор падающей волны ориентировался вдоль, главной диэлектрической оси х', т.е. оси, повернутой на p /4 относительно кристаллографической оси x. в плоскости z-среза. Для увеличения сдвига фаз луч проходил через кристалл дважды. Объектом служила плоскопараллельная стеклянная пластинка, на которую были нанесены непрозрачные частицы размером около 20 мкм. Пластинка устанавливалась перпендикулярно лучу и поворачивалась электродвигателем с редуктором так, что перемещение частиц происходило вдоль луча с линейными скоростями, лежащими в

- 222 -

интервале от 0,01 мкм/с до 0,5 мкм/с. За время экспонирования набег фаз составлял для частиц, ледащих на периферии пластинки, около 2p , а для частиц вблизи оси вращения - около 4·10^-2p. За это же время линейно нарастающее напряжение на кристалле достигало полуволнового значения. Восстановленные голограммой изображения частиц на периферии пластинки не уступали по качеству изображениям, полученным с неподвижной пластинкой. По мере перехода к оси вращения изображения частиц становились все более размытыми и постепенно терялись в шумах. Матрица же из трех электрооптических элементов позволила в одном опыте зарегистрировать весь ансамбль частиц. При этом для регистрации частиц, находящихся вблизи оси вращения пластинки, опорная волна пропускалась через пустую ячейку матрицы.

Литература

1. Д.И.Стаселько, В.А.Косниковский. Оптика и спектроскопия, т.34, стр.365, 1973.

2. Д.И.Стаселько. Особенности голографической регистрации быстропротекающих процессов при использовании импульсного лазера на рубине. В кн. "Оптическая голография". Л., "Наука", стр.4-70, 1975.

3. Ю.Н.Денисюк, Д.И.Стаселько, В.П.Минина. Оптико-механическая промышленность, № 11, стр.73, 1968.

4. С.П.Еркович, Ю.В.Писаревский, Г.А.Трегубов, Ф.С.Агешин. Оптимальная ориентация кубических кристаллов для модуляции света на эффекте Покельса. Труды учебных институтов связи, № 23, стр.103-105, 1964.