Успехи голографии самым тесным образом были связаны с достижениями в области создания новых регистрирующих сред. Наиболее ярко эта связь проявилась в динамической голографии, успешное развитие которой послужило основой разработки принципиально новых методов преобразования и обработки световых полей в реальном времени. В конце 60-х годов в динамической голографии появилось новое перспективное направление - резонансная голография /1-3/, в которой используется существенное повышение нелинейности среды при приближении частоты записывающего излучения к центрам линий резонансных переходов.

Процесс записи резонансной голограммы из возбужденных состояния (РГ) заключается в образовании решеток разности населенностей под действием резонансных фотонов записывающего излучения. Светочувствительная среда, в которой производится запись РГ, должна обладать, по крайней мере, двумя уровнями энергии, между которыми разрешены оптические переходы (рис.1). Под действием записывающего излучения интенсивности I_зап(,t) разность населенностей уровней 1 и 2 – Δn₁₂ = n₁ – n₂ будет промодулирована в пространстве в соответствии с распределением I_зап(,t):

где - разность населенностей при отсутствии излучения; I_s - интенсивность насыщения перехода. Выражение (1) справедливо, если характерные времена изменения интенсивности I_зап больше времени релаксации возбуждения τ с уровня 2. Поскольку для разрешенных переходов (в зависимости от типа светочувствительной среды) время τ ~ 10^-8-10^-11 с, РГ будет с высоким быстродействием отслеживать распределение поля I_зап(,t). Чувствительность резонансной среды к записи РГ определяется значением интенсивности насыщения I_s для выбранного оптического перехода. При использовании переходов с I_s ~ 10 мВт/см² и τ ~ 10^-8 с следует ожидать экспозиционной чувствительности ε ~ 10 Дж/cм², которая на несколько порядков превышает чувствительность лучших галоидосеребряных фотоэмульсий. Сочетание высокой чувствительности с большим быстродействием - одно из наиболее существенных свойств резонансных голограмм.

Для считывающего излучения частоты ω комплексный коэффициент поглощения среды α(,t) будет промодулирован в соответствии с распределением Δn₁₂(,t) /4/:

где с - скорость света; μ₁₂ - дипольный момент перехода; γ₁₂ - спектральная ширина перехода. Мнимая часть (2) определяет модуляций коэффициента поглощения, действительная - модуляцию показателя преломления среды. Из (2) видно, что для считывающего излучения с частотой ω=ω₁₂ РГ будет амплитудной, а при ω-ω₁₂>>γ₁₂ - фазовой. Дифракция записывающих волн или специальным образом сформированной считывающей волны на РГ позволяет восстановить информацию в исходном или преобразованием состоянии. Резонансный характер взаимодействия излучения со средой определяет высокую спектральную селективность среды ~γ₁₂, как к записи, так и к считыванию РГ. Наибольшая чувствительность среды к записи РГ достигается при точней настройке частоты записывающего излучения на центр перехода.

Несомненный интерес представляет двухчастотная резонансная голограмма в трехуровневой квантовой среде /5/. В этом случае запись резонансной голограммы производится излучением, резонансным с одним переходом, а считывание - излучением, резонансным с другим переходом, который имеет общий уровень с первым. На рис.2 показаны некоторые из возможных схем реализации двухчастотной РГ в трехуровневых квантовых средах. Записывающее излучение I_зап(,t), резонансное с переходом ω₁, приводит к модуляции пространственного распределения частиц среды на уровнях 1 и 2 в соответствии с распределением I_зап(,t). Тогда для считывающего излучения I_счит, резонансного с другим переходом среды, коэффициент поглощения или показатель преломления также будет промодулирован в соответствии с распределением I_зап(,t). Дифракция считывающего излучения восстановит исходную информацию предметной волны записывающего

излучения уже на другой частоте – ω₂. Если выбрать такую среду, в которой запись двухчастотной РГ производится в ИК, УФ или рентгеновском спектральном диапазоне, а считывание - в видимом, метод двухчастотной резонансной голографии дает возможность визуализации волновых фронтов из указанных выше областей спектра.

ω₁ - частота записывающего излучения.

ω₂ - частота считывающего излучения,

Е_i - энергия i-го уровня, - разрешенные переходы.

При записи РГ в среде, где переходы ω₁ и ω₂ являются дипольно разрешенными, а уровень энергии 3 - метастабильным со временами жизни τ₃, много большим времен спонтанной релаксации уровня энергии 2 – τ₂₁ и τ₂₃ (рис.2в), возможно решений задач увеличения времени памяти РГ с сохранением таких ее уникальных свойств, как высокой чувствительности и быстродействия. Записывающее излучение – ω₁, резонансное с переходам 1→2, создает пространственное распределение возбужденных состояний на уровне 2, которое со временем спонтанной релаксации τ₂₃ переведется на уровень 3, в значит, и информация может храниться в течение времени τ₃, которое для метастабильных уровней состав-

Эксперименты по исследованию свойств резонансных голограмм проводились с использованием различных сред в газообразном (пары и пучки атомов /5-17/) или конденсированном /18-22/ состояниях. Наибольшая чувствительность была достигнута в атомарных газовых средах. В качестве примеров, демонстрирующих метод резонансной голографии, рассмотрим эксперименты, проведенные с парами и пучками атомов натрия, где запись РГ проводилась с использованием импульсного или непрерывного излучения на переходах D₁ и D₂ атомов натрия. Низкие значения интенсивности насыщения этих переходов позволяли использовать для записи РГ непрерывное излучение лазеров на красителях с интенсивностью I~10÷50 ìВт/см². В работах /15,17,23/ было показано, что максимальная энергетическая чувствительность достигается в центре линии поглощения при оптической толщине среды κl~1,1. Оценки предельной чувствительности РГ для D линий атомов натрия при дифракционной эффективности η~1% дали значения ε=10^-10÷10^-9 Дж/см² /23/, что и было реализовано в работе /17/ при записи тонкой РГ в пучке атомов натрия на переходе 3Р_3/2 – 3s_1/2 (F=2), где была экспериментально достигнута чувствительность ε~10^-9 Дж/см² с η=1%. В работе /14/ показано, что для увеличения дифракционной эффективности РГ необходим переход к записи-считыванию фазовых голограмм, где η~30% достигается при экспозиционной чувствительности 5∙10^-6 Дж/см². Высокая спектральная селективность РГ (Δν~10 МГц) была продемонстрирована в /9,10/ где отмечалась возможность использована метода резонансной голографии для создания узкополосных оптических фильтров и для проведения спектроскопии высокого разрешения с регистрацией сигнала на фоне "нулевой" засветки.

При использовании газовых сред существенным является вопрос о пространственной разрешающей способности РГ. Тепловое движение частиц приводит к ограничению максимально возможной пространственной частоты записи резонансной голограммы - f.

Так, при характерных скоростях движения атомов v ~ 10⁵ см/с и временах релаксации возбуждения τ ~ 10^-8 с максимально возможная пространственная частота записи f_макс <(2vτ)^-1 ~ 50 мм^-1. Для увеличения f в /13/ были использованы такие способы, как введение буферного газа, повышение интенсивности записывающего излучения, что позволило достичь f ~ 200 мм^-1.

В работах /5,15-17/ для уменьшения влияния теплового движения частиц среды были использованы пучки атомов натрия. Эксперименты проводились на установке, блок-схема которой приведена на рис.3.

Для записи РГ использовался лазер CP-699-21 на красителе R6G с накачкой 6 Вт излучения ионно-аргонового лазера SP-171 (λ=514,5 нм). Спектральная ширина линейно поляризованного излучения лазера CP-699-21 не превышала 1 МГц. Излучение лазера направлялось через телескоп (1) и ослабитель (2) на делитель (3), в котором формировались две плоские волны Р₁ и Р₂, идущие под небольшим углом φ (~ 10^-3 рад) друг к другу в горизонтальной плоскости. Это излучение создавало решетку возбужденных состояний оси атомов натрия (4), пучок которых был направлен вдоль вертикальной оси. Картина дифракции наблюдалась на экра-

не (6), расположенном в фокусе оптической системы (5). Для измерения мощностей излучения, прошедшего через пучок атомов и рассеянного в первые порядки дифракции, на месте экрана размещались фотоприемники. Эксперименты проводились при плотностях атомов натрия в диапазоне от 10⁹ до 10¹² см^-3 при давлении остаточного газа в вакуумном объеме < 10^-3 Па. Для реализации двухчастотной резонансной голограммы считывающее излучение было получено с помощью второго непрерывного лазера Ср-490 на красителе родамин 6Ж, который накачивался излучением второго ионно-аргонового лазера P-171 (10 Вт во всех линиях). Излучение этого лазера на красителе имело спектральную ширину ~ 50 МГц. Экспериментально была получена двухчастотная резонансная голограмма, соответствующая рис.2б /5/. Запись РГ производилась на переходе 3Р_3/2-3S_1/2 (Г=2) атомов натрия. Плотность паров натрия была выбрана такой, что записывающее излучение ослаблялось в 3 раза. Интенсивность записывающего излучения I_зап ~ 20 мВт/см², период дифракционной голографической решетки равнялся 0,5 мм, толщина пучка атомов в направлении лазерных лучей l=5 мм. Частота излучения считывающего лазера медленно перестраивалась около перехода 3S_1/2(P=2)→3P_1/2 атомов натрия. В тот момент, когда она совпадала с частотой перехода 3S_1/2(P=2)→3P_1/2, наблюдалась дифракция считывающего луча на решетке, созданной записывающими лучами в пучке атомов. Интенсивность считывающего излучения равнялась 10 мВт/см². Таким образом, в этом эксперименте впервые была продемонстрирована высокочувствительная двухчастотная резонансная голограмма в трехуровневой квантовой среде.

В работе /15/ была реализована РГ на переходе D₁ пучка атомов натрия, где при возбуждении любой компоненты сверхтонкой структуры (СТC) перехода будет происходить оптическая накачка компонент СТС состояния 3S_1/2 (Г). Оптическая схема эксперимента показана на рис.4.

Излучение лазера CP-699-21, перестраиваемое вблизи частоты перехода D₁ натрия, делилось на две плоские волны накачки P₁, Р₂, одна из которых отражалась плоским зеркалом - (7) и образовывала встречную волну P₃. Излучение волны Р₃ и дифраги-

рованной волны Р₄ с помощью кварцевой пластинки - (5) отводились на фотоприемники. Угол схождения волн накачки P₁ и Р₂ составлял φ~3∙10^-3 рад, соотношение мощностей Р₂/P₁=2, суммарная интенсивность в области рассеяния I~50 мВт/см². Пучок атомов имел широкое угловое раскрытие, приводящее к доплеровскому уширению перехода ~ 1 ГГц.

Рис.4. Оптическая схема эксперимента /15/.

На рис.5 представлены экспериментальные зависимости мощности волны Р₄ от частоты излучения лазера - ω. Появление волны Р₄ наблюдалось в спектрально узких диапазонах (~30 МГц по полувысоте) при совпадении частоты лазера с частотами компонент СТС перехода D₁-ω_i, ω_j. Кроме этого, рассеяние происходило на других частотах - ω_ij, определяемых выражением ω_ij=(ω_i+ω_j). Рассеяние волны Р₄ на частотах ω_ij при i≠j происходило только при широком угловом раскрытии пучка атомов. В таком неколлимированном пучке для атомов, имеющих проекции скорости на направление распространения волн накачки, равную с (с - скорость света), при частоте лазера ω=(ω_i+ω_j) излучение накачки будет резонансно с переходом ω_i, а встречная волна Р₃ - резонансна с переходом ω_j. То есть в системе отсчета, движущейся сo скоростью v, рассеяние волны Р₄ на частотах ω_ij при i≠j может быть рассмотрено как процесс записи и считывания двухчастотной резонансной голограммы /5/.

ной голограммы в условиях оптической накачки компонент СТС уровня 3S_1/2 атомов натрия излучением непрерывного лазера и установлено, что оптическая накачка приводит к появлению рассеяния на дополнительных частотах ω_ij. Особого внимания заслуживаем дифракция на частотах ω₁₃, ω₁₄=ω₂₃, и ω₂₄, где для волны Р₃ поглощении среды увеличивается. Это означает, что голограмма

возбужденных состояний, написанная, например, на переходе 3Р_1/2 (F=1) – 3S_1/2 (Г=2) за счет процесса спонтанной релаксации со временем τ ~ 10 с переводится на компоненту 3S_1/2 (F=1) CТC уровня 3S_1/2, а затем встречной волной Р₃, резонансной уже с переходом 3Р_1/2 (Г=1) - 3S_1/2(F=1), считывается. Поскольку время взаимной передачи возбуждения состояний 3S_1/2 (F=1) и 3S_1/2 (F=2) очень большое: информация на уровне 3S_1/2 (F=1) может храниться долго. Для экспериментальной проверки возможности создания такой резонансной голограммы в работе /16/ процессы записи и считывания РГ были разнесены на время, значительно превышающее время спонтанной релаксации возбуждения уровня 3S_1/2. Временная сдвижка была осуществлена с помощью пространственного разнесения записывающего и считывающего лазерных пучков на расстояние h>>vτ~10^-3 см вдоль направления движения частиц в пучке атомов натрия. Эксперименты проводились на установке, оптическая схема которой показана на рис.6.

Р1 и Р2 -записывающее излучение, Р₃-считывающее излучение, 1-диафрагма с отверстиями Æ = 8 мм, разнесенными на h=10мм; 2-пучок атомов натрия; 3-линза с фокусным расстоянием 2 м; 4-экран, расположенный в фокусе линзы 3.

С помощью зеркал излучение лазера CP-699-21 делилось на две записывающие волны P₁ и Р₂ одинаковой мощности, идущие под небольшим углом α~6∙10^-4 рад друг к другу и на считывающую волну P₃. Волны Р₁, Р₂ и Р₃ лежали в горизонтальной плоскости ху и распространялись перпендикулярно пучку атомов натрия. Волна Р₃, идущая по биссектрисе угла α, была отнесена от записывающих волн по вертикали на расстояние h=10 мм. Записывающее излучение создавало решетку возбужденных состояний с периодом Λ=λ/2sin~1 мм. Суммарная мощность записывающих волн оставляла 16 мВт, мощность считывающей волны равнялась 2,4 мВт. Поперечные сечения волн Р₁, Р₂ и Р₃ были одинаковыми и равнялись ~0.36 см². Плотность паров атомов в пучке была такой, что прошедшие через пучок записывающие и считывающие излучения ослаблялись до 14 мВт и 1,5 мВт, соответственно, то есть оптическая толщина пучка атомов равнялась для записывающего излучения 0,13 и для считывающего 0,4. При ука-

занных выше параметрах пучка атомов натрия и лазерного излучения на экране (4) была зарегистрирована дифракция считывающего излучения. На рис.7а приведена фотография дифракционного разложения волны P₃. Перекрывание всех или одного из лучей Р₁, P₂ приводило к исчезновению дифракции считывающего излучения - рис.7б. Продемонстрированное экспериментально время памяти

равно t~1,7∙10^-5 с, что на три порядка превышает время спонтанной релаксации возбуждения с уровня 3Р_1/2, которое равно 1,6∙10^-8 с.

Резонансные голограммы, реализованные в работах /5,15-17/ подтверждают возможность использования их для спектрального преобразования световых полей в реальном времени, для проведения спектроскопии высокого разрешения и в условиях процесса оптической накачки, а также возможность создания высокочувствительной РГ с временем памяти, равным времени релаксации метастабильного состояния.

Поиск и исследование новых сред является важной и актуальной проблемой в области резонансной голографии. Этой проблеме были посвящены также работы /18-22/, где в качестве светочувствительной среды использовались растворы красителей. Красители позволяют осуществлять запись РГ в широком диапазоне интенсивностей (10^-1÷10⁹ Вт/см²), длительностей (от непрерывного до десятков фемтосекунд) и спектральном диапазоне от ближней ИК до ближней УФ-области спектра. Быстродействие РГ в красителе составляет 10^-8-10^-11 с. Для растворов красителей, так же как и для газовых сред, характерно удобство эксплуатации, простота в управлении параметрами среды (оптической плотности, толщины и др.). Использование усиливающих красителей позволяет заметно повысить чувствительность среды к записывающему излучению, которая может достигать 10^-8 Дж/см² при 100 % обращении предметной волны /20/.

4. Бломберген H. Нелинейная спектроскопия, Мир, М., 1979.

7. Liso P.F., Bloom D.M., Eсonоmos. Appl.Phys.Letts, 1973, 32, 813.

8. Heer C.V., Griffen N.С. Ort.Letts, 1979, 4, 239.

13. Королев А.Е., Назаров В.Н., Стаселько Д.И. ЖТФ, т.58, 1985, с.111.

18. Nеlsоn K.A., Cosalegno R., Miller R.J.D., Fayer M.D. J.Chem.Phys., 1982, 77, 1144.