Эхо-голография /1,2/ - перспективная область резонансной динамической голографии, реализующаяся в условиях, когда моменты воздействия на среду объектной и референтной волн разнесены во времени на интервалы, меньшие характеристических времен необратимых релаксаций. При записи и считывании таких голограмм используется то обстоятельство, что при определенных условиях сигналы первичного и стимулированного светового (фотонного) эха имеют волновые фронты, совпадающие или обращенные волновому фронту неинтенсивного объектного сигнала /З/, В режиме долгоживущего стимулированного светового эха /4/ считывание эхо-голограммы может осуществляться через десятки минут после записи.

изображения будет совпадать с частотой записи, и поэтому такие эхо-голограммы одноцветны. Возникает вопрос: можно ли сделать эхо-голограмму цветной? Частично ответ на этот вопрос получен в работе /5/, но в ней остались без внимания особенности записи таких голограмм в газах. Однако именно в газах (в парах атомарного иттербия) был реализован первый эксперимент в области эхо-голографии /6/. Возможность широкого варьирования свойств газовой среды, несложное получение смесей газов с заданными характеристиками, высокие температуры, при которых производится запись, - вот далеко не все преимущества газов как записывающих сред в эхо-голографии.

На рис.1 специально изображены варианты возбуждения только стимулированных эхо-голограмм, так как именно для них удается избавиться от жестких условий пространственного синхронизма /З/. Напомним, что при теоретическом описании эхо-голограмм электрическое поле объектной волны (как правило - второе набор сигналов) разлагается по плоским (сферическим) волнам /1,2/. Каждая n компонента этого разложения характеризуется волновым вектором . Очевидно, в условиях неискаженной записи эта компонента должна воспроизводиться в стимулированном эхо-отклике - . Первый и третий наборы возбуждающих сигналов являются плоскими волнами, характеризуемыми, соответственно, волновыми векторами и . Тогда для каждой n - компоненты разложения условие пространственного синхронизма записывается как

Рис.1. Различные варианты записи м считывания цветных стимулированных эхо-голограмм СЭГ : а - многоуровневый режим; б -многокомпонентный режим. I, II, III – соответственно, первый, второй и третий набор возбуждающих импульсных сигналов, из которых второй - объектный. 1, 2, 3, 4 - энергетические уровни. В режиме "б" уровни 2, 2', 2" принадлежат различным компонентам смеси газов.

которое при приобретает вид:

то есть в случаедостигается обращенный режим распространения восстановленного эхо-изображения в газе, не зависящий от направленийи. Волновой фронт этой стимулированной эхо-голограммы будет совпадать с волновым фронтом импульса объектной волны.

Воздействие объектного и референтного импульсов на резонансную среду вызывает появление в ней динамических "решеток" неравновесной поляризации и населенностей. Третий импульс, участвуя в создании этих "решеток", дифрагирует на них /7/. Однако, существует различие в "решетках", полученных в условиях непрерывного (длинно-импульсного) и короткоимпульсного резонансных возбуждений. В непрерывном режиме записи каждая из частиц переходит из основного состоянияв возбужденное состояниев соответствии с пространственными фазами (,где-радиус-вектор местоположения j-ой частицы) участвующих в записи волн. Поэтому в среде будет существовать "решетка" (пространственное распределение) возбужденных частиц, на которой дифрагирует считывающий луч. Движение частиц необратимо разрушает эту "решетку" и, соответственно, голограмму. Иная ситуация имеет место при короткоимпульсной записи эхо-голограммы. В этом случае каждая из частиц переходит не в верхнее стационарное состояние , а в суперпозиционное нестационарное состояние ,где │а₁│² и │а₂│² определяют вероятность найти оптический электрон, соответственно, в нижнем и верхнем состояниях. Форма оболочки этого неспаренного электрона каждой из частиц газа под действием коротких импульсов оказывается деформированной, причем это искажение несет на себе "печать" воздействия всех трех импульсов в соответствии с их фазами. Неравновесная населенность после первой пары импульсов, существованию которой обязана стимулированная эхо-голограмма, для каждой из частиц означает - какая часть неспаренной электронной плотности распределена в основном и возбужденном состояниях. И куда бы ни перемещались частицы в интервалах между импульсами,

эту "печать" (в течение времен необратимых релаксаций) они несут на себе. Остановимся на физике процесса записи одной цветовой компоненты в газе более подробно. Для этого обратимся к рис.2. При трехимпульсном режиме записи эхо-голограммы на газовую среду сначала воздействует в направлении широкополосный

референтный сигнал с плоским (сферическим) волновым фронтом. Он способен возбудить в суперпозиционное состояние все частицы, движущиеся в различных направлениях. Затем в момент времени на газ воздействует объектная волна. Рассмотрим некоторый элементарный объем газа ΔV, местоположение которого в кювете характеризуется радиус-вектором . Допустим, что в этом объеме находится частиц. Пусть на эти частицы воздействует монохроматическая световая волна со сложным волновым фронтом. Электрическое поле такой волны можно разложить в ряд по плоским волнам:

где Е_2n, w и - амплитуда, частота и волновой вектор n-ой плоской волны. Теперь необходимо вспомнить, что представляет собой неоднородно-уширенная спектральная линия в газе. Неоднородное уширение в газе обязано эффекту Допплера. Для j-ой движущейся частицы частота поглощения излучения света равна , где W₀ — частота энергетического перехода неподвижной частицы, С - скорость света, - скорость j-ой частицы, - единичный вектор, характеризующий выделенное направление. При заданных температуре и давлении максимум распределения скоростей будет соответствовать некоторой средней скорости частиц . В итоге, частотное распределение частиц будет определяться максвелловским распределение по скоростям, то есть будет гауссовым. Если на подсистему частиц газа, заключенных в элементарном объеме ΔV воздействует совокупность плоских волн одной и той же частоты W=W₀, но с разными волновыми векторами , то каждая из них будет резонансно взаимодействовать только с теми из частиц газа, которые имеют соответствующее значение проекции скорости в направлении . И только в этом случае они будут соответствовать одному и тому же спектральному участку линии, что принципиально, поскольку возбуждение монохроматично. В итоге каждая из плоских волн пространственного разложения поля объектной волны "пометила" свой поток частиц газа. Это означает, что каждая из них возбудила

частицы своего потока в суперпозиционное состояние в соответствии со своей амплитудой . Итак, в каждом элементарном объеме, из-за чего вместо привычной "решетки" населенностей возникает динамическое распределение спекл-потоков частиц газа. Из-за движения частиц это распределение меняется. Пусть к моменту времени τ+Т частицы "разбежались" в разные стороны. Дальнейшее обсуждение аналогично тому, что приведено в монографии Аллена и Эберли /8/ при обсуждении физики фотонного эха в газах. Пусть в момент времени τ+Т в направлении воздействует третий (считывающий) импульс, спектр которого "накрывает" спектр неоднородно уширенной линии. Рассмотрим взаимодействие такого импульса с потоком частиц, переместившихся за время Т в направлении на некоторое расстояние . Эта группа частиц начнет процесс формирования эха на время позже, чем те же частицы, будь они неподвижными, а затем они на то же время позже испустят свой эхо-сигнал. У других потоков, из-за наличия угла между и , другой оказывается частота перехода. Она была одинаковой для направлений , совпадающих с направлениями газовых потоков, но оказывается разной по отношению к выделенному направлению . Однако спектры референтной и считывающей волн широкополосны и соответствующая мода у электрического поля импульса всегда найдется. Временной интервал между вторым и третьим импульсами должен быть короче времени продольной релаксации Т₁, которое в режиме долгоживущего фотонного эха можно существенно удлинить, если есть третий метастабильный сверхтонкий уровень и если заставить частицы газа перемещаться по замкнутому циклу.

2. Shtyrkov E.I., Somartsev V.K. Phys. Stat. Sol. 1978, V.45, №2, p.647-655.

3. Маныкин Э.A., Самарцев B.B. Оптическая эхо-спектроскопия. M., Наука. 1984. с.270.

6. Carlson N.W., etc. Optics Letters, 1983, v.8, №12, p.623-625.

7. Duppel K., Wiersma D.A. Y. Opt. Soc. Amer. 1986, V3B, №4, p.614-621.