ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО РУБИНОВОГО ЛАЗЕРА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДВУХЭКСПОЗИЦИОННЫХ ГОЛОГРАММ
А.Будзиак (ПНР)
В течение последних нескольких лет было опубликовано ряд работ по исследованию фазовых объектов методом двойной экспозиции. В этих работах для регистрации голоураим были попользованы импульсные рубиновые лазеры (ИРЛ) с гигантским импульсом. В последние годы разработаны и построены приборы для исследования быстро протекающих процессов. В них использовались в качестве источника сваета ИРЛ с гигантским импульсом. Примером может служить лазер ОГМ-20 и работа Ю.И.Филенко /1/, а также
установка американской фирмы Apollo Lasers, inc., под названием Apollo's 22НО Holographic Lasers. Эти установки благодаря кратковременности импульса порядка нескольких наносекунд могут быть использованы для исследования быстроменяющихся фазовых объектов. Но существует ряд фазовых объектов, которые не нуждаются в таких коротких временах экспозиции, а времени экспозиции порядка миллисекунды для них вполне достаточно. Для исследования такого рода объектов можно использовать ИРЛ, работающий в режиме свободной генерации. Такой лазер отличается простотой конструкций и при этом дает пучок света с энергией порядка нескольких джоуль. Большая энергия лазберного пучка имеет значение для исследования деформации поверхности непрозрачных тел или больших фазовых обмктов.
Существуют, однако, факторы, препятствующие применению импульсного рубинового лазера, работающего в режиме свободной генерации, для исследования фазовых объектов методом двойной экспозиции. Они связаны неоднородностью светового пучка ИРЛ и длиной когеренции.
Сейчас попробую показать, как мне удалось уотрвиать эти трудности в моих работах в Физическом институте Ягеллонского университета в Кракове.
Однородность пучка ИРЛ
Непосредственное влияние на однородность пучка ИРЛ имеет однородность рубинового стержня, применяемого в лазере. Поэтому, прежде всего, надо провести отбор рубиновых стержней по оптической однородности.
Для этой цели можно применить методы обычной интерферометрии и исследовать градиент коэффициента преломления вдоль стержня /2/. Полученные интерферограммы дают информацию об однородности стержня. Стервенъ более однородный дает меньшее количество интерференционных полос, чем менее однородный. В случае наших работ определение однородности и исследование оптических элементов было проведено в Центральной Оптической лаборатории в Варшаве С.Дашкевичем и Т.Стефаняком.
Затем, уже в Институте физики ЯУ, проводились исследования стержней по отношению к работе в динамическом режиме. Для этой цели применялась двухпучковая система регистрации голограмм пучка ИРЛ. В процессе реконструкции волнового фронта по голограшге можно было наблюдать поперечное сечение пучка рубинового лазера. Для реконструкции применялся Не-
Ne лазер. На рис.1а и 1в приводятся примеры интерференционных изображений, соответствующих разным стержням /2/ На рис.2а, 2в показаны соответствующие им поперечные сечения пучков, генерируемых лазером. Изображения поперечного сечения пучков дают возможность определить применимость данного стержня для получения однородного пучка. Стержень, генерирующий пучок света с малым количеством "пятен" (2а), более однороден оптически (принимая во внимание то же распределение хрома в рубине), по сравнению со стержнем (1в), генерирующим пучок с большим количеством "пятен" в поперечном сечеиии (2в).
Для "очистки" пучка с "пятен" и получения однородного светового пучка можно заставить работать только однородную часть стержня. Здесь применяется два приема:
1) ставится соответствующая диафрагма внутри лазерного резонатора;
2) примейяется резонатор, в состав которого входит одно сферическое веркало с большим радиусом кривизны (в нашем случае
R = 2М) и одно плоское зеркало.
Рис.1. Неоднородность рубиновых стержней, полученная методом обычной интерферометрии.
Рис.2. Поперечное сечение лазерного пучка рубиновых стержней, неоднородность которых представлена на рис.1.
Подбор соответствующего резонатора в диаметра диафрагмы определяется оптической однородностью стержня, применяемого для получения генерации. Операция "очистки" пучка от "пятев" путем использования для генерации только однородной части стержня влияет отрицательно на энергию светового пучка. Благодаря уменьшению рабочего объема рубинового стержня энергия пучка падает даже на порядок. Такое обстоятельство наблюдалось для очень неоднородных стержней. Итак, в случае стержня с неоднородностью, изображенной
на рис.1в для получения однородного пучка приходилось создавать резонатор с плоским и сферическим зеркалами и добавлять диафрагму внутрь резонатора, при этом энергия пучка уменьшалась примерно в 10 раз. Для более однородных стержней потери энергии были гораздо меньшими. Для стержня с однородностью, приведенной на рис.1а (рубин с малым количеством интерференционных полос) потери энергии, обусловленные введением диафрагмы, составляет около 10%. Однородный пучок был получен также при использовании резонатора с плоскими зеркалами без диафрагмы. Однако, это возможно лишь в случае, когда рубиновый стержень дает не более 4 интерференционных полос. При этом расстояние между зеркалами надо было увеличивать от 40 до 80 см, в зависимости от однородности стержня. В работе В.В.Анциферова и др. /3/ приводится, что для получения ТЕМ
ooq мода применялась диафрагма диаметром D = 1,3 мм при расстоянии L≥150 см. Думаю, что такой резкий режим генерации был вызван большой неоднородностью использованного ими рубинового стержня. Расстояние между зеркалами резонатора влияет на диаметр генерированного пучка. Эта зависимость усиливается тем более для менее однородных рубиновых стержней. На рис.3а,в,с показан зарегистрированный на расстоянии 2 м от выходной стороны стержня пучок, причем, расстояния между зеркалами были, соответственно: 35 см, 55 см и 80 см.
Использованный стержень имел длину 100 мм и диаметр 8 мм и давал 12 интерференционных полос.
Рис.3. Диаметр лазерного пучка в зависимости от расстояния между зеркалами резонатора, а=
35 см; в=55 см; с=30 см.
В случае стеряжей с 3-4 интерференционными полосами обнаружена слабая зависимость диаметра пучка от расстояния между зеркалами резонатора.
Длина когеренции
Другим ограничивающим фактором является малая длина когерентности. Я имел возможность обсудить эту тему на III Школе по голографии. Тогда я напоминал, что разность оптических путей интерферирующих пучков ИРЛ составляла 1,5 м. Дальнейшие эксперименты дали вовможность определить, что такую длину когерентности можно получить, работая вблизи порога возбуждения. Длину когерентности можно также увеличить путем введения в резонатор плоской стеклянной пластинки. В упомянутой уже работе /3/ авторы привели данные по влиянию фильтра на селекцию продольных мод и подробно описали полученные результаты.
В наших экспериментах обнаружено, что после введения в резонатор стеклянной пластинки (рис.4) даже при энергиях накачки в два раза выше пороговой энергии длина когерентности (~ 1,5 м) не менялась.
Рис.4. Оптическая схема импульсного рубинового лазера:
z1 - плоское или сферическое зеркало с радиусом кривизны r = 2 м; прозрачность Т = 0%; D- диафрагма; R- рубин; Р - стеклянная пластинка; z2 - плоское зеркало с прозрачностью Т = 30%.
Для регистрации голограмм применялась типичная двухпучковая система, причем, на пути предметного пучка ставилось матовое стекло (рис.5).
Рис.5. Схема установки для исследования фазовых объектов:
L - ИРЛ; z1, z2 - зеркала; S1, S2 - линзы; М - матовое стекло; О - фазовый объект; К - фотографическая пластинка.
На рис.6 для примера приведены две иитерферограммы, полученные с голограмм путем реконструкции волнового фронта. Представляют они распределение плотности в дуге с железными электродами (рис.6а) их дуге с угольными электродами (рис.6в). Из-за нестабильности горения дуги осевая симметрия поля здесь не сохраняется. По этой причине в опытах регистрировались две голограммы так, ко предметные пучки направлялись через плазму в разных направлениях /4/.
Численные расчеты распределения температуры на основе полученных интерферограмм дают не вполне согласующиеся результаты.
На рис.7 показано вычисленное на основе одной из интерферограмм распределение температуры в плазме дугового разряда о силой тока 3А в зависимости от расстояния от оси электродов.
Проводилось также исследование распределения плотности для стабилизированной стенками дуги в зависимости от расстояний стенок, стабилизирующих канал дугового разряда. Эти эксперименты проводились совместно с К.Габла из Института физики Я. университета, которая разработала систему стабилизации дуги. Полученные ре-
Рис.6. Распределение плотности в плазме нестабилизированной дуги:
а - велезные электроды;
б - угольные электроды.
зультаты приводятся на рис.8а,в,с. Плазма стабилизированной дуги обладает аксиальной симметрией, так что для вычисления температура можно применить метод Шардина, что дает возможность значительно упростить расчеты при обработке данных.
На основе проведенных экспериментов удалось показать применимость ИРЛ, работающий в режиме свободной генерации, для исследования фазовых объектов методом двойной экспозиции.
Исследования неоднородности стержней, а также "пятен" в лазер-
Рис.8. Распределение плотности в плазме стабилизированной дуги в зависимости от расстояния стабилизирующих пластинок (а - 4мм, в - 8мм c -12мм).
Ном мпучке обусловили возможность выбора из целой серии рубиновых стержней польского производства тех экземпляров, которые позволяют так подобрать параметры резонатора, чтобы получаемые лазерные пучки обладали минимальными потерями энергии и были оптически однородными
Л и т е р а т у р а
Ю.И.Филенко. Оптика и спектр., 33, 596 (1972).
А.Будзиак, С.Дашкевич. Акта физ.полон., А38, 805 (1970).
В.В.Анциферов, В.С.Пивцов, В.Д.Урожаев, К.Г.Фолин. "Оптика и спектр.", 32,1159 (1972).
А.Будзиак, Акта физ.полон., А39, 249 (1971).
