ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ интегральной ГОЛОГРАФИИ

Д.И.Мировицкий

Изложены вопросы возникновения и развития основных направлений в интегральной голографии, характеризуемой применением для канализации оптических сигналов микроволноводов различного типа. Рассматриваются основные свойства подобной аппаратуры и описываются новые возможности, которые удается реализовать при переходе от объемных оптических элементов к плоским. Отмечаются особенности, связанные с передачей сигналов по микроволноводам, аналогичной до некоторой степени случаю их пропускания через диффузно-рассеивающие устройства и приводящие к появлению эффектов, свойственных голографии интенсивности.

Полученные в последние два-три года данные о сохранении когерентности лазерного излучения после его прохождения через световод длиной до 2-х м, о высоком качестве интерферограмм, полученных с применением световодов даже при вибрациях лазера, а также сведения об эффективной работе сложных световодных схем явились причиной возникновения пристального внимания к возможностям использования в голографии световодов и волоконной оптики.

Отдельные частные их применения в голографии, например, для передачи волнового поля излучения от объекта по волоконной детали /1/, для получения голограмм с помощью линий поверхностных волн /2/, для введения опорного и предметного сигналов через отрезки световодов /3/ не решали общей задачи. Голографические приборы и установки по-прежнему содержали систему зеркал, линз, светоделителей и др. Типичная схема /4/ для голографирования предмета, размещенного внутри камеры, представлена на рис.1, где 1 - лазер, 2 - светоделитель, 3 - волоконные оптические световоды, 4 - голограмма, 5 - плоское зеркало, 6 - линзы, 7 - голографируемый предмет.

Рис.1,

Повышение помехозащищенности голографической аппаратуры, ее устойчивости к влиянию среды, обеспечение работоспособности в нестационарных условиях — все это стало возможным достигнуть лишь путем комплексного применения волноводных методов канализации и управления сигналами, а также функциональных узлов микроволноводной, интегральной и волоконной оптики.

В голографической схемотехнике были использованы линии передачи на микроволноводах для простых и сложных сигналов, на волоконной оптике и самофокусирующих волноводах. Многоэлементные волноводные излучатели (сужающие и расширяющие световой пучок) обеспечили варьирование размеров голограммы. Оказалось возможным получать микроголограммы или, наоборот, увеличивать изображение предмета. Введение в схему многоканальных синфазных локальных волноводных разветвителей позволило осуществить голографирование объектов одновременно с несколькими световыми пучками.

Интегрально-голографические приборы оказались малочувствительными к вибрациям и внешним воздействиям, просты в изготовлении и существенно дешевле, чем классические голографические устройства.

Конструктивно-технологические решения в интегральной голографии имеют много общего с реализацией радиотехнических высокочастотных схем в микроэлектронике, осуществляемой навесным, печатный и модульным монтажем на микроволноводах и на тонких пленках. Поэтому голографические схемы состоят из малого числа элементов и весьма компактны. Так, двухлучевые содержат лишь направленный двухканальный разветвитель на гибких диэлектрических микроволноводах, оканчивающихся микроизлучателями опорного и предметного пучков. Все это привело к снижению общих габаритов и веса голографической аппаратуры на несколько порядков по сравнению с промышленно-выпускаемыми интерференционными столами и голографическими стендами /5/.

Быстрое развитие полупроводниковой лазерной техники приводит к замене современных громоздких ОКГ на миниатюрные, с достаточной пространственной и временной когерентностями. Это открывает перспективу создания унифицированных интегрально-голографических миниатюрных установок автономного действия для массового применения в самых различных отраслях народного хозяйства.

В настоящее время реализованы методами навесного монтажа приборы для получения голограмм: рефлекторных - на рассеяние и рефракторных - на просвет (в том числе двухпозиционных), скрытых и заэкранированных предметов (визуализирующих внутренние стенки полостей, в том числе биологических), многопозиционных, обеспечивающих объемное видение предметов под различными ракурсами, вплоть до их кругового обзора. Принципиально новой является возможность однозначного разделения данных по перемещению объекта и по его деформации, например, путем фиксации на объекте выходного участка гибкого волновода. Перспективны также интегрально-голографические устройства для корреляционной обработки, Фурье-преобразования сложных функций в для оптической фильтрации..

голографического объекта или транспаранта.

Рис.2.

Дальнейшее улучшение эксплуатационных характеристик прибора может быть достигнуто применением многомодовых развилок, обеспечивающих взаимодействие опорного и предметного световых пучков и их передачу непосредственно к плоскости регистрирующей среды. Это позволяет полностью исключить распространение световых пучков в свободном пространстве и тем самым существенно повысить надежность работы устройства.

Портативное мякроволноводное устройство контроля голограмм,

получаемых в интегрально-голографических установках, предназначено для восстановления изображений с интегральных голограмм и их количественного исследования /7/. Световой сигнал поступает от лазера через гибкий микроволновод (со штепсельным разъемом) на излучатель, облучающий голограмму под углом, обеспечивающим восстановление изображения. Светонепроницаемый кожух позволяет работать в незатемненных помещениях.

На рис.3 показана функциональная схема прибора. Переключение излучателей позволяет исследовать как рефлекторные, так и рефракторные голограммы, которые закрепляются в рамке, имеющей плавные продольные перемещения в горизонтальной плоскости и угловое относительно своей вертикальной оси. Этим создается удобство различных манипуляций с голограммой, например, переход от восстановления изображения с голограммы к исследованию ее микроструктуры. Наблюдение производится через сменный объектив, позволяющий фиксировать глаз наблюдателя в плоскости восстанавливаемого изображения. Количественный контроль интегральных голограмм осуществляется посредством фотоприемного устройства или фотоаппарата, устанавливаемых на выходе объектива. При просмотре серий голограмм одного объекта применяются различные модификации рамки, обеспечивающие их механическую протяжку. При правильном выборе скорости протяжки у наблюдателя создается впечатление движения восстанавливаемого объекта.

Рис.3.

Найденные схемотехнические решения позволяют реализовать фрагментарно-голографический синтез объемных изображений несуществующих объектов. Способом пространственного интерференционного сложения изображений возможно представить математическую функцию или какой-либо физический предмет (например, находящийся еще в процессе

изготовления), не создавая его целостной материальной модели. Это обеспечивает принципиальное решение проблемы создания изображений сложных тел и их систем из составных элементов и частей с сохранением эффекта интерференционного взаимодействия между элементами. Могут быть реконструированы правильные изображения сложного объекта также и в случае использования его составных элементов, выполненных в разном масштабе и заголографированных в разное время. Фрагментарные голограммы располагают в пространстве друг относительно друга в том порядке, который обеспечивает решение той или иной задачи интерференционного суммирования объемных фрагментарных изображений от нескольких реальных элементов того объекта, изображение которого синтезируется.

Рис.4 ,

Голографический визуализатор объектов, расположенных в замкнутых полостях - голоскоп /9/, является компактным устройством для голографирования объемных объектов, находящихся вне зоны

прямой видимости и для измерений изображений, восстановленных с полученных голограмм.

Голоскоп (рис.5) допускает применение как голографических, так и непосредственно визуальных методов исследований. Передача опорного и предметного сигналов (простых) производится двухслойными полимерными микроволноводами 1 и 2 с близкими коэффициентами преломления сердцевины и оболочки, диаметром 0,5 мм. Передача изображения предмета (сложный сигнал) - волоконным жгутом 3, содержащим около 200 когерентно уложенных стеклянных волокон диаметром 15мкм. Согласование со свободным пространством микроволноводов осуществляется диэлектрическими микроизлучателями различной формы, а волоконного жгута - полировкой и просветлением его торцов. Для голографирования объекта значительных размеров на входе дополнительно устанавливается микролинза. Оптическая приставка голоскопа позволяет наблюдать голографируемый предмет через объектив для контроля за ним в процессе голографирования.

Рис.5.

Аналогичным образом устроен голографический прибор полостной диагностики /10/, принцип действия которого в соответствии со схемой (рис.6) заключается в следующем. Когерентное излучение источника через микроволновод 1 поступает на вход двухканального синфазного разветвителя 2, где делится на предметный 3 и опорный 4

Рис.6.

Интегрально-голографическая установка многопозиционного голографирования объектов создана с применением интегрально-оптических функциональных узлов. Пятипозиционная ее модификация /11/ представляет собой компактный светозащищенный блок и состоит из основания, в центре которого располагается исследуемый предмет, и пяти съемных кассет для фотопластинок, расположенных по схеме рис.7.

Разделение светового потока когерентного излучения в требуемом соотношении между каналами осуществляется системой синфазных направленных двух- или многоканальных разветвителей с локальной связью. Опорные пучки создаются излучателями 4 и подаются непосредственно на фотопластинки 6. Предметный пучок формируется излучателем 3.

Рис.7.

Оптическая связь между объектом и регистрирующей средой осуществляемся посредством световодов или многомодовых диэлектрических волноводов 7. Это обеспечивает увеличение помехозащищенности системы. Информативность голограммы при исследовании движущихся объектов (или объектов сложной формы), обладающих анизотропными свойствами, может быть повышена увеличением числа позиций голографирования вплоть до получения непрерывной круговой голограммы, регистрируемой на кольцевом отрезке фотопленки.

Голографическая установка для получения цветных интегральных голограмм (рис.8) состоит из трех источников (синего, зеленого, красного) когерентного излучения 1 и трех двухканальных разветвителей с синфазной локальной связью для создания предметных и опорных пучков. Трехволновый излучатель 2 одновременно облучает как голографируемый предмет 3, так и фотопластинку 4 на всех трех волнах. Рассеянный предметом трехволновый сигнал интерферирует с опорным трехволновым сигналом, поступающим от разветвителей 5. Многоцветная голограмма записывается на фотопластинке. При выполнении этой интегрально-голографической схемы методом печатного монтажа предметные и опорные плечи двухканальных делителей следует располагать под углом 90° друг к другу для обеспечения в местах пересечения развязки порядка 80 дб.

Перспективным представляется использование элементов и узлов интегральной голографии в устройствах оптической обработки информации. Применение таких узлов позволяет сохранить единство волновых и

Рис. 8.

конструктивных принципов и уменьшить габариты корреляторов, повысить их виброустойчивость и помехозащищенность. Роль Фурье преобразователей в интегрально-оптических корреляторах выполняют напыленные на пленку аналоги классических линз с изменяющимися коэффициентами преломления, голограммы, формирующие необходимые световые пучки, или отрезки рефракционных самофокусирующих волноводов. Коэффициент преломления последних изменяется в поперечном сечении по параболическому закону, что обеспечивает их фокусирующие свойства.

Разрешающая способность отрезков рефракционных микроволноводов достигает (250 ¸ 400) лин/мм. Длина их выбирается так, чтобы координатная и спектральная плоскости являлись фокальными плоскостями микроволновода.

Микроволноводное устройство получения фильтра и корреляционного отклика (рис.9) включает в себя источник 1, разветвитесь 2, предметный канал 3 и автоматическое устройство ввода информации 4. К фильтру 5 присоединен рефракционный интегрально-оптический преобразователь 6, осуществляющий обратное преобразование Фурье и подключенный контактно к фотоприемнику 7. В опорный канал 8 введен выключатель 9. Для получения фильтра устройство ввода информации заменяется транспарантом, вместо фильтра ставится регистрирующая среда, после чего включается опорный сигнал.

Решение принципиальных задач интегрально-голографической схемотехники, многомерной обработки сигналов и согласованной фильтрации

методами радиофизики закладывает основы единого схемно-конструкторского подхода к проблемам оптической, акустической и радио голографии и создает предпосылки для их более тесного смыкания.

Рис.9.

Скачок от радиотехники к микроэлектронике открыл в свое время новые широкие горизонты. Переход к интегральной голографии обеспечил, по-видимому, выход голографической техники из лабораторий ученых в промышленность.

1. Г.Б.Семенов, В.В.Смирнов, Ю.Н.Денисюк, В.В.Орлов. Труды семинара, "Оптическая голография", Ленинград, ЛДНТП, 13-18, 1972.

2. Д.И.Мировицкий, Н.Н.Евтихиев, В.Ф.Дубровин, И.Ф.Будагян. Интерферометрический элемент. Авторское свидетельство 432511, Бюллетень изобретений 22 за 1974 г.

3. n.takahashi, s.sugigami. toyota tries fiber holography, laser focus, vol.7, n 3, p.p.29-30, 1971.

4. t.r.hsu, r.g.moyer. application of fiber optics in holography, appl.optics, vol.10, n 3, p.p.662-670, 1971.

5. "ealing beck 1974-1975", catalog index of ealing beck limited, england, p.p.102-112, 1973.

6. И.Ф.Будагян, В.Ф.Дубровин, С.Н.Камлюк и др. Микроволноводный голографический рефлектометр-рефрактометр. Описание экспоната Первой Всесоюзной выставки по голографии на ВДНХ, павильон "Физика" АН СССР, 1973 г.

7. В.Ф.Дубровин, И.Ф.Будагян, С.В.Лобов, В.А.Поветкин, Н.М.Елагина, А.Ф.Давыдов, В.Г.Старцева. Портативное микроволноводное устройство контроля интегральных голограмм. Описание экспоната Первой Всесоюзной выставки по голографии на ВДНХ, павильон "Физика" АН СССР, 1973 г.

8. Д.И.Мировицкий, Н.Н.Евтихиев, И.Ф.Будагян, В.Ф.Дубровин, В.И.Шанин, В.В.Усатюк. Голографический параллактор, авт.свид. № 378777, приоритет от 30.12.71 г.

Д.И.Мировицкий, Н.Н.Евтихиев, И.Ф.Будагян, В.Ф.Дубровин, В.В.Усатюк, С.Н.Камлюк, С.В.Лобов. Голоскоп - голографический визуализатор объектов в замкнутых полостях. Описание экспоната Первой Всесоюзной выставки по голографии на ВДНХ, павильон "Физика" АН СССР, 1973 г.

10. И.Ф.Будагян, В.Ф.Дубровин, С.А.Кириллов-Постников, Д.И.Мировицкий, В.А.Поветкин, В.В.Усатюк, В.Н.Соловьев. Голографический прибор для полостной диагностики. Описание экспоната Первой Всесоюзной выставки по голографии на ВДНХ, павильон "Физика", АН СССР, 1973 г.

11. И.Ф.Будагян, В.Ф.Дубровин, Д.И.Мировицкий, И.М.Харитонов, В.С.Чагулов, Е.И.Дмитриева. Интегрально-голографическая установка кругового обзора объектов - новое когерентно-оптическое устройство получения высокоинформативных голограмм. Описке экспоната Первой Всесоюзной выставки по голографии на ВДНХ, павильон "Физика", АН СССР, 1973 г.