Воспроизведение амплитуды и фазы световых волн с помощью голографии, выход за пределы возможностей линзовых и зеркальных оптических систем. Экспериментальные исследования возможностей применения фазовых модуляторов света для решения прикладных задач.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

2

Оглавление

• Введение
• 1. Голография в матричных фазовых модуляторах света
• 2. Аналоговый метод асимметризации профиля интерференционной картины в интерферометре Майкельсона
• 3. Прототип истинно трехмерной голографической дисплейной системы
• 4. Повышение чувствительности интерференционных измерений методом перезаписи голограмм
• 5. Повышение чувствительности измерений аномальной дисперсии методом крюков Рождественского
• Заключение
• Список используемой литературы

Введение

Способность точно воспроизводить амплитуду и фазу световых волн, которую даёт голография, позволяет выйти за пределы возможностей линзовых и зеркальных оптических систем. И такой функционал среди современных оптических компонентов могут предложить матричные фазовые модуляторы света [1]. В настоящей работе были проведены экспериментальные исследования возможностей применения фазовых модуляторов света при решении таких прикладных задач, как асимметризация профиля интерференционной картины, построение прототипа трехмерного голографического дисплея и повышение чувствительности интерференционных измерений методом перезаписи голограмм.

голография матричный фазовый модулятор

1. Голография в матричных фазовых модуляторах света

Фазовые модуляторы света, способные работать в режиме реального времени, востребованы в различных областях и могут выполнять различные функции. В настоящее время они используются как оптические элементы, направляющие свет элементы, элементы схем обработки, распознавания и передачи оптической информации, а также в голографических схемах.

В настоящей работе ключевым элементом экспериментальных установок являлся электрически адресуемый фазовый модулятор света фирмы Holoeye [2], основанный на технологии жидких кристаллов (далее ЖК). Как средство модуляции фазы света, ЖК модуляторы представляют собой двулучепреломляющий материал с высокой чувствительностью. Конструктивно данный фазовый модулятор света представляет собой жидкокристаллическую матрицу и совокупность электронных компонентов, управляемых от компьютера и обеспечивающих, в свою очередь, управление свойствами элементов матрицы. Принцип работы ЖК фазового модулятора света показан на Рис.1. При подаче на электроды модулятора питания частицы приобретают определённую ориентацию, обеспечивая модуляцию оптических свойств слоя ЖК.

Рис. 1. Принцип работы ЖК фазового модулятора света

Компьютер рассчитывает для изображения голографическую интерференционную картину, что затем используется для установки оптических свойств ЖК ПМС. Дифракция света на модуляторе аналогична воспроизведению голограммы и приводит к получению необходимого волнового фронта.

Установка подобного элемента на пути пучка света позволяет управлять его пространственным распределением. Кроме того, эффекты, возникающие при неизбежном дифрагировании света на пикселях матрицы, имеющих размер примерно 5-10 л (см. Таблицу 1) позволяют использовать модулятор в качестве голографического элемента и воссоздавать изображение в дальнем поле дифракции. Включение в оптическую схему программно-управляемого ЖК ПМС позволяет также вывести оптическую систему на новый уровень - компьютерной генерации голограмм (КГГ.).

По сравнению с традиционными подходами, применяемыми в голографии, подход КГГ:

• не нуждается в специальных материалах для записи голограмм;

• может синтезировать оптические волновые фронты без потребности фиксации их физического проявления - например, можно генерировать 3D-изображения несуществующих объектов;

• обеспечивается небывалое управление волновым фронтом за счет возможностей простого хранения, манипулирования, передачи и репликации голографических данных.

Вышеописанные свойства фазовых модуляторов света представляют интерес в решении многих задач современной науки и техники, некоторые из которых приведены в настоящей работе.

Используемый в настоящей работе электрически адресуемый жидкокристаллический пространственный модулятор света (ЭАЖКПМС) и его характеристики представлены на Рис.2 и Таблице 1, соответственно.

Рис. 2. ЭАЖКПМС LC-2002 от Holoeye

Таблица 1. Параметры модулятора LC-2002

Разре-шение	Размер пикселя	Рабочая площадь	Размер матрицы	Тоновое разреше-ние	Формат сигнала	Частота обновления
800 х 600	32 мкм	55,00%	21 х 26 мм	8 бит (256 знач.)	VGA - SVGA	60 Гц

2. Аналоговый метод асимметризации профиля интерференционной картины в интерферометре Майкельсона

Область поставленной задачи

Задача асимметризации профиля штриха интерференционной картины возникает в связи с проблемой ограниченной дифракционной эффективности тонких динамических голограмм, используемых для коррекции оптических искажений [3] и при решении ряда других прикладных задач. Известно, что дифракционная эффективность (ДЭ) в ±1 порядки для тонких фазовых голограмм с симметричным профилем штриха не может превышать 33% для синусоидального и 40% для прямоугольного профиля. В то же время замена его на асимметричный профиль, состоящий из прямоугольных треугольников (пилообразный), позволяет повысить ДЭ вплоть до 100%.

Аналоговый подход основан на применении оптической обратной связи. В данном эксперименте такая нелинейная схема интерферометра была реализована с помощью электрически адресуемого жидкокристаллического пространственного модулятора света (ЭА ЖК ПМС).

Аналоговый метод асимметризации основан на применении схемы с обратной оптической связью (ООС) и наличии в схеме эксперимента управляемого устройства, способного менять фазу поступающих на него световых волн.

Схема основана на том, что один из пучков, образующих исследуемую интерференционную картину, до интерференции с другим пучком пропускается через ЖК модулятор, в котором формируется дополнительный к разности хода волновых фронтов интерферирующих волн профиль набега фазы.

Этот метод был предложен и исследован теоретически в работе [4] и численное моделирование показало, что фазовый профиль записывающих волн (картины их интерференции, модели динамической голограммы) за время, соответствующее двум-четырём циклам обновления картины, превращается в пилообразный, а эффективность дифракции в +1 или - 1 порядок достигает 100% (шумы и помехи не учитывались).

Схема установки для проведения эксперимента

Рис. 3. Схема экспериментальной установки №2.1 - He-Ne лазер; 2 - коллиматор; 3 - светоделительный кубик; 4 - зеркало; 5 - линза; 6 - ЭА ЖК ПМС; 7 - юстировочное зеркало; ПЗС - ПЗС камера; ПК - персональный компьютер.

Излучение Не-Nе-лазера 1 ( = 0,633 мкм) расширялось телескопом 3 и коллиматором 3 и направлялось в интерферометр Майкельсона, образованный светоделительным кубиком 4, плоским зеркалом 5 и юстировочным зеркалом 8. В одном из плеч интерферометра установлен ЭА ЖК ПМС Holoeye-SLM-LC-2002. Параметры такого модулятора (подробнее см. [2]) обеспечивают оптически управляемую модуляцию оптической толщины слоя ЖК в пределах 2 (0.532 мкм) на длине волны Не-Nе лазера с разрешением 800х600 пикселей.

Световые пучки, отраженные зеркалом 5 и юстировочным зеркалом 8, сводились под небольшим углом и интерферировали на ПЗС-матрице (апертура 8 мм) ПЗС-камеры. При этом с помощью линзы 6 на матрице строилось изображение плоскостей зеркала 5 и окна модулятора 7.

Период интерференционной картины с помощью юстировочного зеркала менялся в разных сериях экспериментов от 0.5 до 2 мм, т.е. на апертуре ПЗС-матрицы умещалось 4-16 периодов интерференционной картины.

При использовании ЖК-модуляции в схеме с оптической обратной связью также наблюдается ассиметричный профиль интерференционной структуры. На рис.9 изображен наиболее яркий пример асимметризации, который удалось получить.

Результаты эксперимента

Рис. 4. Примеры интерференционных картин.

а и б - до и после включения ЭА ЖК ПМС в начальное время работы модулятора; в и г - до и после включения ЭА ЖК ПМС по истечении 20 минут работы модулятора.

Для более выраженного асимметричного профиля необходимо очень точное пространственное совмещение картины интерференции и подаваемого на модулятор изображения и более совершенная фильтрация шумов и помех. Дифракционную эффективность полученных в результате применения аналогового метода асимметризации интерферограмм можно оц...