Оглавление
Введение.......................................................................... 5
Глава 1. Динамические голографические элементы. Их реализация в трехмерных средах
1.1. Применение голографии................................................. 10
1.1.1. Плоские голограммы и голограммы в трехмерных средах. Голограмма
как зеркало................................................................ 10
1.1.2. Г олографическая интерферометрия.................................... 14
1.1.3. Голографические фильтры для управления лазерным излучением 16
1.1.4. Пространственная голографическая фильтрация и ее использование для решения проблем оптической корреляции и коррекции качества изображения......................................................... 18
1.1.4.1. Пространственный голографический фильтр.................... 18
1.1.4.2. Голографический коррелятор................................. 19
1.1.4.3. Голографическая коррекция качества изображений.... 22
1.1.5. Г олографические переключатели линий оптической связи............... 23
1.1.6. Г олографическая память............................................. 26
1.2. Традиционные голографические среды и их динамические возможности 27
1.2.1. Запись голограмм в трехмерных средах - условия, требования к материалу........................................................... 27
1.2.1.1. Материалы с амплитудной модуляцией......................... 28
1.2.1.2. Материалы с фазовой модуляцией............................. 28
1.2.1.3. Требования, предъявляемые к голографической среде 30
1.2.2. Среды, содержащие бактериородопсин.................................. 34
1.2.3. Фоторефрактивные материалы.......................................... 36
1.2.4. Жидкие кристаллы.................................................... 40
Глава 2. Фторид кадмия с бистабильными примесными центрами как среда динамической голографии
2.1. Фогохромные центры в полупроводниковых кристаллах фторида кадмия 44
2.1.1. Широкозонный кристалл Сс1Р2 и его превращение в
полупроводниковое состояние................................................ 44
2.1.2. Бистабильные примесные центры в кристаллах Сс1Р2.................... 47
2.1.3. Фото- и термоиревращения бистабильных центров в кристаллах СбР2.. 48
2.2. Механизмы записи и распада голографических решеток в кристаллах С(1Р"2 с бистабильными центрами......................................................... 55
2.3. Температурная зависимость времени отклика и дифракционной
эффективности для кристаллов С<1Р2:Са и СбР2:Оа,У................................ 60
2
2.4. Температурная зависимость времени отклика и дифракционной
эффективности для кристалла Ссії^Іп................................................ 64
2.5. Разрешающая способность кристаллов............................................ 69
2.5.1. Пространственное разрешение голографических сред на основе кристаллов Ссії^Юа.................................................... 69
2.5.2. Пространственное разрешение голографических сред на основе кристаллов СсИ^гІп.................................................... 69
2.6. Чувствительность кристаллов СбРг с бистабильными центрами по отношению
к записи в них голограмм........................................................... 71
Глава 3. Запись информации и реализация голографического динамического коррелятора на основе кристалла фторида кадмия
3.1. Введение...................................................................... 73
3.2. Голографические корреляторы................................................... 73
3.2.1. Схемы корреляторов................................................... 73
3.2.2. Среды для голографических корреляторов............................... 74
3.2.3. Транспаранты для корреляторов и требования к ним..................... 75
3.2.4. Некоторые проблемы, возникающие при реализации голографических корреляторов.......................................................... 76
3.3. Запись информационных транспарантов во фториде кадмия........................ 77
3.3.1. Образец и схема записи............................................... 77
3.3.2. Экспериментальные результаты......................................... 79
3.4. Коррелятор Ван дер Люгта на основе фторида кадмия............................ 80
3.4.1. Образец и схема эксперимента......................................... 81
3.4.2. Результаты эксперимента.............................................. 84
Глава 4. Динамическая голографическая коррекция волнового фронта и качества изображений с помощью голограмм на фториде кадмия
4.1. Введение..................................................................... 89
4.2. Динамический голографический корректор изображений на основе кристалла СіїїЛаХ........................................................................... 92
4.2.1. Образец и схема эксперимента......................................... 92
4.2.2. Экспериментальные результаты и их обсуждение......................... 96
4.2.2.1. Качество отраженного пучка.................................. 96
4.2.2.2. Параметры голограмм......................................... 99
4.2.2.3. Компенсация модельного искажения........................... 100
4.3. Динамический голографический корректор волнового фронта на основе
кристалла Сс^Чп................................................................... 102
4.3.1. Образец и схема эксперимента......................................... 103
3
4.3.2. Оптимизация источника волн накачки............................. 104
4.3.3. Энергетические и временные характеристики ОВФ-зеркала.............. 105
4.3.4. Качество ОВФ-волны................................................. 105
4.3.5. Компенсация модельных фазовых искажений............................ 106
Заключение...................................................................... 111
Литература...................................................................... 114
4
Введение
В настоящее время голография широко востребована в различных областях науки и техники. Возможности, которые она открывает, позволяют успешно применять ее для решения важных задач в областях телекоммуникации, оптической обработки информации, высокоточных измерений, лазерных технологий и др. Значительная часть этих задач должна решаться в реальном времени, для чего нужны динамические голографические среды.
Различные варианты применения динамических голографических сред предъявляют к ним разнообразные, зачастую противоречащие друг другу требования. «Идеальная» среда должна была бы иметь малое время отклика, обладать высокой чувствительностью, обеспечивать воспроизведение широкого спектра пространственных частот при хорошей дифракционной эффективности (ДЭ), иметь широкую спектральную область чувствительности, допускать неограниченное число актов записи/считывания, быть технологичной, т.е. обеспечивать производство голографических элементов достаточно большого размера и хорошего оптического качества при доступной цене [1]. В настоящее время такого «идеального» материала не существует - используемые голографические среды, как правило, имеют преимущества по одним параметрам, но недостатки по другим. Это стимулирует процесс поиска новых сред, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым современными областями науки и техники, связанными с информационными оптическими технологиями. Особый интерес представляют объемные голографические среды, используемые как в качестве носителей оптической информации, так и в качестве пространственных голографических фильтров в системах оптической обработки информации (голографические корреляторы, нейронные сети, элементы машинного зрения и т.п.).
Из числа широко исгГользуемых голографических материалов следует, в первую очередь, отметить фоторефрактивные кристаллы (ФРК) на основе которых создано большое число голографических элементов [1, 2]. Вместе с тем, их использование для решения динамических задач голографии ограничивается такими факторами как сравнительно большое время цикла записи/считывания/перезаписи информации в ФРК и необходимость приложения к кристаллу внешнего электрического поля для достижения требуемых значений дифракционной эффективности и быстродействия, что ограничивает цикличность материала. Кроме того, их использование в динамическом режиме, как
5
правило, требует принудительного оптического стирания записанной голограммы или нагревания до температур ~ 200 -ь 300 °С. В последнее время широко используются органические фоторефрактивные материалы (фоторефрактивные полимеры) [3]. Они изготавливаются в виде тонких слоев (толщина - 100 мкм), заключенных между прозрачными электродами. Такие полимеры демонстрируют высокую дифракционную эффективность (до 90 %) и могут, в принципе, обладать как достаточно быстрыми временами отклика (вплоть до мс), так и неплохим разрешением (сотни линий на мм), однако совмещение двух последних качеств в одном материале представляется проблематичным.
Настоящая работа посвящена исследованию нового класса динамических голографических сред на основе кристаллов фторида кадмия с бистабильными примесными центрами. По совокупности свойств, предлагаемые среды могут быть весьма перспективны во многих областях применения, связанных с голографической обработкой информации. Целями работы являются исследование фотоиндуцированных процессов в полупроводниковых кристаллах фторида кадмия с ЭХ-центрами, приводящих к изменению их оптических свойств, характеризация этих кристаллов как сред голографии в реальном масштабе времени и анализ возможных областей использования этих сред. В задачи работы входило: получение экспериментальных данных о температурных зависимостях базовых параметров динамических голограмм, записываемых в кристаллах фторида кадмия с бистабильными примесными центрами (их дифракционной эффективности и времени распада), оценка разрешающей способности и чувствительности исследуемых сред, исследование возможности реализации на их основе динамического голографического коррелятора с пространственным фильтром и корректора искажений волновых фронтов и изображений.
Практическое значение работы состоит в том, что исследованы основные свойства новой среды динамической голографии - кристалла фторида кадмия с бистабильными центрами, а также экспериментально продемонстрирована возможность ее использования в задачах распознавания образов и в устройствах коррекции искажений волновых фронтов и изображений в реальном масштабе времени.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе дается обзор литературы. В первой части рассматриваются основные направления применения голографии в научных и прикладных задачах, приводятся конкретные примеры реализации схем с использованием голографических
6
элементов, в том числе работающих в динамическом режиме. Описываются как традиционные голографические методы и элементы, так и перспективные разработки, интенсивно развиваемые в настоящее время. В частности, значительное внимание уделено пространственной голо!рафической фильтрации и ее использованию для оптической корреляции сигналов и изображений, а также для коррекции качества изображения; обсуждаются существующие схемы корреляторов и корректоров, проводится их сравнительный анализ, выявляются ключевые моменты, ограничивающие возможности этих устройств.
Вторая часть литературного обзора посвящена средам, используемым для создания голографических элементов. Описываются основные группы материалов, получивших широкое распространение в задачах голографии, приводятся их основные свойства, перечислены их достоинства и недостатки с точки зрения задач динамической обработки информации методами голографии.
Во второй главе описывается новый класс сред динамической голографии -кристаллы фторида кадмия с бистабильными примесными центрами. Рассматривается процедура перевода кристалла фторида кадмия с трехвалентными примесями в полупроводниковое состояние, обеспечивающая формирование бистабильных (ОХ) центров - аддитивное окрашивание. Обсуждаются свойства этих центров в кристаллах Сс1Р2:1п, СсЛ^ва, Сс1Р2:Оа,У, электронная и геометрическая структура центров, термо- и фотопревращения их состояний. Рассмотрен механизм фотохромии исследуемых кристаллов. Приводятся экспериментальные данные по изменению их оптических свойств при фотовозбуждении кристаллов. Показано, что фотохромия кристаллов СбР2 с бистабильными центрами создает принципиальную возможность записи обратимых фазовых и амплитудно-фазовых голограмм в области спектральной щели между полосами поглощения основного и метастабильного состояний ЭХ-цснтра. Голограммы в кристаллах с такими центрами носят динамический характер вследствие наличия потенциального барьера, разделяющего состояния центра, а распад голограммы происходит по бимолекулярному закону.
Экспериментально определены температурные зависимости времени отклика и дифракционной эффективности для кристаллов Сс1Р2:Оа, СбР2:Са,У, СбР2:1п. Приведенные данные позволяют оценить быстродействие сред на основе кристаллов СёР2; в частности, для кристалла С(1Р2:1п оно лежит в области 10 МГц (при комнатной температуре). Полученные результаты дают возможность выбрать оптимальную толщину
7
кристалла и оптимальные условия записи/считывания динамических голограмм для решения конкретных задач.
В заключительной части главы приводятся экспериментальные данные по диапазону пространственных частот записанных на рассматриваемых средах голограмм (80 -5* 5000 мм'1). В совокупности со значением светочувствительности этих кристаллов (0,3 - 0,5 Дж/см2 для достижения относительной дифракционной эффективности примерно 100 % при температурах, при которых не происходит распада мелких центров), это свидетельствует о перспективности использования данных сред для решения широкого круга задач динамической голографии.
В третьей главе рассматривается запись информационных транспарантов в кристалле Сс1р2:1п и реализация на основе этого кристалла динамического голографического коррелятора. В первой части главы приводятся краткие сведения о технических достижениях в области создания элементов корреляторов (информационные транспаранты, системы регистрации) и факторах, ограничивающих быстродействие последних. Приведепы основные требования к голографическим средам, которые могут применяться в качестве пространственных фильтров динамических оптических корреляторов.
Во второй части главы описываются оптические схемы, используемые для записи информационных транспарантов и реализации коррелятора Ван дер Люта. Продемонстрирована запись и восстановление голограмм бинарных транспарантов при работе в зеленом и красном диапазонах спектра в квазистатическом и динамическом режимах. В схеме коррелятора Ван дер Люгта при использовании излучения импульсного МсЬУАв лазера проведено успешное опознавание записанного в кристалле образа и проанализированы возможные источники ошибок при его опознавании.
В четвертой главе представлены результаты экспериментов по динамической коррекции искажений волнового фронта и качества изображений с помощью голограмм, записываемых во фториде кадмия. В первой части главы проведено исследование объемных динамических голограмм, записанных встречными пучками аргонового лазера в кристалле Сй?2 с бистабильными центрами ва. В ходе работы был осуществлен демонстрационный эксперимент по компенсации модельных динамических искажений волнового фронта при помощи голографического корректора на основе таких голограмм.
Во второй части главы исследована возможность использования кристалла Сс1Р2:1п в задачах коррекции модельных фазовых искажений волнового фронта. Приведено
8
описание схемы эксперимента по коррекции искажений изображений с помощью обращения волнового фронта (ОВФ) в этом кристалле при использовании импульсного рубинового лазера. Проведенные эксперименты демонстрируют принципиальную возможность использования кристаллов С<1р2 с бистабильными центрами для коррекции динамических искажений изображений или корректировки возмущений волнового фронта импульсных или частотно-импульсных лазеров.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:
1. Фотоиндуцированное изменение спектра поглощения кристаллов Сс1р2 с бистабильными центрами обеспечивает запись в них фазовых голограмм в области спектральной щели между полосами поглощения, соответствующими двум состояниям центра.
2. Наличие потенциального барьера между двумя состояниями бистабильного центра в кристаллах СФгЮа, Сс1Р2:1п позволяет использовать их как среды голографии в реальном времени, при этом время формирования голограммы определяется плотностью мощности лазерного импульса, а время ее распада - температурой кристалла.
3. Спектр пространственных частот интерференционной картины, записываемой в кристаллах с бистабильными центрами, показывает возможность создания на основе этих кристаллов широкополосных фильтров пространственных частот.
4. На основе кристалла Сс1Р2:1п может быть разработан быстродействующий оптический коррелятор.
5. Кристаллы Сс1Р2 с бистабильными центрами могут быть использованы для динамической голографической коррекции качества волновых фронтов и изображений.
9
Глава 1. Динамические голографические элементы
1.1. Применение голографии
1.1.1. Плоские голограммы и голограммы в трехмерных средах. Голограмма как зеркало
Каждая голограмма представляет собой дифракционную решетку. В зависимости от тина голограмм штрихи решетки могут быть образованы либо пространственным изменением пропускания, либо вариациями фазового рельефа. В отличие от нарезных рстпеток, имеющих прямоугольный профиль штриха, голографические решетки являются синусоидальными.
Дифракционную решетку с постоянным шагом можно рассматривать как голограмму плоского зеркала. При освещении решетки параллельным пучком света в результате дифракции возникнут плоские волны, распространяющиеся под различными углами (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Голограмма плоского зеркала.
Часть энергии волны (с периодом А.), падающей нормально к плоскости решетки, проходит сквозь решетку, сохраняя прежнее направление - это волна нулевого порядка. Кроме того, при дифракции опорной волны на голограмме возникают еще две волны первого порядка, положительная и отрицательная, распространяющиеся под углами ± 0 к нормали, которые связаны с шагом решетки с1 соотношением
10
- Київ+380960830922