Способ голографического измерения спектрального состава модулированного оптического излучения

 

СПОСОБ ГОЛОПРАФИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА МОДУЛИРОВАННОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ , заключающийся в записи голограммы сигнальной волны, которую направляют на голограмму совместно с опорной волной с изменяющейся i;o сечению частотой, и последующем восстановлении голограммы плоской волной и считывании спектра, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона, увеличения дифракционной эффективности и упрощения считывания, в каждой точке опорной волны осуществляют дополнительное (Л изменение частоты во времени, а восстановление голограммы осуществляют волной, сопряженной с дпорной. П,j , о ел СО сл in

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19> (Ilj

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

I опиолник изоьгяткния J „

Н АВТОРСКОМУ СвйДЕТЕЛЬСТЕ1У SISJINOlaA (21) 3468022/18-25 (22) 14.07.82 (46) 15.10.85. Бюл. И 38 (72) В,Н.Боркова,В.А.Зубов, А.В,Крайский и Т,Т.Султанов (71) Ордена Ленина физический институт им. П,Н.Лебедева (53) 772.99(088.8) (56) Спектроскопия оптического смешения и корреляции фотонов.

Под ред. Камлинса Г. и Пайка Э,. M.

"Мир", 1978, с, 432-458.

Боркова В.Н., Зубков В ° А.

Крайский А,В. Голографическая спектроскопия с использованием нестационарной опорной волны. Квантовая электроника, 1980, вып. 7, Ф 10, с, 2192. (54) (57) СПОСОБ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО

ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА

МОДУЛИРОВАННОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, заключающийся в записи голограммы сигнальной волны, которую направляют на голограмму совместно с опорной волной с изменяющейся по сечению частотой, и последующем восстановлении голограммы плзской волной и считывании спектра, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона, увеличения дифракционной эффективности и упрощения считывания, в каждой точке опорной волны осуществляют дополнительное изменение частоты во времени, а восстановление голограммы осуществляют волной, сопряженной с Опорной.

I 053575

Изобретение относится к оптик-.еской спектроскопии и предназначено для регистрации и анализа спектра излучения, правзаимодействовавшего со средой, например, при распространении света через среду с изменяющимися во времени неоднородностями, Известен способ оптического смещения, применяемый для измерения 10 спектрального состава излучения с разрешением в единицы герц, в котором исследуемое излучение смешивается с излучением гетеродина и получаемый таким образом интерфе- 15 ренционный сигнал поступает на фотодетектор, где преобразуется в электрический, последний далее анализируется известными методами. Но лри исследовании ряда медленных процессов 20 в физике, биофизике, химии, сейсмологии такого разрешения зачастую недостаточно.

Наиболее близким ло технической сути к изобретению является голографи — 25

) ческий способ измерения спектрального состава модулированного оптического излучения, заключающийся в записи голограммы сигнальной волны, которую направляют в плоскость регистрации совместно с опорной вог:най с изменяющейся ло сечению частотсй, и последующем восстановлении голограммы плоской волной и считывании спектра. Этот способ имеет недостатки, которые заключаются в следующем.

В процессе записи голограммы в каждом ее сечении регистрируется определенная спектральная компонента сигнала с ее амплитудой и фазой, т.е.

40 информация о каждой спектральной компоненте сигнала локализована на малом (узком) участке голограммы.

Это обстоятельство снижает динамический диапазон и дифракционную эф45 фективность. Формирование спектра в плоскости голограммы на фане постоянных засветок усложняет считывание его, так как требуется использование оптической системы и фильтрации.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона, увеличение дифракционной эффективности и упрощение считывания.

Цель достигается тем, что в спо- 55 сабе голографического измерения спектрального состава модулированного оптического излучения, заключающемE )«, .) E ttI ««p (-iwt+ i — «co« t! J

В качестве опорной волны используется нестацианарная волна с ли— нейным изменением частоты ло координате и во времени Ы М) ) =

= ж- о х- с 6 вида

)к t)= аД«кp(-iu>t+ ter,к1+ а t ) (2)

21 (см фиг 2) Волна такого типа харак° ° ° теризуется тем, что волновой фронт во времени поворачивается относительно плоскости регистрации и смещается вдоль этой плоскости, Волна такого типа может быть сформирована только в течение ограниченного времени, На регистрирующем материале, например на голографической фотопластинке, регистрируется распределе— ние световой мощности.

Т) 2 )«)С, к«E(tie«p(-jt «t-;> ttJgt «

-Тф

" «P —, к с):)э Э (,3) + компл. сопр,, представляющее картину интерференции указанных волн и усредненное за время экспозиции Т, которое определяется временем существования ся в записи голограммы сигнальной волны лри помощи опорной волны с изменяющейся по сечению частотой, последующем восстановлении голограммы плоской волной и считывании спектра, в каждой точке опорной волны осуществляют дополнительное изменение частоты во времени, а восстановление голограммы осуществляют волной, сопряженной с опорной.

На фиг, 1 изображена принципиальная схема установки для реализации способа; на фиг. 2 — схема взаимодействия волн при падении на голограмму> на фиг. 3 и 4 — регистрируемые спектры сигнала °

Сущность изобретения заключается в следующем. Первый этап — этап записи информации о световом лоле, модулированном во времени лри взаимодействии с исследуемой средой, т.е, на голограмму попадает излучение, комплексная амплитуда которого является функцией времени

1053575 нестационарной опорной волны. Опре- д деленная спектральная компонента к ( сигнала в каждый момент времени ре- ш гистрируется в виде интерференционной р картины на определенном участке голограммы, причем этот участок смещан ется со временем. Иэ-за изменения г наклона фронта опорной волны по отношению к плоскости регистрации с

\ частота полос интерференционной струк-10 о туры изменяется. Таким образом, на в голограмме регистрируется картина 1 сигнала в виде участка цилиндричес-. кой линзы Френеля, причем этот с участок для каждой спектральной 15 компоненты сигнала смещен по оси Х п на величину, пропорциональную час- е тоте этой компоненты. В этом можно 3 убедиться, перейдя к спектральному в представлению ч

4Ш

+ компл.сопр.

40

50

Е()= Е (2) ехp(-1й С1 ЫЯ

-йш и выполняя интегрирование по й,0

2S

<(i!"-4,

ol к- В2

L к кр 1 — ксозб) ()

t 1 30

Распределение информации об определенной спектральной компоненте сигнала по площади голограммы приводит к расширению динамического диапазона регистрируемых спектральных компонент и к увеличению дифракционной эффективности. Ситуация в данном случае аналогична той, которая имеет место при переходе от фотографической регистрации с динамическим диапазоном 1:10-1: 100 к голографической регистрации с динамическим диапазоном, на 2-3 порядка большим, Второй этап — этап получения информации о спектре сигнала, На этом этапе с помощью плоской стационарной восстанавливающей волны производится реконструкция сигнала в пространственном представлении с помощью самой голограммы.

Каждая цилиндрическая линэа Френеля дает свое действительное иэображение спектральной линии, поэтому не требуется никакой дополнительной оптики. В результате на выходе может врыть сфотографирован или зарегистрирован Аотозлектрически спектр мо-. улированного сигнала. В рамках ритерия Релея спектральное .раэре-"

Ъ ение определяется полным временем егистрации E.4 = 1/ Т, а область дисперсии диапазоном частот в опорой волне й4 duJ

0 - 10 .

Реализация способа осуществляетя следующим образом (см.фиг. 1). Излучение лазера 1 разделяется на два учка 2 и 3. Пучок 2 взаимодействут с исследуемым объектом 4. В пучке формируется нестационарная опорная олна, для чего излучение пропускают ерез телескопическую систему 5, б, Первый элемент 5 телескопической системы линейно смещается перпендикулярно оптической оси со скоростью

Точка, в которую собирается излучение в средней фокальной плоскости телескопической системы, также смещается. Излучение, выходящее из второго элемента 6 телескопической системы, при этом характеризуется поворотом фронта волны, а в плоскости регистрации 7, отстоящей от телескопической системы на двойное фокусное, формируется опорная волна нужной структуры.

Экспериментальная проверка функционирования способа выполнена для амплитудной модуляции, имитирующей воздействие объекта, с различными скважностями. На фиг. 3 в качестве иллюстрации приведена запись спектра для скважности 0,5. Область дисперсии составляет д 119 Гц. Спектральное расстояние между нулевой и первой гармониками дает величину

1,495 Гц и между нулевой и третьей гармониками 4,47 Гц, Эти величины хорошо совпадают с определяемыми периодами модуляции сигнала 4 = f/ Т пер и равными соответственно 1,49 Гц и 4,47 Гц. Ллпаратная функция, соответствующая времени экспозиции, составляющему в данном случае Т= 8 с, имеет ширину 0,125 Гц. Из этой же записи спектра видно, что при отстойке на девять ширин аппаратной функции от сильной линии фон от аппаратной функции не превышает 3 10 от значения сильной компоненты в мак1053575 симуме. Аппаратная Функция схемы, определенная экспериментально для различных времен записи хорошо совпадает с расчетным ".-r a erze, в част цости для Т 32," с эксперименталь— ное и расчетное значения дают

0,52-<0 и 0,51 1Î Гц. Иэ записи, приведенной на Фиг. ч, видно, что в структуре спектра уверенно различаются пички, отличакнциеся по интенсивности более, чем в 1400 раэ.

Таким образом, динамический диапазон метода превосходит 10 .

Таким образом, для типичных исходных данных (суммарная экспозиция

5 . 10 - 5 -20 na/см, отношение интенсивност ей сигнальной и опорной волн 1,„„/1 „-1/3 - 1/10, время экспо-, зиции 10 с — 10 мин) динамический диапазон увеличивается более чем в

10; раэ, а дифракционная эффективность возрастает в 10-ч0 раз. Это, в свою очередь, ведет к тому, что

1О изучение медленных процессов в области Физики, биофизики, химии, сейсмологии с использованием заявляемого способа характеризуется повьппением точности измерений и

15 увеличением их надежностиi

1053575

1 ци sue usus

ups< r,сюс с,л

РЬг. У! 053575

4 10 x gpss

Редактор О. Юркова Техред М.Надь

Корректор В, Гир няк

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 7019/1 Тираж 896

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5