Голографический способ определения оптических характеристик прозрачных объектов

 

Использование: техническая физика, определение оптических характеристик прозрачных объектов, например, распределения показателя преломления. Сущность изобретения: через эталонный объект пропускают линейно поляризованную когерентную волну от источника. Регистрируют голограмму этой волны на фотопластинку с помощью первой опорной волны, сформированной зеркалом, а другую опорную волну перекрывают экраном. Затем вместо эталонного устанавливают исследуемый объект. С помощью пластинки λ/2 поворачивают плоскость поляризации объектной и второй опорной волн на 90^o, перекрывают экраном первую опорную волну и регистрируют вторую голограмму на ту же фотопластинку. Восстанавливают голограммы двумя опорными волнами, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны. Восстановленные волны пропускают через пластинку λ/4, в результате чего они становятся циркулярно поляризованными с противоположным направлением вращения электрического вектора. Полученное распределение интенсивности регистрируют с помощью регистрирующей системы, измеряют величину и направление угла поворота плоскости колебаний результирующей восстановленной волны, по которым и определяют оптические характеристики исследуемого прозрачного объекта. 1 ил.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для определения оптических характеристик жидких, твердых и газообразных прозрачных объектов. Способ позволяет однозначно определять распределение показателя преломления в прозрачном объекте, что дает возможность применять его в различных физических исследованиях, например, для получения достоверной однозначной информации о распределении температур, давления, оптической плотности и других характеристиках исследуемых веществ.

Известен способ исследования прозрачных объектов, включающий пропускание когерентных световых волн через исследуемый и эталонный объекты, формирование интерференционной картины и определение показателя преломления путем ее анализа [1] Известен также голографический способ определения оптических характеристик прозрачных объектов, включающий последовательное пропускание когерентной световой волны через эталонный и исследуемый объекты, регистрацию двух голограмм с поворотом плоскости волнового фронта волны на некоторый угол в известном направлении после регистрации первой голограммы, восстановление голограммы, формирование интерференционной картины и определение оптических характеристик объекта путем анализа интерференционной картины [2] Наиболее близким к предлагаемому является голографический способ, включающий последовательное пропускание через исследуемый объект при двух различных состояниях его или через эталонный и исследуемый объекты когерентной световой волны, регистрацию двух голограмм, каждую из которых регистрируют с помощью своей опорной волны, которые разделены пространственно и имеют состояние поляризации, соответствующее состоянию поляризации объектной волны, восстановление голограмм с помощью тех же опорных волн, плоскости поляризации которых совмещают, анализ суммарной восстановленной волны путем использования гетеродинного метода [3] Однако известные способы не обеспечивают зависимость поляризационных характеристик световой волны от оптических характеристик прозрачных объектов /например, от разности показателей преломления эталонного и исследуемого объектов или от величины изменения показателя преломления исследуемого объекта в результате каких-то процессов/.

Сущность изобретения заключается в том, что для обеспечения зависимости поляризационных характеристик световой волны от разности показателей преломления эталонного и исследуемого объектов в заявляемом голографическом способе определения оптических характеристик прозрачных объектов, включающем последовательное пропускание когерентной световой волны через эталонный и исследуемый объекты или через исследуемый объект при двух различных состояниях, регистрацию двух голограмм, каждую из которых регистрируют с помощью своей опорной волны, которые разделены пространственно и имеют состояние поляризации, соответствующее состоянию поляризации объектных волн, восстановление голограмм с помощью тех же опорных волн и анализ суммарной восстановленной волны, отличием является то, что перед восстановлением голограмм волны поляризуют в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, восстановленные волны преобразуют в циркулярно поляризованные с противоположным направлением вращения электрического вектора, измеряют величины и направления углов поворота плоскости поляризации суммарной восстановленной волны, по которым и судят об оптических характеристиках исследуемого объекта.

Изобретение осуществляют следующим образом.

Амплитуды линейно и взаимно ортогонально поляризованных волн, прошедших через эталонный и исследуемый объекты, можно записать следующим образом: где β угол наклона плоскости колебаний волны, прошедшей через эталонный объект, к оси Ох в выбранной системе координат; v₁(x,y,z), ϕ₂(x,y,z)- функции распределения фаз, причем где n₁, n₂ показатели преломления эталонного и исследуемого объектов; l длина пути света в объектах.

При диагональном расположении плоскостей поляризации этих волн к осям координат, т.е. при β = 45°, и равных амплитудах выражения (1) упрощаются:
где
Далее последовательно регистрируют голограммы этих волн на одну фотопластинку. Каждую голограмму регистрируют со своей соответствующим образом поляризованной опорной волной, которые пространство разделены. После восстановления полученных голограмм теми же опорными волнами, восстановленные волны будут иметь вид (3). Эти волны не формируют интерференционной картины, т. к. они взаимно ортогонально поляризованы. Преобразование волн (3) в циркулярно поляризованные с противоположным направлением вращения электрического вектора осуществляют путем внесения фазового сдвига в одну из ортогональных компонент каждой волны. Это делают путем пропускания волн через кристаллическую пластинку , расположенную диагонально. После прохождения через пластинку волны имеют вид:

Это уравнения циркулярно поляризованных волн, причем волна, прошедшая через эталонный объект, имеет правое направление вращения, а волна, прошедшая через исследуемый объект левое. Поскольку амплитуды колебаний этих волн одинаковы, в сумме они дадут линейно поляризованный свет, направление колебаний которого определяется функцией разности фаз:

Следовательно, изменение разности показателей преломления исследуемого и эталонного объектов по сечению объекта сопровождается поворотом плоскости поляризации результирующей линейно поляризованной волны. Измерение угла поворота плоскости поляризации осуществляют с помощью поляризатора, который называют анализатором. Распределение комплексных амплитуд после анализатора имеет вид:

где α угол поворота анализатора, отсчитываемый от вертикальной оси координат в направлении против часовой стрелки.

Соответствующее распределение интенсивности равно:

В том случае, когда угол поворота анализатора совпадает с углом поворота плоскости поляризации суммарной волны, I I_max.

За анализатором, в плоскости изображения, наблюдается чередование темных и светлых полос, описываемое выражением (7). Для светлых полос I I_max при .

Тогда

где Δn = n₂-n₁.

Выражение (8) позволяет однозначно определять распределение интегральной разности показателей преломления эталонного и исследуемого объектов. Пусть, например, для получения в исходной точке с координатами x₁, y₁ максимальной интенсивности анализатор повернут на угол α₁ (x₁, y₁). Для определения величины и знака приращения интегральной разности показателей преломления в анализируемой точке с координатами x₂, y₂ необходимо повернуть анализатор таким образом, чтобы значение I_max переместилось в анализируемую точку. Анализатор при этом развернется на угол Δα(x,y) = α(x₂y₂)-α(x₁y₁). Зная Δα и используя (8), получим:

где .

Используя выражение (9), легко определять величину и знак приращения интегральной разности показателей преломления в любой анализируемой точке изображения объекта относительно исходной точки. Таким образом, однозначно восстанавливается распределение показателя преломления по сечению исследуемого объекта и повышается пространственное разрешение, поскольку измерения проводятся не только в точках максимальной интенсивности, а в любых точках объекта.

В приближении фазовых объектов, при отсутствии изменений показателя преломления вдоль оси Oz, выражение (9) принимает вид:

Угол поворота анализатора по часовой стрелке считаем положительным, а против отрицательным. Для определения знака в (9) и (10) необходимо иметь предварительную информацию о направлениях вращения плоскостей поляризации восстановленных волн, прошедших через пластинку . Эти направления вращения задаются элементами схемы используемого интерферометра. В нашем случае согласно (4) в выражениях (9) и (10) необходимо поставить знак "минус". Например, если для перемещения в анализируемую точку с координатами x₂, y₂ такого же значения интенсивности, которое было в исходной точке с координатами x₁, y₁, анализатор необходимо повернуть по часовой стрелке, т.е. Δα > 0. то согласно (10) или (9) приращение разности показателя преломления имеет знак "минус", т. е. разность показателей преломления исследуемого и эталонного объектов в анализируемой точке 2 меньше, чем в исходной точке 1.

В качестве примера рассмотрим реализацию данного способа с помощью устройства, принципиальная схема которого представлена на чертеже.

Устройство содержит источник когерентного линейно поляризованного излучения 1, светоделители 2, 4, кристаллические пластинки , зеркала 5, 6, экран 7, голографическую фотопластинку 8, анализатор 10 и устройство регистрации 11, например, телевизионную камеру.

Устройство работает следующим образом.

Через эталонный объект O пропускают линейно поляризованную когерентную волну от источника 1. Записывают голограмму этой волны на голографическую фотопластинку 8 с помощью опорной волны, сформированной зеркалом 5, а другую опорную волну перекрывают экраном 7. Полуволновую пластинку 3 при этом поворачивают таким образом, чтобы она не изменяла состояние поляризации проходящей волны. После этого вместо эталонного объекта O устанавливают исследуемый объект, с помощью экрана 7 перекрывают другую опорную волну, сформированную зеркалом 5, а пластинку поворачивают таким образом, чтобы ее главные направления располагались под углом 45^o к плоскости колебаний проходящей волны. При этом плоскость колебаний прошедшей волны поворачивается на 90^o. Записывают вторую голограмму на ту же пластинку 8. После обработки, пластинку 8, помещенную в то же самое место, восстанавливают одновременно двумя опорными волнами, имеющими взаимно перпендикулярное направление колебаний (экран 7 убирают, главные направления пластинки под углом 45^o к плоскости колебаний прошедшей волны). Восстановленные волны пропускают через пластинку , установленную диагонально, в результате чего линейно поляризованные волны, имеющие взаимно перпендикулярные плоскости колебаний, превращаются в циркулярно поляризованные с противоположным направлением вращения электрического вектора. Регистрируют полученное распределение интенсивности с помощью устройства регистрации 11, а величину и направление угла поворота плоскости поляризации результирующей волны в анализируемых точках объекта измеряют с помощью анализатора 10. По результатам измерений однозначно определяют с помощью формулы (9) или (10) искомое распределение показателя преломления.

Формула изобретения

Голографический способ определения оптических характеристик прозрачных объектов, включающий последовательное пропускание когерентной световой волны через эталонный и исследуемый объекты, регистрацию двух голограмм, каждую из которых регистрируют с помощью своей опорной волны, причем эти опорные волны разделены пространственно, восстановление голограмм с помощью тех же опорных волн и анализ суммарной восстановленной волны, отличающийся тем, что перед восстановлением голограмм опорные волны линейно и взаимно ортогонально поляризуют, восстановленные волны преобразуют в циркулярно-поляризованные с протиположным направлением вращения электрического вектора, измеряют величины и направления углов поворота плоскости поляризации суммарной восстановленной волны, по которым судят об оптических характеристиках исследуемого объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1