Динамическая голография. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Динамическая голография - область голографии, в к-рой рассматриваются преобразования когерентных волн (пучков), происходящие в самом процессе их записи. В обычной (статич.) голографии процесс записи приводит к возникновению в регистрирующей среде скрытого изображения, не влияющего на записывающие пучки. Лишь после проявления среда приобретает свойства голограммы ,изменяющей параметры проходящего через неё считывающего пучка. Это позволяет восстанавливать записанные изображения неподвижных стационарных объектов. В Д. г. в качестве регистрирующих сред используются вещества, в к-рых запись изображения [т. е. изменение показателя преломления n и (или) коэф. поглощения

в соответствии с распределением интенсивности интерференционной картины] происходит непосредственно под воздействием записываемого пучка без проявления. Поэтому записывающие пучки испытывают изменения, вызванные создаваемой (записываемой) ими же голограммой (обратная связь). Процессы записи и считывания происходят одновременно и взаимосвязанно, что обусловливает преобразование первичных волн - осн. содержание Д. г.

T. о., Д. г. основана на взаимодействии неск. когерентных волн, возникающем при их прохождении через нелинейную среду из-за обратной связи между записывающими волнами и записываемой ими голограммой. Время образования динамич. голограммы определяется быстротой отклика регистрирующей среды и интенсивностью записывающих пучков. Поэтому обратная связь является запаздывающей. Информация, содержащаяся в нек-рый момент времени в падающих пучках (в виде распределения интенсивности в интерференционной картине), определяет структуру голограммы, от к-рой зависят изменения волн в последующие моменты времени. Использование различных регистрирующих сред и схем записи позволяет реализовать разнообразные преобразования волн.

Характер преобразования зависит также от реверсивных свойств среды (способности возвращаться в исходное состояние). Времена спонтанной релаксации записываемого изображения

в разл. средах изменяются в широких пределах - от практически безынерционной релаксации (

порядка периода световой волны 10^-15 с) до измеряемой годами. При достаточно больших

возможна вынужденная релаксация - восстановление исходных оптич. параметров среды светом, нагревом и т. д.

Простейшая схема Д. г.- двухволновая: 2 когерентных пучка пересекаются в нелинейной среде, падая с одной или разных сторон под одинаковыми углами к её поверхности. Создаваемая ими интерференционная картина записывается в среде в виде периодич. структуры (решётки), на к-рой эти же пучки дифрагируют (самодифракция). Это приводит к изменениям параметров пучков, поэтому записываемая решётка также изменяется по глубине регистрирующей среды. Для Д. г. важны среды с изменяющимся под действием света показателем преломления n. Самодифракция 2 стационарных пучков в такой среде при совпадении экстремумов записываемой решётки (показателя преломления) и записывающего интерференционного поля не приводит к изменениям их амплитуд, т. е. к перераспределению интенсивностей пучков, но изменяет их разность фаз

(среда с локальным откликом). Если решётка сдвинута по фазе относительно интерференционного поля на угол, не кратный

, то изменяются амплитуды, т. е. интенсивности волн (среда с нелокальным откликом). При этом происходит "перекачка" энергии между волнами. Макс. перекачка соответствует рассогласованию решёток показателя преломления и интенсивности интерференционного поля на угол

(сдвиговая четвертьволновая голограмма); при этом

. Одноврем. преобразование амплитуд и фаз при самодифракции 2 волн в среде с локальным откликом возникает либо в нестационарном режиме, либо в случае тонкой решётки в результате появления высших порядков дифракции.

При использовании более чем 2 записывающих пучков с разл. направлениями распространения и волновыми фронтами динамич. голограмма представляет собой суперпозицию дифракц. решёток, приводящих к разл. перераспределениям интенсивностей и фаз взаимодействующих волн.

Д. г. нестационарных волн. Д. г. позволяет осуществить для нестационарных волн ("в реальном времени") след. преобразования, известные в статич. голографии: сложение и вычитание общих деталей разл. объектов, "свёртку" изображений, их "оконтуривание", обращение волнового фронта и др. Ряд преобразований специфичен только для Д. г.: изменение параметров модуляции световых сигналов, сокращение длительности светового импульса, получение гистерезисных (бистабильных) зависимостей между интенсивностями выходящего и записывающих пучков и др.

Процессы, лежащие в основе Д. г., можно разделить на 2 типа. Один определяется нелинейной поляризуемостью атомов и молекул среды в поле световой волны, проявляющейся практически во всех материалах при достаточно высокой интенсивности светового поля. В этом случае прохождение неоднородного пучка через однородную среду определяется зависимостью п от амплитуды волны (см. Нелинейная оптика ).Инерционность процесса, определяемая временем релаксации поляризации атомов и молекул среды, мала

Второй тип процессов связан с поглощением света, к-рое приводит к образованию в среде разл. элементарных возбуждений (квазичастиц) - возбуждённых состояний атомов, электронов проводимости и дырок, экситонов (в неметаллич. кристаллах), фононов и т. п. Это означает изменение п и

. Вследствие миграции квазичастиц в среде происходит также изменение пространственного распределения п и

. Характер преобразования пучков в этом случае определяется свойствами квазичастиц, вид к-рых можно варьировать выбором частоты волн. Инерционность процессов записи и стирания определяется наименьшим из времён жизни квазичастиц и их диффузионно-дрейфовым перемещением на расстояния порядка периода интерференционной картины.

Если элементарные возбуждения, возникающие под действием света,- электроны и дырки, то неоднородное освещение вызывает их неравномерную в пространстве генерацию, а диффузия обусловливает перераспределение электрич. заряда в среде. Вследствие этого возникает электрич. поле

, изменяющееся в пространстве (

- пространственная координата) в соответствии с распределением интенсивности света в интерференционной картине. В кристаллах без центра симметрии (см. Симметрия кристаллов)изменение п пропорц. полю E: (линейный электрооптич. эффект; см. Электрооптика ).В этом случае положения максимумов плотности заряда, совпадающие обычно с положениями максимумов интенсивности интерференционной картины

, сдвинуты по фазе относительно максимумов

на

(нелокальность отклика среды).

При неоднородном освещении среды может возникнуть неоднородное поле упругих напряжений, вызывающее изменение п. Упругие напряжения могут быть обусловлены воздействием электрич. поля (см. Пьезоэлектрики)или - при высоких интенсивностях света - непосредственно деформацией среды под действием света (см. Пъезооптический эффект, Фотоупругостъ).

Неоднородное освещение среды может приводить также к неоднородной генерации фононов, т. е. к неоднородному нагреву, а вследствие этого из-за зависимости n от температуры к записи т. н. тепловой голограммы. Возможна также запись, обусловленная появлением упругих напряжений среды при неоднородной нагреве. В пироэлектриках неравномерный нагрев вызывает возникновение неоднородного электрич. поля, к-рое приводит к записи голограммы.

Пространственно модулированная фотогенерация носителей заряда или экситонов также позволяет записать изображения, т. к. изменение показателя преломления, обусловленное электронами и дырками, пропорционально их концентрации.

Регистрирующие среды. Хотя любой материал может служить регистрирующей средой при достаточно высокой интенсивности записываемых световых пучков, интерес представляют вещества, обладающие высокой фоточувствительностью в задаваемом диапазоне частот, определённой реверсивностью (малоинерционной для преобразования быстропеременных волн или инерционной для преобразований с памятью), позволяющие управлять характером преобразований с помощью внеш. воздействий (электрич. и магн. полей, изменения температуры, давления и т. п.).

В Д. г. нашли применение кристаллич. сегнетоэлектрики с линейным эл--оптич. эффектом (ниобат и танталат лития, силенит). Характерные времена релаксации в них 10^-2-10² с. С помощью внеш. электрич. поля удаётся уменьшить t_р и изменить характер преобразования пучков. В полупроводниках (кристаллах Si) запись определяется фотогенерацией электронно-дырочных пар (межзонные переходы,

~10^-6 с). При высоких уровнях возбуждения достигаются

~5*10^-9 с. Динамич. голограммы записывались в полупроводниках (CdS, CdSe, CdTe, GaAs, IP, ZnO, SiC). Минимальное

~10^-12 с достигнуто при внутризонных переходах.

Перспективны разл. газы и пары, напр. запись амплитудно-фазовых динамич. голограмм осуществлена в парах щелочных металлов в области полос резонансного поглощения.

Практическое применение. На основе динамич. голографич. преобразований создаются логич. элементы ЭВМ с быстродействием до 10^-12 с, системы оперативной памяти (см. Запоминающие голографические устройства ),управляемые транспаранты, оптич. реле, ответвители и др. устройства оптоэлектроники и интегральной оптики, т.н. голографич. лазеры (квантовые усилители и генераторы, использующие накачку на частоте генерации), различные системы оптических корреляторов, служащих для голографического распознавания образов, приборы для исследования быстропеременных процессов и т. д.

Литература по динамической голографии

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.