Введение к работе
Актуальность темы
Диссертация посвящена вопросам развития техники записи тонких
(плоских) динамических голограмм, записываемых в различных средах, и
прежде всего в тонких слоях жидких кристаллов (ЖК). Наиболее удобным
для этой цели вариантом таких ЖК устройств являются т.н. ЖК
пространственные модуляторы света - ЖК ПМС, в которых могут быть
записаны эффективные тонкие динамические голограммы,
перезаписываемые с частотами в десятки и сотни Гц.
Основной областью применения результатов, полученных в ходе данной диссертации является коррекция аберраций в телескопических системах. Одной из классических задач оптики является задача получения высокого - близкого к дифракционному пределу разрешения - качества изображения в оптическом телескопе. Разрешающая способность идеального телескопа определяется отношением длины волны используемого излучения к диаметру входного зрачка. Однако, чем больше диаметр входного зрачка, чем больше оптическая деталь, тем она тяжелее, тем её сложнее изготовить, тем больше влияние динамических, механических, тепловых и прочих нагрузок. Традиционное решение этой задачи, основанное на применении различных технологических приемов изготовления высококачественных зеркал и систем их разгрузки, достигает своего предела при диаметре главного зеркала (ГЗ) телескопа 2-3 м
В наше время, в стремлении преодолеть искажения вносимые атмосферой, были изготовлены телескопы для работы на борту космических аппаратов. Существует ряд задач в областях внеатмосферной наблюдательной астрономии, создания внеатмосферных систем наблюдения поверхности Земли, создания крупногабаритных поверочных коллиматоров, а также формирования направленных лазерных пучков, где требуется получать дифракционное разрешение на значительно больших апертурах. В
связи с этим возникли методы коррекции искажений, именуемые методами линейной адаптивной оптики. Они основаны на использовании сложных измерительных средств, механических и электронных устройств. При помощи таких методов можно корректировать как искажения, вносимые погрешностями оптических элементов, так и вызванные турбулентностью атмосферы или вибрациями. Прогресс, достигнутый в ходе их разработки достаточно велик, но основные недостатки этих методов остаются неизменными: высокая сложность в изготовлении, ограничение по быстродействию, и дороговизна.
Наряду с методами линейной адаптивной оптики, задача коррекции искажений в телескопических системах может быть решена при использовании нелинейно-оптических методов, гораздо более дешёвых и быстродействующих, в том числе при использовании методов динамической голографии. Техника нелинейно-оптической адаптивной коррекции искажений в изображающих оптических системах основывается как на достижениях классической оптотехники и линейно-адаптивной оптики, так и на больших достижениях в области голографии (статической и динамической) и связанной с нею техники обращения волнового фронта (ОВФ). Соединение этих подходов позволило создать новый класс оптических систем - оптические телескопы с коррекцией искажений за счет применения ОВФ и динамической голографии. Были созданы ЖК элементы нового поколения, обеспечивающие запись в видимом спектральном диапазоне эффективных тонких динамических голограмм, свободных от ограничений, связанных со спектральной и угловой селективностью. Такие голограммы могут применяться не только для решения задач адаптивной оптики, но и задач передачи и обработки информации, создания голографических дисплеев, интерферометрии (включая интерферометрию наноразмерных объектов) и т.д.
Однако в процессе этих исследований были выявлены и определенные
недостатки и ограничения, связанные с использованием тонких
динамических голограмм вообще и их записи в ЖК ПМС в частности. К ним относятся потери световой энергии из-за ограниченной дифракционной эффективности тонких голограмм, сложности, связанные с необходимостью построения вспомогательных интерферометрических и ретрансляционных оптических схем, необходимых для реализации классической схемы «прямой» записи динамических голограмм как картины интерференции двух световых волн и ограниченный спектральный диапазон применимости указанной техники.
Изучению возможности преодоления указанных недостатков и ограничений с помощью модификации схем записи голограмм за счет применения дополнительной трансформации записывающих пучков («непрямая» запись голограмм) и посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель работы и задачи исследования
Целью настоящей работы было изучение возможностей записи тонких динамических голограмм за счет расширения спектрального диапазона записи и считывания, увеличения энергетической (дифракционной) эффективности, упрощения и удешевления схемотехники построения таких систем. Для ее достижения решались следующие задачи:
Исследование систем голографической записи с телевизионным и компьютерным переносом интерферометрической информации.
Исследование схем двух длинноволновой динамической голографии.
Исследование путей повышения дифракционной эффективности тонких динамических голограмм за счет асимметризации их фазового профиля.
Объект и методы исследований, достоверность результатов
Объектом исследования служили тонкие динамические (перезаписываемые) голограммы, записываемые, в частности, в тонком слое
жидкого кристалла в различных электрооптических устройствах
(пространственных модуляторах). Основные методы исследований -теоретические аналитические и численные методы решения задач моделирования электрооптических устройств с жидкими кристаллами и оптоэлектронных интерферометрических схем для записи и перезаписи тонких динамических голограмм. Достоверность полученных данных подтверждалась сравнением с лабораторными (в некоторых случаях -численными) экспериментами, а также с экспериментами других авторов.
Научная новизна работы
Впервые предложена и реализована в эксперименте динамическая голографическая коррекция в ИК диапазоне с применением жидкокристаллического пространственного модулятора света, адресуемого видимым излучением. Для этой цели впервые применен двухдлинноволновый динамический голографический конвертер масштаба искажений.
Впервые предложена и реализована в эксперименте в реальном времени динамическая голографическая коррекция (компенсация) искажений с применением ОА ЖК ПМС и телевизионно-компьютерного переноса интерферометрической информации с записью корректора некогерентным вспомогательным излучением. Показана применимость такой схемы для произвольного спектрального диапазона корректируемого пучка излучения.
Впервые теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность цифровой асимметризации профиля картины интерференции двух пучков с применением оптимального алгоритма, основанного на использовании сугубо локальной информации.
Впервые предложена и реализована в эксперименте динамическая асимметризация профиля картины интерференции двух пучков в аналоговом нелинейном интерферометре с применением оптически и
электрически адресуемых ЖК ПМС.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные в ней, теоретически обоснованные и экспериментально апробированные схемы записи и перезаписи тонких динамических голографических корректоров существенно расширяют область их применимости на ранее недоступные спектральные диапазоны, упрощают схемные решения соответствующих оптических систем и снижают присущие им потери световой энергии. Результаты работы также важны и для других областей применения динамических голограмм, включая хранение, передачу, преобразование и отображение информации, голографическую интерферометрию и другие области физической и прикладной оптики.
Применение методов двухдлинноволновой динамической голографии открывает возможность голографической коррекции в ближнем и среднем ИК-диапазонах спектра, а также к расширению масштаба искажений, измеряемых в режиме реального времени с помощью двухлучевого интерферометра.
Применение телевизионной передачи интерферометрической информации существенно упрощает оптическую схему записи голографического корректора, а также открывает возможность голографической коррекции с помощью оптически адресуемых корректоров в спектральных диапазонах, где их прямая запись невозможна.
Цифровая и аналоговая асимметризация профиля интерференционной картины в режиме реального времени позволяют осуществлять высокоэффективную динамическую голографическую коррекцию с помощью тонких динамических голограмм.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Двухдлинноволновая динамическая голография обеспечивает запись динамических голографических корректоров на синтезированной длине
волны в ближнем и среднем ПК диапазонах.
Двухдлинноволновая динамическая голография обеспечивает произвольное масштабирование искажений волнового фронта, позволяя тем самым оптимизировать объем обрабатываемой информации при интерферометрии реального времени, а также расширить глубину искажений, корректируемых за счет применения аналогового фазового корректора, записываемого с применением петли оптической обратной связи.
Телевизионный (телевизионно-компьютерный) перенос интерферо-метрической информации обеспечивает запись динамических голографических корректоров и ОВФ-зеркал, которые обеспечивают коррекцию искажений в спектральных областях, недоступных прямой записи голографических корректоров, а также при использовании взаимно некогерентных и несинхронных лазеров, используемых для записи и восстановления корректоров.
Существует процедура сугубо локального (поточечного) преобразования интерферометрической информации, обеспечивающая динамическую цифровую асимметризацию интерференционной картины.
Аналоговая асимметризация интерференционной картины, записываемой в динамическом голографическом корректоре, может быть обеспечена с применением петли оптической обратной связи. Телевизионно-компьютерное замыкание такой петли существенно упрощает ее схемное решение и исключает возникновение гистерезисных явлений, связанных с динамической перезаписью голографической решетки в ЖК-устройствах.
Асимметризация голографической решетки, записываемой в ЖК-устройстве с использованием S-эффекта в нематическом ЖК, может осуществляться за счет деформации профиля электрической поляризации кристалла в сильно неоднородном по поперечному сечению электрическом поле в сочетании с ненулевым наклона директора по
отношению к подложке в отсутствие ПОЛЯ.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на ряде международных конференций и семинаров, в т.ч.: на 9, 10, 11, 12, 13 и 14-ой международных конференциях «Оптика Лазеров - 98, 2000, 2003, 2006, 2008 и 2010», Ст.-Петербург, июнь 1998, 2000, 2003, 2006, 2008 и 2010 гг.; at 1st (Denver, Со, USA, 1999), 2nd (San-Diego, Ca, USA, 2000), 3rd (San-Diego, Ca, USA, 2001), 4th (Seattle, Ws, USA, 2002) Conferences on High-Resolution Wavefront Control: Methods, Devices, and Applications; at 7th International Conference on Ferroelectric Liquid Crystals, Darmschtat, Germany, 1999; at European Conference of Liquid Crystals 99, Hersonissos, Crete, Greece, 1999; at 2nd (London, Great Britain, 1997) and 5th (Agia Pelagia, Greece, 2002) Conferences on Optics in Atmospheric Propagation and Adaptive Systems V); at 1st (Santa Fe, NM, USA, 1998), 2nd (Santa Fe, NM, USA, 2000) and 3rd (Taos, NM, USA, 2002) High-Power Laser Ablation Conferences; at 13th (Florence, Italy, 2001), 14th (Wroclaw, Poland, 2003) 15th (Prague, Czech Repiblic, 2005) International Symposia on Gas Flow, Chemical Lasers, and High-Power Lasers; at 2nd (Durham, Great Britain, 1999), 3rd (Albuquerque, NM, USA, 2001), 5th (Beijing, China, 2005), 7th (Шатура, Моск.обл., Россия, 2009) and 8th (Murcia, Spain, 2011) International Workshops on Adaptive Optics for Industry and Medicine; at 1st Conference "Holography: Advances in Classical Holography and Modern Trends", Prague, Czech Repiblic, 2009; и на ряде других международных конференций, проводившихся в период с 1997 по 2011 гг.
Публикации
Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 11 статьях, среди которых 10 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в действующий перечне ВАК. Результаты работы также были доложены и получили одобрение на многочисленных международных конференциях и семинарах,
перечисленных выше.
Личный вклад
Все результаты, представленные в данной диссертационной работе, получены автором лично или под его руководством.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 203 наименования. Основная часть работы изложена на 287 страницах машинописного текста. Работа содержит 109 рисунков.