DE2133507A1

DE2133507A1 - Verfahren fur holographische Inter ferometrie

Info

Publication number: DE2133507A1
Application number: DE19712133507
Authority: DE
Inventors: Johannes Petrus Eindhoven Woerdman (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-07-14
Filing date: 1971-07-06
Publication date: 1972-01-20
Also published as: US3717415A; FR2098396B1; GB1361251A; NL7010378A; FR2098396A1

Description

Dr. IIerbert Seholi PHN . 50 15 ■

Patentanwalt

Anmelder: N. Y. Philips'Gloeilampenfabrieken Va / WJM.

Akia No. PHlT- 5015
AnmeWun-j vr.,,11 5 _# JuIi 1971

Verfahren für holographische Interferometrie.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für

holographische Interferometrie, bei dem von einem Gegenstand zu einem ersten Zeitpunkt ein Hologramm hergestellt wird, J

welches Hologramm zu einem zweiten Zeitpunkt derart rekonstruiert wird, dass an der ursprünglichen Stelle de« Gegenstandes ein Bild dieses Gegenstandes erhalten wird, welches Bild mit dem Gegenstand selber zu dem zweiten Zeitpunkt verglichen wird. Die PJrfindung bezieht sich weiterhin auf eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren ist aus dem Ar· tike L "Theory of Holographie Interferometry" in "Journal of the Acoustical Society of America", h%, Nr. 5, I969» S. II78 und 1179 bekannt. Nach dem in diesem Artikel beschriebenen

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Verfahren wird ein Hologramm in einer pho tographischeii Emulsion hergestellt. Bevor das Hologramm rekonstruiert werden kann, muss die photographische Emulsion entwickelt werden.

Ausser der Entwicklungszeit, die etwa 10 Sekunden beträgt, wird auch noch eine'gewisse Zeit benötigt, um die Hologrammplatte aus ihrer Lage zu entfernen und nach Entwicklung wieder in ihre ursprüngliche Lage zurückzuführen. Durch das bekannte Verfahren kann daher nur die Änderung eines Gegenstandes über eine verhältnismässig lange Zeit betrachtet werden. Überdies muss die entwickelte Hologranimplat te genau in die ursprüngliche Lage gesetzt werden, was eine grosse Genauigkeit erfordert*

Die Erfindung hat den Zweck, ein Verfahren zu

schaffen, durch das ein Gegenstand zu zwei einander sehr nahe liegenden Zeitpunkten mit sichselbst verglichen werden kann, Das Verfahren nach der Erfindung'ist dadurch gekennzeichnet, dass das Hologramm unmittelbar durch optische Änderungen in einem nicht-linearen optischen Medium hergestellt wird, und dass das Hologramm nach sehr kurzer 'Zelt rekonstruiert wird. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass nichtlineare optische Materialien, wie photochromatische Materialien und IlaLbLeitermatörialien, sich besonders gut zur schnellen Speicherung von Hologrammen eignen. Das durch das Gegenstand« bündel vmd das mit diesem zusammenwirkende Referenzbündel gebildete Interferenzmustor führt in den erwähnten Materialien eine räumliche Modulation des Absorptions- oder Brechungsindexes herbei. Der Absorptloilsindox k wird durch die Formel

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k _ ο λ gegeben, in welcher Formel ^Λ den Absorptionskoeffizienten und λ die Wellenlänge der verwendeten Strahlung darstellt. Die räumliche Modulation der Indizes bleibt einige Zeit bestehen, nachdem die interferierenden Bündel verschwunden sindi Das Hologramm ist sofort verfügbar, ohne dass zunächst eine Entwicklung zu erfolgen braucht, und es kann gleich rekonstruiert werden. Ausserdem nimmt dieses Hologramm automatisch die richtige Lage ein. A

Vorzugsweise wird bei dem Verfahren nach der

Erfindung dadurch ein Phasenhologramm erhalten, dass in einem Halbleitermaterial eine räumliche Modulation des Brechungsindexes herbeigeführt wird. Der Beugungswirkungsgrad eines Phasenhologramms ist theoretisch grosser als der eines Volumenhologramms, Das in einem Halbleitermaterial hergestellte Hologramm hat eine besonders kurze Lebensdauer, wodurch Hologramme schnell nacheinander aufgezeichnet und abgebildet werden können.

Nach einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäs- ™ sen Verfahrens wird das Hologramm in Silizium aufgenommen und mit Hilfe von Infrarotstrahlung hergestellt und rekonstruiert. Es sei bemerkt, dass es aus "Physics Letters", Heft 30 A, Nr. 3, S. ~\6h - 165, bekannt ist, Silizium als Medium zur Aufzeichnung des Musters zweier interferierender Bündel zu verwenden. Dabei wird jedoch nicht die Möglichkeit benutzt, schnell ein Interferenzmuster aufzuzeichnen*

Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung, die eine Quelle kohärenter Strahlung und

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eine- Platte aus einem zur Aufzeichnung eines Hologramms ge*- eigneten Material enthält, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle kohärenter Strahlung eine Laserquelle ist, welche Quelle Strahlung in sehr kurzen Zeitimpulsen emittit?rt. :

Nach einem weiteren Merkmal ist in der Vorrichtung nach der Erfindung in dem Weg des bei der Aufzeichnung des Hologramms als Referenzbündel dienenden Strahlungsbündels auf der von dem Gegenstand abgekehrten Seite der Hologrammplatte ein reflektierendes Element angebracht. Mit Hilfe des reflektierten Referenzbtindels wird das Hologramm an der ur- ^:. sprünglichen Stelle des Gegenstandes rekonstruiert.

Vorzugsweise ist dabei die Lage des reflektierenden Elements einstellbar. Dadurch kann die Verzögerungszelt für die Rekonstruktion des Hologramms eingestellt werden.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise

an Hand der Zeichnung näher erläutert, die eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach der Erfindung zeigt.

Das von der Laserquelle 1 emittierte und durch die X /4-Platte 2 hindurchgehende Strahlungebtindel 3 wird von dem Teilspiegel k in ein Gegenstandsbündel 5 und ein Referenzbündel 6 gespaltet. In dem Weg des Bündels 5 ist ein Phasenobjekt V angeordnet. Dieser Gegenstand kann z.B. ein Plasma sein_f in dem schnelle Änderungen auftreten; er kann auch ein Gegenstand mit sich schnell ändernden Konturen sein. Auch kann er durch einen Gegenstand gebildet werden, der um eine bestimmte Achse gedreht wird, oder der eine Verschiebung

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quer zu der Richtung dea Bündels 5 vollführt. Das durch den Gegenstand V hindurchgehende Strahlungsbündel wird von einer Sl.LLzLuinplnb to 7 aufgefangen. Das Referenzbündel 6 wird vom SpiBijuL β rofiokblerb und fällt ebenfalls auf die Silizium» platte« An dor StoLlo der Platte wird ein Interferenzmuster erhalten,

DLb Laserquelle 1 emittiert Strahlung mit einer

derartigen Ve Llenlängen dass die Energie der S-trahlungsquan- J ten (h & ) etwas grosser als die Energie ist, die benötigt wird, um in dem Silizium Elektronen von dom Valenzband auf das Leitungsband au übertragen. Zu diesem Zweck wird ein Nd-Lasor vurvsondob. Die Energie der Strahlungsquanten hV Ist dann 1,17 eV, während der Bandabstand von Silizium bei 300° K 1,11 oV Lat, DLo auf dna Silizium auffallende Strahlung erzeugt Löcher-Elektronenpaare.

Das optische Interferenzmuster wird in ein entsprechendes räumliches Muster von Löchern und Elektronen um-

gewandelt, Infolge der Dispersion der freien Ladungsträger wird der Brechungsindex der Siliziumplatte räumlich gemäss dem Intyrferenzmuster moduliert· Ein durch die Siliziumplatte hindurchgeschlcktes Laserbündel wird abgelenkt, so dass ein virtualIna und ein reelles Bild des Gegenstandes erhalten werden.

Das Ruferenzbünd»L 6 wird nach Durchgang durch die DlLLtfluiuplatte 7 von dom HplofjoL 9 reflektiert und pausiert dann wiuier dio f> 1. llzluniplab te» Dabei ulrd ilau reflok-^H*rt· BHndol 6' teilweise abgelenkt. Das abgelenkt· Teil»

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BAD ORIGINAL

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bündel 6" hat die gleiche Richtung wie das Gegenstandsbündel 5# Das in der Sillzlumplatfce gespeicherte Hologramm wird an der ursprünglichen Stolle des Gegenstandes V rekonstruiert. Dia Laserquelle 1 emittiert Strahlungsimpulse sehr kurzer Dauer (von z,B, IO NanoSekunden). Wenn zu dem Zeitpunkt t = fc ein Impuls emittiert wird, wird der Zustand des Gegenstandes zu diesem Zeitpunkt holographisch in der Siliziumplatte festgelegt. Der Strahlungsimpuls des Referenzbündels 6 pflanzt sich hinter der Siliziumplatte über einen Abstand L fort und wird dann reflektiert. Nachdem der Impuls des reflektierten Referenzbundeis 6* einen Abstand L zurückgelegt hat, wird das Hologramm rekonstruiert. Die Rekonstruktion des Hologramm;} erfolgt also JiL Sekunden nach der Her-

stellung des Hologramms» Dabei stellt c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der verwendeten Strahlung dar. Auf diese Welse wird die Durchlässigkeit T eines Punktes χ des Gegenstandes zu dem Zeitpunkt t = t + 2L₁ oder T(x, t + 2L) mit der

c c

Durchlässigkeit zu t = t oder T(x, t ) verglichen.

Durch Verschiebung des Spiegels 9 in bezug auf

die Siliziumplatte kann die Zeit 2L variiert werden. Dabei

c
muss stets die Dauer der Laserimpulse viel kürzer als die

Verzögerungsaeit 2L sein. Der Abstand L ist gross im Vergleich

c
zu den anderen Abständen in der Vorrichtung, wie dem Abstand

zwischen Laserquelle und Siliziumplatte.

Wenn der !Gegenstand V im Zeltintervall 2_L sich

c nicht ßottnilert hat, wird die Wellonfront des den Gegenstand

rekonstruierenden ρ'Ιτη!*»¹ «ι 6" duvrh Βοή

BAD ORIGIMAL

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In ein flaches paralleles Bündel 10 umgewandelt. Wenn jedoch der Gegenstand im Zeitintervall 2L sich wohl geändert hat, ist

das durch den Gegenstand hindurchgehende Bündel 10 ein modifiziertes flaches Bündel, das annahmeweise dadurch gebildet werden kann, dass ein flaches paralleles Bündel durch den "Differenz-Gegenstand" T(x, t_Q)-T(x, t_Q+2_L ) hindurchgeschickt

c wird. Das Bündel 10 enthält dann alle Information über die

Änderungen, die im Zeitintervall 2_L in dem Gegenstand stattg·*-) A

funden haben.

Von dem halbdurchlässigen Spiegel 11 wird das

Bündel 10 zu der Linse 12 reflektiert, welche Insel den "Differenz-Gegenstand" auf dem Schirm S abbildet. Zur weiteren Verarbeitung des phasenmodulierten Bündels können bekannte Techniken angewendet werden. So kann z.B. eine absorbierende Platte 13 in der hinteren Brennebene der Linse 12 angeordnet werden, um zu verhindern, dass Strahlung der nullten Beugungsordnung auf den Schirm S auffällt. Dadurch, dass der Schirm

S in einiger Entfernung von der Abbildungsfläche der Linse ^ angeordnet wird, kann die Phasenmodulation in eine Amplitudenmodulation umgewandelt werden.

Die Λ /^-Platte 2 ist angebracht, um zu vermei-

den, dass reflektierte Strahlung wieder in den Laserhohlraum eintreten kann und dort verstärkt werden würde. Die von der Laserquelle 1 emittierte linear polarisierte Strahlung wird von der ^/^-Platte in eine zirkulär polarisierte Strahlung umgewandelt. Die Strahlung des reflektierten Referenzbündels· 6», die nicht von der Siliziumplatte in Richtung des Gegen-

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Standsbündels abgelenkt wird und gegebenenfalls auf die X /k-Platte auffällt, ist zirkulär polarisiert und wird von der X/4-Platte in linear polarisierte Strahlung umgewandelt. Infolge der Reflexion, der die letztere Strahlung unterworfen worden ist, steht die Polarisationsebene dieser Strahlung senkrecht auf der Polarisationsebene der von der Laserquelle emittierten Strahlung. Im Laserhohlraum 1st ein linearer Polarisator angeordnet, der verhindert, dass die reflektierte Strahlung verstärkt wird.

Statt des flachen Spiegels kann auch ein anderes reflektierendes Element, wie ein "corned cube"-Reflektor verwendet werden.

Statt Silizium können auch andere Halbleitermaterialien, in denen durch Erzeugung von Löchern und Elektronen eine Änderung des Brechungsindexes herbeigeführt werden kann, als holographische Materialien Anwendung finden. Dabei muss eine geeignete Laserquelle gewählt werden, derart, dass der Bandabstand des betreffenden Materials etwas kleiner als die Energie der Strahlungsquanten der verwendeten Laserquelle iat.

Venn Silizium als holographisches Medium verwindet wird, ergibt sich der Vorteil, dass mit Infrarotstrahlung gearbeitet werden kann. Die Anwendung von Infrarotstrahlung kann unter gewiesen Bedingungen günstig sein. So wird bei einer Entladung in Luft Ultraviolettstrahlung emittiert. Bei Anwendung de· aus einen Nd-Laser und Silicium bestehenden Systiii but Untersuchung dieser Entladungen wird gegebenenfalls

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auf das Silizium auffaLLonde Ultraviolettstrahlung in einer dünnen Oberflächenschicht des Siliziums absorbiert. Das Hologramm wird durch diese Ultraviolettstrahlung nicht beeinflusst.

Das Verfahren nach der Erfindung beschränkt

sich nicht auf die Verwendung von Halbleitermaterialien, aber kann auch mit photochromatischen Materialien durchgeführt werden, wie sie z.B. in "Applied Optics", Heft 8, I969, S. ZhT)-ZhTi beschrieben worden. Eine auf diese Materialien auf- J fallende slchtbaro Strahlung ändert den Absorptionskoeffizienten der Materialien. Die aufgezeichneten Hologramme sind nun Amplitudenhologramme, während die Hologramme in Silizium Phasenhologramme sind. In photochromatischen Materialien gespeichorte Hologramme haben eine viel längere Lebensdauer als in Halbleitermaterialien gespeicherte Hologramme. So liegt die Lebensdauer eines Hologramms in SrTiO,. in der Grössenordnung von 1 Minute, während die Lebensdauer in Silizium etwa 30 NanoSekunden 1st.

Infolge der kurzen Lebensdauer eines Hologramms in Silizium ist es grundsätzlich möglich, DIfferentlaibilder mit einer hohen Wiederho Lungsf roqitonz (z.B. rund 100 Nanosekimden) zu erzeugen.

Bei einer Vnrjuohoanordnung wurde ο in "Q-awitched" Nd-YAU Ln3or (Lauer mit sich änderndem (Hifcofaktor) mit einer Hüch.j tlei jtung von ο MW und einer Impulalängo von '/ Nanojukundtm vorwondot. DIo auf die Bllizlumplatto auffallende Leistung betrug etwa I HV//cm² . Diese Slliziumplat to hatte eine Dick) von 1,7 nun. Dor Winkel · (siehe die Figur) betrug

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'■* .4 ■ ■ ■

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3,h χ 10 Rad. Das Auflösungsvermögen in dem Silizium war 320 Linien/cm. Die Lebensdauer des Hologramms betrug 33 Nano s ekunden.

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ORJGfNAL INSPECTED

Claims

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Verfahren für holograph!sehe Interferometrie, bei dem von einem Gegenstand zu einem ersten Zeitpunkt ein Hologramm hergestellt wird, welches Hologramm zu einem zweiten Zeitpunkt derart rekonstruiert wird, dass an der ursprünglichen Stelle des Gegenstandes ein Bild dieses Gegenstandes erhalten wird, welches Bild mit dem Gegenstand selber zu dem zweiten Zeitpunkt verglichen wird, dadurch gekenn- A

zeichnet, dass das Hologramm unmittelbar durch optische Änderungen in einem nichtlinearen optischen Medium hergestellt wird, und dass das Hologramm nach sehr kurzer Zeit rekonstruiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenhologramm dadurch hergestellt wird, dass in einem Halbleitermaterial eine räumliche Modulation des Brechungsindexes herbeigeführt wird.;

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich-

net, dass das Hologramm in Silizium aufgenommen und mit Hilfe von Infrarotstrahlung hergestellt und rekonstruiert wird. k. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach

Anspruch 1, die eine Quelle kohärenter Strahlung und eine Platt· aus einem zur Aufnahme eines Hologramms geeigneten Material enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle kohärenter Strahlung eine Laserquelle ist, welche Quelle Strahlung in sehr kurzen Zeitimpulsen emittiert. 5· Vorrichtung nach Anspruch ^,' dadurch gekennzeichnet, dass in dem Weg des bei der Aufnahme des Hologramm· '

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als Referenzbündel dienenden Strahlungsbündels auf der von dem Gegenstand abgekehrten Seite der Hologrammplatte ein reflektierendes Element angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des reflektierenden Elements einstellbar ist.

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