RU2071047C1 - Holographic method for determination of optical characteristics of transparent objects - Google Patents

Holographic method for determination of optical characteristics of transparent objects Download PDF

Info

Publication number
RU2071047C1
RU2071047C1 RU92011855A RU92011855A RU2071047C1 RU 2071047 C1 RU2071047 C1 RU 2071047C1 RU 92011855 A RU92011855 A RU 92011855A RU 92011855 A RU92011855 A RU 92011855A RU 2071047 C1 RU2071047 C1 RU 2071047C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wave
waves
optical characteristics
recorded
plate
Prior art date
Application number
RU92011855A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU92011855A (en
Inventor
Сергей Алексеевич Александров
Original Assignee
Научно-инженерный центр "ЛЭМТ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-инженерный центр "ЛЭМТ" filed Critical Научно-инженерный центр "ЛЭМТ"
Priority to RU92011855A priority Critical patent/RU2071047C1/en
Publication of RU92011855A publication Critical patent/RU92011855A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2071047C1 publication Critical patent/RU2071047C1/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

FIELD: applied physics; determination of optical characteristics of transparent objects, for instance, distribution of refractive index. SUBSTANCE: transmitted through reference object is linearly polarized coherent wave from the source. Hologram of this wave is recorded on photographic plate with the aid of the first reference wave formed by mirror and the other reference wave is shut off by screen. Then, installed instead of reference object is tested object. With the aid of plate $$$/2, the plane of polarization of the object and the second reference waves is turned through 90 deg, first reference wave is shut off by screen, and the second hologram is recorded on the same photographic plate. Holograms are reconstructed by two reference waves whose polarization planes are mutually perpendicular. Reconstructed waves are transmitted through plate $$$/4, as a result, they become circularly polarized with opposite direction of rotation of electric vector. Obtained distribution of intensity is recorded with the help of recording system, value and direction of turning angle of plane of swinging of resulting reproduced wave are measured, that are used for determination of optical characteristics of the tested transparent object. EFFECT: higher efficiency. 1 dwg

Description

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. The invention relates to technical physics and can be used to determine the optical characteristics of liquid, solid and gaseous transparent objects. The method allows you to uniquely determine the distribution of the refractive index in a transparent object, which makes it possible to use it in various physical studies, for example, to obtain reliable unambiguous information on the distribution of temperatures, pressure, optical density and other characteristics of the studied substances.

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/.A known method for the study of transparent objects, including the transmission of coherent light waves through the studied and reference objects, the formation of the interference pattern and the determination of the refractive index by analyzing it [1]
There is also a holographic method for determining the optical characteristics of transparent objects, including sequential transmission of a coherent light wave through a reference and an object under study, registration of two holograms with rotation of the plane of the wavefront of the wave at a certain angle in a known direction after recording the first hologram, restoring the hologram, forming an interference pattern and determining optical characteristics of the object by analyzing the interference pattern [2]
Closest to the proposed one is a holographic method, including sequential transmission of a coherent light wave through two objects under the test state or through the reference and studied objects, registration of two holograms, each of which is recorded using its own reference wave, which are spatially separated and have a polarization state corresponding to the polarization state of the object wave, the restoration of holograms using the same reference waves whose polarization planes are eschayut analysis of total reconstructed wave by using the heterodyne method [3]
However, the known methods do not provide a dependence of the polarization characteristics of the light wave on the optical characteristics of transparent objects (for example, on the difference in the refractive indices of the reference and studied objects or on the magnitude of the change in the refractive index of the studied object as a result of some processes).

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. The essence of the invention lies in the fact that to ensure the dependence of the polarization characteristics of the light wave on the difference in the refractive indices of the reference and studied objects in the inventive holographic method for determining the optical characteristics of transparent objects, including sequential transmission of a coherent light wave through the reference and studied objects or through the studied object at two different states, the registration of two holograms, each of which is recorded using its reference Waves that are spatially separated and have a polarization state corresponding to the state of polarization of the object waves, restoration of holograms using the same reference waves and analysis of the total reconstructed wave, the difference is that before reconstructing the hologram waves are polarized in two mutually perpendicular planes, the reconstructed waves are converted into circularly polarized with the opposite direction of rotation of the electric vector, measure the magnitude and direction of the angles of rotation of the plane of polarization and the total reconstructed wave, by which they judge the optical characteristics of the investigated object.

Изобретение осуществляют следующим образом. The invention is as follows.

Амплитуды линейно и взаимно ортогонально поляризованных волн, прошедших через эталонный и исследуемый объекты, можно записать следующим образом:

Figure 00000002

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
Figure 00000003

где n1, n2 показатели преломления эталонного и исследуемого объектов; l длина пути света в объектах.The amplitudes of linearly and mutually orthogonally polarized waves passing through the reference and the studied objects can be written as follows:
Figure 00000002

where β is the angle of inclination of the plane of oscillation of the wave passing through the reference object to the axis Ox in the selected coordinate system;
v 1 (x, y, z), Φ 2 (x, y, z) are the phase distribution functions, and
Figure 00000003

where n 1 , n 2 refractive indices of the reference and investigated objects; l The path length of light in objects.

При диагональном расположении плоскостей поляризации этих волн к осям координат, т.е. при β = 45°, и равных амплитудах выражения (1) упрощаются:

Figure 00000004

где
Figure 00000005

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
Figure 00000006
в одну из ортогональных компонент каждой волны. Это делают путем пропускания волн через кристаллическую пластинку
Figure 00000007
, расположенную диагонально. После прохождения через пластинку волны имеют вид:
Figure 00000008

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:
Figure 00000009

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:
Figure 00000010

где α угол поворота анализатора, отсчитываемый от вертикальной оси координат в направлении против часовой стрелки.With the diagonal arrangement of the polarization planes of these waves to the coordinate axes, i.e. at β = 45 ° , and equal amplitudes, expressions (1) are simplified:
Figure 00000004

Where
Figure 00000005

Next, holograms of these waves are recorded sequentially on one photographic plate. Each hologram is recorded with its own appropriately polarized reference wave, which space is divided. After the restoration of the obtained holograms with the same reference waves, the reconstructed waves will have the form (3). These waves do not form an interference pattern, because they are mutually orthogonally polarized. The transformation of waves (3) into circularly polarized with the opposite direction of rotation of the electric vector is carried out by introducing a phase shift
Figure 00000006
into one of the orthogonal components of each wave. This is done by passing waves through a crystal plate.
Figure 00000007
located diagonally. After passing through the plate, the waves have the form:
Figure 00000008

These are equations of circularly polarized waves, the wave passing through the reference object has a right direction of rotation, and the wave passing through the object under study is left. Since the oscillation amplitudes of these waves are the same, in total they will give linearly polarized light, the oscillation direction of which is determined by the phase difference function:
Figure 00000009

Consequently, a change in the difference in the refractive indices of the studied and reference objects over the cross section of the object is accompanied by a rotation of the plane of polarization of the resulting linearly polarized wave. The measurement of the angle of rotation of the plane of polarization is carried out using a polarizer, which is called the analyzer. The distribution of complex amplitudes after the analyzer has the form:
Figure 00000010

where α is the analyzer rotation angle, measured from the vertical coordinate axis in the counterclockwise direction.

Соответствующее распределение интенсивности равно:

Figure 00000011

В том случае, когда угол поворота анализатора совпадает с углом поворота плоскости поляризации суммарной волны, I Imax.The corresponding intensity distribution is:
Figure 00000011

In the case when the angle of rotation of the analyzer coincides with the angle of rotation of the plane of polarization of the total wave, II max .

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

Figure 00000012
.Behind the analyzer, in the image plane, there is an alternation of dark and light bands described by expression (7). For light bands II max at
Figure 00000012
.

Тогда

Figure 00000013

где Δn = n2-n1.Then
Figure 00000013

where Δn = n 2 -n 1 .

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 Imax переместилось в анализируемую точку. Анализатор при этом развернется на угол Δα(x,y) = α(x2y2)-α(x1y1). Зная Δα и используя (8), получим:

Figure 00000014

где
Figure 00000015
.Expression (8) allows you to uniquely determine the distribution of the integral difference of the refractive indices of the reference and studied objects. Let, for example, to obtain the maximum intensity at the starting point with coordinates x 1 , y 1 , the analyzer is rotated through an angle α 1 (x 1 , y 1 ). To determine the magnitude and sign of the increment of the integral difference of the refractive indices at the analyzed point with coordinates x 2 , y 2, it is necessary to turn the analyzer so that the value of I max moves to the analyzed point. In this case, the analyzer will be rotated through the angle Δα (x, y) = α (x 2 y 2 ) -α (x 1 y 1 ). Knowing Δα and using (8), we obtain:
Figure 00000014

Where
Figure 00000015
.

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. Using expression (9), it is easy to determine the magnitude and sign of the increment of the integral difference of refractive indices at any analyzed image point of the object relative to the starting point. Thus, the distribution of the refractive index over the cross section of the object under study is uniquely restored and the spatial resolution is increased, since measurements are carried out not only at points of maximum intensity, but at any point on the object.

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

Figure 00000016

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
Figure 00000017
. 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.In the approximation of phase objects, in the absence of changes in the refractive index along the Oz axis, expression (9) takes the form:
Figure 00000016

We consider the analyzer rotation angle clockwise to be positive, but to the opposite. To determine the sign in (9) and (10), it is necessary to have preliminary information on the directions of rotation of the polarization planes of the reconstructed waves transmitted through the plate
Figure 00000017
. These directions of rotation are set by the circuit elements of the used interferometer. In our case, according to (4), it is necessary to put a minus sign in expressions (9) and (10). For example, if to move to the analyzed point with coordinates x 2 , y 2 the same intensity value that was at the starting point with coordinates x 1 , y 1 , the analyzer must be rotated clockwise, i.e. Δα> 0. then, according to (10) or (9), the increment of the difference in the refractive index has a minus sign, that is, the difference in the refractive indices of the studied and reference objects in the analyzed point 2 is less than at the starting point 1.

В качестве примера рассмотрим реализацию данного способа с помощью устройства, принципиальная схема которого представлена на чертеже. As an example, consider the implementation of this method using a device, a schematic diagram of which is shown in the drawing.

Устройство содержит источник когерентного линейно поляризованного излучения 1, светоделители 2, 4, кристаллические пластинки

Figure 00000018
, зеркала 5, 6, экран 7, голографическую фотопластинку 8, анализатор 10 и устройство регистрации 11, например, телевизионную камеру.The device contains a source of coherent linearly polarized radiation 1, beam splitters 2, 4, crystal plates
Figure 00000018
, mirrors 5, 6, screen 7, holographic photographic plate 8, analyzer 10 and registration device 11, for example, a television camera.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

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

Figure 00000019
поворачивают таким образом, чтобы ее главные направления располагались под углом 45o к плоскости колебаний проходящей волны. При этом плоскость колебаний прошедшей волны поворачивается на 90o. 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
Figure 00000020
под углом 45o к плоскости колебаний прошедшей волны). Восстановленные волны пропускают через пластинку
Figure 00000021
, 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.A linearly polarized coherent wave from the source 1 is passed through the reference object O. The hologram of this wave is recorded on the holographic photographic plate 8 using the reference wave formed by the mirror 5, and the other reference wave is blocked by the screen 7. In this case, the half-wave plate 3 is rotated so that it does not changed the state of polarization of the transmitted wave. After that, instead of the reference object O, the studied object is installed, with the help of the screen 7, another reference wave formed by the mirror 5 is blocked, and the plate
Figure 00000019
rotate so that its main directions are at an angle of 45 o to the plane of oscillation of the transmitted wave. In this case, the plane of oscillations of the transmitted wave rotates by 90 o . The second hologram is recorded on the same plate 8. After processing, the plate 8, placed in the same place, is restored simultaneously by two reference waves having a mutually perpendicular direction of vibrations (screen 7 is removed, the main directions of the plate
Figure 00000020
at an angle of 45 o to the plane of oscillations of the transmitted wave). Recovered waves pass through a plate
Figure 00000021
installed diagonally, as a result of which linearly polarized waves having mutually perpendicular planes of oscillation turn into circularly polarized with the opposite direction of rotation of the electric vector. The obtained intensity distribution is recorded using the registration device 11, and the magnitude and direction of the angle of rotation of the plane of polarization of the resulting wave at the analyzed points of the object is measured using the analyzer 10. The desired distribution of the refractive index is uniquely determined using the formulas (9) or (10).

Claims (1)

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. A holographic method for determining the optical characteristics of transparent objects, including sequential transmission of a coherent light wave through a reference and an object under study, recording two holograms, each of which is recorded using its own reference wave, these reference waves being spatially separated, restoring the holograms using the same reference waves and analysis of the total reconstructed wave, characterized in that before reconstructing the holograms, the reference waves are linearly and mutually orthogonally polarized t, the reconstructed waves are converted into circularly polarized ones with the opposite direction of rotation of the electric vector, the magnitudes and directions of the angles of rotation of the plane of polarization of the total reconstructed wave are measured, which are used to judge the optical characteristics of the object under study.
RU92011855A 1992-12-14 1992-12-14 Holographic method for determination of optical characteristics of transparent objects RU2071047C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU92011855A RU2071047C1 (en) 1992-12-14 1992-12-14 Holographic method for determination of optical characteristics of transparent objects

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU92011855A RU2071047C1 (en) 1992-12-14 1992-12-14 Holographic method for determination of optical characteristics of transparent objects

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU92011855A RU92011855A (en) 1996-10-20
RU2071047C1 true RU2071047C1 (en) 1996-12-27

Family

ID=20133626

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU92011855A RU2071047C1 (en) 1992-12-14 1992-12-14 Holographic method for determination of optical characteristics of transparent objects

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2071047C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Коломийцов Ю.В. Интерферометры. - Л.: Машиностроение, 1976, с. 249 - 255. Оптическая голография/под ред. Г.Колфида. - М.: Мир, 1982, с. 504 - 522. Патент США N 4707135, кл. G 01 B 9/025. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Brock et al. Dynamic interferometry
Garcia-Caurel et al. Advanced Mueller ellipsometry instrumentation and data analysis
US7808648B2 (en) Method and device for optical determination of physical properties of features, not much larger than the optical wavelength used, on a test sample
Millerd et al. Modern approaches in phase measuring metrology
Dai et al. An interpretation of moiré interferometry from wavefront interference theory
CN107462149B (en) Phase-shift interferometry system and wave plate phase-shift method thereof
US6639683B1 (en) Interferometric sensor and method to detect optical fields
US5953137A (en) Linear conoscopic holography
Colomb et al. Jones vector imaging by use of digital holography: simulation and experimentation
Hardy et al. Shearing interferometry: a flexible technique for wavefront measurement
RU2071047C1 (en) Holographic method for determination of optical characteristics of transparent objects
Chipman Polarization diversity active imaging
KR100686923B1 (en) Phase-shifting Method Using Waveplates in Shearography and System for Measuring Deformation Using The Same
EP2507584A1 (en) Polarization interferometer
Hils et al. Nonlinearity of Pancharatnam’s geometric phase in polarizing interferometers
RU2085835C1 (en) Holographic method for detection of object surface structure
Ja Real-time non-destructive testing of phase objects using four-wave mixing with photorefractive BGO crystals
Kiessling et al. Fidelity of phase-conjugated beams in a four-wave mixing set-up using Bi12TiO20-crystals
Kim Polarization phase-shifting technique in shearographic system with a wollaston prism
EP1057081B1 (en) Linear conoscopic holography
Fang et al. Holographic moiré for strain fringe patterns
Oka et al. Novel polarimetric technique exploring spatiotemporal birefringent response of an anti-ferroelectric liquid crystal cell
Jen et al. Conoscope: an apparatus for determining crystal orientation of saw wafers
CN114459620A (en) Device and method for generating pi phase shift between double interference channels through single wave plate
Swain et al. Heterodyne holographic interferometry