SU1028152A1

SU1028152A1 - Holographic method of investigating phase objects

Info

Publication number: SU1028152A1
Application number: SU823385149A
Authority: SU
Inventors: И.И. Комиссарова; Г.В. Островская; В.Н. Филиппов; Е.Н. Шедова
Original assignee: Ордена Ленина Физико-Технологический Институт Им.А.Ф.Иоффе
Priority date: 1982-01-25
Filing date: 1982-01-25
Publication date: 1985-08-30

Abstract

ГОЛОГРАСЙЧЕСКИЙ СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ, заключающийс в пропускании предметной волны через объект, формировании голограммы , записи ее и восстановлении предметной волны по голограмме, отличающийс тем, что, с целью увеличени чувствительности при сохранении светосилы, пространственного и временного разрешени и спектрального диапазона при исследовании прот женных объектов, восстановленный голограммой пучок первого или одного из высших пор дков направi л ют на ту же голограмму в обратном ходе лучей не менее одного раза. елHOLOGRAPHIC METHOD FOR STUDYING PHASE OBJECTS, which consists in passing a subject wave through an object, forming a hologram, recording it, and restoring the subject wave in a hologram, in order to increase sensitivity while maintaining the aperture, spatial and temporal resolution and spectral range during the study of female objects reconstructed by a hologram, the beam of the first or one of the highest orders is directed to the same hologram at least one about times. ate

Description

XJXj

ел toate to

Изобретение относитс к области оптических измерений и может быть использовано при исследовании слабых оптических неоднородностей в газовых течени х, жидкост х, дл диагностики плазмы и дл контрол качества оптических деталей.The invention relates to the field of optical measurements and can be used in the study of weak optical inhomogeneities in gas flows, liquids, for plasma diagnostics and for monitoring the quality of optical parts.

Известны способы интерференционно-голографического исследовани фазовых объектов П, 2j, в которых с целью увеличени чувствительности предметный пучок на стадии регистрации голограммы N раз проходит через исследуемый объект, приобрета фазовый сдвиг Н tf (,. ч)The methods of interference-holographic study of phase objects P, 2j are known, in which, in order to increase the sensitivity, at the hologram registration stage, the object beam passes through the object under study, acquiring a phase shift H tf (, h)

В способе ll предметные пучки, прошедшие через объект 1, 3, 5 и т.д. раз, накладываютс друг на друга и, хот в силу ограниченной длины когерентности с опорным пучком интерферирует только один из предметных пучков, остальные пучки создают сильную некогерентную засветку, увеличива шумы и снижа дифракционную эффективность и тем самым ухудша качество восстановленных интерферограмм .In method ll, subject beams that have passed through object 1, 3, 5, etc. they overlap each other and, although due to the limited coherence length with the reference beam, only one of the subject beams interferes, the remaining beams create strong incoherent light, increasing the noise and reducing the diffraction efficiency and thereby deteriorating the quality of the reconstructed interferograms.

Этого недостатка лишен способ izj, в котором объект помещают между двум зеркалами, наклоненными друг относительно друга на угол оС « При этом предметные пучки, прошедшие через объект 1, 3, 5 и т.д. раз, составл ют друг с другом угол 2 об и один из пучков может быть отделен от остальных с помощью диaфpaг ы, помещенной в фокусе линзы. При этом, однако, происходит ухудшение пространственного разрешени за счет смещени пучка при последовательных прохождени х через объект. Дл пучка , прошедшего чэрез объект N раз, это смещение равноThis drawback is deprived of the method izj, in which the object is placed between two mirrors, inclined relative to each other at an angle of ° С "At the same time, subject beams that pass through the object 1, 3, 5, etc. times, an angle of about 2 is made with each other, and one of the beams can be separated from the rest with a diffraction lens placed at the focus of the lens. In this case, however, the spatial resolution deteriorates due to beam displacement during successive passes through the object. For a beam that has passed through an object N times, this offset is equal to

1 о HlN-01 o HlN-0

(1)(one)

cj cj

где 8 рассто ние между зеркалами.where 8 is the distance between the mirrors.

Ухудшение пространственного разрешени особенно велико при исследовании прот женных объектов с большими продольными размера ш, определ ющими величину t сThe deterioration of the spatial resolution is especially great in the study of extended objects with large longitudinal dimensions, w, which determine the value of t with

При исследовании способами 1, 2j прот женных объектов, параметры которых быстро измен ютс во времени, место ухудшение временного разрешени , так как в этом случаеWhen examining methods 1, 2j of extended objects, the parameters of which change rapidly over time, the location of the deterioration of the time resolution, as in this case

разным проходам зондирующего пучка через объект соответствуют разные значени фазового сдвига.different passages of the probe beam through the object correspond to different values of the phase shift.

К числу других недостатков, общкх дл способов l, 2j, относитс также то, что они не могут быть эффективно использованы дл увеличени чувствительности в инфракрасной и ультрафиолетовой област х спек тра, где существенные трудности с высококачественными зеркалами , имеющими малые потери и достаточно высокие коэффициенты отражени Потери света при многократном прохождении зеркал привод т к снижению светосилы и необходимости увеличени мощности используемых лазеров, особенно в ИК-области, где светочувствительность регистрирующих сред низка .Other disadvantages that are common to methods l, 2j are also that they cannot be effectively used to increase the sensitivity in the infrared and ultraviolet spectral regions, where there are significant difficulties with high-quality mirrors that have low losses and relatively high reflectivity Light loss during repeated passage of mirrors leads to a decrease in luminosity and the need to increase the power of the lasers used, especially in the IR region, where the photosensitivity of Power is low.

Кроме того, с помощью .этих способов практически невозможно получить голограмму сфокусированного изображени , поскольку сечени объекта при первом, втором, третьем и т.д. проходе отсто т на рассто нии с друг от друга и не могут быть одновременно сфокусированы на голограмму. В то же врем , как известно, в р де случаев (например, при использовании высших пор дков дифракции дл увеличени чувствительности голографической интерферометрии) только голограмма сфокусированного изображени обеспечивает получение неискаженной интерференционной картины.In addition, using these methods, it is almost impossible to obtain a hologram of a focused image, since the sections of the object are at first, second, third, etc. the aisle is spaced apart from each other and cannot be simultaneously focused on a hologram. At the same time, as is well known, in a number of cases (for example, when using higher diffraction orders to increase the sensitivity of holographic interferometry), only a hologram of the focused image provides an undistorted interference pattern.

Всех этих недостатков лишен голо- I графический способ исследовани фазовых объектов З, вл ющийс прототипом , заключающийс в пропускании предметной волны через объект, формировании голограммы, записи ее, восстановлении предметной волны по голограмме.All these shortcomings are devoid of the holo-graphical method of studying phase objects 3, which is the prototype, which consists of passing a subject wave through the object, forming a hologram, recording it, and restoring the subject wave using a hologram.

При однократном прохождении пучка через объект предметный пучок .приобретает при этом фазовый сдвиг Cf ( X , ц}, характеризующий распределение показател преломлени или рельеф поверхности исследуемого объекта, и регистрируетс на голограмме с помощью когерентного ему опорного пучка. Затем голограмму освещают восстанавливающим пучком. При этом восстанавливаетс копи предметного пучка. Этот восстановленный пучок, интерфериру с пучком сравнени , образует интерферограмму, сдвиги полос на которой равны k-tf (х.ц / 27 Чувствительность этого метода, характегризуема минимальным измеримым фазовым сдвигом Чмии t.Xi4) , равна ЧминC. (2)When a beam passes through the object once, the object beam acquires a phase shift Cf (X, n} characterizing the distribution of the refractive index or the surface relief of the object under study, and is recorded on the hologram using a coherent reference beam. Then the hologram is illuminated with a restoring beam. the copy of the object beam is reconstructed. This reconstructed beam interfering with the reference beam forms an interferogram, the shifts of the bands on which are equal to k-tf (h.ts / 27 Sensitivity is a method haraktegrizuema minimum measurable phase shift Chmii t.Xi4), equal ChminC. (2)

где U k - точность измерени сдвига полос, и пpийk 0,1 Cf цА,ц 0,27 . Така чувствительность недостаточна дл исследовани слабых фазовых неоднородностей , дл которыкс(х,у «. It,where U k is the accuracy of the measurement of the shift of the fringes, and Prye 0.1 Cf cA, C 0,27. Such sensitivity is insufficient for the investigation of weak phase inhomogeneities for which (x, y ". It

Целью изобретени вл етс увеличение чувствительности при сохранении светосилы, пространственного и временного разрешени ,спектрального диапазона при исследовании прот женных объектов.The aim of the invention is to increase the sensitivity while maintaining the luminosity, spatial and temporal resolution, spectral range in the study of extended objects.

Дл достижени поставленной цели в голографическом способе исследовани фазовых объектов, заключающемс в пропускании предметной волны через объект, формировании голограммы, записи ее и восстановлении предметной волны по голограмме, причем воестановленный голограммой пучок первого или одного из высших пор дков направл ют на ту же.голограмму в обратном ходе лучей не менее одного раза.In order to achieve this goal, in a holographic method of studying phase objects, which consists in passing the object wave through the object, forming a hologram, recording it and restoring the subject wave through the hologram, the beam of the first or one of the highest orders directed by the hologram to the same hologram in reverse the course of the rays at least once.

Увеличение чувствительности в описьшаемом способе осуществл етс на стадии восстановлени за счет использовани одного из восстановленных голограммой пучков в качестве восстанавливающего .The increase in sensitivity in the described method is carried out at the restoration stage due to the use of one of the beams restored by a hologram as a reducing one.

Голограмма исследуемого объекта регистрируетс обычным способом с помощью предметного и опорного пучков, направл емых на голограмму под углом ф друг к другу. Затем голограмму .освещают восстанавливающим световым пучком. При этом восстанавливаютс световые пучки + и - - первого пор дка, а при нелинейной регистрации голограммы также пучки высших пор дков . Один из этих пучков, например пучок +1-го пор дка, характеризу ,емый фазовым множителем ((У) вновь направл ют на ту же голограмму При этом в +1-ОМ пор дке восстанавливаетс световой пучок с фазовым множителем . Этот пучок также , в свою очередь, может быть использован в качестве восстанавливаю- щего. При этом в +1-ом пор дке восстановитс пучок с фазовым множителем .The hologram of the object under study is recorded in the usual way with the help of the object and reference beams directed at the hologram at an angle φ to each other. Then the hologram is illuminated with a restoring light beam. In this case, the light beams of the + and - are of the first order are restored, and when the hologram is nonlinearly recorded, the beams of the highest order are also restored. One of these beams, for example a beam of + 1 st order, characterized by a phase factor ((Y) is again directed to the same hologram. In this case, a light beam with a phase multiplier is reconstructed in + 1-OM order. in turn, it can be used as a reducing one, in which case the beam with the phase multiplier is reconstructed in order + 1.

Таким образом, повтор эту проце дуру N раз, можно в t| раз увеличить фазовый сдвиг восстановленнЬго пучка и соответственно чувствительность измерений .Thus, repeating this procedure N times, it is possible at t | increase the phase shift of the recovered beam and, accordingly, the measurement sensitivity.

Поскольку в данном способе многократно просвечиваетс не прот женный фазовый объектJ а тонка голограмма, практически полностью исключаетс ухудшение пространственного разрешени за счет смещени предметного пучка (см.формулу (1)). Полностью ИСГ-. ключаетс также ухудшение временного разрешени , поскольку в данном способе многократно просвечиваетс .стационарна голограмма, а не измен ющийс во времени объект.Since in this method a thin hologram of an extensive phase object repeatedly appears through the thin hologram, the deterioration of the spatial resolution due to the displacement of the object beam is almost completely excluded (see formula (1)). Fully ISG-. The degradation of the temporal resolution is also included, since in this method a stationary hologram, rather than a time-varying object, is repeatedly illuminated.

. Поскольку на стадии восстановлени можно использовать излучение видимого диапазона, независимо от длины волны излучени , в свете которого была зарегистрирована голограмма, то предлагаемый способ может быть использован дл увеличени чувствит тельности голографической интерферометрии в любом диапазоне длин волн.. Since radiation in the visible range can be used at the recovery stage, regardless of the radiation wavelength, in the light of which the hologram was recorded, the proposed method can be used to increase the sensitivity of holographic interferometry in any wavelength range.

Если голограмма была получена по . схеме сфокусированных изображений, то изображени , соответствующие разным проходам пучка через голограмму , расположены на малых рассто ни х друг относительно друга и с достаточной точностью могут быть одног временно сфокусированы в плоскость интерферограммы, что позвол ет в значительной степени избежать искажений , св занных с расфокусировкой изображени объекта.If the hologram was received by. focused images, the images corresponding to different beam passes through the hologram are located at small distances relative to each other and with sufficient accuracy can be focused at the same time into the plane of the interferogram, which makes it possible to largely avoid distortions associated with the defocusing of the image object.

Изобретение по сн етс чертежом, где изображена схема устройства, реализующего описываемый способ. На чертеже обозначены: голограмма 1, полупрозрачные зеркала 2, 3, диафрагма 4, линза 5, полупрозрачное зеркало 6, фотослой 7. Голограмму 1 помещают ме щу двум полупрозрачными зеркалами 2, 3, угол между которыми Э приблизительно равен углу ( под которым дифрагирует восстановленньщ пучок +1-ГО пор дка (f.- (f , где i, и Л, - длины волн излучени , использованного при съемке голограммы и на стадии восстановлени . Голограмму освещают восстанавливающим пучком, перпендикул рным зеркалу 2. При этом восстановленный пучок +1-го пор дка, отража сь от зеркала 3, просвечивает голограмму и врсстанавливаThe invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a device that implements the described method. The drawing shows: hologram 1, translucent mirrors 2, 3, diaphragm 4, lens 5, translucent mirror 6, photo layer 7. Hologram 1 is placed by two translucent mirrors 2, 3, the angle between which E is approximately equal to the angle (at which diffracts the reconstructed beam + 1-th order (f.- (f, where i, and L, are the wavelengths of the radiation used in the hologram image and the recovery stage. The hologram is illuminated with a reducing beam, perpendicular to the mirror 2. At the same time, the reconstructed beam +1 order reflected from mirror 3, n shines hologram and install

Claims

HOLOGRAPHIC METHOD FOR STUDYING PHASE OBJECTS, which consists in passing an object wave through an object, forming a hologram, recording it and restoring the object wave from a hologram, characterized in that, in order to increase sensitivity while maintaining aperture ratio, spatial and temporal resolution and spectral range when studying extended objects The beam of the first or one of the higher orders restored by the hologram is sent to the same hologram in the reverse ray path at least once.

1 I // 1 1 1 1 //

SU „„ 1028152