SU1053575A1

SU1053575A1 - Method of holographic measurement of spectral composition of modulated optical radiation

Info

Publication number: SU1053575A1
Application number: SU823468022A
Authority: SU
Inventors: В.Н. Боркова; В.А. Зубов; А.В. Крайский; Т.Т. Султанов
Original assignee: Ордена Ленина Физический Институт Им.П.Н.Лебедева
Priority date: 1982-07-14
Filing date: 1982-07-14
Publication date: 1985-10-15

Abstract

СПОСОБ ГОЛОПРАФИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА МОДУЛИРОВАННОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ , заключающийс в записи голограммы сигнальной волны, которую направл ют на голограмму совместно с опорной волной с измен ющейс i;o сечению частотой, и последующем восстановлении голограммы плоской волной и считывании спектра, отличающийс тем, что, с целью расширени динамического диапазона, увеличени дифракционной эффективности и упрощени считывани , в каждой точке опорной волны осуществл ют дополнительное (Л изменение частоты во времени, а восстановление голограммы осуществл ют волной, сопр женной с дпорной. П,j , о ел СО сл inA METHOD OF HOLOPRAFIC MEASUREMENT OF A SPECTRAL COMPOSITION OF A MODULATED OPTICAL RADIATION, consisting in recording a hologram of a signal wave, which is sent to the hologram together with a reference wave with a reference wave, followed by the restoration of a hologram with a flat wave, and is used by a number of wake-up programs and human art programs. In order to broaden the dynamic range, increase the diffraction efficiency and simplify reading, an additional (L Time and hologram reduction is carried out wave conjugated with dpornoy. n, j, SB of the slab in ate

Description

Изобретение относитс к оптической спектроскопии и предназначеню дл регистрации и анализа спектра излучени , провзаимодействовавшего со средой, например, при распрестранении света через среду с измен ющимис во времени неоднородност ми, Известен способ оптического смещени , примен емый дл измерени спектрального состава излучени с разрешением а единицы герц, в котором исследуемое излучение смешиваетс с излучением гетеродина и получаемый таким образом интерференционный сигнал поступает на фот детектор, где преобразуетс в злектрический , последний далее анализир етс известными методами. Но при ис следовании р да медленных процессов в физике, биофизике, химии, сейсмологии такого разрешени зачастую не достаточно. Наиболее близким по те;;нической сути к изобретению вл етс голографи :ческий способ измерени спектрального состава модулированного оптического излучени , заключающийс в записи голограммы сигнальной волны, которую направл ют в плоскость ре:гистрации совместно с опорной волно с измен ющейс по сечению частотой, и последующем восстановлении голограммы плоской волной и считывании спектра. Этот способ имеет недостат ки, которые заключаютс в следуюш,ем В процессе записи голограммы в каждом ее сечении регистрируетс опред ленна спектральна компонента сигнала с ее амплитудой и фазой, т.е. информаци о каждой спектральной компоненте сигнала локализована на малом (узком) участке голограммы. Это обсто тельство снижает динамический диапазон и дифракционную эффективность . Формирование спектра в плоскости голограммы на фоне посто ных засветок усложн ет считывание его, так как требуетс использование оптической системы и фильтраш и Целью изобретени вл етс расши рение динамического диапазона, увеличение дифракционной эффективности и упрощение считьгоани . Цель достигаетс тем, что в способе голографического измерени спек трального состава модулированного оптического излучени , заключающемс в записи голограммы сигнальной эолны при ПОМ01ЧИ опорной волны с измен ющейс по сечению частотой, последующем восстановлении голограммы плоской волной и считывании спектра , в каждой точке опорной волны осуществл ют дополнительное изменение частоты во времени, а восстановление голограммы осуществл ют волной, сопр женной с опорной. На фиг, 1 изображена принципиальна схема установки дл реализации способа; на фиг. 2 - схема взаимодействи волн при падении на голограмму} на фиг. 3 и 4 - регистрируемые спектры сигнала. Сущность изобретени заключаетс в следующем. Первый этап - зтап записи информации о световом поле, модулированном во времени при взаимодействии с исследуемой средой, т.е. на голограмму попадает излучение, комплексна амплитуда которого вл етс функцией времени E(ч,i) ( + i КСОВб . 0) В качестве опорной волны используетс нестационарна волна с линейным изменением частоты по координате и во времени ю (.X, i:) UJ- а х- «2 t вида E,(),) (2) (см.фиг.2). Волна такого типа характеризуетс тем, что волновой фронт во времени поворачиваетс относительно гшоскости регистрации и смещаетс вдоль этой плоскости. Волна такого типа может быть сформиро вана только в течение ограниченного времени. На регистрирующен материале , например на голографической фотопластинке , регистрируетс распределение световой мощности. т/1 и)) tlexp -ic(xi-,c(,t2jdt ехр ;Ухсо5& + компл.сопр,, представл ющее картину интерференции указанных волн и усредненное за врем экспозиции Т , которое определ етс временем существовани нестационарной опорной волны. Опре деленна спектральна компонента сигнала в каждый момент времени регистрируетс в виде интерференционн картины на определенном участке гол граммы, причем этот участок смещаетс со временем. Из-за изменени наклона фронта опорной волны поотношению к плоскости регистрации чЪстота полос интерференционной стр туры измен етс . Таким образом, на голограмме регистрируетс картина сигнала в виде участка цилиндрической линзы Френел , причем этот участок дл каждой спектральной компоненты сигнала смещен по оси X на величину, пропорциональную частоте этой компоненты. В этом можно убедитьс , перейд к спектральному представлению (2jexp -iQtj:;S2 -dU) и выполн интегрирование по м ()ехр + компл.сопр. Распределение информации об опр деленной спектральной компоненте сигнала по площади голограммы приводит к расширению динамического диапазона регистрируемых спектральных компонент и к увеличению дифра ционной эффективности. Ситуаци в данном случае аналогична той, кото ра имеет место при переходе от фотографической регистрации с дина мическим диапазоном 1:10-1:100 к г лографической регистрации с динами ческим диапазоном, на 2-3 пор дка большим. Второй этап - этап получе ни информации о спектре сигнала. На этом этапе с помощью плоской стационарной восстанавливающей вол ны производитс реконструкци сигнала в пространственном представлении с помощью самой голограммы. Кажда цилиндрическа линза Френел дает свое действительное изображение спектральной линии, поэтому не требуетс никакой дополнительно рптики, В результате на выходе мож рыть сфотографирован или зарегистрирован Лотоэлектрически спектр дулированного сигнала. В рамках критери Реле спектральное раэре- шение определ етс полным временем регистрации Е-v) 1/Т, а область дисперсии диапазоном частот в опорной волне л) 2« Хд/29, где 2 Xj - линейный размер голограмт мы. При использовании механических систем формировани нестационарной опорной волны легко достигаетс величина отношени л-) I с/Ч , равна 10 - 10. Реализаци способа осуществл етс следующим образом (см.фиг. 1), Излучение лазера 1 раздел етс на два пучка 2 и 3. Пучок 2 взаимодействует с исследуемым объектом 4. В пучке 3 формируетс нестационарна опорна волна, дл чего излучение пропускают через телескопическую систему 5, 6. Первый элемент 5 телескопической системы линейно смещаетс перпендикул рно оптической оси со скоростью V . Точка, в которую собираетс излучение в средней фокальной плоскости телескопической системы, также смещаетс . Излучение, вьпсод щее из второго элемента 6 телескопической системы, при этом характеризуетс поворотом фронта волны, а в плоскости регистрации 7, отсто щей от телескопической системы на двойное фокусное, формируетс опорна волна нужной структуры. Экспериментальна проверка функционировани способа выполнена дл амплитудной модул ции, имитирующей воздействие объекта, с различными скважност ми. На фиг. 3 в качестве иллюстрации приведена запись спектра дл скважности 0,5. Область дисперсии состаал ет л19 Гц. Спектральное рассто ние между нулевой и первой гармониками дает величину 1,Д95 Гц и между нулевой и третьей гармониками ,47 Гц. Эти величины хорошо совпадают с определ емыми периодами модул ции сигнала 1/Т, . и равными соответственно 1,49 Гц и 4,47 Гц. Аппаратна функци , соответствующа времени экспозиции, cocтaвл ющe y в данном случае Т 8с, имеет ширину 0,125 Гц. Из этой же записи спектра видно, что при отстойке на дев ть ширин аппаратной функции от сильной линии фон от аппа- ратной функции не превышает 3 значени сильной компоненты в максимуме . Аппаратна функци схемы, определенна экс.перименталь о дл различных времен записи хорошо совпадает с расчетным значением, в част иости дл 7 32,5 с экспериментальное и расчетное значени дают 0,52-tO-s и 0,51-10-3 Гц. Из записи/ приведенной на фиг, 4, видно, что в структуре спектра уаеренно различаютс пички, отличакндиес по интенсивности более,, чем в 1АОО раз Такик образомэ динамический диапазон метода превосходит 10,The invention relates to optical spectroscopy and is intended for recording and analyzing a radiation spectrum that interacts with a medium, for example, when light is distributed through a medium with time-varying inhomogeneities. The optical offset method used to measure the spectral composition of radiation with a resolution of a unit of hertz in which the radiation under study is mixed with the radiation of the local oscillator and the interference signal thus obtained is fed to a photodetector, where it is converted into ektrichesky, the latter is then assayed by known methods. But when studying a number of slow processes in physics, biophysics, chemistry, and seismology, this resolution is often not enough. The closest in terms of technology; the invention is essentially holographic: a method for measuring the spectral composition of modulated optical radiation, which consists of recording a hologram of a signal wave that is directed into the reconstruction plane together with a reference wave with a varying cross-section frequency, and the subsequent restoration of the hologram with a plane wave and the reading of the spectrum. This method has drawbacks, which are as follows. In the process of recording a hologram, a certain spectral component of the signal with its amplitude and phase, i.e. Information about each spectral component of the signal is localized on a small (narrow) part of the hologram. This circumstance reduces the dynamic range and diffraction efficiency. Forming a spectrum in the hologram plane against a background of constant highlights makes it difficult to read, since it requires the use of an optical system and filtrates and the purpose of the invention is to expand the dynamic range, increase the diffraction efficiency and simplify the compass. The goal is achieved by the method of holographic measurement of the spectral composition of the modulated optical radiation, which consists in recording a hologram of the signal wave with a POM01CH reference wave with a variable frequency across the cross section, then restoring the hologram with a plane wave and reading the spectrum, at each point of the reference wave, additional the frequency change in time, and the restoration of the hologram is carried out by a wave mated to the reference wave. Fig. 1 is a schematic diagram of an installation for implementing the method; in fig. 2 is a diagram of the interaction of waves when falling on a hologram} in FIG. 3 and 4 - recorded signal spectra. The essence of the invention is as follows. The first stage is the step of recording information about a light field modulated in time when interacting with the medium being studied, i.e. radiation hitting the hologram, the complex amplitude of which is a function of time E (h, i) (+ i КСОВб. 0) As a reference wave, a non-stationary wave is used with a linear frequency variation along the coordinate and in time ω (.X, i :) UJ - a x - «2 t of the form E, (),) (2) (see Fig.2). A wave of this type is characterized by the fact that the wavefront in time rotates relative to the registration plane and shifts along this plane. A wave of this type can be formed only for a limited time. On the recording material, for example on a holographic photographic plate, the distribution of light power is recorded. t / 1 and)) tlexp -ic (xi-, c (, t2jdt exp; Uxo5 & + set), representing the pattern of interference of these waves and averaged over the exposure time T, which is determined by the time the nonstationary reference wave exists. The divided spectral component of the signal is recorded at each moment in time in the form of an interference pattern in a certain part of the head, and this part shifts over time. Because of the change in the inclination of the reference wave front relative to the plane of recording the frequency of the interference pattern, Thus, a picture of the signal is recorded on the hologram as a section of a cylindrical Fresnel lens, and this section for each spectral component of the signal is shifted along the X axis by an amount proportional to the frequency of this component. This can be verified by going to the spectral representation (2jexp -iQtj: ; S2 -dU) and performed the integration over m () exp + set of sp. Distribution of information about a specific spectral component of the signal over the area of the hologram leads to an expansion of the dynamic range of the recorded component and to an increase in diffraction efficiency. The situation in this case is similar to that which occurs when moving from photographic registration with a dynamic range of 1: 10-1: 100 to graphical registration with a dynamic range that is 2-3 times larger. The second stage is the stage of obtaining information about the signal spectrum. At this stage, the signal is reconstructed in spatial representation with the help of the hologram itself using a flat stationary recovery wave. Each Frenel cylindrical lens gives its real image of the spectral line, so no additional Rptics are required. As a result, the output of the dulled signal can be photographed or recorded. In the framework of the Relay criterion, the spectral resolution is determined by the total recording time E – v) 1 / T, and the dispersion region by the frequency range in the reference wave is 1) 2 ”Xd / 29, where 2 Xj is the linear size of the hologram. When using mechanical systems for the formation of a non-stationary reference wave, the ratio l-) I c / H is easily achieved, equal to 10 - 10. The implementation of the method is carried out as follows (see Fig. 1). Laser emission 1 is divided into two beams 2 and 3 The beam 2 interacts with the object under study 4. A non-stationary reference wave is formed in the beam 3, for which the radiation is transmitted through the telescopic system 5, 6. The first element 5 of the telescopic system is linearly displaced perpendicular to the optical axis with a speed V. The point at which the radiation is collected in the middle focal plane of the telescopic system is also shifted. The radiation from the second element 6 of the telescopic system is characterized by the rotation of the wave front, and in the recording plane 7, which is separated from the telescopic system by a double focal one, the reference wave of the desired structure is formed. Experimental verification of the operation of the method was performed for amplitude modulation, simulating the effect of an object, with different duty cycles. FIG. 3, by way of illustration, a spectrum is recorded for a ratio of 0.5. The dispersion region is 19 hz. The spectral distance between the zero and first harmonics gives a value of 1, D95 Hz and between the zero and third harmonics, 47 Hz. These values coincide well with the determined modulation periods of the 1 / T signal. and equal respectively 1.49 Hz and 4.47 Hz. The hardware function corresponding to the exposure time, which is y in this case T 8c, has a width of 0.125 Hz. From the same record of the spectrum, it can be seen that during settling by nine widths of the apparatus function from the strong line, the background from the apparatus function does not exceed 3 values of the strong component at the maximum. The hardware function of the circuit, determined by an experimental experiment for different recording times, coincides well with the calculated value; in particular, for 7 32.5 s, the experimental and calculated values give 0.52-tO-s and 0.51-10-3 Hz. From the record / given in FIG. 4, it can be seen that in the structure of the spectrum spikes are always distinguished, differing in intensity by more than 1AOO times. The dynamic range of the method exceeds 10,

Таким образом, дл типичных исходных данных (су№-1а.раа экспозици Thus, for typical baseline data (su№-1a.raa exposure

5 И) дж/см, отношение интенсивное ей сигнальной и опорной волн . t/10, врем экспо-; 5 And) j / cm, the ratio of intense to her signal and reference waves. t / 10, expo time;

зиции 10 с - 10 мин) динамический диапазон увеличиваетс более чем з 100 раз, а дифракционна эффективность возрастает в 10-40 раз. Это, и свою очередь, ведет к тому чтоpositions 10 s - 10 min.) the dynamic range increases by more than 100 times, and the diffraction efficiency increases 10-40 times. This, in turn, leads to

изучение медленных процессов в области физики, биофизики, химии, сейсмологии с использованием за вл емого способа характеризуетс повышркием точности измерений иthe study of slow processes in the field of physics, biophysics, chemistry, seismology using the inventive method is characterized by increased measurement accuracy and

увеличением j-rx надежности .increase j-rx reliability.

Л (. t)L (. T)

лДLD

)(7S) (7S

. 7/2 бУ,9Гц. 7/2 BU, 9 Hz

лl

O.OS /,000 O.OS 1з 0,3 7,000 0,39 O.OS /, 000 O.OS 1z 0.3 7,000 0.39

Фае.ЗFa.H.

ОABOUT

0,0,80,0,8

7.27.2

//

Фиг. FIG.

Claims

METHOD FOR HOLOGRAPHIC MEASUREMENT OF THE SPECTRAL COMPOSITION OF MODULATED OPTICAL RADIATION, which consists in recording a hologram of a signal wave, which is sent to the hologram together with a reference wave with a frequency varying in cross-section, and subsequent restoration of the hologram by a plane wave and reading the spectrum, which differs in order to range, increase diffraction efficiency and simplify reading, at each point of the reference § waves carry out an additional frequency change in time menus, and the restoration of the hologram is carried out by a wave conjugated with a reference.

szsmr'ns>