Голографические оптические элементы (ГОЭ)

В разделе 2 мы рассмотрели основные принципы голографии и определили голографию как двухступенчатый процесс записи и восстановления световой волны. Мы установили, что на стадии восстановления голограмма преобразует падающую на нее восстанавливающую волну в предварительно записанную на ней волну. Таким образом, голограмма осуществляет функцию преобразования волнового фронта. Это свойство преобразования волнового фронта находит широкое применение. Голограммы, используемые для такого преобразования, называют голографическими оптическими элементами (ГОЭ). Иногда их называют также дифракционными оптическими элементами.

Вообще говоря, любые оптические элементы, состоящие из отражающих и преломляющих поверхностей, выполняют указанную функцию преобразования волнового фронта. Так, например, линза или объектив преобразуют расходящийся сферический волновой фронт в сходящийся. Комбинированием оптических элементов можно осуществить весьма сложные преобразования, например проецирование изображений. Как правило, оптические системы представляют собой сложные, прецизионные и дорогостоящие оптико-механические устройства, зачастую имеющие большие габариты и массу. В ряде случаев эти сложные устройства могут быть заменены одним единственным ГОЭ. Область применения ГОЭ в настоящее время весьма обширна. Рассмотрим наиболее важные из них.

8.1. Голограмма-линза

Рассмотрим осевую голограмму сферической волны, записанную с плоской опорной волной (рис. 20а). Пусть центр этой волны расположен на расстоянии f от голограммы. В этом случае голограмма образована интерференционной картиной, возникающей при взаимодействии плоской опорной и сферической предметной волн. Такая интерференционная картина аналогична зонной пластинке Френеля, вид которой отображен на рис. 21. Можно видеть, что период интерференционных полос в этой картине непостоянен и уменьшается по мере удаления от центра пластины.

Если осветить такую голограмму осевой плоской волной, то в результате дифракции этой волны на структуре интерференционных полос возникнут дифракционные порядки. Волна, образованная первым порядком дифракции, окажется расходящейся сферической волной с центром в точке О, то есть воспроизведет записанную сферическую волну. Волна, образованная минус первым порядком дифракции, будет сходиться в точку О΄, симметричную к точке О относительно плоскости голограммы (рис. 20б). Если эту голограмму рассматривать как оптическую систему, то можно сказать, что она строит изображение бесконечно удаленного точечного источника в точке О΄. Таким образом, данная голограмма может рассматриваться как линза с фокусным расстоянием f. Это и есть простейший ГОЭ.

а б

Рис. 20. Схема записи голограммы сферической волны с центром в точке О (а); дифракция на структуре голограммы при освещении ее плоской монохроматической волной (б).

Рис. 21.Вид зонной пластинки Френеля, полученной при взаимодействии плоской и сферической когерентных монохроматических волн.

При записи голограммы в качестве опорной волны можно было брать не плоскую волну, а сферическую волну, расходящуюся из точки R, а в качестве предметной – сферическую волну, сходящуюся в некоторую точку О за голограммой (рис. 22). После проявления такая голограмма будет преобразовывать волну, исходящую из точки R, в волну, сходящуюся в точку О, то есть будет подобна линзе, строящей изображение источника R в точке О. Если сместить источник восстанавливающей волны в положение R΄ (см. рис. 22), то его изображение, построенное голограммой-линзой соответственно сместится в положение О΄, причем точки О΄, R и осевая точка G голограммы будут лежать на одной прямой.

Рис. 22

Благодаря этому свойству голограмма-линза будет проецировать любой плоский предмет, расположенный в окрестности точки R, в геометрически подобное ему изображение в окрестности точки О. По своим отображающим свойствам такая голограмма-линза подобна обычной линзе, например связь между координатой z₁ источника и координатой z₂ изображения выражается формулой линзы

1/z₁ – 1/z₂ = 1/f

где f – фокусное расстояние голограммы-линзы. Голограмме-линзе, также как и обычной линзе свойственны основные виды аберраций.

Тем не менее, в отличие от обычной линзы голограмма-линза обладает двумя существенными особенностями. Во-первых, на формируемое ею изображение накладываются волны, идущие в другие дифракционные порядки (самая интенсивная из них – волна нулевого порядка), что портит изображение. Во-вторых, из-за того, что угол дифракции на структуре голограммы зависит от длины волны, положение и масштаб изображения, построенного голограммой-линзой, также зависит от длины волны, то есть голограмма-линза обладает сильной хроматической аберрацией. Нужно добавить, кроме того, что на формирование изображения идет не вся энергия световой волны, а лишь некоторая ее доля, равная дифракционной эффективности голограммы. Вследствие этого осевые голограммы-линзы не получили распространения.

Для частичного устранения этих недостатков используют внеосевые голограммы-линзы. С этой целью при записи голограммы создают некоторый угол между осями расходящейся опорной и сходящейся предметной волн (см. рис. 23). В результате на стадии восстановления голограммы дифракционные порядки пространственно разделяются, то есть устраняется их наложение на изображение, построенное голограммой-линзой. Хроматических аберраций удается избежать, если использовать голограмму-линзу в монохроматическом излучении.

Рис. 23

В качестве примера эффективного использования голограммы-линзы можно указать на систему лазерной локации атмосферы (лидар). Она состоит из мощного лазера, излучение которого направляют в атмосферу, и оптической системы, принимающей рассеянное в обратном направлении излучение. Поскольку интенсивность обратно рассеянного излучения весьма мала, то диаметр объектива, фокусирующего это излучение на фотоприемник, делают большим (порядка одного метра). Поскольку в данном случае объектив используется для монохроматического излучения, то использование вместо дорогостоящего и массивного объектива легкой голограммы-линзы оказывается весьма эффективным, так как значительно упрощает и удешевляет конструкцию лидара.

8.2. Голограмма – корректор аберраций

При использовании обычной оптической системы в монохроматическом излучении можно корректировать ее аберрации с помощью специальной голограммы, осуществляющей преобразование искаженного аберрациями волнового фронта в правильный сферический волновой фронт. Схема записи и практического использования такой корригирующей голограммы представлена на рис. 24а. В оптическую систему L, подлежащую коррегированию, направляют монохроматическую волну от точечного источника S, расположенного в центре пространства объектов. Оптическая система формирует искривленный сходящийся волновой фронт F. Этот фронт записывают на голограмму H вместе со сферической опорной волной R, сходящейся во внеосевую точку C.

Рис. 24

После проявления голограмму устанавливают в то же самое положение относительно системы L, которое она занимала при записи (рис. 24б). Объект P небольшого углового размера располагают вблизи точки S. Теперь волна, испускаемая каждой точкой объекта, после прохождения через оптическую систему и дифракции на голограмме будет превращаться в сферическую волну и фокусироваться в точку в области, близкой к точке схождения опорной волны R. Таким образом, в этой области будет сформировано почти безаберрационное изображение P`предмета P.

Надо заметить, что полное устранение аберраций в рассматриваемой схеме возможно только для одной осевой точки предмета S. Для внеосевых точек предмета возникнут аберрации, вносимые самой коррегирующей голограммой. Однако для предмета небольших угловых размеров они будут несущественны.

В настоящее время описанный принцип используется для коррекции аберраций главного зеркала телескопа, которые могут быть вызваны статическими или динамическими (например, тепловыми) искажениями его формы.

8.3. Голограмма – формирователь образцового фронта

Для контроля формы поверхности оптических деталей обычно используют интерферометры. При этом у волны, освещающей контролируемое изделие, стремятся создать такой волновой фронт, чтобы в каждой точке изделия волна падала по нормали к поверхности изделия. Другими словами форма волнового фронта должна быть подобна предполагаемой форме поверхности образцового изделия. С этой целью в схему интерферометра вводят дополнительную оптическую систему – формирователь образцового фронта. Однако создать такой формирователь из традиционных оптических элементов (зеркал и линз) – нелегкая задача особенно в случае контроля асферических поверхностей. Использование голограммы в качестве формирователя образцового фронта позволяет значительно упростить эту задачу.

Такие формирователи выполнятся в виде синтезированных на компьютере осесимметричных голограмм. Рассчитанная на компьютере структура голограммы физически воплощается путем процарапывания или лазерного испарения тонкого алюминиевого или хромового слоя, нанесенного на стеклянную подложку. Осесимметричность голограммы позволяет изготовлять ее с помощью круговых движений резца относительно подложки. В настоящее время таким способом могут изготовлять голограммы с пространственной частотой линий до 1000 мм^-1.

В качестве примера на рис. 25 приведена схема интерферометра Тваймана – Грина с синтезированным голограммным оптическим элементом предназначенным для контроля асферических вогнутых повехностей.

Рис. 25

По своей оптической схеме этот интерферометр напоминает интерферометр Майкельсона, но в его рабочей ветви между контролируемой асферической поверхностью 6 и светоделителем 3 установлена голографический элемент 5 – формирователь образцового фронта. Он преобразует поступающий на вход интерферометра плоскопараллельный световой пучок в сходящийся пучок с фронтом заданной формы, который направляют на контролируемую поверхность. При обратном ходе лучей, отраженных от зеркала 4 и поверхности 6, они накладываются и интерферируют в плоскости приемной ПЗС матрицы 8. Если форма контролируемой поверхности точно совпадает с формой образцового волнового фронта и они соосны, то после отражения от поверхности форма фронта не изменится и при обратном ходе волны голограмма 5 совершит обратное преобразование асферического волнового фронта в плоский. В противном случае полученный в ходе обратного преобразования фронт будет отличаться от плоского, что будет выявлено в интерференционной картине на выходе интерферометра.

8.4. Голографические зеркала и фильтры

Выше отмечалось, что при дифракции Брэгга на трехмерных решетках у дифрагированной волны возникает эффект селекции определенной длины волны в соответствии с условием Брэгга (5). Этот эффект позволяет использовать трехмерные решетки, изготовленные голографическим способом по схеме Денисюка, в качестве зеркал или фильтров, выделяющих из всего спектра излучения узкий диапазон длин волн.

Для изготовления решеток используют слои бихроматной желатины, толщиной от 10 до 100 мкм. Их наносят на плоскую или сферическую стеклянную подложку. Схема записи трехмерных голографических решеток представлена на рис. 26. Светочувствительный слой желатины 3 через тонкий слой иммерсионной жидкости 2 прижат к зеркальной отражающей поверхности 1. Иммерсия введена для устранения отражения света от воздушного промежутка между желатиной и зеркалом.

Рис. 26

Если направить волну излучения лазера со стороны стеклянной подложки 4, то в светочувствительном слое 3 будут интерферировать две встречные волны, формирующие интерференционную картину в виде чередующихся плоскостей (в схеме а) или сфер (в схеме б), отстоящих друг от друга на λ/2. После проявления структура интерференционной картины будет зафиксирована в виде модуляции оптической плотности желатины. Она и будет представлять собой трехмерную решетку.

Изготовленные подобным образом голографические трехмерные решетки действуют как зеркала и являются аналогами диэлектрических многослойных интерференционных зеркал, имеющих очень высокий коэффициент отражения для узкого диапазона длин волн. В настоящее спектральная полуширина коэффициента отражения голографических зеркал составляет 5 – 10 нм. Вне пределов этого узкого спектрального диапазона голографическое зеркало является прозрачной пластиной, пропускающей 90% падающего излучения. Таким образом, голографическое зеркало в проходящем излучении действует как фильтр, блокирующий узкий спектральный диапазон. Это позволяет использовать подобные зеркала в качестве защитного средства, предотвращающего нежелательную засветку приемных оптоэлектронных устройств мощным лазерным излучением. С этой же целью голографические зеркала-фильтры используют в очках, предназначенных для защиты зрения от лазерного излучения.

8.5. ГОЭ в системах индикации

Спектральная селективность голографических зеркал позволяет создать на их основе дисплеи, обладающие интересными возможностями. В качестве примера рассмотрим авиационный голографический дисплей, формируемый на лобовом стекле кабины или на стекле шлема пилота. Дисплей по своей структуре представляет собой описанное выше голографическое зеркало, селективно отражающее излучение заданной длины волны и свободно пропускающее все остальное излучение. Это голографическое зеркало формирует на отражение в поле зрения пилота унесенное в бесконечность изображение экрана монитора с оперативной информацией. Принципиальная схема такого дисплея представлена на рис. 27. Излучение с экрана Т монитора попадает на голограмму Н. Голограмма выполнена в виде вогнутого зеркала, формирующего для пилота Е мнимое изображение экрана монитора на бесконечном удалении. При этом изображение благодаря селективности зеркала оказывается монохромным, а все поступающее снаружи сквозь голограмму излучение позволяет пилоту беспрепятственно наблюдать обстановку почти без изменения его спектрального состава, то есть в привычном режиме. Пилот видит приборную доску, наложенную на пространство впереди самолета, и ему нет необходимости переводить взгляд с местности на доску или перефокусироваться с одного на другое.

Рис. 27

Аналогичный принцип индикации используется в голографических прицелах. В них с помощью специального голограммного оптического элемента формируют изображение прицельной марки на заданном расстоянии стрельбы. Для формирования голограммой изображения марки используется малогабаритный полупроводниковый лазер, работающий на длине волны 650 нм. Схема записи голограммы прицельной марки представлена на рис. 28.

Рис. 28

В ней транспарант с изображением прицельной марки, установлен близко от фокальной плоскости линзы, направляющей прошедшее через транспарант излучение на голограмму. В результате на голограмме записывается удаленное на большое расстояние (100 – 150 м) мнимое изображение прицельной марки. В данной схеме опорный и предметный пучки падают на голограмму с одной стороны, то есть такая голограмма восстанавливает изображение на просвет.

Действие голографического прицела пояснено на рис. 29.

Рис. 29

Параллельный пучок излучения лазера под большим углом падает на голограмму и восстанавливает вдоль линии визирования волну, формирующую в глазу стрелка мнимое изображение прицельной марки, наложенное на видимую сквозь голограмму (в нулевом порядке дифракции) цель. Дифракционную эффективность голограммы делают небольшой (порядка 1%), чтобы яркость метки не превосходила бы существенно яркости наблюдаемых сквозь прицел предметов. При стрельбе с таким прицелом нет необходимости располагать глаз стрелка строго на линии ствола, поскольку вследствие совмещения изображения марки с целью отсутствует их взаимный параллакс при смещении линии визирования. Прицелы комплектуются сменными голограммами, формирующими прицельные марки различного вида: точки, концентрические окружности, перекрестия.

8.6. ГОЭ в качестве концентраторов световой энергии

Голографические решетки используют в качестве концентраторов световой энергии в солнечных батареях.

Кремниевые элементы солнечных батарей имеют высокую стоимость, поэтому для сокращения их площади при сохранении производимой ими электрической мощности солнечный свет с большой площади облучения концентрируют на сравнительно малых по размеру кремниевых элементах. Для этой цели традиционно используют зеркала и линзы. Это тоже не дешевые элементы. Такие концентраторы оказываются громоздкими и их использование существенно ухудшает внешний вид крыш домов, использующих солнечные энергетические установки. Более того, для их эффективной работы требуется снабжать батарею системой поворота ее вслед за солнцем.

Использование голографических концентраторов солнечной энергии значительно упрощает решение задачи. Концентратор представляет собой ГОЭ, зажатый между двумя слоями стекла (рис. 30).

Рис. 30. Разрез голографической фотоэлектрической батареи. Толщина каждого из двух слоёв стекла — 3,2 миллиметра (жёлтый цвет), толщина голографической плёнки — 7 микрон (оранжевый). Синим показана фотоэлектрическая ячейка

ГОЭ представляет собой суперпозицию множества голографических решеток различного периода и ориентации. Падающее на ГОЭ излучение дифрагирует под значительным углом и далее за счет явления многократного полного внутреннего отражения распространяется вдоль стеклянных слоев, пока не попадет на кремниевый элемент (см. рис.). Каждая из решеток, входящих в состав ГОЭ, эффективно собирает свет при определенном положении солнца. Вся совокупность решеток позволяет функционировать этой системе большую часть светового дня при неизменной ориентации.

Немаловажное преимущество голограммных оптических элементов, используемых в качестве концентраторов солнечной энергии, состоит в возможности использования их спектральной селективности для

выделения наиболее эффективного для преобразования в электрическую энергию диапазона солнечного излучения и отсечения теплового излучения, обуславливающего необходимость отвода тепла от кремниевых фотоприемных панелей.

Помимо эффективности и сравнительной дешевизны существенным преимуществом такой системы является плоскостность конструкции, что позволяет свободно располагать ее на крышах, стенах, дверях и т.д. Внешний вид солнечной батареи с ГОЭ показан на рис. 31.

Рис. 31