Оптические квантовые генераторы для голографии; временная и пространственная когерентность

Интерференционная картина, которая фиксируется на голограмме, может быть получена лишь при использовании высококогерентных источников излучения. Этим и объясняется тот факт, что только с появлением лазеров голография получила широкое применение.

По сравнению с обычными источниками света оптические квантовые генераторы имеют значительно более высокую когерентность излучения. Тем не менее во многих случаях она оказывается недостаточной для получения высококачественных голограмм. Поэтому проблема улучшения когерентности оптических генераторов является чрезвычайно важной.

Временная когерентность излучения определяется шириной частотного спектра генерации лазера. Если спектр излучения очень широк, то при съемке голограммы каждой определенной длине волны этого спектра будет соответствовать свой интерференционный узор. При наложении всех этих узоров они сольются, образуя однородный фон. Если спектр излучения лазера узкий, то интерференционная картина на голограмме получается достаточно четкой, однако при соблюдении лишь определенных условий, о которых мы скажем ниже.

При экспериментальной оценке временной когерентности излучения луч лазера обычно разделяют на два луча, которые после прохождения различных расстояний, попадают на одну и ту же площадку экрана. Интерференционная картина, которая возникает при этом, зависит от разности путей интерферирующих лучей. При увеличении этой разности контраст интерференционной картины уменьшается и наконец она пропадает в шумах. Разность хода, при которой контраст падает вдвое, характеризует длину когерентности, которая связана с шириной спектра излучения Δf через скорость света:

Длина когерентности ограничивает глубину объема сцены яри съемке голограммы. Поэтому для получения голограмм с большой глубиной объема изображения, необходимо использование лазеров с очень узкой спектральной линией излучения.

Надо отметить, что спектры излучения оптических генераторов весьма сложны. Связано это с тем, что геометрические размеры оптических резонаторов значительно превышают длину волны, вследствие чего обычно генерируется большое число линий, соответствующих различным резонансным частотам резонатора лазера. Для простейшего резонатора, представляющего собой два плоских зеркала, расположенных на расстоянии L друг от друга, каждое собственное колебание можно в первом приближении рассматривать как стоячую волну, образованную сложением плоских волн, движущихся в противоположных направлениях между отражающими зеркалами. Такие собственные колебания называются продольными; они имеют одну и ту же структуру поля и отличаются друг от друга числом полуволн, укладывающихся на длине резонатора. Частотный интервал между соседними продольными колебаниями

Например, при длине резонатора

частоты соседних колебаний будут отличаться на

Но поскольку ширина спектральной линии активной среды (рис. 12), заполняющей резонатор лазера, значительно превышает эту величину, то происходит одновременная генерация многих колебаний, что ухудшает временную когерентность. С уменьшением длины резонатора расстояние между соседними колебаниями возрастает, число" генерируемых колебаний уменьшается, однако при этом падает и энергия излучения. Для гелий-неонового лазера, работающего в обычном режиме генерации, число возбуждаемых продольных колебаний равно примерно 10-20 и спектр излучения составляет около 1500 Мгц. Тогда длина когерентности

Это означает, что высококонтрастная интерференционная картина на голограмме получится только в том случае, если глубина объема снимаемого объекта будет меньше указанной величины.

Улучшение временной когерентности достигается выделением одного типа колебаний. В этом случае ширина спектра излучения значительно уменьшается, что позволяет получить голограммы объектов с большой глубиной. Однако подавление высших колебаний в лазере с целью выделения одного основного колебания достаточно сложная проблема. Это связано с тем, что селекция колебаний осуществляется, как правило, введением дополнительных элементов в резонатор, которые снижают энергию излучения оптического генератора. Тем не менее в последнее время достигнуты определенные успехи в направлении создания газовых лазеров непрерывного излучения и импульсных рубиновых лазеров, излучающих один тип колебаний, что обеспечивает высокую степень временной когерентности.

Другое требование, предъявляемое к оптическим генераторам, связано с их пространственной когерентностью. Эта характеристика оценивается по интерференции между лучами света, исходящими из различных участков волнового фронта. Такая интерференция возникает, если, например, на пути световой волны установить непрозрачный экран, с двумя небольшими отверстиями, расположенными на каком-либо расстоянии друг от друга. Чтобы ослабеть влияние временной когерентности, необходимо обеспечить равенство путей этих волн до места наблюдения интерференционной картины.

Рис. 12

Обычно считают, что идеальная пространственная когерентность соответствует излучению точечного источника, создающего сферическую волну. Это, хотя и правильное, но весьма частное определение, так как плоской волне также присуща идеальная пространственная когерентность. Более того, нетрудно создать очень сложную форму волнового фронта, поместив, например, на пути волны прозрачный материал неодинаковой толщины, сохранив при этом почти идеальную пространственную когерентность.

Можно несколько обобщить определение пространственно-когерентного излучения, охарактеризовав его как излучение, которое можно сфокусировать в точку, точнее, в область с размерами порядка длины волны. Однако более правильно, по-видимому, говорить о том, что излучение имеет высокую пространственную когерентность, если волновые фронты на всех частотах в пределах спектра излучения совпадают между собой. В рассмотренном выше примере лазера со многими продольными колебаниями это условие выполняется, так как все продольные колебания имеют одну и ту же структуру поля и поэтому одинаковые волновые фронты (небольшое различие связано с разными длинами продольных волн, то есть с разной их расходимостью). Здесь мы имеем случай высокой пространственной когерентности при плохой временной когерентности излучения.

Рассмотрим теперь, какова пространственная когерентность существующих лазеров и какими факторами она определяется. Мы уже говорили о том, что в лазерах имеет место одновременная генерация большого числа продольных колебаний. Наряду с этими колебаниями возбуждается большое число так называемых поперечных колебаний, которые довольно плотно заполняют спектр .излучения лазера, не увеличивая его ширины (см. рис. 12).

Можно считать в первом приближении, что поперечные колебания образуются в результате интерференции плоских волн, движущихся между отражающими зеркалами под небольшими углами к оси резонатора. Главная их особенность состоит в том, что они отличаются друг от друга не только: по частоте, но и по структуре поля. Это означает, что каждое поперечное колебание при излучении из лазера образует свой волновой фронт, определяющий также направление распространения этой волны. Поэтому волновые фронты различных поперечных колебаний не совпадают в пространстве, они лишь перекрещиваются и только в небольшой области пересечения их можно считать близкими. Именно в этой области, то есть лишь на небольшом участке волнового фронта, излучение сохраняет пространственную когерентность.

Таким образом, пространственная когерентность излучения лазера определяется возбуждением поперечных колебаний. Следует отметить также, что такие колебания излучаются в нескольких различных направлениях, и световой пучок, выходящий из лазера, расширяется, то есть ухудшается направленность излучения. Это излучение (в отличие от случая одного поперечного колебания, при многих продольных колебаниях) уже нельзя сфокусировать в пятно порядка длины волны, так как его пространственная когерентность далека от идеальной. Такое излучение малопригодно также и для получения голограмм. Действительно, в этом случае на фоточувствительном слое будут фиксироваться интерференционные картины, создаваемые каждой из поперечных волн, но они, однако, будут смещены друг относительно друга.

Вот почему задача создания лазеров, генерирующих только одни поперечные колебания (даже при многих продольных), является для голографии особенно важной. Решение этой задачи значительно упрощается при использовании определенной конфигурации оптических резонаторов. Такой метод селекции колебаний был реализован в газовых и в рубиновых лазерах при небольшом снижении мощности излучения.