Объемная голограмма

Объемные голограммы — это голограммы , в которых толщина записывающего материала намного больше длины волны света, используемого для записи. В этом случае дифракция света от голограммы возможна только как дифракция Брэгга , т. е. свет должен иметь правильную длину волны (цвет), а волна — правильную форму (направление луча, профиль волнового фронта). Объемные голограммы также называют толстыми голограммами или голограммами Брэгга .

Теория

Объемные голограммы были впервые рассмотрены Х. Когельником в 1969 году ^[1] с помощью так называемой «теории связанных волн». Для объемных фазовых голограмм возможно преломить 100% входящего опорного света в сигнальную волну, т. е. может быть достигнута полная дифракция света. Объемные поглощающие голограммы показывают гораздо более низкую эффективность. Х. Когельник предоставляет аналитические решения как для условий пропускания, так и для условий отражения. Хорошее описание теории объемных голограмм в виде учебника можно найти в книге Дж. Гудмана. ^[2]

Производство

Объемная голограмма обычно создается путем воздействия на фототерморефрактивное стекло интерференционной картины ультрафиолетового лазера . ^{[ требуется ссылка ]} Также возможно создавать объемные голограммы в нефоточувствительном стекле путем воздействия на него фемтосекундных лазерных импульсов. ^[3]

селективность Брэгга

В случае простого брэгговского отражателя селективность по длине волны можно оценить по формуле , где — длина волны вакуумного считывающего света, — длина периода решетки, — толщина решетки. Предполагается, что решетка не слишком сильна, т. е. вся длина решетки используется для дифракции света. Учитывая, что из-за условия Брэгга выполняется простое соотношение, где — модулированный показатель преломления в материале (не базовый показатель) на этой длине волны, можно увидеть, что для типичных значений ( ) получается , показывая необычайную селективность по длине волны таких объемных голограмм. ${\displaystyle \Delta \lambda }$ ${\displaystyle \Delta \lambda /\lambda \approx \Lambda /L}$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \Lambda }$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle \Lambda =\lambda /(2\Delta n)}$ ${\displaystyle \Delta n}$ ${\displaystyle \lambda =500{\text{ nm}},\ L=1{\text{ mm}},\ \Delta n=0.01}$ ${\displaystyle \Delta \lambda \approx 12.5{\text{ nm}}}$

В случае простой решетки в геометрии пропускания угловую селективность можно оценить также: , где - толщина голографической решетки. Здесь определяется выражением ). ${\displaystyle \Delta \Theta }$ ${\displaystyle \Delta \Theta \approx \Lambda /d}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle \Lambda }$ ${\displaystyle \Lambda =(\lambda /2\sin \Theta }$

Используя снова типичные числа ( ), получаем , что демонстрирует впечатляющую угловую селективность объемных голограмм. ${\displaystyle \lambda =500{\text{ nm}},\ d=1{\text{ cm}},\ \Theta =45^{\circ }}$ ${\displaystyle \Delta \Theta \approx 4\times 10^{-5}{\text{ rad}}\approx 0.002^{\circ }}$

Применение объемных голограмм

Избирательность Брэгга делает объемные голограммы очень важными. Яркие примеры:

• Лазеры с распределенной обратной связью (DFB-лазеры), а также лазеры с распределенным брэгговским отражателем (DBR-лазеры), в которых селективность длины волны объемных голограмм используется для сужения спектрального излучения полупроводниковых лазеров.
• Голографические запоминающие устройства для хранения голографических данных , в которых селективность Брэгга используется для мультиплексирования нескольких голограмм в одном фрагменте голографического записывающего материала, эффективно используя третье измерение материала хранения.
• Волоконные брэгговские решетки , которые используют объемные голографические решетки, зашифрованные в оптическое волокно. Фильтры длины волны используются в качестве внешней обратной связи, в частности, для полупроводниковых лазеров. ^[4] Хотя идея похожа на идею DBR-лазеров, эти фильтры не интегрированы в чип. С помощью таких фильтров также мощные лазерные диоды становятся узкополосными и менее чувствительными к температуре.
• Спектроскопия изображений может быть достигнута путем выбора одной длины волны для каждого пикселя в полном поле камеры. ^[5] Объемные голограммы используются в качестве настраиваемых оптических фильтров для получения монохроматических изображений, также известных как гиперспектральные изображения .
• Низкочастотная (« ТГц ») рамановская спектроскопия . ^[6]

Смотрите также

• Динамическая теория дифракции

Сноски

1. H. Kogelnik (ноябрь 1969). «Теория связанных волн для толстых голографических решеток». Bell System Technical Journal . 48 (9): 2909–2947. doi :10.1002/j.1538-7305.1969.tb01198.x.
2. Дж. Гудман (2005). Введение в Фурье-оптику . Roberts & Co. Publishers.
3. Рихтер, Даниэль; Фойгтландер, Кристиан; Беккер, Риа; Томас, Йенс; Туннерманн, Андреас; Нольте, Стефан (2011). "Эффективные объемные решетки Брэгга в различных прозрачных материалах, индуцированные фемтосекундными лазерными импульсами". Lasers and Electro-Optics Europe (CLEO EUROPE/EQEC), конференция 2011 года и 12-я Европейская конференция по квантовой электронике . стр. 1. doi :10.1109/CLEOE.2011.5943325. ISBN 978-1-4577-0533-5. S2CID  38327893.
4. «OptiGrate — пионер и ведущий производитель объемных решеток Брэгга». optigrate.com .
5. Блейс-Уэллетт С.; Дейгл О.; Тейлор К. «Настраиваемый фильтр Брэгга для визуализации: новый путь к интегральной полевой спектроскопии и узкополосной визуализации» (PDF) . photonetc.ekomobi.com .
6. "Системы спектроскопии ТГц-Раман". www.coherent.com . Получено 21 июля 2019 г.