УСТРОЙСТВО ЗАПИСИ ГОЛОГРАММ

Полезная модель относится к области оптической голографии, конкретно - к устройствам записи изобразительных голограмм, в частности, голографических стереограмм, представляющих собой двумерные массивы микроголограмм с информацией о множестве ракурсов объекта записи.
Схемотехника подобных устройств непрерывно развивается. Современные устройства записи голографических стереограмм (в другой терминологии часто называемые как голографические принтеры или просто голопринтеры) [1, Masahiro Yamaguchi, Nagaaki Ohyama, and Toshio Honda. Holographic three-dimensional printer: new method // APPLIED OPTICS. 1992. Vol.31. No. 2. P. 217-222; 2, Klug Michael Anthony, Holzbach Mark Evan, Ferdman Alejandro Jose. Method and apparatus for recording one-step, fullcolor, full-parallax, holographic stereogram's // USA Patent. 7813018. Publication Date 2010.10.12] представляют собой громоздкие устройства с габаритами в несколько кубических метров, со сложной оптической схемой, требующие постоянного контроля состояния юстировок множества оптико-механических элементов. Новый подход к практической реализации голопринтеров, заключающийся в разработке компактных устройств за счет применения элементов волноводной оптики, предложен в [3, Kyungsuk P. Pyun, Andrey N. Putilin and Alexander V. Morozov. Integrated optical means for micro holograms recording // Proc. of SPIE. 2012. Vol. 8280. P. 82800L; 4, Морозов Александр Викторович, Путилин Андрей Николаевич, ПЫУН КыунгСук, СУНГ ГиЯнг. Интегральное оптическое устройство для записи микроголограмм // Патент РФ на изобретение №2470337. Опубликовано 20.12.2012. Бюл. №35].
Несмотря на очевидные достоинства компактности, устройство [4] имеет существенный недостаток, заключающийся в невозможности наблюдения восстановленного изображения в широком диапазоне азимутальных углов падения восстанавливающей волны из-за известного эффекта угловой селективности объемных голографических решеток, т.е. зависимости дифракционной эффективности голограммы от угла падения восстанавливающего пучка [5, Kogelnik Н. Coupled wave theory for thick hologram gratings // The Bell System Technical Journal. 1969. Vol. 48. No. 9. P. 2909-2947]. Это обстоятельство ухудшает условия комфортного наблюдения восстановленного изображения.
Указанный недостаток может быть устранен при использовании предложенного автором способа записи и восстановления изобразительных голограмм [6, Пен Е.Ф. Способ записи и восстановления изобразительных голограмм // Патент РФ на изобретение №2472201. Опубликован 10.01.2013. Бюл. №1], основанного на формировании объемных отражательных голограмм в регистрирующей среде путем интерференции сигнального и совокупности референтных пучков, располагающихся на воображаемой конической поверхности непрерывно друг за другом. Для формирования такой совокупности референтных пучков при экспериментальной апробации использован дифракционный аксикон.
Данный способ реализован в виде устройства [7, Пен Е.Ф. Устройство записи изобразительных голограмм // Патент РФ на полезную модель №129666. Опубликован 27.06.2013. Бюл. №18]. В этом устройстве в референтном канале расположен монолитный оптический элемент, функционально заменяющий совокупность нескольких элементов и позволяющий создавать компактные устройства записи изобразительных голограмм с возможностью наблюдения восстановленного изображения в широком диапазоне азимутальных углов падения восстанавливающей волны.
Один из возможных вариантов такого компактного устройства предложен автором в изобретении [8, Пен Е.Ф. Компактное устройство записи изобразительных голограмм // Патент РФ на изобретение №2541732. Опубликован 20.02.2015. Бюл. №5]. В устройстве [8] в выходной части канала референтного пучка применен монолитный оптический элемент, на входной по ходу луча торцевой поверхности которого нанесен дифракционный аксикон, а на другой торцевой поверхности размещена блокирующая диафрагма. Необходимость установки этой диафрагмы обусловлена тем, что указанный аксикон является фазовой кольцевой дифракционной решеткой с двумя градациями рельефа соседних кольцевых зон, обеспечивающими два уровня фазы проходящего через них света: О радиан и л радиан. В патенте [9, Swanson et al. High-efficiency, multilevel, diffractive optical elements. // US Patent # 4895790, Jan. 23, 1990] указано, что в этом случае доля дифракции света в первом порядке не превышает 40.5% от интенсивности падающего на дифракционный элемент излучения. Это означает, что в устройстве [8] для записи голограммы может быть использовано лишь около половины энергии лазерного излучения, и в то же время, во избежание формирования паразитной голограммы, требуется блокировать распространение света нулевого порядка дифракции, интенсивность которого составляет примерно половину интенсивности первого порядка дифракции [10, Дифракционная компьютерная оптика: / Под ред. В.А. Сойфера. - М.: Физматлит, 2007. С. 108]. Оставшиеся доли дифрагированного света приходятся на высокие дифракционные порядки, покидающие пространство монолитного оптического элемента в силу рефракции на границе образующей поверхности, и не участвующие в процессе записи голограммы.
Таким образом, недостатками устройства [8], рассматриваемого в качестве прототипа предлагаемого устройства, являются:
- низкий коэффициент использования энергии лазерного излучения, применяемого для записи голограмм;
- сложность устройства, в связи с необходимостью изготовления и прецизионной установки диафрагмы для блокировки нулевого порядка дифракции света.
Для устранения указанных недостатков используем известные достижения в области дифракционной оптики.
Теоретически, как показано в [11, J.A. Jordan, Jr., P.М. Hirsch, L.В. Lesem, and D.L. Van Rooy. Kinoform Lenses // APPLIED OPTICS. 1970. Vol. 9. No. 8. P. 1883-1887], при использовании дифракционного элемента с плавным изменением рельефа каждой кольцевой зоны в радиальном направлении, обеспечивающим приращение фазы проходящего света в пределах от 0 радиан до 2π радиан, интенсивность пучка света первого порядка дифракции может достигать 100% от интенсивности падающего излучения, а интенсивность нулевого порядка дифракции - практически равняется нулю.
Вместе с тем, известно [9, 10], что реализовать плавное, в частности линейное, изменение рельефа каждой кольцевой зоны дифракционного элемента на практике затруднительно. Поэтому применяется ступенчатое изменение рельефа, как это показано на Фиг. 1, заимствованной из [9], где схематично изображены плавное (А), а также эквивалентные ему по функциональному назначению двухградационное (В) и ступенчатое, многоградационное (С) изменения рельефа кольцевых зон дифракционного элемента в радиальном направлении.
Такое ступенчатое изменение рельефа реализуется путем вытравливания субзон внутри кольцевых зон в процессе последовательных технологических операций «фотолитография - травление» с использованием нескольких фотошаблонов (масок), причем количество субзон равно количеству масок, а глубина травления этих субзон, пропорциональная изменению фазы проходящего света, задается законом дихотомии, т.е. изменяется вдвое от маски к маске [10, 12, Б.И. Спектор. Об одном методе синтеза фазовой структуры киноформов // Автометрия. 1984. №6. С. 34-38].
На Фиг. 2, заимствованной из [9], показана зависимость дифракционной эффективности в первом порядке дифракции от количества масок и соответствующих им уровней фазы каждой кольцевой зоны дифракционного элемента. Видно, что при использовании четырех фотошаблонов образуются четыре субзоны, обеспечивающие шестнадцать уровней фазы в пределах от 0 радиан до 2π радиан в каждой кольцевой зоне, и позволяющие достичь дифракционной эффективности в первом порядке дифракции около 99%, а в нулевом порядке менее 1% от интенсивности падающего излучения.
Учитывая перечисленные обстоятельства, автором предложено устройство записи голограмм, устраняющее недостатки устройства [8], и содержащее лазер; светоделитель; каналы сигнальной и референтной волн, включающие волноводные и дифракционные оптические элементы; монолитный оптический элемент, установленный в выходной части канала референтной волны и выполненный в виде цилиндра из оптически прозрачного материала с отражающей относительно внутреннего пространства цилиндра образующей поверхностью; отличающееся тем, что на входной по ходу луча торцевой поверхности монолитного оптического элемента расположен дифракционный аксикон со ступенчатым изменением рельефа каждой кольцевой зоны в радиальном направлении, обеспечивающим многоуровневое приращение фазы проходящего света в пределах от 0 радиан до 2π радиан.
Применение дифракционного аксикона с многоуровневым (шестнадцать и более) изменением фазы каждой кольцевой зоны позволяет создать компактное устройство записи голограмм с таким же функциональным назначением, как и [8], но имеющее существенные преимущества, заключающиеся в повышении примерно в два раза коэффициента использования энергии лазерного излучения, применяемого для записи голограмм, а также в упрощении конструкции устройства, в силу того, что в монолитном элементе отпадает необходимость изготовления и прецизионной установки диафрагмы для блокировки нулевого порядка дифракции света.
Решение о применении монолитного оптического элемент с аксиконом, имеющим ступенчатое изменение рельефа каждой кольцевой зоны в радиальном направлении, обеспечивающим многоуровневое приращение фазы проходящего света в пределах от 0 радиан до 2π радиан, в составе устройства записи голограмм является новым.
Схема такого монолитного оптического элемента приведена на Фиг. 3, где 1 - входной пучок лазерного излучения; 2 - дифракционный аксикон со ступенчатым изменением рельефа каждой кольцевой зоны в радиальном направлении, обеспечивающим многоуровневое приращение фазы проходящего света в пределах от 0 радиан до 2π радиан; 3 - лучи первого порядка дифракции внутри и вне монолитного оптического элемента; лучи практически отсутствующего нулевого порядка дифракции не показаны.