Короленкo П.В. Оптика когерентного излучения

КОРОЛЕНКО П.В.ОПТИКА КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯучебное пособие1997Систематически изложены вопросы формирования и распространения световых когерентных пучков в разнообразныхоптических системах и передающих средах. Рассмотрены современные способы записи и обработки оптическойинформации. Дается представление о возможностях компьютерных методов. Изложены основные принципы итенденции обновления элементной базы устройств когерентной оптики на основе использования киноформов,дифракционных и адаптивных оптических элементов.Пособие подготовлено в обычном печатном и электронном вариантах, что существенно расширяет возможности какизложения, так и освоения учебного материала.Для студентов и аспирантов, специализирующихся в области физической и вычислительной оптики, системоптической связи, а также лазерной физики.Электронный вариант учебного пособия подготовлен группой в составе: Гринь Л.Е., Маганова М.С., Петрова Г.В.,Федотов Н.Н., Эмбаухов С.В.СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕГЛАВА 1.

ОБЩЕТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ1.1. Когерентность1.1.1. Степень когерентности светового пучка1.1.2. Методы измерения пространственной и временнойкогерентности1.2. Основные положения волновой оптики1.2.1. Волновое уравнение1.2.2. Теория дифракции по Кирхгофу1.2.3.

Дифракция Френеля1.2.4. Дифракция Фраунгофера. Элементы фурье-оптики1.2.5. Принцип Бабине. Эффект Талбота1.2.6. О возможности обобщения метода Кирхгофа на случайвекторных полей1.3. Методы геометрической оптики1.3.1. Геометрооптическое приближение1.3.2. Лучи и фронты1.3.3. Принцип Ферма1.3.4. Лучевые трубки1.3.5.

Точка стационарной фазы. Область влияния1.3.6. Условие применимости геометрической оптики1.3.7. Каустики1.3.8. Элементы гамильтоновой оптикиЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 1ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛНОВЫХ ПУЧКОВ2.1. Моды свободного пространства2.1.1. Параболическое приближение2.1.2. Свойства основной моды2.1.3. Моды высших порядков2.1.4. Преобразование волновых пучков с помощью линз2.1.5. Геометрооптическое описание распространения ипреобразования волновых пучков2.1.6. Расчет поля дифрагированной волны методомразложения по модам свободного пространства2.2. Моды оптических резонаторов2.2.1.

Геометрооптическое описание внутрирезонаторныхполей2.2.2. Моды устойчивых резонаторов в приближениибесконечной апертуры2.2.3. Согласование резонаторов2.2.4. Моды резонаторов при ограниченной апертуре зеркал2.2.5. Неустойчивые резонаторы2.2.6. Резонаторы, применяемые для селекции мод2.2.7. Кольцевые резонаторы2.2.8. Модульные системы2.3. Волноводное распространение излучения2.3.1. Квадратичные среды2.3.2.

Оптические волокна2.3.3. Полые волноводы2.4. Распространение когерентного излучения в среде со случайныминеоднородностями2.4.1. Борновское приближение и приближение Рытова2.4.2. Флуктуации уровня и фазы2.4.3. Характеристики излучения в случайной среде сгауссовой функцией корреляции2.4.4. Колмогоровская модель турбулентной атмосферы2.5. Формирование спекл-полей при взаимодействии света с диффузнымиобъектами2.5.1. Физическая природа спеклов и их размеры2.5.2. Спекл-фотография и спекл-интерферометрия2.6. Стохастизация световых пучков в каналах с регулярнымраспределением неоднородностей. Оптический хаос и фрактальныеструктуры лучей2.6.1.

Уравнения траектории луча2.6.2. Нелинейный лучевой резонанс2.6.3. Фрактальные лучевые структуры2.7. Пучки с винтовыми дислокациями волнового фронта. Элементысингулярной оптики2.7.1. Общая характеристика дислокаций волнового фронта2.7.2. Методы регистрации ВД2.7.3. Оптические вихри в случайно-неоднородных средах2.7.4. Генерация винтовых полей в лазерах.ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 2ГЛАВА 3. ЗАПИСЬ И ОБРАБОТКА ОПТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ3.1. Общая характеристика оптических систем3.2.

Однолинзовая система3.2.1. Линзы как элементы, выполняющие преобразованиеФурье3.2.2. Формирование изображения3.3. Получение изображений в сложных системах3.3.1. Дифракционно-ограниченные системы. Теории Аббе иРелея3.3.2. Роль аподизации3.4. Учет аберраций3.5. Голографическая запись информации3.5.1. Принцип голографической записи3.5.2. Голограммы Фурье3.6.

Оптическая фильтрация и распознавание образов3.6.1. Применение системы 4-F3.6.2. Голографический метод синтезированияпространственных фильтров и проблема апостериорнойобработки информации3.7. Сопоставление методов когерентной и некогерентной оптики3.8. Характеристики качества изображенияЛитература к главе 3ГЛАВА 4. МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОПТИКИ4.1.

Задачи компьютерной оптики4.2. Цифровая голография4.2.1. Общая процедура изготовления синтезированной голограммы4.2.2. Получение цифровой голограммы Фурье и ее бинаризация4.2.3. Киноформ4.3. Фазовая проблема в оптике. Cоздание на основе решения обратныхзадач нового класса оптических элементов4.3.1. Извлечение фазовой информации из данных обинтенсивности4.3.2.

Особенности расчета характеристик фокусаторов икорректоров излучения4.3.3. Дифракционные оптические элементыПлоско-сферическая линзаПлоская цилиндрическая линзаПлоская призма4.3.4. Создание фокусаторов на основе управляемых зеркал4.4. Фокусировка излучения при наличии случайных помех. Использованиеметодов адаптивной оптики4.5. Оптические элементы для анализа и формирования поперечногосостава излучения4.6. Цифровая обработка полей в оптических системах4.6.1.

Виды обработки оптических полей4.6.2. Автоматизированная измерительная система длядиагностики структуры лазерных пучковЛитература к главе 4ВВЕДЕНИЕОптика когерентного излучения является частью современной физической оптики. Ее предметсоставляют физические процессы, связанные с формированием и распространением когерентногоизлучения в разнообразных оптических системах и передающих средах. Бурное развитие оптикикогерентного излучения в последние десятилетия непосредственным образом обусловленодостижениями лазерной физики.

Ведущиеся широким фронтом исследования уникальныххарактеристик лазерных пучков обогатили знания о свойствах когерентного cвета. При этомпроцесс изучения новых оптических явлений и закономерностей с использованием лазеровпроисходил так быстро, что стал наблюдаться определенный разрыв между вновь развиваемымитеоретическими представлениями и традиционными положениями классической оптики. Этомуспособствовал и тот факт, что в физике лазеров новые данные очень часто возникали на стыкеразличных научных направлений, и их интерпретацией занимались исследователи,представляющие разные школы и специальности.

Следует учитывать также произошедшее в"лазерную эпоху" необычайно широкое внедрение оптических методов исследования в самыеразные научные области, часто значительно отличающиеся как природой изучаемых объектов, таки используемым теоретическим аппаратом. Такое экстенсивное расширение оптических понятий ипредставлений, все возрастающая неопределенность в характеристике предмета современнойкогерентной оптики, отсутствие единой теоретической основы стали негативно сказываться напроцессе сопоставления и обобщения данных, полученных различными авторами, и определили, вконечном счете, устойчивую тенденцию к объединению различных частных теорий на основеизвестных положений классической оптики. Естественно, такое объединение с самого началапредполагало и определенную модернизацию этих положений, и расширение понятийного иматематического аппаратов.

Материал данного учебного пособия по замыслу автора долженотражать указанную тенденцию.Все наиболее важные оптические явления, происходящие в когерентном свете, рассмотрены вучебном пособии с единых позиций: как правило, на основе анализа различных форм решенияприведенного волнового уравнения.

При этом во всех случаях, оправданных с точки зрения болееполного и точного описания физической сути рассматриваемых процессов, делается попыткасвязать новые сведения с ранее известными классическими представлениями, как с точки зрениятерминологии, так и методов описания. Даже при изложении новых, во многом находящихся встадии становления разделов когерентной оптики, к которым может быть отнесена, в частности,значительная часть компьютерной оптики, освещение соответствующего теоретического иматематического аппаратов производится с позиции дальнейшей эволюции ранее известныхподходов и методов, в том числе и методов фурье-оптики.Если попытаться сформулировать наиболее общую задачу, решаемую в рамках когерентнойоптики, то это можно сделать следующим образом.

Пусть в плоскости П1 (рис. В1) заданоамплитудно-фазовое распределение когерентного поля световой волны, движущейся внаправлении, показанном стрелкой. Требуется найти распределение амплитуды и фазы вплоскости П2 в предположении, что между плоскостями П1 и П2 располагается какая-либооптическая система или передающая среда. Сформулированная задача является основной прямойзадачей оптики когерентного излучения.

Несмотря на простоту ее формулировки, ее решение вобщем случае является нетривиальным. В отдельных случаях решение этой задачи требуетиспользования весьма сложных методов и подходов. Исходя из приведенной схемы, можносформулировать два варианта обратных задач. Согласно первому варианту по известномураспределению поля в плоскости П2 и известным параметрам системы, располагающейся междуплоскостями П1 и П2, следует определить распределение поля в плоскости П1.

Второй вариантсводится к определению характеристик системы между заданными плоскостями П1 и П2 поизвестным на них распределениям поля. С указанными основными физическими задачамикогерентной оптики граничит широкий круг задач, связанных с разнообразными прикладнымивопросами. Он включает проблему управления параметрами излучения, разработку методовобработки световых структур и реконструкции оптических изображений, а также записи иобработки оптической формации. Приведенная схема и классификация решаемых задачсоставляет методическую основу анализа рассматриваемых явлений.В материале учебногопособия естественнымобразом нашли своеотражение научныеинтересы автора, а такжеего коллег, работающих вобласти когерентнойоптики в ряде ведущихроссийских вузов иинститутов РАН. В немучтены многолетниетрадиции преподаваниякурса оптики когерентногоизлучения на кафедреоптики и спектроскопииРис.

В1.физического факультетаМГУ, а также опыт использования приобретенных знаний выпускниками кафедры на практике, входе научно-исследовательских работ в различных НИИ и ОКБ. Именно исходя из запросовпрактики, в пособие включены некоторые разделы, которые обычно включаются в руководства постатистической оптике.

К ним, в частности, относятся элементы теории когерентности и оптикислучайно-неоднородных сред. Это связано с тем, что при распространении излучения черезнекоторые оптические системы и передающие среды происходит заметное изменение степени егокогерентности. Благодаря влиянию ответственных за это физических факторов в когерентныхсветовых колебаниях появляется случайная составляющая, без учета которой невозможнокорректное описание изучаемых оптических явлений. Однако, несмотря на стремление авторамаксимально обобщить современное понимание предмета когерентной оптики и еесодержательной части, круг вопросов, включенных в пособие, и характер их освещения не можетпретендовать на исчерпывающую полноту, хотя бы из естественных ограничений объема пособия.В частности, по последней причине, исключены из рассмотрения разнообразные нелинейныеэффекты, происходящие в поле когерентного излучения.