Векторные взаимодействия световых волн при фотоиндуцированном рассеянии света в кристаллах ниобата лития (стр. 5 )

В пятой главе рассматриваются методы цифровой обработки оптических изображений. С помощью разработанных методов строятся и анализируются угловые распределения интенсивности ФИРС в легированных кристаллах ниобата лития при различных условиях эксперимента.

В параграфе 5.1 предлагается экспресс-метод анализа диффузных изображений с использованием в качестве микрофотометра цифровой фотокамеры. Качество ПЗС матриц в настоящее время настолько высоко, что может сравниться с разрешением сканера. Использование цифровой фотокамеры позволяет избавиться от предварительного фотографирования на пленку оптического изображения; фотокамера позволяет использовать графическую информацию сразу в цифровом формате, что в десятки раз сокращает время получения и обработки изображения.

Для анализа полученной информации требуется создание специального программного сопровождения для персонального компьютера. Программа по анализу изображения предназначена для построения графика пространственной зависимости интенсивности излучения по любым выбранным направлениям оптического изображения. Изображение с экрана фиксируется цифровой камерой и затем переносится в компьютер. Для анализа фотографии ее необходимо представить в формате BMP. Файл в данном формате представляет собой битовую матрицу (файл с расширением. bmp), которая отображает цвет каждого пикселя в изображении. Загрузив данное изображение в программу, получаем двумерный массив, каждый элемент которого представляет собой цвет соответствующей точки изображения (пикселя). Обработав информацию с помощью стандартных алгоритмов, получаем интенсивность каждой точки изображения.

Для усреднения графика расчет интенсивности можно проводить не для  одной точки изображения, а для окрестности данной точки, радиус которой (окрестности) указывается. Тогда на графике в качестве интенсивности возьмем среднее арифметическое значение интенсивностей всех точек области. Усреднение необходимо для получения плавной кривой зависимости, т. к. шумы ПЗС матрицы и спекл-структура лазера дают скачки интенсивности на получаемом графике.

Предлагаемая регистрирующая система и алгоритм обработки оптической информации позволяют значительно ускорить процесс измерения степени освещенности оптических изображений, построения и анализа графиков. Для получения результата требуется относительно немного времени по сравнению с  традиционными фотометрическими методами и использованием сканера в качестве микрофотометра, при этом сохраняется высокая точность определения координат точек исследуемого изображения. Методика может быть успешно применена при анализе различных диффузных изображений, например, коноскопических фигур оптических кристаллов или картин рассеяния света.

В параграфе 5.2 излагается альтернативная методика цифровой обработки оптических изображений. Основное преимущество методики, описанной в предыдущем параграфе, заключается в быстроте обработки информации. Однако с ее помощью достаточно сложно получить двумерное распределение яркости изображения. Кроме того, в ней остается нерешенной проблема линейного отображения реального распределения яркости. С целью изучения угловой структуры фотоиндуцированного рассеяния света может быть предложен цифровой метод построения и анализа индикатрис ФИРС, отличающийся от приведенного в предыдущем параграфе. Этот модифицированный метод позволяет строить двумерные распределения яркости с реальным соотношением уровней яркости для различных точек изображения. 

Особенностью цифровых камер является нелинейность отклика матрицы при регистрации изображений различной яркости. Это связано с наличием автоматической подстройки яркостных характеристик регистрируемого изображения с целью его оптимизации, а также с ограниченным динамическим диапазоном чувствительности матриц. Нами разработан метод, позволяющий получить реальные соотношения интенсивностей для различных направлений в индикатрисе ФИРС при помощи анализа цифровых фотографий.

Обработка фотографий и построение индикатрис осуществлялись с помощью персонального компьютера в стандартном математическом пакете, обеспечивающем возможности для работы с графикой. Получаемая цифровая фотография представлялась в виде информационного двумерного массива, в котором каждый элемент соответствует пикселю изображения. Индексами отдельного элемента массива являются координаты x и y соответствующего пикселя на фотографии, значением отдельного элемента массива является интенсивность I данного пикселя.

До фотосъемки исследуемых картин ФИРС нами были проанализированы цифровые фотографии лазерных пучков с известным соотношением интенсивностей, и подобран такой режим цифровой камеры, в котором имеет место наиболее близкое к истинному соотношение яркостей регистрируемых изображений. Следует отметить, что интервал интенсивностей сравниваемых пучков подбирался из диапазона интенсивностей рассеянного света при ФИРС.

Для каждой картины ФИРС в исследуемом кристалле при заданных условиях порождения рассеяния проводилась фотосъемка в выбранном режиме камеры при различных уровнях яркости изображения, регистрируемого матрицей. Это достигалось установкой перед объективом фотоаппарата калиброванных нейтральных светофильтров с различными коэффициентами пропускания. Для каждой фотографии из полученного набора вычислялось среднее значение яркости в определенной области изображения (координаты и размеры области одинаковы для всех обрабатываемых фотографий для данной картины ФИРС). С помощью полученных значений яркости и известных коэффициентов пропускания используемых светофильтров строился градуировочный график, по которому можно определить реальные отношения яркости любых пикселей изображения, зная яркость соответствующих пикселей  на фотографии, оптимизированной камерой.

В параграфе 5.3 анализируются индикатрисы ФИРС в исследуемых кристаллах в направлении прошедших и отраженных лучей при нормальном падении пучка накачки. Для построения индикатрис использовалась система координат, изображенная на рис. 9. Направление рассеянного излучения задается следующими углами: и – угол между выбранным направлением рассеяния ks и оптической осью кристалла z, ψ – угол между проекцией kSxy вектора ks на плоскость xy и осью x.

На рис. 10 представлено распределение интенсивности прямого ФИРС в исследуемых кристаллах по углу и в плоскости xz в случае нормального падения пучка накачки.

Для получения качественных снимков картин ФИРС лазерный пучок, прошедший кристалл, перекрывался специальным непрозрачным экраном. В области размещения экрана (88,5°<и<91,5°) наблюдается характерный «провал», описание углового распределения интенсивности ФИРС в данных направлениях представляется затруднительным. Из рис. 10 видно, что в диапазоне углов 87,5°<и<92,5° для LiNbO3:Rh, 85°<и<95° для LiNbO3:Fe (0,03 вес. %), 80°<и<100° для LiNbO3:Fe (0,05 вес. %) интенсивность рассеянного света резко спадает,  что свидетельствует о значительной угловой зависимости коэффициента усиления фоторефрактивного рассеяния в исследуемых кристаллах. В кристалле LiNbO3:Rh в направлениях, составляющих угол с накачкой менее 2,5 градуса излучается до 50% энергии рассеянного света при том, что максимальные углы ФИРС составляют десятки градусов.

В параграфе 5.4 представлены индикатрисы ФИРС в исследуемых кристаллах в направлении прошедших и отраженных лучей при отличных от нуля углах падения пучка накачки. В кристалле LiNbO3:Rh при заданных условиях эксперимента в направлении прошедших лучей (рис. 11) наблюдается картина ФИРС в виде темных и светлых дуг, несколько искривленных в области центрального пятна. Частично, в центре дуги скрыты широкоугловым рассеянием значительной яркости. В направлении отраженных лучей наблюдается картина в виде совокупности дуг, аналогичных по форме и размерам дугам прямого ФИРС. Очевидно, яркие дуги, наблюдаемые на картинах прямого и обратного рассеяния в кристалле LiNbO3:Rh являются разновидностью селективного ФИРС.

В шестой главе проведен расчет пространственно-временных характеристик широкоуглового и селективного ФИРС в легированных кристаллах ниобата лития. Приводятся результаты моделирования селективного ФИРС в кристалле LiNbO3:Rh при различных углах падения пучка накачки. Предлагается модель, описывающая селективное ФИРС как результат векторного четырехволнового взаимодействия в анизотропной среде с пространственно-неоднородным показателем преломления. С использованием данной модели осуществлен расчет углов синхронизма. Определена величина фотоиндуцированного изменения показателя преломления и фоторефрактивная чувствительность кристалла. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными.

В параграфе 6.1 проведен расчет индикатрисы широкоуглового ФИРС. Расчет проведен для кристаллов ниобата лития x-среза, для  накачки, поляризованной в плоскости, содержащей оптическую ось кристалла. Фотоиндуцированные неоднородности диэлектрической проницаемости в области освещения кристалла представлены в виде совокупности объемных фазовых синусоидальных дифракционных решеток. То есть ФИРС интерпретируется как дифракция пучка накачки на фотоиндуцированных решетках показателя преломления. В наших расчетах предполагается, что за формирование решеток показателя преломления ответствен фотовольтаический механизм переноса заряда. В приближениях двухпучкового взаимодействия и малой дифракционной эффективности решеток угловая зависимость интенсивности ФИРС может быть выражена как

  (3)

где Iн – интенсивность накачки, θ – угол между волновым вектором и оптической осью кристалла z, ψ – угол между проекцией волнового вектора рассеянного излучения на плоскость xy и волновым вектором накачки (накачка направлена вдоль оси x). Распределение интенсивности ФИРС, построенное в соответствии с (3) изображено на рис. 12. Теоретически полученный результат для неселективного рассеяния в кристаллах удовлетворительно согласуется с данными эксперимента (сравните рис. 12 с рис.2).