Теория голографии в трехмерных средах Юрия Денисюка послужила фундаментом развития, так называемой, динамической голографии. Динамическая голография – это способ создания голограмм в виде непрерывно меняющейся картины бегущих волн интерференции в особых светочувствительных средах. Динамическая голограмма непрерывно изменяется под воздействием не только объектного волнового фронта, но и зависит от вклада восстановленных этой голограммой волновых полей в изменяющуюся во времени картину.
Российские ученые сразу же нашли множество полезных применений динамической голографии. Одно из них – обращение волнового фронта (ОВФ) лазерного излучения в квантовых усилителях.
Если пучок когерентного излучения сфокусировать в кювету со сверхчистой оптически активной жидкостью, например с сероуглеродом или четыреххлористым углеродом, то в зоне высокой плотности излучения возникнут звуковые волны высокой частоты. Волны изменяющейся плотности жидкости рождаются благодаря воздействию электромагнитного поля на электрически поляризованные молекулы. В этот момент звуковая волна, вызванная упорядоченными колебаниями молекул, начинает взаимодействовать с излучением. Таким образом, возникает динамическая отражательная голограмма. Эта голограмма обладает удивительным свойством. Она способна отражать волновой фронт в обратном направлении, с высокой точностью сохраняя его сложную форму.
Для чего все это нужно? – спросите вы. Такая потребность возникает, например, в процессе усиления лазерного пучка высокой когерентности, но недостаточной мощности в импульсных лазерах для голографии.
Конструкции мощных импульсных лазеров включают в себя каскады квантовых усилителей. В качестве активной среды в квантовых усилителях часто используются легированные кристаллы исключительной чистоты и однородности. Промышленное получение идеальных кристаллов очень проблематично, поэтому лазеры с энергией импульса в десятки джоулей стоят очень дорого. Использование явления обращения волнового фронта в конструкции усилителей позволяет скомпенсировать фазовые неоднородности недорогих кристаллов, повысить КПД усиления вдвое, при этом сохранить когерентные свойства многократно усиленного излучения.
Другое очень интересное применение этому явлению нашлось в области создания высоких давлений и температур в управляемом термоядерном синтезе. Для того, что бы произошло гарантированное слияние двух ядер дейтерия и трития с выходом энергичных нейтронов, требуется любыми способами создать очень высокие давления и температуры компонентов термоядерного «топлива».
Вот как это работает. Топливо в виде капсул, в которых заключены топливные компоненты, выстреливается в камеру. Несколько лазерных лучей высокой мощности должны очень быстро разогреть капсулу с топливом до гигантских температур. Капсула взрывается под воздействием сфокусированного на мишени лазерного света. За счет реактивной струи испаряющейся оболочки в момент взрыва возникают колоссальные давления и температуры взаимодействующих между собой атомов дейтерия и трития. Но вот задача – как попасть в микроскопическую быстро летящую мишень? На помощь ученым пришло явление «обращения волнового фронта».
Динамические голограммы и обращение волнового фронта оказалось полезным также и для самонаведения излучения. Эту идею впервые высказал X. Когельник. Существует несколько вариантов этого метода; мы обсудим только один в качестве примера. Излучение широко направленного вспомогательного лазера относительно небольшой мощности освещает нагреваемый объект пучком, заведомо перекрывающим все возможные положения объекта. Последний отражает волны во все стороны, и часть этих волн попадает в выходную апертуру силового лазера. Далее перехваченная часть этого излучения проходит через фокусирующую оптику и каскады усилителей, набирая по пути как энергию, так и разнообразные искажения. После этого посредством установленного после усилителей обращающего элемента создается “антии скаженный” пучок, который проходит опять все каскады усилителей в обратном направлении. В результате мощный направленный пучок фокусируется точно на объекте. Качество фокусировки будет идеальным, оно ограничено только волновой природой света (дифракционными эффектами) и не зависит от ориентации фокусирующей системы. Можно сказать, что объект “притягивает” к себе излучение силового лазера. Академик Н. Г. Басов со своими сотрудниками в ФИАНе изучает возможность применения самонаведения для лазерного термоядерного синтеза.
Проведенные за последние 5 — 10 лет интенсивные исследования привели к хорошему пониманию физики обращения волнового фронта. Сейчас основной интерес переключился на разработку многочисленных возможных приложений. Но даже помимо приложений, число которых ограничено лишь возможностями нашего воображения, обращенная волна существенно изменила представления о возможном и невозможном в оптике.
Динамические голограммы могут быть использованы в системах оперативной памяти быстродействующих оптических процессоров, в голографической литографии при изготовлении микрочипов и во многих других технологиях.