12. Кванты и контрасты

                Как мы уже знаем, обращение волнового фронта (ОВФ) позволяет «исправить» искажения, которые испытывает
                лазерный луч, проходя через неоднородную среду. Но это касается только фазовых неоднородностей, проще
                говоря – искривления волнового фронта и траектории лучей. А что делать, если среда ещё и амплитуду
                искажает, то есть неравномерно ослабляет яркость передаваемого изображения и портит картинку?
                Такой вопрос однажды пришёл в голову автору и вскоре получил разрешение.
               

Можно ли при ОВФ одновременно с обращением фронта световой волны «вывернуть» и распределения яркости – за те же два прохода?
Давайте вспомним из фотографии такие термины как «позитив» и «негатив». Они как раз «вывернутые» по отношению друг к другу: там, где больше яркость на позитиве – темнее на негативе и наоборот.

Пусть наша искажающая среда создаёт из проходящего через неё пучка с однородной яркостью некое ненужное нам распределение яркости, назовём его «позитив».
Тогда, очевидно, чтобы его компенсировать, нам нужно пустить навстречу пучок, в котором распределения яркости «негативное».

Так всё же просто! Берём прозрачную фотопластинку, ставим её в сечение пучка, экспонируем, проявляем, закрепляем – и помещаем на то же самое место. Там, где света было больше, пластинка и больше потемнеет, поэтому, если отразить прошедший через неё пучок зеркалом, то светлые участки пучка наложатся на тёмные участки пластинки и наоборот, изображение выровняется по яркости. Такое наложение я изобразил на рисунке 1.

Хороший приём, правда? Но проблема в том, что обрабатывать фотопластинку нам некогда: «экспонировать, проявить и зафиксировать» негативное распределение яркости в поперечном сечении пучка необходимо за очень короткое время, пока свет бежит от искажающей среды до кюветы с красителем, в которой происходит ОФВ и обратно. А это миллиардные доли секунды. Как быть?

Понять это нам вновь помогут светлячки на рисунке 2.
Вы наверняка помните полочку – возбуждённый энергетический уровень (1), на который молекулы-светлячки переходят под действием излучения подходящей длины волны, на рисунке ниже обозначенного зелёной стрелкой.

А что если устроить для них ещё одну полочку, повыше, и с другой высотой? Иначе говоря – пусть это будет более высокий энергетический уровень (2).
Мы знаем, как они любят подпрыгивать на полочки, вот и здесь будут делать это с удовольствием, только длина волны излучения для этого нужна другая, я обозначил это жёлтой стрелкой.

Теперь давайте представим, что мы установили кювету с веществом, имеющим две таких полочки, на пути световых пучков, и посмотрим, что из этого получится.
Пустим зелёный пучок слева направо. В каком-то месте поперечного сечения пучка, где яркость зелёного излучения больше, будет больше и светлячков-молекул на уровне (1).
А жёлтый пучок пустим справа налево. Тогда в месте, где была большая яркость зелёного, он ослабнет: энергию заберут ожидающие светлячки-молекулы для перехода на уровень (2).

То есть на участках, где больше яркость зелени, будет меньше яркость жёлтого. Получается, что для жёлтых лучей мы таким образом и создали «негативную» маску. А это уже близко к тому, что мы хотим получить.
Осталось только найти подходящее вещество с двумя полочками – энергетическими уровнями, а также изменить длину волны излучения, идущего от ячейки ОВФ, чтобы она соответствовала переходу между уровнями (1) и (2).

В ходе изучения литературных данных был найден подходящий органический краситель, им оказался хлорофилл А. Изменение длины волны также осуществимо, для этого можно использовать, например, ОВФ при невырожденном четырёхволновом взаимодействии или при вынужденном комбинационном рассеянии.
В тонкости этих процессов я вдаваться не стану, просто ниже приведу схему с использованием невырожденного ОВФ, сходную с той, что была показана ранее в части 9. Основное отличие здесь в том, что обращённый пучок имеет другую длину волны, что обозначено жёлтыми стрелками на фоне зелени.

Схема эксперимента по компенсации неоднородностей пропускания изображена на рисунке 3.
Конфигурация схемы знакома, только в отличие от уже известной схемы, искажающая среда – это пластина с пятнами неоднородного пропускания. Напоминаю: обращение волнового фронта в ОВФ-ячейке происходит с изменением длины волны.
Давайте разберём, что здесь происходит.
1. Исходный «зелёный» пучок проходит (зеркала 1 – 5 – 6)  через искажающую среду, частично поглощаясь и ослабляясь в ней там, где на рисунке пятна.
2. «Запятнанный» «зелёный» пучок проходит сквозь слой хлорофилла А, в котором места, соответствующие пятнам, остаются почти прозрачными для будущего «жёлтого» пучка, а остальное сечение становится менее прозрачным.
Иначе говоря, создаётся «негативный» транспарант.
3. В ОФВ-ячейке формируется обращённый «жёлтый» пучок, идущий навстречу «зелёному». Там, где были пятна, яркость «жёлтого» пучка, разумеется, меньше.
4. «Жёлтый» пучок проходит через слой хлорофилла А. При этом яркие области в его сечении (вне пятен) ослабляются, а области, соответствующие пятнам, яркость не теряют (проходят через прозрачные «дырки» транспаранта).
5. В итоге яркость в сечении пучка, прошедшего через «негативный» транспарант, выравнивается, как при прохождении через негативную фотоплёнку.

И всё это происходит за время действия одного (каждого) импульса лазера.

Понятное дело, что скомпенсировать абсолютную непроницаемость искажающей среды не получится, любой подобный метод работает в ограниченном диапазоне прозрачности.

На рисунке 4 приведены расчётные кривые компенсации при различных плотностях и толщинах слоя хлорофилла А (Зависимость относительной интенсивности (I) скорректированного пучка от прозрачности (T) искажающего слоя).

Не удивляйтесь качеству рисунка: работа проводилась в те времена, когда только появились первые персоналки – ДВК-1. Это чудо техники не имело постоянного запоминающего устройства, и программу на Бэйсике приходилось набирать при   каждом новом включении.  Результаты расчёта выводились на экран в виде столбика цифр, а на бумагу, откуда и сканированы, переносились вручную. Ну а цифры и надпись я подставил уже сейчас: старые были некрасивыми. :)
 
Прямая (1) – интенсивность обращённого пучка без коррекции. Это линейная зависимость от прозрачности транспаранта: чем темнее пятно, тем меньше яркость.
 
Кривые (2), (3) и (4) – интенсивности с коррекцией при различных плотностях корректирующего слоя. Зависимость от прозрачности выражена значительно меньше, а на некоторых промежутках практически отсутствует – интенсивность обращённого пучка почти постоянна.

Если взять, например, кривую (4), то можно сделать вывод, что при изменении прозрачности искажающего слоя в 10 раз (от 0,1 до 1) интенсивность нескорректированного сигнала очевидным образом также увеличится в 10 раз, тогда как интенсивность скорректированного сигнала будет лежать в пределах от 0,09 до 0,14, изменяясь всего на 0,06.

Можно ввести понятие «Коэффициент коррекции», считая его равным отношению диапазонов значений. Для этого диапазона изменения прозрачности он равен примерно 13.

В диапазоне прозрачности от 0,3 до 1 интенсивность скорректированного сигнала остаётся практически постоянной, изменяясь примерно на 0,01, здесь коэффициент коррекции будет более 30.

Добавлю, что по результатам работы в соавторстве с коллегой, физиком-теоретиком, была подана заявка на изобретение и получено авторское свидетельство СССР:
http://findpatent.ru/patent/143/1434390.html

Продолжение здесь:
http://stihi.ru/2021/03/03/2197

.