Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Общая физика >> Оптика >> Волновая оптика | Популярные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Популярные статьиХроника одного расследования: Введение

Популярные статьиДинамическая голография и проблема обращения волнового фронта: picture5

НовостиГолография: дошло дело и до нейтронов

Популярные статьиГолографическая интерферометрия: голография

Популярные статьиХроника одного расследования: Проблемы плодятся и размножаются

Принципы голографии

В. В. Слабко (Красноярский государственный технический университет)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 7, 1997 г.
Содержание

Рассмотрим процесс записи и считывания голограмм на примере схемы, изображенной на рис. 2 и получившей широкое распространение благодаря наглядности и простоте, а в основном благодаря тому, что в руках исследователей появился уникальный инструмент - лазер.

 Схема голографической записи изображения
Рис. 2. Схема голографической записи изображения: 1 - излучение лазера в виде МПЭВ, 2 - опорный пучок, 3 - зеркало, 4 - предмет, А - плоскость пластинки, а-в - волновые поверхности рассеянного излучения, L1 , L2 - длины хода опорного и предметного лучей (указаны штриховой линией)

При освещении любого сколь угодно сложного предмета излучением каждая точка предмета является источником вторичных (отраженных) волн, и на достаточно больших расстояниях от предмета, значительно больших, чем размеры фотопластинки, эти волны хорошо могут быть представлены в виде плоских волн (см. рис. 2). При этом каждой точке на предмете будет соответствовать МПЭВ со своим углом падения Q' на пластинку. Если плоскость фотопластинки осветить частью излучения, которое использовалось для освещения предмета (опорный пучок), то на ней образуется система полос интерференции опорного пучка и пучков, испущенных каждой точкой предмета.

Теперь достаточно экспонировать (засветить) фотопластинку и обработать химически (проявить и закрепить), для того чтобы получить голограмму нашего предмета. Голограмма эта не имеет ничего общего с фотографией, полученной обычным способом. Мы не сможем в обычном свете рассмотреть на ней ничего, кроме беспорядочной на первый взгляд картины чередования областей с различным пропусканием. Для чтения голограммы нужен опорный пучок 2, точно такой же, как и тот, что использовался и при записи. При освещении опорным пучком на каждой из совокупности записанных дифракционных решеток восстанавливается своя предметная волна, соответствующая определенной точке предмета. Поэтому, помещая глаз в любой точке пространства за голограммой, можно наблюдать совокупность изображений всех этих точек. При этом предмет воспринимается как объемное образование, потому что, перемещая глаз в плоскости, параллельной голограмме, можно видеть его изображение, которое мы смогли бы видеть рассматривая не голограмму, а оригинал.

Необходимо отметить несколько очень важных свойств голографического способа записи информации.
  1. Голографический способ записи изображения чувствителен к фазам предметных волн, поэтому в голограмме содержится информация о расстоянии любой точки предмета до фотопластинки, то есть об аргументе в выражении (1). Это позволяет передавать объемность предмета. На пластинке с размерами, близкими к размерам обычной фотографии, содержится информация о бесчисленном множестве изображений предмета, соответствующих его наблюдению с разных точек.
  2. Чувствительность метода к фазам предметной волны обусловлена прежде всего тем, что записывается картина интерференции этой волны с опорной, фаза которой известна.
  3. Восстановление предметной волны возможно с любого малого участка голограммы. При этом, чем больше размер участка, тем большая четкость изображения возможна.
Остановимся теперь на условиях, при которых голограмма может быть записана. Вернемся к рис. 2. Из-за разности хода опорной и предметной волн на фотопластинке интерферирует свет, испущенный источником в различные моменты времени, разность которых достаточно просто оценить:

$\Delta t = \displaystyle{\frac{{L}_{1} - {L}_{2}}{C}}$. (8)

Здесь L1 , L2 - характерные расстояния, которые нужно пройти предметной и опорной волнам соответственно, С - скорость света. Для того чтобы интерференционная картина была записана, необходимо, чтобы фаза опорной и предметных волн не изменялась за время $\Delta t$. Изменение фазы ${\varphi}_{0}$ со временем приведет к смещению интерференционной картины и однородной засветке фотопластинки. Таким образом, мы приходим к формулировке понятия когерентности - свойства излучения (источника излучения) сохранять фазу со временем. Время, в течение которого фаза излучаемого источником света излучения не изменяется, называется временем когерентности ${\tau}_{c}$. Поэтому для записи голограммы необходимо, чтобы $\Delta t$ было меньше, чем время когерентности ${\tau}_{c}$. Обычные источники света в лучшем случае могут обеспечить ${\tau}_{c} \approx {10}^{-9}$ c, что соответствует величине ${L}_{1} - {L}_{2} \approx 3$ мм. Это совершенно недостаточно для голографирования макрообъектов. Поэтому голография получила распространение только после открытия эффекта квантового усиления света и создания источников когерентного излучения - лазеров.

Рассмотренные голограммы называют голограммами Габора или плоскими голограммами. Они характеризуются тем, что толщина фоточувствительного слоя значительно меньше длины волны.

Другой тип голограмм, разработанный российским ученым Ю.Н. Денисюком, предполагает использование толстых, объемных фотоматериалов, в которых толщина фоточувствительного слоя значительно превышает длину волны. Общая схема записи таких голограмм изображена на рис. 3.

Запаздывание сигнала в поле Солнца
Рис. 3. Схема записи (а) и воспроизведения (б) голограмм Денисюка, в - схема интерференции отраженных волн: 1, 2 - предметная и опорная волны, 3 - фоточувствительный слой, 4 - предмет

Здесь излучение лазера 2 проходит через толстый светочувствительный слой (рис. 3, а) и рассеивается предметом 4. Интерференция в объеме фоточувствительного материала рассеянных предметом 1 и падающих 2 волн создает сложную объемную интерференционную картину. Так же как и в предыдущем случае, рассмотрим излучение, отраженное от отдельной точки предмета на достаточно большом удалении, как МПЭВ (рис. 3, б ).

В результате интерференции предметной и падающей опорной волн образуется картина, в которой поверхности равной интенсивности представляют собой плоскости, равноотстоящие друг от друга на расстоянии (см. рис. 3, б )

$\Delta x = \displaystyle{\frac{\lambda}{2\sin(\alpha/2)}}$. (9)

Здесь $\lambda$ - длина волны излучения, $\alpha$ - угол между направлением распространения опорной и предметной волн.

После экспозиции и проявления фотоматериалов на месте максимумов интерференции образуется система полупрозрачных зеркальных плоскостей. Если поместить теперь обработанную пластинку на пути опорного пучка в то же положение, в котором она была при съемке, то восстановится пучок света, соответствующий предметной волне. Почему это происходит?

При частичном отражении падающего опорного пучка от системы полупрозрачных зеркальных плоскостей разность хода отраженных от соседних плоскостей волн (в том направлении, в котором распространялась предметная волна) будет равна длине волны. В результате интерференции всех отраженных волн они будут усиливать друг друга (рис. 3, в). Легко убедиться, что это условие выполняется только при том же угле падения $\alpha$ и при той же длине $\lambda$ опорной волны, которые использовались и при записи. Такое свойство голограмм Денисюка дает новое качество. Действительно, если использовать при считывании немонохроматический белый свет, то восстановится только компонента с длиной волны, равной длине волны лазерного излучения, использованного при записи голограммы. Таким образом, голограммы Денисюка записываются с помощью когерентного лазерного излучения, а считывать их можно в обычном белом свете. При этом цвет восстановленного изображения предмета будет таким же, как и цвет лазерного излучения, использованного при записи. Последнее позволяет записывать цветные изображения используя лазеры, излучающие в красной, синей и зеленой областях спектра. Рассматривая такую голограмму в белом свете, мы получим изображение предмета в этих же цветах. Сложение их, так же как и в цветном телевидении, передает цветовые оттенки предмета.

Итак, мы рассмотрели два типа голограмм: плоские (Габора) и объемные (Денисюка). Запись и чтение плоских голограмм возможны только с использованием когерентного, лазерного излучения. Для записи объемных голограмм необходимо когерентное излучение, однако рассматривать их можно и при обычном освещении.

Изготовление голограмм, как плоских, так и объемных, представляет собой технически достаточно сложную задачу. Поэтому голограммы дороги.

Изложение этой части было бы неполным, если бы мы не упоминали о радужных голограммах, стоимость которых невысока благодаря тому, что их можно достаточно просто копировать и, что важно, рассматривать в белом, некогерентном свете. Такие голограммы широко используются в рекламных и дизайнерских целях.

Теория этих голограмм сложна и требует многих пояснений, однако основная идея, положенная в основу радужной голографии, достаточно проста. Смысл ее заключается в том, что при записи голограммы одновременно с изображением предмета записываются и элементы спектрального прибора, выделяющего при наблюдении в белом свете излучение с определенной длиной волны. Часть информации при этом, конечно, теряется, однако полученная голограмма сохраняет свойства объемности предмета. Если снимать такую голограмму не на обычной фотопластинке, а использовать технологии, принятые в микроэлектронике, то можно получить рельефные изображения голограммы на металлической пластинке. В дальнейшем эту пластинку можно использовать для получения оттисков на покрытой металлом полимерной пленке. Такие голограммы используются как элемент защиты от подделок при производстве почтовых марок, денег и других ценных бумаг. Кроме того, эти голограммы очень эстетичны, обращают на себя внимание яркостью и игрой цвета.

Названные три типа голограмм: плоские, объемные и радужные - можно объединить общим названием "оптические статические голограммы". Эти голограммы фиксируют объемное изображение предмета в электромагнитном поле в видимой, как правило, области спектра с использованием опорного пучка, при записи на фоточувствительном материале (фотопленка, фоторезист) с образованием статического (не меняющегося по времени) изображения.

Прежде чем перейти к описанию других видов голографии, остановимся на некоторых приложениях голограмм статических.

Назад | Вперед

Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования