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

Приложение оптической статической голографии

Мы немного коснулись области применения голографии, в частности оговорили некоторые применения радужных голограмм. В рамках короткой статьи вряд ли возможно даже упомянуть о всех возможных применениях этого способа записи информации. Однако некоторые наиболее, на наш взгляд, значительные достижения голографии в практической деятельности здесь уместно рассматривать, естественно не претендуя на их полноту. Прежде всего это голографическая интерферометрия, позволяющая зримо наблюдать малые деформации изделий при изменении нагрузки и распределение этих деформаций по поверхности тела.

Очень интересные возможности открываются при использовании голографии в информационных технологиях. Интересны в этом смысле голографические устройства распознавания образов.

Объемные голограммы или голограммы Денисюка широко используются в музейных выставках экспонатов, представляющих историческую или культурную ценность, хищение или порча которых могли бы стать невосполнимой утратой. Такие голограммы реально передают не только объем экспоната, но и его цвет, создавая полную зрительную иллюзию оригинала. Как уже отмечалось, эти голограммы можно рассматривать в некогерентном свете и дополнительного лазерного освещения музейных экспозиций не требуется.

Интересны приложения голографии в системах адаптивной оптики. Под адаптивной оптикой понимается достаточно широкий класс устройств и методов, позволяющих управлять формой волнового фронта оптических полей. Использование голографии позволяет корректировать волновой фронт излучения лазеров. Для этого нужно снять голограмму, в которой в качестве опорного пучка используется излучение лазера с исправленными пространственными характеристиками, а в качестве предметного - излучение лазера, которое нужно откорректировать. Облучая такую голограмму излучением лазера с пространственными искажениями, мы восстанавливаем пучок, обладающий хорошими пространственными характеристиками.

Специально изготовленные голограммы можно использовать в качестве других оптических элементов. Они могут заменять линзы, дифракционные решетки, служить светофильтрами, пропускающими свет с определенными длинами волн. Они позволяют улучшить характеристики микроскопов и телескопов, применяются в системах хранения и обработки информации, открывая перспективы создания новых систем памяти для ЭВМ.

И последнее, на чем хотелось бы остановиться, заключается в проникновении идей голографии в другие области науки.

Акустическая голография

Первые попытки совмещения оптических и акустических методов предпринимались давно с целью визуализации интерференционной картины звуковых волн на поверхности жидкости, отраженных от предметов, находящихся в ее объеме.

Использование идей голографии в акустике оказалось очень плодотворным. Очевидно, что получить голограмму акустических волн на фотоматериале трудно. Однако частота акустических волн по сравнению с оптическими невысока, что позволяет измерять не только амплитуду волны (интенсивность), но и фазу. Вспомним, что в оптической голографии информация о фазе рассеянной предметом волны фиксировалась по интерференционной картине. Фазу рассеянной волны определяли сравнением ее с известной фазой опорного пучка.

Поскольку фаза акустической волны измеряется непосредственно, то необходимость в опорной волне отпадает, а процесс записи и восстановления голограммы превращается в вычислительный процесс, который может быть выполнен ЭВМ, если пространственное распределение амплитуд и фаз рассеянных предметом волн известно. Благодаря этому акустическая голография получила широкое распространение. С ее помощью можно получать информацию о структуре земной коры, океаническом дне, выявлять наличие неоднородностей в естественных и созданных человеком объектах. Звуковая голография используется в подводном звуковидении, бесконтактной диагностике машин и механизмов, для получения акустических изображений биологических, непрозрачных для света объектов, в устройствах медицинской диагностики для получения информации о внутренних органах и т. д.

Динамическая голография

Появление лазеров, когерентных источников оптического излучения, дало не только удобный и надежный инструмент для записи и восстановления объемного изображения предметов, но и расширило возможности самой голографии. Помимо когерентности лазерное излучение обладает еще некоторыми особенностями по сравнению с излучением обычных источников света. Интенсивность лазерного излучения может быть очень высокой, так что напряженность поля в электромагнитной волне иногда бывает сравнима с напряженностью поля в атомах вещества, через которое свет распространяется. При таких значениях электрического поля показатель преломления среды начинает зависеть от величины поля. Область оптики, предметом которой являются эффекты, связанные с изменением характеристик среды под действием лазерного излучения, называют нелинейной оптикой. Для нас эти явления интересны тем, что при интерференции опорной и предметной волн интенсивность света меняется в пространстве. В соответствии с ней меняется и показатель преломления, а в среде возникает голограмма объекта, которая существует, пока существуют лазерные поля.

Такая голография называется динамической, поскольку она фиксирует в реальном масштабе времени все изменения в положении и форме предмета в объеме нелинейно-оптической среды. Динамическая голография имеет преимущества перед статической. Мы кратко коснемся лишь наиболее интересных приложений динамической голографии.

На основе динамических голографических преобразователей могут быть созданы логические элементы ЭВМ с чрезвычайно высоким быстродействием (10-12 с), системы оперативной памяти и другие устройства оптоэлектроники.

Как уже отмечалось, динамическая голограмма меняется в соответствии с изменением в пространстве и времени предметной волны и может быть восстановлена. Чрезвычайно интересна схема считывания, осуществляемая пучком, который, так же как и опорный, является МПЭВ, но распространяется строго в обратном направлении. В этом случае восстанавливается волна, которая отличается от предметной тем, что она распространяется ей навстречу и полностью повторяет форму ее волнового фронта при обратном распространении вдоль ее траектории. Это так называемая сопряженная, или обращенная, волна. Описанный процесс считывания называется обращением волнового фронта (ОВФ). Он был впервые предсказан и обнаружен российскими учеными.

Рассмотрим этот эффект подробнее, обратившись к рис. 4, а. Плоские монохроматические волны 1 и 2 строго навстречу друг другу входят в нелинейную среду 3. На эту же среду падает волна 4, волновой фронт которой искажается после прохождения через среду с переменным по пространству значением показателя преломления. Волны 2 и 4 в объеме среды записывают динамическую голограмму, в которой искажения волны 4 включены автоматически. Волна 2 считывает эту голограмму, и в соответствии с законом сохранения импульса, который выполняется для такого рода взаимодействий достаточно строго (рис. 4, б),

Схема обращения волнового фронта (а) и закон сохранения импульса (б)
Рис. 4. Схема обращения волнового фронта (а) и закон сохранения импульса (б): 1, 2 - волны накачки, 4 - искаженная волна, 5 - сопряженная волна, 3 - нелинейная среда

$\vec{{k}_{1}} + \vec{{k}_{2}} + \vec{{k}_{4}} + \vec{{k}_{5}} = 0$, (10)

рождается волна 5, направленная строго в обратную сторону по отношению к волне 4. В волновых процессах аналогом импульса выступает волновой вектор $\vec{k}$, который задает направление распространения световой волны. Поэтому каждая пространственная компонента со своим волновым вектором $\vec{{k}_{4}}$ восстанавливается в виде обратной волны с $\vec{{k}_{5}}$. Фактически мы получили зеркало, которое в каждой точке фронта волны 4 имеет поверхность, параллельную этому волновому фронту, и отражает свет строго назад. Для плоской волны это обычное плоское зеркало. Для волны со случайными искажениями по фронту это должно быть зеркало достаточно сложной формы, да к тому же форма должна меняться со временем в соответствии с изменением во времени среды 5. Необходимо отметить, что считывающая волна 1 может значительно превышать по интенсивности волну 4. Кроме того, это зеркало меняет еще и знак фазы на противоположный. Странное и уникальное получилось зеркало.

Эффект ОВФ позволяет построить устройства, в которых искажения волнового фронта, связанные с неоднородностью среды, могут быть устранены. Последнее чрезвычайно важно при создании мощных лазерных систем, в которых однородность оптических элементов меняется со временем.

Эффект ОВФ просто решает задачу автоматического наведения лазерного излучения на движущуюся мишень, например в установках лазерного термоядерного синтеза, позволяет устранить искажения лазерного пучка, связанные с нестационарными неоднородностями в атмосфере, и незаменим в других приложениях. Он может с успехом применяться и для исследования процессов, протекающих в самой нелинейной среде, что позволяет получать уникальную информацию, недоступную другим методам; в том случае, если либо все, либо одно из полей 1, 2, 4 импульсное, то можно, задерживая импульс во времени, исследовать временную динамику развития нелинейности в среде (см. (7)).

Заключение

В статье рассмотрены основные принципы голографии и приведены примеры использования голографии, демонстрирующие лишь малую и не всегда самую значительную часть практического применения этой новой области волновой оптики. Однако значимость голографии не ограничивается областью ее практического приложения. Важнейшее значение голографии заключается в возникновении и развитии идей принципиально новых, в изучении явлений, которые в природе, как правило, не встречаются. Голография - это мир, от начала и до конца созданный человеческим разумом и яркое подтверждение его неограниченных возможностей.

Назад | Вперед

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