2639

амплитуда

время

наблюдать движение атома внутри молекулы.

78

3.Голография

3.1.Физические принципы голографии

Голография (от греческого слова holos – весь, полный, и grapho-

– пишу, черчу, рисую) – это фотографический метод точной записи, воспроизведения и преобразования волновых полей.

Основы голографии были заложены в 1948 году физиком Деннисом Габором (Великобритания). Желая усовершенствовать электронный микроскоп, Габор предложил регистрировать информацию не только об амплитудах, но и фазах электронных волн путем наложения на предмежную волну попутной когерентной опорной волны. Модельные оптические опыты Габора положили начало голографии. Однако отсутствие мощных источников когерентного света не позволило ему получить качественных голографических изображений. Второе рождение голография пережила в 1962-1963 годах, когда американские физики Э. Лейт и Ю.Упатниекс применили в качестве источника света лазер и разработали схему с наклонным опорным пучком, а советский физик Юрий Николаевич Денисюк осуществил запись голограммы в толстослойной фотоэмульсии (трехмерной среде), объединив, таким образом, идею Габора с цветной фотографией Липмана.

«Голография, - говорил Денисюк, - могла бы появиться лет на 300 раньше, будь у людей такой источник света, как лазеры. Во всяком случае, уже три столетия назад ученые догадывались, что мы живем среди волновых полей, и каждый предмет виден человеческому глазу лишь потому, что он отражает световые волны. Если зафиксировать полную картину этого отражения и воспроизвести ее потом, когда предмета уже не будет, глаз не заметит никаких изменений».

В отличие от голографии в обычном методе фотографирования информация об объемности предмета отсутствует. Это объясняется

Вчем заключается принцип голографии? Как можно регистрировать и восстанавливать всю информацию о предмете?

Воснове голографии лежат явления интерференции и дифракции световых волн.

Чтобы зарегистрировать и восстановить волну, необходимо уметь регистрировать и восстанавливать амплитуду и фазу идущей от предмета волны. Такая возможность представляется в связи с тем, что амплитудная и фазовая информация заложена в формуле:

2 – их начальные фазы.

Как видно из этого выражения, распределение интенсивности в интерференционной картине определяется кроме амплитуд интерферирующих волн также и разностью их фаз. Следовательно, для регистрации как амплитудной, так и фазовой информации необходимо кроме волны, идущей от предмета, так называемой предметной волны, иметь еще одну когерентную с ней волну, которую принято называть опорной волной.

Уяснить принцип голографии легче всего, рассматривая простейшие объекты. Наиболее прост для понимания случай голографической записи и восстановления плоской волны. Пусть такая волна 1, исходящая от предмета, падает на фотопластинку под углом к нормали (рис.1) Пусть на ту же фотопластинку одновременно с предметной волной 1 падает по нормали когерентная с ней плоская волна 2 (опорная волна). В результате

хода (точка x = 0) выбрана там, где = 0. 80

I(x)

2

а)

Рис.3.1

Получение (а) и восстановление (б) голограммы плоской волны.

Расстояние между соседними полосами, как следует из (3.2),

После проявления фотопластинки на голограмме получается дифракционная решетка с синусоидальным пропусканием. С помощью такой голограммы можно воспроизвести записанную на ней предметную волну. Направим на голограмму восстанавливающую волну, идентичную с опорной волной 2, использовавшейся при записи (рис.3.1 б). В результате ее дифракции на решетке с синусоидальным пропусканием возникают три плоские волны: одна из них соответствует главному максимуму порядка m = 0 и распространяется в направлении падающей волны, две другие – главным максимумам m = 1.

Так получается потому, что всем остальным главным максимумам интерференционного сомножителя в общей формуле интенсивности N когерентных вторичных волн:

соответствуют направления, для которых модулирующая функция I1( ), соответствующая интенсивности в точке наблюдения от одной щели, при синусоидальном пропускании обращается в нуль. Этот результат можно понять, если учесть, что в фраунгоферовой дифракционной картине распределение напряженности поля представляет собой преобразование Фурье функции Е(x), описывающей пространственное распределение напряженности поля падающей волны сразу за решѐткой:

ступенчатой периодической функции щелевой решетки) ее разложение в ряд Фурье содержит и гармоники, соответствующие

пространственным частотам kx = m(2 / d) с m = 2, 3 …

82

Пространственная гармоника с некоторым номером m приведет к возникновению максимума порядка m в дифракционной

определяется квадратом соответствующего коэффициента Фурье. Общая схема записи голограммы приведена на рис.3.2.а.

Волна W0, отраженная объектом О (объектная или предметная волна), смешивается опорной волной Ws, испущенная точечным

пространственная интерференционная картина (стоячая волна) представляющая собой систему поверхностей пучностей d1, d2, d3…, на которых интенсивность волнового поля максимальна, разделѐнных поверхностями, где интенсивность становится минимальной (пунктир).

Интерференционная картина записывается в прозрачной светочувствительной среде, занимающей объем V. После экспозиции и последующей химической обработки в толще светочувствительного материала образуется фотографическое изображение (например, из серебра ) , распределение плотности которого моделирует распределение интенсивности в стоячей волне.

Полученная таким образом фото-

nграфическая структура и

называется голограммой.

Процесс реконструции (восстановления) волны от объекта с помощью голограммы изображен на рис.3.2.б. На голограмму H

направляется волна Ws того же точечного источника S, который

83

использовался при записи голограммы. Оказывается, что структура голограммы такова, что в результате взаимодействия с ней восстанавливающая (или опорная) волна Ws трансформируется в волну W’0, точно совпадающую с объектной волной W0, записанной на голограмме.

Запись и воспроизведение волнового поля с помощь голограммы можно объяснить следующим образом: при записи голограммы поверхности пучностей интерференционной картины d1, d2 ,d3… образуются именно там, где фаза объектной и опорной волн совпадают. В точках пространства, принадлежащих этим поверхностям волны W0 и Ws отличаются только направлением распространения. После экспозиции и проявления на месте поверхностей пучностей образуются своеобразные металлические или диэлектрические кривые зеркала сложной формы d1’ ,d2’, d3’… Когда на голограмму снова падает волна Ws, эти зеркала изменяют направление восстанавливающей волны именно в тех точках, где ее фазы совпадают с фазами объектной волны W0. После этого волны Ws и W0 перестают отличаться также и по направлению, т.е. волна Ws полностью трансформируется в волну W0.

Наблюдатель n, регистрирующий восстановленную голограммой волну W0’, не может отличить ее от истиной волны W0, отраженной объектом, и соответственно видит изображение этого объекта О’, неотличимое от оригинала. Восстановленное голограммой изображение объемно, при смещении точки зрения предмет можно увидеть с разных сторон и увидеть даже то, что находится за ним.

В голографии определился ряд направлений ее развития, каждое из которых соответствует определенной разновидности голограмм и ее свойствам. В свою очередь свойства голограмм существенно зависят от конфигурации и физических свойств светочувствительной среды, в которой осуществляется запись; от взаимного расположения голограммы, объекта, опорного источника; от длины волны излучения при записи и восстановлении голограммы; от физической природы волнового поля, записываемого на голограмме. В зависимости от геометрической конфигура-

84

ции светочувствительной среды, в которой зарегистрирована интерференционная картина, различают двумерные и трехмерные голограммы.

Запись в двумерных средах относятся к тому случаю, когда толщина фотоматериала h много меньше пространственного

периода регистрируемой интерференционной картины (рис.3.2а). Отображающие свойства двумерной голограммы ограничены. В частности она неоднозначно восстанавливает волновое поле излучения объекта: кроме истиной объектной волны W0’ и соответствующего ей истинного изображения объекта О’ в этом случае восстанавливается ложная, так называемая сопряженная волна W’’ и соответствующее ей ложное сопряженное изображение

О’’ (рис.3.2.б).

Источник S с помощью которого восстанавливается двумерная голограмма, должен быть строго монохроматическим, поскольку (в силу отсутствия селективных, т.е. избирательных свойств) двумерная голограмма восстановит все соответствующие

разным изображения, и, как следствие этого, результирующее изображение будет сильно размазано. Двумерная голограмма используется при решении задач радио, - акустической и цифровой голографии при голографическом распознавании образов, в микроскопии акустических волн для биологических и медицинских исследований и т.д.

Трехмерная голограмма, у которой толщина h много больше (рис.3.2а) представляет собой наиболее общий случай голографической записи. Она однозначно восстанавливает волновое поле объекта – сопряженная волна W’’ и соответствующая ей сопряженное изображение О’’отсутствуют. Особенностью трехмерной голограммы является так-же способность воспроизводить не только фазу и амплитуду, записанного на ней излучения, но и его спектральный состав.

Оказывается, что если такую голограмму восстановить источником излучения со сплошным спектром (например, лампы накаливания), то она сама выберет из сплошного спектра те составляющие, которые участвовали в ее записи.

Изобретенный Ю.Н.Денисюком метод толстослойных фотоэмульсий получил широкое признание во всѐм мире. Он

85

позволил осуществить цветное голографирование. Известно, что цветовой эффект можно получить сочетанием трѐх основных цветов (например, красным, зелѐным и синим) при соответствующим образом подобранных интенсивностях. Поэтому, если объѐмную голограмму экспонировать в красном, зелѐном и синем цветах, то каждая волна образует свою систему полупрозрачных отражающих поверхностей и при восстановлении в белом свете волна отразится от совокупности «своих» поверхностей, в результате получится цветное изображение

3.2. Статические и динамические голограммы. Преобразование волновых полей: обращение волнового фронта

и его применение.

Свойства голограммы в большой степени определяются физическим характером среды, в которой осуществляется еѐ запись. По этому признаку голографию можно разделить на две основные области – статическую и динамическую голографию.

Статические голограммы записывают в светочувствительных средах, которые в момент записи образуют так называемое скрытое изображение, выявляющееся только после специальной последующей обработки (проявления) фотоматериала. При этом используют разнообразные светочувствительные среды. Наиболее высокочувствительные из них – галогеносеребряные. Для записи отражательных трехмерных голограмм используются также слои бихромированной желатины. Голограммы, полученные на таких слоях, создают очень яркие изображения и, как правило, прозрачны во всех диапазонах спектра кроме той длины волны, на которой они были записаны. Это удобно при создании оптических голограммных элементов, которые фокусируют излучение в заданном участке спектра и прозрачны для остальных длин волн.

Для записи статических голограмм существует множество других способов, которые используются в специальных случаях.

Для записи динамических голограмм используются нелинейные светочувствительные среды. Такие среды реагируют на свет непосредственно в процессе экспозиции, и поэтому запись и считывание голограмм осуществляется одновременно в момент, когда на неѐ воздействует волновое поле.

86