Размещено на http://www.allbest.ru/

Физические основы голографии

Юсупов Р.А., Юлдашева З.Р.

Ташкент 2005 г.

Авторы:

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры "Методика преподавания физики" ТГПУ имени Низами - Юсупов Р.А.

Бакалавр физики, выпускник ТГПУ имени Низами - Юлдашева З.Р.

Рецензенты:

Кандидат физико-математических наук, сотрудник Института Ядерной Физики - Хугаев А.В.

Профессор физических наук - Насриддинов К.

Данное учебно-методическое пособие составлено на основе следующего плана:

1. Физические основы голографии

2. Типы голограмм

3. Голографическая интерферометрия

4. Свойства голограмм

Объектом выполненной работы являются учащиеся проф. колледжей и лицеев.

Целью данной работы - как можно более доходчиво донести до учащихся колледжей и лицеев основы голографии.

Чтобы выполнить данную работу я рассмотрела существующую литературу для бакалавров, специализированных колледжей и лицеев. Учебники для ВУЗов написаны сложно, а для колледжей и лицеев либо отсутствуют, либо написаны так коротко, что трудно понять их смысл. Основное внимание уделено раскрытию физического смысла голографии, видам и типам голографии и её применение в науке и технике.

Данное учебно-методическое пособие предназначено для учащихся колледжей, лицеев и студентов.

Содержание

• Введение
• Глава 1. История голографии
• Глава 2. Физические основы голографии
• 2.1 Основные понятия
• 2.2 Образование голографического изображения
• 2.2.1 Интерференция
• 2.2.2 Дифракция
• 2.2.3 Голограмма - дифракционная решетка
• Глава 3. Типы голограмм
• 3.1 Плоские пропускающие голограммы
• 3.2 Объемные голограммы
• 3.3 Фазовые голограммы
• Глава 4. Голографическая интерферометрия
• 4.1 Классическая интерферометрия
• 4.1.1 Кое-что из истории
• 4.1.2 Методы голографической интерферометрии
• 4.2 Интерферометрия фазовых объектов
• 4.2.1 Виды настройки интерферометров
• 4.2.2 Бесконечно широкая полоса

4.2.3 Полосы конечной ширины

4.3 Подготовка и обработка галогенидосеребряных эмульсий

4.4 Оптические схемы голографических интерферометров

4.4.1 Голографический интерферометр с диффузным рабочим пучком

4.4.2 Голографический интерферометр с коллимированным рабочим пучком

4.4.3 Голографический интерферометр сфокусированного изображения

Глава 5. Свойства голограмм

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Большую часть информации об окружающем мире (порядка 90%) человек получает с помощью зрения. Сравнивая зрение с другими источниками информации, можно установить следующее. Посредством слуха человек воспринимает акустическую (звуковую) информацию, однако скорость, с которой могут восприниматься звуковые сигналы, на много порядков меньше скорости восприятия света. Совсем низкой по сравнению со зрением и слухом является скорость восприятия информации посредством органов осязания и обоняния. Поэтому наш человеческий мозг упорядочивает информацию о внешнем мире и в первую очередь при помощи зрительных представлений. Не случайно народная мудрость гласит: "лучше один раз увидеть, чем десять раз услышать".

За свою многовековую историю человек изобрел большое количество различных оптических приборов и систем, предназначенных для получения, передачи и хранения изображений, и все они обязательно включали линзу или систему линз (объектив). Трудно найти человека, не знакомого с фотографированием, методом получения изображений объектов на фотопленке с помощью объектива. Основное назначение объектива - собрать все попадающие в него лучи света, которые исходят из некоторой элементарной точки объекта, в соответствующую ей точку на фотопленке. После проявления фотопластинки изображение предмета можно увидеть, рассматривая фотопленку при обычном освещении на просвет или отражение, либо перенося это изображение на светочувствительную бумагу.

Однако полученный фотоснимок содержит не всю информацию о предмете. Рассматривая фотографическое изображение незнакомого предмета, ничего нельзя сказать о том, на каких расстояниях находятся отдельные точки предмета, т.е. о его объемных свойствах. Эта потеря информации происходит вследствие того, что фотопленка реагирует только на среднюю интенсивность света при экспонировании и не способна реагировать на фазу световой волны, которая зависит от расстояния между предметом и фотопленкой. Следовательно, фотография обладает ограниченными изобразительными возможностями: на ней отсутствует объемность предмета и ощущение глубины пространства. Изображение на сетчатке глаза тоже двухмерное, плоское, и тем не менее мы не лишены возможности видеть предметы объемными, обладающими не только высотой и шириной, но и глубиной. Объемность нашего восприятия обусловлена не только возможностью зрения двумя глазами, но также тем, что глаз, представляя собой оптическую систему с переменным фокусным расстоянием (способную фокусироваться на разноудаленные точки предмета), обладает определенной подвижностью. Это свойство глаза позволяет нам, изменяя направление наблюдения, видеть предметы в разных проекциях, создавая тем самым ощущение объемности. Способность глаза изменять фокусное расстояние получило название аккомодации.

Итак, фотография, на первый взгляд являющаяся объективным способом регистрации изображений, при детальном рассмотрении дает весьма субъективную информацию, рассчитанную на восприятие человеческим глазом. Недостатки фотографии в полной мере компенсируются принципиально новым методом регистрации изображений, получившим название голография.

Оптические и оптоэлектронные приборы строят на основе давно известных законов оптики, однако новый взгляд на существо этих законов, который дала голография, привел к важнейшим результатам: появлению оптических приборов, включающих в себя элементы лазерной техники, голографических методов обработки информации и ЭВМ; разработке голографических пространственно-частотных фильтров; фильтров, синтезированных на ЭВМ; различных голографических оптических элементов, заменяющих обычные оптические линзы, зеркала, дифракционные решетки, а также множества пространственно-временных модуляторов оптического сигнала.

С помощью голографических методов стало возможным получать оптические элементы, по всем свойствам аналогичные волоконно-оптическим устройствам. Такие элементы имеют все свойства оптического волокна, но отличаются от него простотой изготовления. Методы голографии позволяют выполнять оптические элементы и придавать им оптические свойства, которые невозможно получить при обычных методах изготовления. Голографические методы находят широкое применение при аттестации качества оптических элементов и узлов оптических приборов; успешно используются при решении задач выделения сигналов из шумов и распознавания образов. Голография позволяет увеличивать изображения во много раз больше, чем это можно сделать с помощью оптических линз, строить принципиально новые датчики положения и формы объектов и многое другое.

Однако на пути создания конкретных голографических оптических приборов и устройств еще встречается много серьезных технических трудностей. Поэтому разработчикам тех или иных голографических приборов часто приходится идти сложным и не всегда прямым путем, но возможности голографии настолько заманчивы, что внушают большой армии ученых и инженеров оптимизм и уверенность в их преодолении.

Общеизвестно, что на данный момент в профессиональных колледжах и академических лицеях в курсе физики тема голографии затронута поверхностно (Всего 4 часа: 2 лекция и 2 практика). В связи с этим целью данной работы является попытка создания методического учебного пособия по курсу голографии, предназначенного как для школ, академических лицеев, профессиональных колледжей, так и для институтов и университетов в которых преподавание физики не является профилирующим.

Глава 1. История голографии

Основоположником голографии является профессор государственного колледжа в Лондоне Деннис Габор, получивший в 1947 г. первую голограмму. Он родился в Будапеште, где после школы приступил к изучению электротехники. В 1927 году, закончив специальное образование в Берлине, Д. Габор получил диплом доктора - инженера. После захвата власти фашистами Габор покинул Берлин и переселился в Англию. Именно здесь в результате длительной работы он изобрел новый способ получения изображений.

В то время Габор считал важнейшей задачей усовершенствование электронного микроскопа. Электронный микроскоп отличается от обычного лишь тем, что в нем изображение образуется не световыми волнами, а электронами, попадающими на фотографическую эмульсию после того как они прошли через исследуемый объект. В том месте эмульсии, куда попал электрон, после проявления возникает почернение. Там, куда попало больше электронов, почернение оказывается более интенсивным.

Электронный микроскоп, как и оптический, формирует в плоскости, в которой расположена фотоэмульсия, резкое и четкое изображение только от малой части исследуемого объекта. Одновременно получить на эмульсии резкое изображение всей толщи объекта невозможно. Не сфокусированные части объекта дают на снимке фон, лишь ухудшающий качество изображения и не дающий никакой дополнительной информации об объекте.

Габор вновь и вновь возвращался к мысли о том, что поток электронов, прошедших сквозь объект, несет в себе полную информацию о всех взаимодействиях, испытанных электронами в толще объекта. И в нем крепло стремление найти путь к использованию такой информации. Он ясно понимал, что успех, достигнутый при решении этой специальной задачи, будет иметь гораздо более широкое значение. Ведь и свет, падающий на объектив фотоаппарата или на зрачок глаза, содержит обширную информацию о всех предметах, от которых исходит свет. Но ни глаз, ни фотоаппарат, ни электронный микроскоп не могут одновременно образовать резкого изображения всех деталей независимо от их местоположения. Такова природа образования изображения при помощи линз. Линзы отображают на плоскости только плоские объекты, расположенные в определенных "сопряженных" плоскостях. В результате фотоэмульсия фиксирует лишь ничтожную часть информации, переносимой светом или электронами.

Итак, Габор первым противопоставил скудость фотоизображения богатству информации, содержащейся в световом или электронном потоке. Он же указал путь преодоления этого разрыва, который состоял из нескольких скачков:

Первый - отказ от применения линз, ибо, формируя изображение одной плоскости объекта, линзы приводят к потере информации об остальной, причем большей, его части.

Второй - фиксирование на фотоэмульсии не изображения объекта, а по возможности всей информации о нем, переносимой пучком электронов или лучами света.

Третий - использование записанной информации для того, чтобы впоследствии создавать пучки света, несущие в себе всю эту информацию.

И четвертый - формирование при помощи этих пучков света изображения того объекта, информация о котором была зафиксирована в первой стадии процесса.

Габор подчеркивал, что радикальное отличие нового метода от обычной фотографии, которая записывает на фотоэмульсии изображение предмета в один прием, состоит в том, что процесс получения изображения разбит на два этапа, происходящих в различные моменты и совершенно независимо. Сперва на фотоэмульсию записывается информация об объекте, содержащаяся в потоке света или электронов, взаимодействующих с объектом. После проявления записанная информация может храниться сколь угодно долго, и, когда нужно, можно приступить ко второму этапу - воссозданию изображения на основе этой информации. Габор назвал свой метод голографией, прибегнув, как обычно, к греческому языку. "Голограмма" означает "полная запись". Воссоздание изображения при помощи голограммы он назвал "реконструкцией".

Однако, как часто бывает в науке, до появления в 60-х годах первых лазеров голографию всерьез не принимали. Зато потом голография начала развиваться с огромной скоростью и, со временем, превратилась в мощный научный инструмент, обладающий недоступными ранее возможностями.

Взрывному интересу к голографии в немалой степени способствовал тот факт, что американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс проявили себя не только умелыми экспериментаторами, но и незаурядными психологами, показав журналистам в качестве своей первой пропускающей голограммы голограмму металлического доллара, как бы висящего в воздухе. Прием сыграл на все 100%. Что такое голография журналисты тогда не знали, но что такое доллар - им было известно прекрасно. Восторженные, захлебывающиеся рассказы об увиденном "чуде", которое можно видеть, но нельзя потрогать, сыграли свою роль. Голографией заинтересовались не только ученые. Нашлись деньги на дальнейшие исследования. Процесс пошел и начал набирать обороты.

В это же самое время в Ленинграде советский физик Ю. Денисюк записал свою первую зонную пластинку (голограмму линзы). Этот, на первый взгляд незначительный, факт вывел голографию на совершенно новый уровень, поскольку примененный им способ съемки позволял использовать лазер только при записи голограммы, а восстанавливать их можно уже обычными источниками белого света. Именно по такой схеме сейчас и записываются все изобразительные голограммы.

Глава 2. Физические основы голографии

2.1 Основные понятия

Процесс видения окружающих нас предметов осуществляется с помощью физического носителя, именуемого светом. По определению слово свет означает оптическое излучение, видимое человеческим глазом. Свет представляет собой психофизическое понятие. Физическая природа света та же, что и радиоволн - это распространяющиеся в пространстве электромагнитные колебания.

Изменение частоты световых колебаний воспринимается нашим глазом как изменение цвета. Свет распространяется в пространстве с наивысшей возможной скоростью с=3*10⁸ м/с. Электромагнитная волна, колебания в которой происходят с одной строго постоянной частотой, называется монохроматической (одноцветной).

Световые волны возбуждают зрительные нервы нашего глаза, благодаря чему процесс видения оказывается возможным. Так что же физически представляет собой процесс видения? Для ответа на этот вопрос рассмотрим простейший случай - синусоидальную (монохроматическую) волну, распространяющуюся в одном направлении. Тогда в любой момент времени t картина волны будет иметь вид синусоиды с соответствующими данной волне параметрами (частота излучения) и Т (период колебаний). Если же возьмем какую-либо фиксированную точку на пути распространения волны и рассмотрим изменение амплитуды волны в этой точке со временем, то увидим, что эта амплитуда изменяется также по синусоидальному закону, с тем же периодом колебаний Т. Для того чтобы описать волновой процесс одновременно во времени и пространстве, достаточно представить себе, что синусоидальная волна движется параллельно самой себе вдоль какой-либо оси. При этом достаточно рассматривать движение такой точки на кривой, которая будет характеризоваться двумя параметрами: амплитудой и фазой, их значения зависят от расстояния между выбранной точкой и источником излучения.

Предположим теперь, что в пространстве расположен точечный монохроматический источник, испускающий волны равномерно во всех направлениях. В этом случае в любом направлении от источника волновой процесс будет описываться одной и той же синусоидальной кривой. Чтобы охарактеризовать распространение этих волн в пространстве, необходимо рассмотреть движение уже не одной точки, а целого семейства точек, расположенных на одинаковом расстоянии от источника излучения, т. е. точек, в которых все волны имеют одну и ту же фазу. Поверхность, образуемая в пространстве этими точками, называется волновым фронтом. По форме волновых фронтов различают волны плоские (плоские волновые фронты), цилиндрические (цилиндрические волновые фронты) и сферические (сферические волновые фронты). Волновые фронты точечного источника, излучающего равномерно во все стороны, имеют форму концентрических сфер (в плоскости они будут выглядеть как концентрические окружности). Эти сферы распространяются от источника со скоростью света с и по мере удаления от источника их радиус увеличивается. Следовательно, определив в какой-либо точке пространства кривизну волнового фронта, мы в принципе можем определить расстояние до источника излучения.

Если на пути распространения световой волны оказывается какой-то предмет, волновой фронт искажается. Вследствие внесенного предметом рассеяния света волны, идущие от разных точек освещаемого предмета, будут иметь различные амплитуды и фазы. В этих амплитудных и фазовых искажениях волнового фронта и заключена информация о форме предмета, в том числе и его объемное изображение. Используя эти предпосылки, Д. Габор предложил вместо изображения предмета регистрировать пространственную структуру самой волны света, а именно несущий информацию о предмете волновой фронт, и затем по этой записи восстанавливать изображение предмета.

Такой двухступенчатый процесс записи и восстановления волнового фронта, несущего информацию о предмете, и называется голографией, а зафиксированная на какой-либо регистрирующей среде пространственная структура световой волны - голограммой.

Дело в том, что технические средства не в состоянии прямым путем измерить фазу столь высокочастотных колебаний, какими являются световые сигналы, поскольку реакция любого приемника света (фотоумножителя, фотодиода, фототранзистора и даже человеческого глаза) определяется значением средней интенсивности света. Однако решение этой задачи оказалось неожиданно очень простым: использовать для получения голограммы интерференцию двух когерентных пучков света, называемых обычно объектным и опорным, а для восстановления изображения с голограммы - явление дифракции света.

Отсюда более развернутым и полным представляется следующее определение голографии. Голография - направление в физике, в основе которого лежат специальные методы получения, восстановления и преобразования волн. Совокупность таких методов называется голографическим процессом.

2.2 Образование голографического изображения

Голография обязана своим возникновением основным законам волновой оптики - законам интерференции и дифракции.

2.2.1 Интерференция

Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина, то есть, в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света (это подобно тому, как две системы волн на воде при пересечении образуют чередующиеся максимумы и минимумы амплитуды волн).

Явление интерференции имеет место для всех видов волн, так что интерференционную картину можно получить от любых двух источников колебаний, но наиболее четко выраженные усиления и ослабления результирующих, колебаний наблюдаются в том случае, когда источники обладают своего рода определенной синхронностью излучения, называемой когерентностью. Когерентными считаются колебания одной частоты, разность фаз которых не меняется в течение рассматриваемого промежутка времени.

Если волны встречаются в фазе, то они складываются друг с другом и дают результирующую волну с амплитудой, равной сумме их амплитуд. Если же они встречаются в противофазе, то будут гасить одна другую. Между двумя этими крайними положениями наблюдаются различные ситуации сложения волн. Результирующая сложения двух когерентных волн будет всегда стоячей волной. То есть интерференционная картина будет устойчива во времени. Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм.

Обычные источники света не обладают достаточной степенью когерентности для использования в голографии. Поэтому решающее значение для ее развития имело изобретение в 1960 г. оптического квантового генератора или лазера - удивительного источника излучения, обладающего необходимой степенью когерентности и могущего излучать строго одну длину волны.

2.2.2 Дифракция

Если на пути света оказывается какой-либо предмет, то он отбрасывает тень. Однако свет не распространяется строго по прямой линии, но, огибая предмет, частично заходит в область тени. В общем можно сказать, что этот эффект, называемый дифракцией, обусловлен волновой природой света, хотя его строгое объяснение достаточно сложно.

Когда волновой фронт падает на единичное большое препятствие, соответствующая часть его просто "выпадает". Когда же на пути волнового фронта находится множество мелких препятствий, он в результате дифракции изменяется таким образом, что свет, распространяющийся за препятствием, будет иметь качественно иной волновой фронт. Таким образом, дифракция дает нам в руки способ, позволяющий преобразовать один волновой фронт в другой, совершенно отличный от исходного. Иными словами, дифракция - это механизм, посредством которого мы можем создавать новый волновой фронт света.

Устройство, таким путем формирующее новый волновой фронт, называется дифракционной решеткой. В простейшем виде она представляет собой небольшую пластинку, на которую нанесены параллельные тонкие прямые линии (штрихи), отстоящие друг от друга примерно на сотую и даже тысячную долю миллиметра. Если поставить решетку, состоящую из слегка размытых ярких и темных полос, на пути лазерного луча, то часть его будет проходить через решетку прямо, а часть - загибаться; в результате формируются два новых пучка, выходящих из решетки под некоторым углом к исходному лучу по обе стороны от него. Если первый лазерный пучок имеет, например, плоский волновой фронт, то и два новых пучка, образовавшиеся по бокам от него, также будут обладать плоскими волновыми фронтами. Следовательно, пропуская пучок лазерного излучения через дифракционную решетку, мы создаем два новых плоских волновых фронта. Таким образом, дифракционную решетку можно рассматривать как простейший пример голограммы.

2.2.3 Голограмма - дифракционная решетка

Рассмотрим два плоских волновых фронта, которые, взаимодействуя, создают интерференционную картину; последнюю регистрируют на фотографической пластинке, помещенной в то же место, где находился экран. В голографии эта (первая) стадия процесса называется регистрацией (или записью) голограммы. Одна из плоских волн (для определенности, скажем, волна А) называется опорной волной (или опорным волновым фронтом). Тогда волну В мы будем называть предметной, то есть волной (или волновым фронтом), отраженной от предмета, изображение которого регистрируется; в нашем случае она ничем не отличается от опорной волны, однако при получении голограммы реального трехмерного объекта возникает существенно более сложный волновой фронт отраженного от него света. Интерференционная картина, записанная на фотографической пленке (изображение дифракционной решетки), и есть голограмма. Если эту голограмму поместить на пути первичного опорного пучка (пучка лазерного света, имеющего плоский волновой фронт), то по обе стороны от него образуются два новых волновых фронта. Один из них будет точной копией предметного волнового фронта, иначе говоря, это будет плоский волновой фронт, распространяющийся в том же направлении, что и волна В. Эта вторая стадия голографического процесса называется восстановлением изображения.

Записанная на фотопластинке интерференционная картина, созданная двумя когерентными плоскими волнами, представляет собой некое устройство, которое - если его потом осветить одной из названных плоских волн - позволяет восстановить другую плоскую волну. Таким образом, голографический процесс включает в себя следующие стадии: регистрацию и "хранение" предметного волнового фронта в виде интерференционной картины (то есть голограммы) и - спустя любое время - восстановление его при прохождении через голограмму опорной волны. В действительности предметный волновой фронт может быть любым, в частности, это может быть волновой фронт, отраженный от реального предмета, если при этом он когерентен опорной волне. Интерференционная картина, сформированная любыми двумя когерентными волновыми фронтами, и есть именно то устройство, которое благодаря дифракции позволяет преобразовать один из этих волновых фронтов в другой. Здесь-то и спрятан ключ к голографии.

Чтобы наблюдать изображение, создаваемое простейшей голограммой - дифракционной решеткой, ее следует поместить на расстоянии примерно 1 м от глаза и смотреть сквозь решетку в направлении, в котором из нее выходят восстановленные плоские волны. Поскольку в глаз наблюдателя попадают плоские волны, изображение также имеет вид плоскости и предстает перед нами как "глухая стена", равномерно освещенная светом того же цвета, что и у лазерного излучения. Поскольку такая "стена" лишена каких-либо специфических признаков, невозможно сказать, как далеко она находится. Создается впечатление, что вы смотрите на бесконечно протяженную стену, расположенную где-то в бесконечности, но видите при этом только часть ее, которую вам удается рассмотреть через небольшое "окно" - дифракционную решетку. Таким образом, дифракционная решетка предстает равномерно светящейся поверхностью и мы не замечаем на ней ничего интересного и достойного внимания.

Голограмма - дифракционная решетка - позволяет наблюдать ряд простейших эффектов, которые можно продемонстрировать и с помощью голограмм другого типа. Пучок света, проходя через дифракционную решетку, расщепляется, образуя два новых пучка. Любую дифракционную решетку можно освещать пучками лазерного излучения, отличающимся цветом от того, что использовался при ее записи. В каждом случае угол, под которым изгибается пучок света, зависит от цвета этого пучка. Так, пучок красного цвета (наиболее длинноволнового) изгибается под большим углом, чем пучок синего цвета (имеющий меньшую длину волны). Если через дифракционную решетку пропустить белый свет, то есть смесь всех цветов, то каждая цветовая компонента его будет искривляться под "своим" углом, и тогда на выходе дифракционной решетки мы получим спектр цветов, аналогичный тому, что создает призма.

Чтобы искривление световых лучей было заметно, штрихи дифракционной решетки должны располагаться очень близко друг к другу. Например, для искривления луча красного цвета на 20° необходимо, чтобы расстояние между ними не превышало 0,002 мм; при более тесном размещении штрихов луч света будет изгибаться еще больше. Для "записи" такой решетки потребуется, конечно, фотопластинка, способная регистрировать столь тонкие детали. Необходимо также, чтобы в процессе экспозиции и при регистрации интерференционной картины пластинка оставалась абсолютно неподвижной. При малейшем движении картина может смазаться настолько, что окажется совершенно неразличимой, и тогда вместо интерференционной картины мы увидим просто стеклянную пластинку, однородно серую или черную по всей поверхности. Конечно, ни о каком воспроизведении специфических эффектов дифракции, создаваемых дифракционной решеткой, в таком случае не может быть и речи.

Рассмотренная дифракционная решетка называется пропускающей, так как она действует в проходящем через нее свете. Если же линии решетки нанести на поверхность зеркала, а не на прозрачную пластинку, то получится отражательная дифракционная решетка. Такая решетка отражает свет различных цветов под разными углами. Соответственно существуют два обширных класса голограмм - пропускающие и отражательные голограммы; первые из них наблюдаются в проходящем, а вторые - в отраженном свете.

Глава 3. Типы голограмм

голография интерферометр светочувствительный эмульсия

Структура голограммы зависит от способа формирования предметной и опорной волн и от способа записи интерференционной картины. Предмет освещается пучком когерентного света, рассеянная им световая волна, несущая информацию о предмете, падает на фотопластинку, освещаемую опорным пучком. В зависимости от взаимного расположения предмета и пластинки, а также от наличия оптических элементов между ними, связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскостях голограммы и предмета различна.

Если предмет лежит в плоскости голограммы или сфокусирован на нее, то амплитудно-фазовое распределение на голограмме будет тем же, что и в плоскости предмета (голограмма сфокусированного изображения).

Когда предмет находится достаточно далеко от пластинки, либо в фокусе линзы, то каждая точка предмета посылает на пластинку параллельный световой пучок, при этом связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскости голограммы и в плоскости предмета дается преобразованием Фурье (комплексная амплитуда предметной волны на пластинке - так называемый фурье-образ предмета). Голограмма в этом случае называется голограммой Фраунгофера. Если комплексные амплитуды предметной и опорной волн являются фурье-образами и предмета и опорного источника, то голограмму называют голограммой Фурье. При записи голограммы Фурье предмет и опорный источник обычно располагают в фокусе линзы. В случае безлинзовой фурье-голограммы опорный источник располагают в плоскости предмета. При этом фронт опорной волны и фронты элементарных волн, рассеянных отдельными точками объекта, имеют одинаковую кривизну. В результате структура и свойства голограмм практически такие же, как у фурье-голограммы. Голограммы Френеля образуются в том случае, когда каждая точка предмета посылает на пластинку сферическую волну. По мере увеличения расстояния между объектом и пластинкой голограммы Френеля переходят в голограммы Фраунгофера, а с уменьшением этого расстояния - в голограммы сфокусированных изображений.

Пространственная частота н интерференционной структуры (величина, обратная ее периоду) определяется углом б, под которым сходятся в данной точке световые лучи, исходящие от опорного источника и предмета:

н = (2 sin б/2)/л,

где л - длина волны.

В схеме Габора опорный источник и предмет расположены на оси голограммы, угол б близок к нулю и н минимальна. Осевые голограммы называются также однолучевыми, так как используется один пучок света, часть которого рассеивается предметом и образует предметную волну, а другая часть, прошедшая через объект без искажения, - опорную волну.

В схеме Лейта и Упатниекса когерентный наклонный опорный пучок формируется отдельно (двухлучевая голограмма). Для двухлучевых голограмм н выше, чем для однолучевых (требуются фотоматериалы с более высоким пространственным разрешением). Если опорный и предметный пучок падают на светочувствительный слой с различных сторон (б ~ 180°), то н максимальна и близка к 2/л (голограммы во встречных пучках). Интерференционные максимумы располагаются вдоль поверхности материала в его толще. Эта схема была впервые предложена Денисюком. Поскольку при освещении такой голограммы опорным пучком восстановленная предметная волна распространяется навстречу освещающему пучку, такие голограммы иногда называют отражательными. Если толщина светочувствительного слоя д много больше расстояния между соседними поверхностями интерференционных максимумов, то голограмму следует рассматривать как объемную. Если же запись интерференционной структуры происходит на поверхности слоя или если толщина слоя сравнима с расстоянием d между соседними элементами структуры, то голограммы называют плоскими. Критерий перехода от двухмерных голограмм к трехмерным:

д?1,6dІ/л.

Интерференционная структура может быть зарегистрирована светочувствительным материалом одним из следующих способов: 1) в виде вариаций коэффициента пропускания света или его отражения. Такие голограммы при восстановлении волнового фронта модулируют амплитуду освещающей волны и называются амплитудными. 2) в виде вариаций коэффициента преломления или толщины (рельефа). Такие голограммы при восстановлении волнового фронта модулируют фазу освещающей волны и поэтому называются фазовыми. Часто одновременно осуществляется фазовая и амплитудная модуляции. Например, обычная фотопластинка регистрирует интерференционную структуру в виде вариаций почернения, показателя преломления и рельефа. После отбеливания голограммы остается только фазовая модуляция.

Зарегистрированная на фотопластинке интерференционная структура обычно сохраняется долго, то есть процесс записи отделен во времени от процесса восстановления (стационарные голограммы). Однако существуют светочувствительные среды (некоторые красители, кристаллы, пары металлов), которые почти мгновенно реагируют фазовыми или амплитудными характеристиками на освещенность. В этом случае голограмма существует только во время воздействия на среду предметной и опорной волн, а восстановление волнового фронта производится одновременно с записью, в результате взаимодействия опорной и предметной волн с образованной им же интерференционной структурой (динамические голограммы). На принципах динамических голограмм могут быть созданы системы постоянной и оперативной памяти, корректоры излучения лазеров, усилители изображений, устройства управления лазерным излучением, обращения волнового фронта.

3.1 Плоские пропускающие голограммы

Опишем, как получают голограмму какого-либо предмета, а точнее волнового фронта света, отраженного от предмета (или группы предметов). Предмет, освещенный лазерным лучом, отражает волновой фронт, который обладает важнейшим свойством когерентности. Благодаря этому такой волновой фронт, взаимодействуя с другим когерентным волновым фронтом (обычно простейшей формы, например, плоским), выполняющим роль опорного пучка, создает специфическую единственную в своем роде интерференционную картину.

Рис. Пропускающая голограмма

Предмет устанавливают вблизи фотопластинки и освещают пучком лазерного света. Часть волнового фронта, который отражается от предмета во всех направлениях, падает на фотопластинку. Одновременно на нее под некоторым углом к предметной волне проецируют опорный волновой фронт (или опорный пучок).

Необходимая когерентность двух волновых фронтов - опорного и предметного - достигается путем деления луча лазера на две части; это осуществляется так называемыми расщепителями пучка. Каждый из полученных таким образом пучков расширяется с помощью специального приспособления и направляется зеркалами в нужную сторону: один - на фотопластинку, другой - на предмет.

Продолжительность экспозиции фотопластинки определяется требуемой яркостью получаемого изображения, то есть зависит от мощности лазера. При сравнительно малой мощности лазера время экспозиции составляет несколько секунд. С облучением фотографической пластинки процесс регистрации заканчивается. Записанное на ее поверхности изображение и есть голограмма. Она представляет собой чрезвычайно сложную картину, состоящую из множества тонких причудливых линий, в которых невозможно усмотреть никакого сходства с реальным предметом. Если рассматривать голограмму в дневном свете, держа ее на расстоянии вытянутой руки, она покажется однородно-серой, и мы не обнаружим ни малейшего намека на изображение, закодированное в ее структуре. Более пристальное изучение голограммы под лупой откроет запутанную картину изогнутых темных линий, завитков и "мишеней". В действительности это всего лишь поверхностные дефекты голограммы, обусловленные дифракцией света на частичках пыли и несовершенством оптической системы. Собственно голографические полосы можно наблюдать только в мощный микроскоп.

При восстановлении изображения используется та же схема, что и при регистрации голограммы, с той лишь разницей, что предмет и освещающий его пучок убирают. Голограмму устанавливают так, чтобы опорный пучок падал на нее примерно под тем же углом, что и на стадии регистрации. Часть пучка проходит через голограмму, "не реагируя" на ее присутствие, но часть его отклоняется, формируя по обе стороны пластинки два новых волновых фронта, один из которых представляет собой точную копию первичного волнового фронта, отраженного от предмета.

Голографическое изображение, полученное таким образом, оказывается в точности подобным реальному предмету. Оно объемно, и мы можем заглянуть за "предметы", расположенные на переднем плане, просто слегка двигая головой в сторону (явления параллакса).

Голограмму можно разбить на две части, и тогда получаются две голограммы предмета. Однако, поскольку каждая из них меньше первоначальной, по отдельности они дадут только части того первоначального "окна", через которое мы видим изображение. Это в свою очередь ограничит интервал углов, под которыми мы можем наблюдать изображение, причем неизбежно эти две голограммы воспроизводят изображения предмета, рассматриваемого под несколько отличающимися углами зрения.

Стеклянные фотопластинки, используемые для получения голограмм такого размера, которые обычно демонстрируются на различных выставках, имеют площадь порядка 1 мІ. Помимо стеклянных фотопластинок для голограмм применяют также гибкие фотографические пленки. Их можно делать размером до 6 мІ, что позволяет получать очень большие голограммы.

Свернув такую пленку в виде цилиндра и поместив внутрь его нужный нам предмет, мы можем изготовить цилиндрическую голограмму. (В этом случае опорный пучок должен освещать всю поверхность цилиндра, и простая плоская волна здесь не годится). Такую голограмму можно обходить вокруг и рассматривать с любой стороны. При восстановлении изображения создается впечатление, что предмет заключен внутри цилиндра.

Голографическое изображение характеризуется рядом особенностей, связанных с тем, что для его получения используется высококогерентный свет лазера. Если предмет первоначально освещается монохроматическим светом - чаще всего это красный свет гелий-неонового лазера, - то и последующее восстановление изображения осуществляется с помощью луча того же света. В результате голографическое изображение также оказывается одноцветным, например, красным. Для получения голограммы, воспроизводящей естественный цвет предметов, требуются значительно более сложные методы. Другой особенностью голографического изображения является его своеобразная зернистая структура; она обусловлена тем, что при голографировании предмет освещается когерентным светом. Предпринимались неоднократные попытки "очистить" голограммы от этой досадной зернистости, однако успехи здесь пока невелики.

Голограмма способна воспроизводить свыше миллиона оттенков яркости, тогда как для фотографии этот показатель не превышает сотни. Таким образом, голограммы чрезвычайно полезны для качественного воспроизведения освещенности разных частей предмета.

Иногда, чтобы подчеркнуть реалистичность голографического изображения, в голографическую сцену (то есть вблизи предмета) помещают кусочки битого стекла. Рассматривая затем восстановленное изображение с разных сторон, мы видим игру света, отраженного от граней стекла, - благодаря этому сходство с оригиналом усиливается. Применяется и другой способ. Перед мелкими голографируемыми предметами устанавливают линзу. Наблюдая затем воспроизведенное изображение под разными углами, мы увидим увеличенными разные предметы, словно то один, то другой попадает под увеличительное стекло.

Посредством двойной экспозиции на одной и той же фотопластинке можно запечатлеть два различных голографических изображения. При воспроизведении эти изображения будут накладываться друг на друга. Таким путем изготовляют весьма интересные голограммы. Сначала обычным способом делают голограмму какого-либо предмета (или предметов). Затем голографируемый предмет слегка сдвигают или заменяют другим, и на той же пластинке записывают вторую голограмму. Когда такую "двойную" голограмму освещают, восстанавливаются оба изображения, как бы наложенные одно на другое. Размещая голографируемые предметы надлежащим образом, можно создать иллюзию, что два предмета частично перекрывают друг друга или что один из них находится внутри другого.

В процессе восстановления голограмма создает два новых волновых фронта, один из которых является точной копией волнового фронта, отраженного от реального объекта. Изображение, формируемое этим волновым фронтом, называется мнимым (или точным) изображением. Второй новый волновой фронт, выходящий из голограммы, также создает изображение - так называемое действительное (или сопряженное) изображение, которое обладает рядом интересных свойств.

Особенность этого изображения состоит в том, что оно воспринимается наблюдателем как обратное изображение реального объекта (или объектов), и эффекты параллакса также оказываются обратными - явление, называемое псевдоскопией (соответственно такое изображение мы будем называть псевдоскопическим). Псевдоскопичность изображения можно обнаружить, покачивая головой из стороны в сторону: тогда кажется, что предметы, находящиеся в задней части сцены, сдвигаются больше тех, что расположены впереди. Когда наблюдаешь этот эффект впервые, он производит неожиданное и ошеломляющее впечатление, поскольку противоположен тем привычным эффектам параллакса, с которыми мы сталкиваемся повседневно и которые называются ортоскопией. Совершенно невозможно правильно и точно описать псевдоскопическое изображение, создаваемое голограммой, - его надо видеть. Специалисты по голографии, немало поработавшие с такими изображениями и уже привыкшие к ним, приобретают способность мысленно "выворачивать" их таким образом, чтобы видеть обычные ортоскопические изображения. Говорят, что однажды подобному испытанию подвергли группу людей, которые в течение какого-то времени постоянно носили очки, переворачивающие мир "вверх ногами". После первой недели растерянности испытуемые сообщили, что теперь они вновь видят мир правильно - их мозг приспособился нужным образом "трансформировать" изображение, возникающее на сетчатке глаза. Когда же испытание закончилось, им опять пришлось пройти период адаптации, пока не вернулось нормальное видение мира.

Отметим, что существует специальный метод, позволяющий преобразовывать голографическое изображение из псевдоскопического в ортоскопическое.

Другая интересная особенность сопряженного изображения состоит в том, что на экране, установленном в месте его локализации, воспроизводится плоское, напоминающее фотографию изображение предмета, который был голографирован. Если же на место экрана поместить фотопластинку, то мы и в самом деле можем получить фотографию данного предмета, хотя, конечно, ее гораздо проще сделать с помощью обычного фотоаппарата.

Описанные здесь голограммы относятся к типу пропускающих, поскольку в этом случае предметный волновой фронт восстанавливается при прохождении света через голограмму. Схема, используемая для их получения, называется внеосевой (или схемой с наклонным опорным пучком) и несколько отличается от той, которую использовал Деннис Габор, получивший в 1948 г. первую голограмму. Основные принципы голографирования в обоих случаях одинаковы, однако внеосевая схема - ее предложили в начале 60-х годов американские ученые Иммет Лейт и Юрис Упатниекс, работавшие в Мичиганском университете, - обладает рядом преимуществ по сравнению со схемой Габора.

Широта возможностей голографического процесса ограничивается рядом факторов, прежде всего мощностью и качеством лазера, используемого в каждой конкретной установке, а также условиями, которые необходимо соблюдать при регистрации голограммы. Эти ограничения распространяются, вообще говоря, на процесс получения не только пропускающих голограмм, но и голограмм многих других типов.

3.2 Объемные голограммы

Если голограмму записать в некоторой объемной среде, то полученная модель стоячей волны однозначно воспроизводит не только амплитуду и фазу, но и спектральный состав записанного на ней излучения. Это обстоятельство было положено в основу создания трехмерных (объемных) голограмм.

В основу работы объемных голограмм положен дифракционный эффект Брэгга: в результате интерференции волн, распространяющихся в толстослойной эмульсии, образуются плоскости, засвеченные светом большей интенсивности. После проявления голограммы на засвеченных плоскостях образуются слои почернения. В результате этого создаются так называемые брэгговские плоскости, которые обладают свойством частично отражать свет. Т.е. в эмульсии создается трехмерная интерференционная картина.

Чтобы процесс восстановления изображения объемной пропускающей голограммы был эффективным, опорный пучок следует направить на нее точно под тем же углом, под каким он падал на фотопластинку при регистрации голограммы; в противном случае мы не получим никакого изображения. Кроме того, для восстановления должно использоваться излучение того же цвета, что и для записи голограммы. При соблюдении названных условий, меняя угол падения опорного пучка, на одной фотопластинке удается зарегистрировать до ста различных изображений. И каждое из них можно затем отдельно рассматривать, направляя на пластинку опорный пучок под соответствующим углом.

Схема регистрации объемных пропускающих голограмм подобна той, что применяется для записи плоских голограмм; разница лишь в том, что здесь требуются пластинки с более толстым слоем эмульсии.

Объемные отражательные голограммы получают совершенно иным способом. При их регистрации опорный пучок и фронт волны, отраженный от объекта, должны падать на фотопластинку с противоположных направлений. Такую отражательную голограмму можно рассматривать как состоящую из двух наборов интерференционных полос, выполняющих различные функции. По всей глубине голограммы интерференционные полосы действуют как светофильтры для излучения, которое отражается от голограммы. Подобный светофильтр называется интерференционным. При таком способе регистрации голограммы интерференционные полосы располагаются в плоскостях, отстоящих друг от друга на Ѕ длины волны лазерного излучения, и каждая из плоскостей, подобно зеркалу, частично отражает свет, причем усиливающая интерференция возникает только для определенного цвета, а именно такого, половина длины волны которого точно равна расстоянию между этими "зеркалами". Разумеется, интерференционные полосы на такой голограмме выполняют и свои обычные "функции" по отношению к свету, отраженному от "фильтров-зеркал", поэтому восстановление предметного волнового фронта происходит только в лучах соответствующего цвета. Цвет отраженного "фильтрами" излучения зависит от расстояния между плоскостями, в которых лежат интерференционные полосы, а оно в свою очередь определяется цветом лазерного луча, использованного для регистрации данной голограммы.

Теоретически, если голограмма записывалась, например, в красном свете, то интерференционные полосы являются красными фильтрами, и когда на голограмму падает свет, они поглощают все его составляющие, за исключением красной, которую отражают. В действительности же часто случается, что голограмма, записанная в красном свете лазера, дает зеленое изображение. Это обусловлено небольшим уменьшением толщины эмульсионного слоя (усадкой эмульсии) в процессе обработки голограммы, вследствие чего расстояние между плоскостями интерференционных полос изменяется. Обычно названный эффект не вызывает особого беспокойства, поскольку изображение монохроматично (вряд ли имеет значение, какого оно цвета - красного или зеленого). Это становится проблемой только при изготовлении "цветных" отражательных голограмм. С отражательными голограммами связан еще один эффект: когда мы смотрим на голограмму под различными углами, цвет изображения меняется от зеленого до синего.

Таким образом, объемная отражательная голограмма дает трехмерное голографическое изображение даже в том случае, когда ее освещают белым светом, лучше всего солнечным светом или ярким лучом фонаря. Отражательные голограммы, позволяющие восстанавливать изображение в белом свете, часто называют голограммами Денисюка - в честь советского ученого, предложившего в 1962 году этот способ голографирования.

3.3 Фазовые голограммы

Голограммы можно записывать не только на фотографических пластинках, но и в других средах. Существует множество разнообразных материалов, обладающих необходимыми для этого чувствительностью и разрешающей способностью. Но они реагируют на свет совершенно иначе, чем фотопластинка. Например, вместо того, чтобы темнеть в том месте, куда падает свет, они изменяют свою толщину, и в соответствии с толщиной материала в точке отражения изменяется фаза отраженной световой волны. Таким образом, при восстановлении изображения фаза опорного волнового фронта изменяется от точки к точке на поверхности голограммы. В результате на выходе голограммы формируется волновой фронт, который, как это и требуется, точно воспроизводит волновой фронт, отраженный от предмета.

Такие фазовые голограммы могут работать как на пропускание, так и на отражение. Они создают более яркие изображения, чем голограммы, записанные на фотопластинке, поскольку в этом случае для формирования восстановленного волнового фронта используется большая доля падающего на голограмму света. При рассмотрении в обычном дневном свете фазовые пропускающие голограммы выглядят прозрачными, как стекло.

В качестве материалов для регистрации фазовых голограмм используют, например, термопластичную прозрачную пластмассу, твердые листы которой устанавливают вместо фотопластинки. При записи голограмм на термопласте обычно требуется лазер высокой мощности или длительная экспозиция, поскольку регистрация голограммы в этом случае осуществляется благодаря тому, что в соответствующих участках интерференционной картины материал слегка нагревается и его толщина изменяется. Часто для этих целей применяют и другой материал - бихромированную желатину.