Физические принципы голографии кратко

Обновлено: 04.07.2024

Голография — это способ записи и последующего восстановления световых волн, основанный на явлениях интерференции когерентных пучков света.

Разглядывая обычную фотографию, бессмысленно пытаться заглянуть за предметы, находящиеся на переднем плане. Это и естественно, так как фотография представляет собой плоское изображение объемной картины, полученное из определенной точки. В отличие от обычной фотографии, голография позволяет записать и восстановить не двумерное распределение освещенности в плоскости снимка, а рассеянную предметом световую волну со всеми ее характеристиками — амплитудой, фазой, длиной волны.

волны, попадая в глаз наблюдателя, создают полную иллюзию реальности наблюдаемых предметов — их объемность и возможность изменения ракурса при смещении точки, в которой находится глаз.

Идеи, лежащие в основе голографической записи и восстановления зрительной информации, были высказаны английским физиком Габором в 1947 г. Так как для практической реализации голографии необходим свет с высокой степенью когерентности, то широкое распространение она получила после создания лазеров.

Рис. 220. Зонная пластинка Френеля

Рис. 221. К восстановлению изображения точечного источника с помощью голограммы

Фокусирующее действие зонной пластинки. Предположим, что на зонную пластинку падает по нормали плоская монохроматическая волна длины X. Тогда все прозрачные зоны можно рассматривать как источники когерентных вторичных волн. В точке Р (рис. 221) эти вторичные волны будут, интерферируя, усиливать друг друга, так как разности хода между волнами, идущими от двух соседних прозрачных зон, равны длине волны X. Точка Р является, таким образом, тем фокусом, в котором сходятся волны, испытавшие дифракцию при прохождении через пластинку.

Но, кроме сходящейся в точке Р сферической волны, в результате дифракции на зонной пластинке возникает также расходящаяся сферическая волна, центр которой расположен в симметричной точке Р перед пластинкой (рис. 221): лучи будут восприниматься

глазом как выходящие из одной точки Р, так как разность хода между такими лучами, как ясно из рисунка, равна целому числу длин волн, что эквивалентно отсутствию разности хода вообще. Таким образом, точка Р представляет собой мнимый фокус расходящегося пучка лучей возникающих в результате дифракции плоской волны на зонной пластинке.

Кроме сходящейся и расходящейся сферических волн, позади пластинки будет, разумеется, и плоская волна, так как у лучей, прошедших через прозрачные зоны пластинки без изменения направления, разность хода равна нулю.

Зонную пластинку Френеля можно получить фотографическим способом. Для этого достаточно поставить светочувствительную пластинку вместо экрана, на котором наблюдается интерференция плоской и сферической когерентных волн (рис. 222). Положение светлых и темных интерференционных полос на фотопластинке соответствует положению прозрачных и непрозрачных зон Френеля на зонной пластинке. В самом деле, в точках колебания от плоской и сферической волн происходят в одинаковой фазе и дают соседние светлые полосы в интерференционной картине. Расстояния от точек и до центра сферической волны различаются на одну длину волны X. Но это как раз то условие, которому удовлетворяют соседние прозрачные кольца на зонной пластинке.

Рис. 222. Фотографическое получение зонной пластинки

Представим себе, что на полученную таким образом фотографию падает только плоская волна, причем точно такая же, как и при фотографировании. Мы уже выяснили, что при этом за пластинкой будут наблюдаться три дифрагировавшие волны: плоская и две сферические. Лучи одной из сферических волн — сходящейся — пересекаются в точке Р (рис. 221). Продолжения лучей другой сферической волны — расходящейся — пересекаются в точке Р, положение которой совпадает с центром сферической волны, использованной при фотографировании.

Эта расходящаяся сферическая волна и представляет наибольший интерес для голографии. Будем смотреть на пластинку из такого положения, чтобы в глаз попадала только расходящаяся волна (см. рис. 221). Тогда в глаз придет расходящийся пучок лучей, продолжения которых пересекаются в точке Р, и мы увидим сквозь пластинку находящийся в точке Р точечный источник, хотя на самом деле никакого источника там нет!

Голограмма точечного источника света. Полученная описанным способом фотографическая пластинка с зонами Френеля и представляет собой голографическое изображение (голограмму) точечного источника монохроматического света: при дифракции плоской волны на

этой голограмме происходит восстановление сферической волны точечного источника, использовавшегося при получении голограммы. Другими словами, расходящаяся сферическая волна, возникающая при дифракции плоской волны на голограмме, является точной копией волны, создававшейся точечным источником при записи голограммы.

Голограмма сложного объекта. Результаты, полученные для одной точки, легко распространить на предметы любой формы, состоящие из большого числа точек, рассеивающих свет. На голограмме в этом случае получается сложный интерференционный узор, возникающий в результате интерференции опорной волны и всех сферических вторичных волн, рассеянных отдельными точками предмета.

Рис. 223. Схемы получения (а) и восстановления (б) голограммы протяженного объекта

При восстановлении в результате дифракции опорной волны на этом узоре возникают волны, расходящиеся от таких центров, где находились рассеивающие свет точки предмета при записи голограммы.

Схемы получения голограммы протяженного объекта и восстановления с ее помощью рассеянной объектом волны показаны на рис. 223. Плоская монохроматическая волна от лазера падает на полупрозрачную пластинку В и разделяется на две когерентные волны (рис. 223а). Отраженная от В волна падает на фотопластинку С и играет роль опорной волны. Прошедшая сквозь В волна освещает объект А, каждая точка которого становится источником вторичных сферических волн. Рассеянные объектом волны также падают на фотопластинку С, где фиксируется результат их интерференции с

опорной волной. Для получения интерференционной картины на фотопластинке необходимо, чтобы время когерентности используемого света было большим: протяженность цуга волн должна быть больше разности хода между опорной волной и волной, рассеянной предметом. Именно поэтому необходимо использовать лазер.

При восстановлении рассеянной волны (рис. 2236) на голограмму падает та же опорная волна, которая использовалась при записи. Если расположить глаз (или фотоаппарат) позади голограммы, как указано на рисунке, то, воспринимая пучок расходящихся лучей от дифрагировавшей на голограмме опорной волны, наблюдатель увидит сквозь голограмму объект А в том месте, где он находился при записи голограммы. Разумеется, здесь, как и в рассмотренном выше случае точечного источника, кроме расходящихся волн будут также присутствовать прошедшая без изменения волна и сходящиеся волны, которые дают действительное изображение объекта А. Использование наклонного падения опорной волны приводит, как видно из рис. 2236, к хорошему пространственному разделению всех трех волн, благодаря чему можно сквозь голограмму рассматривать мнимое изображение объекта А без помех со стороны других пучков. В отличие от обычной фотографии, здесь не используются ни линзы, ни другие устройства, формирующие изображения.

Система расходящихся волн, дающая мнимое изображение, почти неотличима от волн, исходящих от самого объекта. Благодаря этому голограмма полностью восстанавливает объемную структуру объекта и передает не только видимое пространственное расположение предметов, но и эффект параллакса, заключающийся в изменении видимого взаимного расположения предметов при перемещении точки наблюдения.

В отличие от обычной фотографии, голограмма содержит информацию об объекте в закодированной форме. Внешне голограмма ничем не напоминает этот объект. На глаз фотопластинка с голограммой представляется равномерно серой, и лишь в микроскоп можно увидеть сложный интерференционный узор. Еще одно отличие от обычной фотографии состоит в том, что для восстановления можно с равным успехом использовать и позитив, и негатив голограммы. Это легко понять, вспомнив, что в зонной пластинке, представляющей голограмму точечного источника, можно сделать непрозрачными или четные, или нечетные зоны Френеля.

Любой участок голограммы содержит информацию обо всем объекте, в то время как различные участки обычной фотографии передают информацию только об отдельных его частях. Действительно, при записи голограммы на любую часть пластинки падают волны, рассеянные всеми частями объекта.

Объем информации, содержащейся на голограмме, значительно больше, чем на фотографии того же объекта. Если объект состоит из нескольких предметов, находящихся на разных расстояниях, то при

фотографировании можно получить четкое изображение, строго говоря, только для одного из них. При восстановлении голограммы такого объекта все предметы будут наблюдаться вполне четкими при соответствующей аккомодации глаза.

• Что такое зонная пластинка Френеля? Объясните фокусирующее действие зонной пластинки.

• Что представляет собой голограмма точечного источника? Как с ее помощью восстанавливается сферическая волна, которую испускал при записи точечный источник?

• Как производится запись голограммы и восстановление предметной волны в случае протяженного предмета? Почему для этого нужен когерентный свет?

• Объясните, почему голограмма дает возможность наблюдать объемные изображения предметов?

Коломийчук Вероника Григорьевна

Оптика - раздел физики, в котором изучаются оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света с веществом. Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика как наука закончила развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли революционные изменения, связанные как с открытием новых закономерностей (принципы квантового усиления, лазеры), так и с развитием идей, основанных на классических и хорошо проверенных представлениях. Здесь прежде всего имеется в виду голография, которая значительно расширяет область практического использования волновых явлений и дает толчок теоретическим исследованиям.
Как средство отображения реальной действительности, голограмма обладает уникальным свойством: в отличие от фотографии, создающей плоское изображение, голографическое изображение может воспроизводить точную трехмерную копию оригинального объекта. Такое изображение со множеством ракурсов, изменяющихся с изменением точки наблюдения, обладает удивительной реалистичностью и зачастую неотличимо от реального объекта.
Голография – метод получения объемного изображения объекта, путем регистрации и последующего восстановления волн. Волны могут быть любые – световые, рентгеновкие, акустические и т.п. Голограмма является записью интерференционной картины.

Любой голографический метод состоит из двух этапов.

1. Вначале получают (записывают) голограмму – интерференционную картину, возникающую на фотопластинке при сложении двух когерентных пучков света. На фотопластинке образуется интерференционная картина, представляющая собой чередование светлых и темных пятен. Голографическое изображение не соответствует его внешнему виду.
2. Для восстановления голограммы ее освещают таким же когерентным излучением. Поскольку голограмма представляет сложную интерференционную картину, то на ее прозрачных и непрозрачных участках происходит дифракция когерентного излучения, и в результате получается изображение.

Основные свойства голограмм

Эти свойства связаны именно с тем, что на голограммах фиксируются не только амплитуды, но и фазы волн. Практически на каждую точку поверхности пластинки падает излучение, отраженное от всех точек предмета. Это означает, что любая, даже маленькая часть содержит зрительную информацию о всем предмете.

3 . Если на одну пластинку записать несколько голограмм, используя разные, но не кратные, длины волн, все они могут быть считаны независимо при помощи лазеров с соответствующим излучением. Таким же образом можно записать и полноцветное изображение.

4 . Голограмму можно рассчитать и нарисовать при помощи компьютера и даже вручную. Можно создавать голограммы, на которых изображены предметы, не существующие в реальности. Достаточно компьютеру задать форму объекта и длину волны падающего на него света. По этим данным компьютер рисует картину интерференции отраженных лучей. Пропустив световой пучок сквозь искусственную голограмму, можно увидеть объемное изображение придуманного предмета.

Следовательно, голография позволяет записывать, хранить, обрабатывать и быстро преобразовывать огромное количество данных. Эти особенности голографии используют для решения многих технических и научных проблем.

Хотя мы считаем, что голография интересна больше возможностями для 3D-дисплеев, в целом у нее есть возможность применения во многих сферах. Вот несколько примеров:

В обычной фотографии на фотопластинке фиксируется только часть информации о световом поле, а именно пространственное распределение интенсивности света. Весьма важная для оптики информация о пространственном распределении фазы поля полностью теряется. Возникает вопрос: нельзя ли так построить процесс записи светового поля, чтобы сохранить информацию и об амплитуде и о фазе? Оказывается, такая возможность существует. Соответствующий способ записи волновых полей получил название голография.

Основная идея голографии весьма проста. Она заключается в том, чтобы фотографировать не само световое поле, идущее от объекта, а картину интерференции этого поля с когерентной опорной волной. Картина интерференции предметной и опорной волн, записанная на фотопластинку, называется голограммой. Так как вид интерференционной картины зависит не только от амплитуд, но и от фаз интерферирующих полей, на голограмме оказывается записанной вся информация о предметной волне – и амплитуда, и фаза поля. Для восстановления предметной волны достаточно просветить голограмму опорной волной.

Из сказанного ясно, что для голографии существенна когерентность опорной волны, а также волны, освещающей объект, именно поэтому первые хорошие голограммы были получены лишь после создания лазера (Э. Лейт, Ю. Упатниекс, 1964), хотя основные идеи голографии были высказаны значительно раньше (Д. Габор, 1948).

Схема записи и восстановления светового поля в голографии показана на рис. 4.46.

Для получения голограммы когерентный лазерный пучок делится на две части. Один пучок ("сигнальный") освещает объект, а другой пучок ("опорный") падает непосредственно на фотопластинку. Свет, отраженный объектом, образует "объектный" пучок, который также направляется на фотопластинку, где интерферирует с опорной волной. Картина интерференции записывается на фотопластинку, и после проявления образует голограмму. Для восстановления светового поля, испускаемого объектом, голограмму просвечивают опорным пучком. Пучок дифрагирует на голограмме, в результате чего возникают дифрагированные волны, одна из которых точно повторяет по своей структуре объектную волну. Так происходит восстановление светового поля. Покажем теперь с помощью формул, как в голографии записываются и восстанавливаются световые поля.

Обозначим комплексную амплитуду предметной волны EN, а опорной волны E0. Выделяя действительные амплитуды и фазы этих волн и считая опорную волну плоской, можно написать:

Комплексная амплитуда поля в плоскости голограммы есть: ,

А распределение интенсивности: .

Это распределение фиксируется на фотопластинке. Важно, что в этом выражении есть слагаемые, содержащие информацию о фазе предметной волны.

Для восстановления поля голограмму освещают опорной волной. При этом возникает несколько световых волн, одна из которых в точности повторяет поле предметной волны. Покажем это.

При освещении голограммы пробной волной на ее задней поверхности образуется поле с комплексной амплитудой. ,

Где T(X,Y) – коэффициент пропускания света голограммой. Запишем эту величину в виде

, где .

D (X, Y) – функция, пропорциональная распределению интенсивности излучения при экспонировании фотопластинки. Коэффициент A зависит от чувствительности пластинки. Подставив, , в получим: , где.

Формула обосновывает высказанное выше утверждение. Согласно этой формуле, одна из волн, возникающих при дифракции опорной волны на голограмме, а именно волна с амплитудой, пропорциональной EN точно повторяет волновое поле, исходившее от объекта съемки при экспонировании голограммы. Эта волна дает мнимое изображение объекта. Наблюдение мнимого изображения, как показано на рис. 4.46, создает полную иллюзию наблюдения реального объекта, который кажется находящимся за голограммой. В частности, меняя положение глаз относительно голограммы можно осмотреть "объект" с разных сторон и даже немного заглянуть за него – точно так же, как если бы мы наблюдали не голографическое изображение, а сам реальный объект.

Другая волна, амплитуда которой пропорциональна , создаёт действительное изображение объекта, которое можно наблюдать на экране. Кроме того, как видно из формулы, при дифракции опорной волны на голограмме возникают и другие волны, в частности проходящая в прямом направлении опорная волна. Эти волны создают помехи при наблюдении. На практике, однако, удается построить схемы записи и восстановления светового поля таким образом, что помехи не играют существенной роли.

Обратим внимание на то, что вид голограммы не имеет ничего общего с изображением снятого на ней объекта. При обычном некогерентном освещении голограмма выглядит как почти однотонная мутноватая пластинка. Однако в ней скрыто прекрасное голографическое изображение некоторого объекта. Это изображение проявляется при освещении голограммы когерентным лазерным пучком.

Голограмма отображает практически все характеристики волновых полей – амплитуду, фазу, спектральный состав, состояние поляризации, изменение волновых полей во времени, а также свойства волновых полей и сред, с которыми эти поля взаимодействуют.

Внутри голографии определился ряд различных направлений ее развития, каждое из которых соответствует определенной разновидности голограмм и её свойствам.

Свойства голограмм весьма разносторонни и вовсе не сводятся к одной только способности записывать и восстанавливать волновые поля.

Трехмерная голограмма, у которой толщина H много больше D, представляет собой наиболее общий случай голографической записи. Она однозначно восстанавливает волновое поле объекта. Особенностью такой голограммы является также способность воспроизводить не только фазу и амплитуду записанного на ней излучения, но и его спектральный состав. Если такую голограмму восстановить источником излучения со сплошным спектром, то она сама выберет из сплошного спектра те составляющие, которые участвовали в ее записи. Трехмерность записи особенно выявляется в оптическом диапазоне спектра, когда длина волны регистрируемого на голограмме излучения, как правило, намного меньше толщины светочувствительного материала.

Чтобы показать, как геометрия получения голограммы влияет на её дифракционные свойства, рассмотрим интерференцию сферической волны, исходящей из точечного источника S, находящегося на определенном расстоянии от регистрирующей среды, и опорной плоской волны, распространяющейся сверху вниз, как показано на рис. 4.47. Точечный источник представляет собой элементарный объект, а сферическая волна, исходящая из него, – предметную волну. Заметим попутно, что более сложный объект можно рассматривать как совокупность элементарных точечных источников, свет от каждого из них интерферирует с опорной волной.

На рис. 4.47 представлено одно из поперечных сечений семейства поверхностей максимальной интенсивности, образующихся при интерференции плоской опорной волны и предметной волны от точечного источника. В нашем случае следами поверхностей являются параболы.

На рисунке обозначены некоторые характерные положения пластинки при регистрации голограммы. Габор, не имевший в своем распоряжении лазера и вынужденный максимально использовать свет от источников с низкой когерентностью при получении своих голограмм помещал пластинку в положение 1. Здесь направление света от точки S и направление опорной волны почти коллинеарны, поэтому полученные таким образом голограммы были названы голограммами с осевым опорным пучком, или Осевыми голограммами. Разность хода предметной и опорной волн в этом случае минимальна, это позволяет использовать источники с низкой когерентностью. Относительно большое расстояние между соседними поверхностями максимумов снижает требования к разрешающей способности регистрирующей среды.

Лейт и Упатниекс получили внеосевые голограммы с таким взаимным расположением пучков, которое эквивалентно помещению голографической пластинки в положение 2.

Благодаря использованию лазерного света в их установке разность хода в предметном и опорном пучках могла иметь большую величину. Такое расположение позволяет преодолеть трудности, которые возникают при осевых голограммах, а большая когерентность лазерного света позволяет восстанавливать трехмерные изображения. Именно этот результат привлек внимание к голографии и способствовал ее возрождению.

В положении 2 среднее направление света от точечного источника образует острый угол с направлением опорной волны. Если толщина регистрирующей среды мала по сравнению с расстоянием между поверхностями максимумов, то голограмма, полученная в этом положении, действует как Двумерная дифракционная решетка. Падающий луч может в этом случае взаимодействовать только с одной поверхностью при прохождении через среду. Следовательно, голограмма представляет собой систему линий на поверхности. То же самое справедливо и для габровских осевых голограмм.

Интенсивность имеет максимальную величину в том направлении, в котором происходит синфазное сложение световых волн, рассеянных последовательными плоскостями. Условие образования главного максимума дифрагированной плоской волны, которое имеет вид ,

Называется законом Брэгга по имени ученого, получившего его для случая дифракции рентгеновских лучей от атомных плоскостей в кристалле. Брэгг предположил, что дифракция в кристалле обусловлена отражением падающей волны от кристаллических плоскостей. Максимум дифракции возникает, когда углы, образованные падающим и отраженным лучами с кристаллической плоскостью равны, как показано на рис. 4.48, причем угол Q удовлетворяет условию.

На рис. 4.49 представим в разрезе плоскую дифракционную решётку. Решётка может состоять из ряда периодически расположенных прозрачных и непрозрачных линий на экране. Для плоской волны, падающей на решетку, условие синфазности дифрагированных пучков, ведущее к их взаимному усилению, является уравнением решетки , где D – постоянная решётки, Q – угол падения и J – угол дифракции. При выполнении условия под углом J образуется главный максимум дифрагированной плоской волны.Р и с. 4.49

Сравнение выражений и показывает, что условие накладывает более жесткие условия на наблюдение максимума дифракции. Для объемной решетки выбор угла падения определяет и угол дифракции, и длину волны. Для плоских решеток это не так, поскольку уравнение допускает произвольный выбор и угла падения и длины волны.

Селективные свойства брэгговской дифракции дали возможность получить первые голограммы, дающие многоцветное изображение.

В положении 4 (рис. 4.47) плоская волна падает на голографическую пластинку с одной стороны, а сферическая – с другой. Период интерференционной картины составляет примерно L/2, и поверхности максимальной интенсивности почти параллельны поверхности голографической пластинки. Получение голограмм в этом положении впервые описал Денисюк. Если интерференционная картина регистрируется в галоидосеребряной эмульсии, то в ней образуется большое число близко расположенных частично отражающих серебряных плоскостей, которые действуют как отражательный интерференционный фильтр. Даже в эмульсии с толщиной лишь 12-15 мкм может образоваться около 50-100 серебряных слоев. Поскольку эти слои подобны слоям, образующимся в методе цветной фотографии Липмана, и, поскольку дифракция на них происходит в соответствии с законом Брэгга, такие голограммы называют голограммами Липпмана-Брэгга-Денисюка. Их еще называют отражательными. Селективность такой голограммы позволяет восстанавливать предметную волну в белом свете,

Заметим, что голограммы характеризуются не только углом, который составляет предметный и опорный пучки при их регистрации. Существуют голограммы Фурье, фраунгоферовские голограммы, голограммы сфокусированных изображений и другие разновидности голограмм.

На основе динамических голографических преобразований создаются логические элементы ЭВМ с быстродействием до 10–12 с, системы оперативной памяти, управляемые транспаранты, оптические реле, ответвители и другие устройства оптоэлектроники и интегральной оптики, так называемые голографические лазеры (квантовые усилители и генераторы, использующие накачку на частоте генерации), различные системы оптических корреляторов, служащих для голографического распознавания образов, приборы для исследования быстропеременных процессов и т. д.

Является сигналом того, что перед голограммой находится именно данный объект.

Заметим, что поскольку голография представляет собой общий метод записи и обработки информации, то практические приложения голографии очень разнообразны: с равным успехом она применяется в машиностроении, при исследовании плазмы, в медицине и т. п. Метод голографической интерферометрии позволяет измерять очень малые деформации деталей машин, поверхности человеческой кожи и т. д. В оптическом приборостроении широкое распространение получают голограммные оптические элементы (линзы, решетки и т. д.).

Следует упомянуть также об изобразительных голограммах, которые воспроизводят объемные изображения различных предметов искусств. Основное требование – возможность восстановления изображения обычным некогерентным источником излучения (например, лампой накаливания). Поэтому для изобразительной голограммы используются либо трехмерные отражательные либо так называемые радужные голограммы.

Голография используется для впечатывания специальных шифрующих рисунков в денежные знаки и кредитные карточки, для получения изображений местности сквозь туман и облака методами радиоголографии и т. д.

Некоторые свойства голограмм, например, способность голограмм формировать обращенную волну, спектральная селективность трехмерных голограмм уже упоминались. Можно еще отметить способность восстановленного голограммой изображения изменять свой масштаб и расположение при изменении положения и длины волны восстанавливающего источника, а так же при изменении масштаба голограмм. Этим свойством обладают в основном двумерные голограммы.

Голография - набор технологий для точной записи, воспроизведения и переформирования волновых полей оптического электромагнитного излучения, особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные.

Данный метод был предложен в 1947 году Дэннисом Габором, он же ввёл термин голограмма и получил "за изобретение и развитие голографического принципа" Нобелевскую премию по физике в 1971 году.

История голографии

Первая голограмма была получена в 1947 году (задолго до изобретения лазеров) Деннисом Габором в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа. Он же придумал само слово "голография", которым он подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно.

Особенности схемы:

впервые реализована идея "восстановления волн"
низкая пространственная частота регистрируемой интерференционной картины
при освещении голограммы наблюдаются два изображения, накладываемые друг на друга
возможна регистрация только прозрачных объектов
использование монохромных источников излучения при считывании

После создания в 1960 году красных рубинового (длина волны 694 нм, работает в импульсном режиме) и гелий-неонового (длина волны 633 нм, работает непрерывно) лазеров, голография начала интенсивно развиваться.

В 1962 году была создана классическая схема записи голограмм Эмметта Лейта и Юриса Упатниекса из Мичиганского Технологического Института (голограммы Лейта-Упатниекса), в которой записываются пропускающие голограммы (при восстановлении голограммы свет пропускают через фотопластинку, хотя на практике некоторая часть света от неё отражается и также создаёт изображение, видимое с противоположной стороны).

Схема Лейта-Упатниекса

В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством, делителем (в простейшем случае в роли делителя может выступать любой кусок стекла), на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и регистрирующую среду (например, фотопластинку). Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале - лазера.

В 1967 году рубиновым лазером был записан первый голографический портрет.

В результате длительной работы в 1968 году Юрий Николаевич Денисюк получил высококачественные (до этого времени отсутствие необходимых фотоматериалов мешало получению высокого качества) голограммы, которые восстанавливали изображение, отражая белый свет. Для этого им была разработана своя собственная схема записи голограмм. Эта схема называется схемой Денисюка, а полученные с её помощью голограммы называются голограммами Денисюка.

наблюдение изображения в белом свете;
нечувствительность к вибрациям элемента "объект-РС";
высокая разрешающая способность регистрирующей среды.

В 1977 году Ллойд Кросс создал так называемую мультиплексную голограмму. Она принципиально отличается от всех остальных голограмм тем, что состоит из множества (от десятков до сотен) отдельных плоских ракурсов, видимых под разными углами. Такая голограмма, естественно, не содержит полную информацию об объекте, кроме того, она, как правило, не имеет вертикального параллакса (то есть нельзя посмотреть на объект сверху и снизу), но зато размеры записываемого объекта не ограничены длиной когерентности лазера (которая редко превышает несколько метров, а чаще всего составляет всего несколько десятков сантиметров) и размерами фотопластинки.

Мало того, можно создать мультиплексную голограмму объекта, которого вовсе не существует, например, нарисовав выдуманный объект с множества различных ракурсов. Мультиплексная голография превосходит по качеству все остальные способы создания объёмных изображений на основе отдельных ракурсов (например, линзовые растры), однако она всё равно далека от традиционных методов голографии по реалистичности.

В 1986 году Абрахам Секе выдвинул идею создания источника когерентного излучения в приповерхностной области материала путем облучения его рентгеновским излучением. Поскольку пространственное разрешение в голографии зависит от размеров источника когерентного излучения и его удаленности от объекта, то оказалось возможным восстановить окружающие эмиттер атомы в реальном пространстве.

В отличие от оптической голографии, во всех предложенных на сегодняшний день схемах электронной голографии восстановление изображения объекта осуществляется с помощью численных методов на компьютере.

В 1988 году Бартон предложил такой метод для восстановления трехмерного изображения, основанный на использовании фурье-подобных интегралов, и продемонстрировал его эффективность на примере теоретически рассчитанной голограммы для кластера известной структуры. Первое восстановление трехмерного изображения атомов в реальном пространстве по экспериментальным данным проведено для поверхности Cu(001) Харпом в 1990 году.

Физические принципы

Основной закон голографии

Голографический процесс состоит из двух этапов - записи и восстановления.

Волна от объекта интерферирует с "опорной" волной, и образующаяся при этом картина записывается.
Второй этап - формирование нового волнового фронта и получение изображения исходного объекта.

Запись информации о фазе волны, идущей от объекта, может быть осуществлена только источником света со стабильными фазовыми характеристиками. Идеальным для этой цели является лазер - когерентный источник света высокой интенсивности и высокой монохроматичности.

Принцип суперпозиции

Повседневный опыт показывает, что освещенность, создаваемая двумя или несколькими обычными некогерентными источниками света, является простой суммой освещенностей, создаваемой каждым из них в отдельности. Это явление называют принципом суперпозиции.

Еще Гюйгенс в своем "Трактате" писал: "Одно из чудеснейших свойств света состоит в том, что, когда он приходит из разных сторон, лучи его производят действие, проходя один сквозь другой без всяких помех". Причина этого в том, что каждый источник, состоящий из множества атомов и молекул, излучает одновременно огромное количество волн, не связанных по фазе. Разность фаз меняется быстро и беспорядочно, и, несмотря на то, что между некоторыми волнами возникает интерференция, интерференционные картины сменяются с такой частотой, что глаз не успевает заметить изменения освещенности. Поэтому интенсивность результирующего колебания воспринимается как сумма составляющих исходных колебаний, а излучение источника представляет собой "белый" свет, т. е. не монохроматический, а состоящий из различных длин волн. По той же причине этот свет является неполяризованным, а естественным, т. е. не имеет преимущественной плоскости колебания.

Когерентные колебания

В особых условиях принцип суперпозиции не соблюдается. Это наблюдается, когда разность фаз световых волн остается постоянной в течение достаточно длительного для наблюдения времени. Волны как бы "звучат в такт". Такие колебания называются когерентными.

Основным признаком когерентности является возможность интерференции. Это значит, что при встрече двух волн они взаимодействуют, образуя суммарно новую волну. В результате этого взаимодействия результирующая интенсивность будет отличаться от суммы интенсивностей отдельных колебаний - в зависимости от разности фаз образуется или более темное, или более светлое поле, или вместо равномерного поля чередующиеся полосы разной интенсивности интерференционные полосы.

Монохроматические волны всегда когерентны, однако светофильтры, часто называемые монохроматическими, в действительности никогда не дают строго монохроматического излучения, а только сужают спектральный диапазон и, конечно, не превращают обычного излучения в когерентное.

Получение когерентного излучения

Ранее был известен только один способ получения когерентного излучения - с помощью специального прибора - интерферометра. Излучение обычного источника света разделялось на два пучка, когерентных между собой. Эти пучки могли интерферировать. Теперь известен другой способ, использующий индуцированное излучение. На этом принципе основаны лазеры.

Дифракция в голографии

Основным физическим явлением, на котором основана голография, является дифракция - отклонение от своего первоначального направления света, проходящего вблизи краев непрозрачных тел или сквозь узкие щели. Если на экране нанесена не одна, а несколько щелей, то возникает интерференционная картина, состоящая из серии чередующихся светлых и темных полос, более ярких и узких, чем при одной щели. В середине расположена самая яркая полоса "нулевого порядка", по обе стороны от нее - полосы постепенно убывающей интенсивности первого, второго и прочих порядков. С увеличением числа щелей на экране полосы становятся все уже и ярче. Экран с большим количеством тонких параллельных щелей, количество которых часто доводят до 10 000, называется дифракционной решеткой.

Решетка, представляющая собой голограмму, характеризуется прежде всего тем, что дифракция происходит не на щели, а на кружке. Дифракционная фигура от круглого непрозрачного объекта представляет собой яркий центральный кружок, окруженный постепенно ослабевающими кольцами. Если вместо непрозрачного диска на пути волны поместить диск с окружающими его кольцами, то кружок на изображении станет ярче, а полосы бледнее. Если прозрачность от темного к светлому участку меняется не скачками, а постепенно, по синусоидальному закону, то такая решетка образует полосы только нулевого и первого порядков, а помехи в виде полос высших порядков не появляются. Это свойство очень важно при записи голограммы. Если переход от темного кольца к светлому будет осуществляться строго по синусоидальному закону, то кольца на изображении пропадут и изображение будет представлять собой маленький яркий кружок, почти точку. Таким образом, круглая синусоидальная решетка будет формировать из параллельного пучка лучей (плоской волны) такое же изображение, как собирательная линза.

Такая решетка, называемая зонной решеткой (пластинкой Сорэ, пластинкой Френеля), используется иногда вместо линзы. Например, она применяется в очках, заменяя тяжелые очковые линзы высоких рефракций. Получение зонных решеток возможно различными путями, как механическими, так и оптическими, интерференционными. Использование этих решеток, полученных интерференционным путем, и положено в основу голографии.

Запись голограммы

Чтобы записать голограмму сложного несамосветящегося объекта, его освещают излучением лазера. На ту же пластинку, на которую падает рассеянный отраженный объектом свет, направляют когерентную опорную волну. Эта волна отделяется от излучения лазера с помощью зеркал.

Свет, отраженный каждой точкой объекта, интерферирует с опорной волной и образует голограмму этой точки. Так как любой объект представляет собой совокупность рассеивающих свет точек, то на фотопластинку накладывается множество элементарных голограмм - точек, которые в совокупности дадут сложную интерференционную картину объекта.

Проявленную голограмму помещают в то место, где она находилась при записи, и включают лазер. Так же как при восстановлении голограммы точки, при освещении голограммы пучком света лазера, участвовавшего в записи, происходит восстановление световых волн, исходивших от объекта при записи. Там, где при записи находился объект, видно мнимое изображение. Сопряженное с ним действительное изображение формируется по другую сторону от голограммы, со стороны наблюдателя. Оно обычно незаметно, но в отличие от мнимого может быть получено на экране.

Ю. Н. Денисюк (1962) разработал метод, в котором для регистрации голограммы вместо тонкослойной эмульсии используются трехмерные среды. В такой толстой голограмме возникают стоячие волны, что существенно расширило возможности метода. Трехмерная дифракционная решетка, кроме описанных ранее свойств голограммы, обладает рядом важных особенностей. Наиболее интересна возможность восстановления изображения с помощью обычного источника сплошного спектра - лампы накаливания, солнца и других излучателей. Кроме того, в трехмерной голограмме отсутствуют волны нулевого порядка и действительное изображение, а следовательно, снижаются помехи.

ГОЛОГРАФИЯ (от греч. холос – полный и графо – пишу) – способ получения объемных изображений предметов на фотопластинке (голограмме) при помощи когерентного (см. КОГЕРЕНТНОСТЬ) излучения лазера. Голограмма фиксирует не само изображение предмета, а структуру отраженной от него световой волны (ее амплитуду и фазу). Для получения голограммы необходимо, чтобы на фотографическую пластинку одновременно попали два когерентных световых пучка: предметный, отраженный от снимаемого объекта, и опорный – приходящий непосредственно от лазера. Свет обоих пучков интерферирует, создавая на пластинке чередование очень узких темных и светлых полос – картину интерференции.

После появления мощного источника когерентного света – лазера интерес к голографии вспыхнул вновь. В 1962 американские оптики и радиофизики Эммет Лейт и Дж. Юрис Упатниекс усовершенствовали схему Габора, разделив предметный и опорный пучки, которые стали теперь пересекаться непосредственно перед фотопластинкой. Это позволило, во-первых, голографировать непрозрачные предметы сложной формы, а во-вторых, разнести восстановленные изображения в пространстве. Схема Лейта – Упатниекса стала основой современных голографических установок.

В это же время на голографические методы записи изображения обратил внимание российский физик Юрий Николаевич Денисюк. Он создал принципиально новый способ записи голограмм в толстом слое фотографической эмульсии. Предметный и опорный пучки приходят к пластинке с разных сторон и интерферируют. В объеме ее эмульсионного слоя на разной высоте в областях максимумов интерференции возникают микроскопические пятна почернения. Падающий на проявленную голограмму свет отражается от них и, интерферируя, формирует восстановленное изображения предмета. При этом из голограммы выходят только свет, частота которого равна частоте записывающего лазерного излучения, а все остальные частоты автоматически подавляются. Объемную голограмму восстанавливают обычным белым светом, получая монохромное изображение.

Голографические изображения можно получать при помощи любых когерентных волн, например, акустических, возбужденных в жидкости синхронно работающими вибраторами. Интерференция звуковых волн создает на поверхности жидкости рябь, с которой эту акустическую голограмму восстанавливают лазерным лучом.

Свойства голограмм.

Голографическое изображение отличается от фотографии не только своей объемностью, но и еще несколькими важными свойствами.

2. Голографическое изображение можно увеличить на стадии восстановления. Когда голограмму записывают параллельным световым пучком, а восстанавливают расходящимся, изображение увеличивается пропорционально углу расхождения (геометрический коэффициент увеличения k_г). Если запись ведется излучением длиной волны l 1, а восстановление – кратной ему l 2 > l 1, изображение станет больше в k = l 2/ l 1 раз (волновой коэффициент увеличения k_в). Полное увеличение равно произведению обоих коэффициентов; например, для рентгеновского микроскопа ( l 1 = 10 –2 мкм, l 2 = 0,5 мкм) с k_г = 200 полное увеличение k = 10 6 .

3. Если на одну пластинку записать несколько голограмм, используя разные, но не кратные, длины волн, все они могут быть считаны независимо при помощи лазеров с соответствующим излучением. Таким же образом можно записать и полноцветное изображение.

4. Голограмму можно рассчитать и нарисовать при помощи компьютера и даже вручную. Так, зонную пластинку Френеля нетрудно начертить, получив простейшую голограмму одной точки, но чем сложнее объект, тем более запутанной становится такая искусственная голограмма.

Применение голографии.

Наиболее широкое применение голография находит в науке и технике. Голографическими методами контролируют точность изготовления изделий сложной формы, исследуют их деформации и вибрации. Для этого деталь, подлежащую контролю, облучают светом лазера, и отраженный свет пропускают сквозь голограмму эталонного образца. При отклонении размеров от эталонных, искажении формы и появлении поверхностных напряжений возникают полосы интерференции, число и расположение которых характеризует степень отличия изделия от образца или величину деформаций. Аналогичным образом исследуют обтекание тел потоками жидкости и газа: голограммы позволяют не только увидеть в них вихри и области уплотнений, но и оценить их интенсивность.

Голографическими методами можно распознавать образы, т.е. искать объекты, идентичные заданному, среди множества других, похожих на него. Такими объектами могут быть геометрические фигуры, фотографии людей, буквы или слова, отпечатки пальцев и т.д. На пути лазерного луча устанавливают сначала кадр, на котором может находиться искомый объект, а за ним – голограмму этого объекта. Появление яркого пятна на выходе говорит, что объект в кадре присутствует. Такая оптическая фильтрация может производиться автоматически и с большой скоростью.

Методами акустической голографии удается получать объемные изображения предметов в мутной воде, где обычная оптика бессильна.

Голограммы музейных редкостей уже сделались довольно обычной вещью: они не только экспонируются на выставках, но и продаются в сувенирных ларьках. Начинают появляться, хотя и очень редко, объемные книжные иллюстрации. А голографическое кино и телевидение, несмотря на многолетние исследования и экспериментальные съемки, возникнет, видимо, нескоро.

Читайте также: