Голографичечские оптические элементы

           СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………..............3

1.Научные основы голографии………………………...............................5

1.1.Физические принципы голографии……………………………...…....5

1.2.Исследования Дениса Габора……………………………………........8

1.3.Работы Юрия Денисюка……………………………………….…..….12

2.Практическое применение голографии………………………….….…14

2.1.Голограмма-линза……………………………………………….…....14

2.2.Голографические дифракционные решетки…………………….......18

2.3.Голографические мультипликаторы…………………………....…...20

2.4.Голографические компенсаторы……………………………………..22

2.5.Голографический микроскоп………………………………………....23

2.6.Цветные голограммы……………………………………………....….26

2.7.Голографическая коррекция оптических аберраций………….……30

Заключение…………………………………………………………..….….32

Список использованных источников…………………………..…......….33

 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время голография стала неотъемлемой частью жизни каждого человека. Актуальность голографии постепенно возрастает.

Голография (от греч. holos - весь и grapho – пишу, т.е. «полная запись») – особый способ записи и последующего восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины. Она обязана своим возникновением законам волновой оптики – законам интерференции и дифракции. Этот принципиально новый способ фиксирования и воспроизведения пространственного изображения предметов изобретен английским физиком Д. Габортом  в 1947г.  Экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка этого способа советским ученым Ю.Н.Денисюком в 1962г. и американскими физиками Э. Лейтом и Ю. Упатниексом в 1963г. стали возможными после появления в 1960г. источников света высокой степени когерентности – лазеров.

Область применения голографии постепенно расширяется. В настоящее время голография нашла применение в следующих отраслях жизни человечества.

• защита подлинности ценных бумаг, финансовых и конфиденциальных документов;
• защита от несанкционированного вскрытия оборудования, пакетов с документацией;
• защита технической, эксплуатационной документации от несанкционированного тиражирования и распространения;
• изготовление голограмм с музейных экспонатов, различного рода исторических и художественных ценностей;
• создание голографического электронного микроскопа;

Научный интерес представляют свойства голограмм, новые виды их применения, а также внедрение голографии в телевидение.

Проблема борьбы с подделками на сегодняшний день обусловлена тем, что современные полиграфические и компьютерные технологии позволяют легко копировать внешний вид практически любого документа. Даже самая сложная полиграфия не в состоянии обеспечить должный уровень защиты от подделок.

При снятии голограмм с музейных экспонатов оказалось, что голограммы настолько реально передают образ предмета, что возникает полная иллюзия его присутствия. На голограммах очень хорошо смотрятся рельефные вещи. Очень хорошо передается, например, фактура всех фрагментов иконы. Технология цветной голографии для неподвижных объектов уже существует в лабораторных вариантах и, по-видимому, получит широкое распространение в ближайшие годы.

1. Голографические оптические элементы представляют собой голограммы, на которых записаны волновые фронты специальной формы. С их помощью возможна коррекция аберрации оптических систем, в таком случае голографические оптические элементы выступают как составные элементы сложных оптических приборов. Голографические оптические элементы используют и как самостоятельные оптические элементы в качестве линз, зеркал, дифракционных решеток, мультипликаторов, которые рассмотрены в курсовой работе. 
   НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ГОЛОГРАФИИ
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ГОЛОГРАФИИ

Физическая основа голографии – учение о волнах, их интерференции и дифракции, зародившееся еще в XVII веке при Гюйгенсе. Уже в начале XIX века Юнг, Френель и Фраунгофер располагали достаточными познаниями, чтобы сформулировать основные принципы голографии. Этого, однако, не случилось вплоть до работ Габора, хотя многие ученые во второй половине XIX и начале XX века – Кирхгоф, Рэлей, Аббе, Вольфке, Бе6рш, и Брэгг – подходили к принципам голографии достаточно близко. Можно было объяснить это тем, что они не имели технических средств для реализации голографии. Однако это не так: Габор в 1947 году также не имел лазера и делал свои первые опыты со ртутной лампой в качестве источника света. И тем не менее Габор смог с полной определенностью сформулировать идею восстановления волнового фронта и указать метод ее осуществления. Не смотря на это, трудности связанные с получением голограмм, оставались столь существенными и развитие голографии шло так медленно, что к 1963 году Габор «почти забыл о ней». В 1963году американцы Э. Лейт и Ю. Упатниекс впервые получили лазерные голограммы. За год до этого они предложили свою «двулучевую схему», значительно усовершенствовав исходную схему Габора.

Согласно принципу Гюйгенса — Френеля, можно восстановить картину волнового поля, образованного электромагнитной волной, в любой момент времени и в любой точке пространства. Для этого надо записать распределение амплитуд и фаз волн (в данном случае световых) на произвольной поверхности или ее части, охватывающей источник волн. Иными словами, чтобы «заморозить» электромагнитные волны во всем пространстве, достаточно «заморозить» их только на некоторой поверхности. Для восстановления в пространстве световой волны нужно задать параметры, характеризующие среду. Предположим, нужно восстановить плоскую волну. Для этого мы должны задать для любой плоскости равномерно распределенные источники колебаний с определенной начальной фазой. Элементарные источники колебаний должны находиться на поверхности, перпендикулярной направлению распространения волн. Но это не обязательно. Все будет зависеть от типа волн. Возьмем для примера сферические волны, излучаемые точечным источником. Зададим в качестве поверхности, на которой «замораживаются» волны, сферу с центром в источнике. Амплитуды и фазы элементарных источников волн будут одинаковыми для всей поверхности. В случае с круговыми волнами при «замораживании» световых волн надо расположить элементарные источники колебаний с одинаковой фазой и амплитудой на концентрических окружностях.

Иными словами, мы должны зарегистрировать на некоторой поверхности мгновенные картины линий постоянной фазы в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных областей. В этом нам помогает интерференция: мы получаем интерференционную картину, состоящую из светлых, (прозрачных) и темных (непрозрачных) полос. Интерференция и есть способ сравнения пространственной структуры двух пучков света. Вначале происходит их сравнение, а затем — регистрация их на фотопластинку.

Чтобы восстановить изображение предмета, достаточно осветить голограмму только опорным пучком, используемым при записи. Этот способ регистрации волнового поля ценен тем, что допускает простое восстановление исходной волны. Как только мы направляем на голограмму опорную волну, использованную при записи, за голограммой восстанавливается («размораживается») исходное волновое поле предмета. Согласно принципу Гюйгенса — Френеля, восстановлением мы обязаны эквивалентным источникам, образованным светлыми местами интерференционной картины. По этой причине волны «размораживаются», и наблюдатель видит пространственное изображение предмета.

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

1. В любую точку голограммы  «по Габору» попадает свет, отраженный от всех точек предмета. Это означает, что любой, самый маленький ее участок содержит зрительную информацию обо всем предмете. Голограмму можно разбить на несколько кусков, и каждый будет полностью воспроизводить целостное изображение. Позитив и негатив голограммы, где черные полосы стали прозрачными и наоборот, дает то же изображение, что исходная голограмма.

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). Если запись  ведется излучением длиной волны , а восстановление – кратной ему > ,  изображение станет больше в раз.

Следует помнить, что при линейном изменении поперечного масштаба изображения, глубина сцены изменяется по квадратичному закону.

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.

5. 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.

Итак, можно сделать вывод о том, что голография— это фотографический метод. Но он существенно отличается от метода классической фотографии. Это радикально иной, двухступенчатый метод. В отличие от обычной фотографии изображения, которые получаются при восстановлении записанного на голограмме, полностью неотличимы от изображений реального предмета. Голография позволяет воспроизвести в пространстве действительную картину электромагнитных волн, т.е. волновую картину предмета тогда, когда самого предмета уже нет.

 

2. ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕНИСА ГАБОРА

В середине двадцатого века (1947 год) Денис Габор, английский физик, занимаясь поисками способа повышения резкости изображений электронного микроскопа, открыл поистине новый способ записи изображений - голографию. Если фотография означает буквально светопись, то голография - полная запись.

В 1927 году Габор окончил Высшее техническое училище в Берлине и поступил на службу в лабораторию фирмы "Сименс", производящей электронную технику. Работая над катодной системой электронно-лучевой трубки, он изобретает магнитную линзу. При этом ученый почти вплотную подходит к изобретению электронного микроскопа. Хотя электронный микроскоп появился позже, после работ физиков Буша и Вольфа, но именно эта работа стимулировала Габора к созданию принципиально нового метода изображений.

В 1947 году им было сделано научное открытие, которое первоначально восприняли просто как очередное доказательство волновых свойств света, но впоследствии оказалось, что оно более фундаментально. Именно тогда была создана голография.

Габор на стадии исследований изготовил несколько примитивных голограмм фазовых (светопреломляющих и прозрачных) объектов.

Рис.1. Схема записи голограммы Габора.

При записи голограммы он фиксировал структуру интерференции волн монохроматического источника света и света, рассеянного фазовым объектом, помещенным перед фотопластиной. Для получения высокого контраста интерференционной картины Габор использовал одну из самых ярких линий спектра излучения  ртутной лампы.

Рис.2. Схема воспроизведения голограммы Габора.

После проявления и отбеливания фотопластинка восстанавливала трехмерное изображение этого объекта. Результат был ошеломляющий, но мог взволновать только ученых. К сожалению, на голограмме можно было видеть и мнимое, и действительное изображения, и восстанавливающий источник света одновременно, что мешало комфортному восприятию трехмерной сцены. Эти первые голограммы Габора назывались осевыми.

Для того, что бы понять, как происходит запись и восстановление голограммы, рассмотрим самый простой пример – голограмму точки.

Рис.3. Схемы записи и восстановления голограммы точки.

Рассеянная точечным объектом сферическая (рис.3.) и плоская записывающая волны  одновременно падают на фоточувствительный слой, на котором регистрируется  суммарная интерференционная картина.

Рис.4. Голограмма точки.

Распределение света на фотопластине наблюдается  в виде системы концентрических тёмных и светлых колец очень похожих на зонную пластинку Френеля.

Интерференционную картину можно записать в светочувствительной эмульсии. Результат и будет являться голограммой. А если рассматривать маленький участок записанной голограммы, то можно с уверенностью назвать его элементарной дифракционной решеткой (рис.5.).  При просвечивании миниатюрного элемента голограммы монохроматической световой волной, возникает множество новых волновых фронтов.

Рис.5.Дифракционная решетка.

Эти волны – результат дифракции, так называемые симметричные порядки дифракции: (-1 порядок) и (+1 порядок).

Так как голографические эмульсии имеют конечную толщину, соизмеримую с периодом записанных в ней решеток, дифрагирующие лучи более высокого порядка очень слабы,  поэтому в нашем случае так называемых «толстых голограмм» мы их учитывать не будем.

Два симметричных дифракционных порядка формируют действительное и мнимое изображения точки (А), которые можно наблюдать под различными углами. Возникшая в результате дифракции на голограммной структуре сферическая волна создаёт мнимое изображение (Аi) и наблюдатель видит изображение точки Ai за голограммой в том месте, где находился реальный объект (Об) во время регистрации. Вторая сходящаяся сферическая волна  создаёт действительное изображение точки (Аd), которое расположено перед голограммой.