Голография

Голография.

Название происходит от греческого holos – весь, полный и grapho – пишу, т.е. в переводе с греческого это – «полная запись». Это фотографический метод точной записи, воспроизведения и преобразования волновых полей. Метод был предложен в 1948 г. Габором, им же введен термин «голограмма». Используя методы голографии можно записывать и воспроизводить волновые поля различной физической природы, в том числе электромагнитные (видимый, ИК, радиодиапазон), акустические и др. Поскольку волновые поля возникают только под действием материальных тел, отражая при этом их строение, голографию можно рассматривать и как способ полной всесторонней записи волновых полей и как способ полной всесторонней записи информации об объектах.

Работы Габора не имели широкого развития до появления лазеров – мощных источников когерентного излучения, и начало это направления развиваться только после 1960г.

Физические  принципы голографии.

Период световых колебаний  чрезвычайно мал, так что любой  приемник излучения регистрирует лишь интенсивность (усредненный квадрат амплитуды), но не фазу. Но именно фаза содержит в себе информацию о взаимном расположении частей источников света.

Например, источники S1 и S2 оба дают равномерное

освешение экрана. И даже если, например, получим

изображение с помощью линзы, информация не будет полной (на фотографии невозможно отличить, снят ли малый предмет с близкого расстояния, или – большой с далекого. Разобраться в этом помогает только критическое отношение ко всему снимку в целом).

Таким образом: для полного представления о локализации световой волны нужно уметь измерять распределение амплитуд и фаз волны. Это можно сделать, используя явление интерференции. Действительно, сущность интерференции как раз и заключается в том, что при сложении когерентных колебаний суммарная амплитуда определяется разностью фаз этих колебаний. Следовательно, если на приемник излучения послать интересующую нас волну и одновременно другую, опорную, с простой (и известной) формой фронта, например, плоскую, то возникшая интерференционная картина полностью охарактеризует закон изменения разности фаз этих двух волн на поверхности приемника (обычно – фотопластинки). Разумеется, эти волны должны быть когерентными. Рассмотрим самые простые случаи - голографическое изображение плоской волны и голографическое изображение точки.

Голографическое изображение плоской волны

Получение голограммы. Организовать опорную и исследуемую волну можно, например, поставив на пути плоской волны бипризму Френеля. Фронт волны делится на два и получаются две плоские волны, которые сходятся под углом 2u. Справа – опорная волна, слева – исследуемая (можно и наоборот) Интерференционная картина получается в виде полос с синусоидальным распределением интенсивности. Ширина полосы равна . (Это мы получили раньше, когда рассматривали интерференцию света от двух когерентных источников) Фотографируем получившуюся интерференционную картинку. Это и есть голограмма плоской волны..

Восстановление  голограммы. Освещаем голограмму опорной волной такой, как при получении голограммы. Теперь голограмма работает как дифракционная решетка, на которую падает волна под углом u. Для косого паления лучей на решетку мы получили формулу

Но в нашем  случае углы малы, так что косинус можно считать равным единице, а синус – углу. Угол – это угол падения. Постоянная решетки . Кроме того, в силу того, что штрихи решетки не резкие, а их прозрачность меняется по синусоидальному закону, виден только первый порядок дифракции, , более высокие порядки не видны вовсе, а нулевой порядок – ослаблен. (это можно показать простым расчетом). Поэтому в нашем случае получим и значит угол дифракции, соответствующий максимуму равен

 

Угол  отсчитывается от нормали к плоскости решетки (голограммы).

Угол  соответствует исследуемой волне – «восстановленная волна». Кроме того, присутствует и еще одно изображение.

Голографическое изображение точки

Получение голограммы. Маленький («точечный») объект S освещается опорной волной и та же волна посылается на экран. Она интерферирует с волной, отраженной от S. Эти две волны когерентны, но одна – плоская, другая – сферическая. На экране получается интерференционная картинка в виде колец, аналогичным кольцам

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ньютона. Максимумы интенсивности (светлые кольца) будут там, где разность хода Δ лучей от опорной волны и волны от точечного источника S будет равна целому числу длин волн. Сфотографировав картинку получим голограмму точки.

Замечание. Радиусы колец голограммы отличаются от радиусов колец Ньютона, полученных для тех же фронтов волн – они больше на величину . Это потому, что разность хода двух лучей при наблюдении колец Ньютон будет 2Δ, так как луч проходит это расстояние дважды.

Восстановление  голографического изображения.

Голограмма  точки является фазовой пластинкой с фокусом, равным расстоянию SO. Действительно, радиусы колец определяются условием, что длина лучей, проведенных из точки S до соседних колец отличаются на длину волны. Следовательно, каждое кольцо (которое является суммой темного и светлого участков) включает в себя две зоны Френеля. Одна из этих зон закрыта (темный участок), другая открыта (светлый участок), а это и есть зонная пластинка.

Теперь понятно, как можно восстановить голографическое изображение.

Осветим голограмму плоской  волной (с той же длиной волны). Голограмма, как и зонная пластинка, даст два  изображения источника – действительное S’ и мнимое. S’’. Мнимое изображение совпадает с «исходным» – источником S. Других изображений (фокусы зонной пластинки высших порядков) не возникает, так как распределение интенсивности в зонной пластинке синусоидальное (это можно показать точным расчетом).

Важное  свойство голограммы.

Она обладает способностью восстанавливать волновой фронт небольшой своей частью. То есть если вместо целой голограммы взять кусочек, не обязательно средний, получается тоже восстановленное изображение, но только менее яркое и менее резкое.

(Сравните –  дифракционная решетка – угол дифракции зависит от постоянной решетки, т.е. волна восстанавливается и «кусочком» решетки , но разрешающая способность решетки, т.е. резкость картинки, зависит от полного числа щелей, т.е. от размера «кусочка». Если на решетку падает наклонная волна, то, если угол падения не очень велик, и угол дифракции практически не меняется.)

Отсюда  следует: Можно изготавливать сразу «кусочек» голограммы, а значит – можно ее изготавливать и при наклонном палении опорной волны. Это гораздо удобнее и для изготовления и для рассматривания голограммы.

На этих принципах  и основан новый метод получения  голографического изображения.

Запись голограммы. Освещение объекта и опорная волна формируются из излучения одного лазера при расщеплении излучения на полупрозрачной пластине. Свет, рассеянный объектом и свет опорной волны интерферируют на фотопластинке. (Рис.а).

Изображение, полученное при восстановлении голограммы (Рис.б) — объемное изображение. При разглядывании голограммы впечатление такое, что вы смотрите на голограмму, как в окно. Если один предмет мнимого изображения несколько загораживает другой предмет, то можно отклонить голову в сторону, чтобы увидеть заслоняемый объект. Для полной иллюзии окна не хватает только, чтобы изображение было цветным. Восстановленное изображение видно в монохроматическом свете опорной волны, которым производилась запись голограммы и которым голограмма воспроизводится.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Толстослойная голограмма.

Схема получения  толстослойной диаграммы по методу Денисюка (1962г). Запись производится на толстой пластинке – толщина эмульсии 15-20 мкм, это 30-40 длин волн (видимого спектра). При записи освещают лазером (например, красным).  Если восстанавливать голограмму, освещая ее белым светом, то толстослойная голограмма сама выберет длину волны, при которой ее записывали, и в этой длине волны сформирует мнимое изображение. Если при восстановлении голограммы ее освещать белым рассеянным светом из разных направлений, то голограмма выберет направление опорной волны и из света этого направления создаст мнимое изображение. Изображения в других длинах волн и других направлениях падающей волны смажутся и не будут видны.

Действительно, голограмма – это объемная структура  и, значит, дифракция возможна только для определенных волн. Если при  записи использовать последовательно три лазера разных цветов (красный, зеленый, синий), то при рассматривании получается изображение в натуральных цветах.

 

Применение голографии.

Например:

1)Получение  качественных изображений

2) Голографическая  интерферометрия – используется один и тот же опорный пучок, но на пластинке получается два изображения предмета в последующие моменты времени. Если какие-либо части предмета изменили свое положение, при восстановлении голограммы две волны приобретут разность хода и получится интерференционная картинка полос равной толщины, наложенная на изображение объекта.

3) Акустические  голограммы – позволяют производить  исследование внутренних частей  непрозрачного тела. Например, дно  океана.

С помощью голографии можно записать огромное количество информации.