Понятие голографии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Понятие голографии

голограмма поле волновой гюйгенс френель

Голография (от греч. holos - весь, полный и gdapho - пишу) - способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины, которая образована волной, отраженной предметом, освещаемым источником света (предметная волна), и когерентной с ней волной идущей непосредственно от источника (опорная волна).

Зарегистрированная интерференционная картина называется голограммой. Голограмма, освещенная опорной волной, создает такое же амплитудно-фазовое пространственное распределение волнового поля, которое создавала при записи предметная волна. Таким образом, в соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля, голограмма преобразует опорную волну в копию предметной волны.

Основы голографии заложены в 1948 г. физиком Д. Габором (Великобритания). Желая усовершенствовать электронный микроскоп, Габор предложил регистрировать информацию не только об амплитудах, но и о фазах электронных волн путем наложения на предметную волну попутной когерентной опорной волны. Модельные оптические опыты Габора положили начало голографии. Однако отсутствие мощных источников когерентного света не позволило ему получить качественных голографических изображений. Второе рождение голография пережила в 1962-1963 гг., когда американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс применили в качестве источника света лазер и разработали схему с наклонным опорным пучком, а Ю.Н. Денисюк осуществил запись голограммы в трехмерной среде, объединив, таким образом, идею Габора с цветной фотографией Липпмана. К 1965-1966 гг. были созданы теоретические и экспериментальные основы голографии. В последующие годы развитие голографии шло главным образом по пути совершенствования ее применений.

Пусть интерференционная структура, образованная опорной и предметной волнами, зарегистрирована позитивным фотоматериалом. Тогда участки голограммы с максимальным пропусканием света будут соответствовать тем участкам фронта предметной волны, в которых ее фаза совпадает с фазой опорной волны. Эти участки будут тем прозрачнее, чем большей была интенсивность предметной волны. Поэтому при последующем освещении голограммы опорной волной в ее плоскости образуется то же распределение амплитуды и фазы, которое было у предметной волны, чем и обеспечивается восстановление последней.

Для восстановления предметной волны голограмму освещают источником, создающим копию опорной волны. В результате дифракции света на интерференционной структуре голограммы в дифракционном пучке первого порядка восстанавливается копия предметной волны, образующая неискаженное мнимое изображение предмета, расположенное в том месте, где предмет находился при голографировании. В случае двухмерной голограммы одновременно восстанавливается сопряженная волна минут первого порядка, образующая искаженное действительное изображение предмета. Углы, под которыми распространяются дифракционные пучки нулевых и первых порядков, определяются углами падения на фотопластинку предметной и опорной волн. В схеме Габора источник опорной волны и объект располагались на оси голограммы (осевая схема). При этом все три волны распространялись за голограммой в одном и том же направлении, создавая взаимные помехи. В схеме Лейта и Упатниекса такие помехи были устранены наклоном опорной волны (внеосевая схема).

Типы голограмм. 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 таким же, как и в плоскости предмета (голограмма сфокусированного изображения).

Когда предмет находится достаточно далеко от пластинки, либо в фокусе линзы Л, 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 предметной и опорного источника, то голограмму называют голограммой Фурье.

При записи голограммы Фурье предмет и опорный источник располагают обычно в фокусе линзы.

В случае безлинзовой фурье-гололграммы опорный источник располагают в плоскости предмета. При этом фронт опорной волны и фронты элементарных волн. Рассеянных отдельными точками предмета, имеют одинаковую кривизну. В результате структура и свойства голограммы 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.

При встрече опорной и предметной волн в пространстве образуется система стоячих волн, максимумы которых соответствуют зонам, в которых интерферирующие волны находятся в одной фазе, а минимумы - в противофазе. Для точечного опорного источника О₁ и точечного предмета О₂ поверхности максимумов и минимумов представляют собой систему гиперболоидов вращения. Пространственная частота интерференционной структуры (величина, обратная ее периоду) определяется углом , под которым сходятся в данной точке световые лучи, исходящий из опорного источника и предмета:

,

где - длина волны. Плоскости, касательные к поверхности узлов и пучностей в каждой точке пространства, делят пополам угол . В схеме Габора опорный источник и предмет расположены на оси голограммы, угол близок к нулю и минимальна. Осевые голограммы называют 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 выше, чем для однолучевых (требуются фотоматериалы с более высоким пространственным разрешением). Если опорный и предметный пучок падают на фоточувствительный слой с разных сторон ( ~ 180⁰), то максимальна и близка к 2/ (голограммы во встречных пучках). Интерференционные максимумы располагаются вдоль поверхности материала в его толщею 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 фоточувствительного слоя 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: .

Интерференционная структура может быть зарегистрирована светочувствительным материалом одним из следующих способов:

1) в виде вариаций коэффициентов 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 от процесса восстановления (стационарные голограммы). Однако существуют фоточувствительные среды (некоторые красители, кристаллы, пары металлов), которые почти мгновенно реагируют фазовыми или амплитудными характеристиками на освещенность. В этом случае голограмма существует 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 ими же интерференционной структурой (динамические голограммы). На принципах динамической голографии могут быть созданы системы постоянной и оперативной памяти, корректоры излучения лазеров, усилители изображений, устройства управления лазерным излучением, обращения волнового фронта.

Свойства голограмм.

А) Основное свойство голограмм, отличающее ее от фотографического снимка, состоит в том, что на снимке регистрируется лишь распределение амплитуды падающей на него предметной волны, в то время как на голограмме, кроме того, регистрируется и распределение фазы предметной волны относительно фазы опорной волны. Информация об амплитуде предметной волны записана на голограмме в виде контраста интерференционного рельефа, а информация о фазе - в виде формы и частоты интерференционных полос. В результате голограмма при освещении ее опорной волной восстанавливает копию предметной волны.

Б) Свойства голограммы, регистрируемой обычно на негативном фотоматериале, остаются такими же, как и в случае позитивной записи - светлым местам объекта соответствуют светлые места восстановленного изображения, а темным - темные. Это легко понять, принимая во внимание, что информация об амплитуде предметной волны заключена в контрасте интерференционной структуры, распределение которого на голограмме не меняется при замене позитивного процесса негативным. При такой замене лишь сдвигается на фаза восстановленной предметной волны. Это незаметно при визуальном наблюдении, но иногда проявляется в голографической интерферометрии.

В) В тех случаях, когда при записи голограммы свет от каждой точки объекта попадает на всю поверхность голограммы, каждый малый участок последней способен восстановить все изображение объекта. Однако меньший участок голограммы восстановит меньший участок волнового фронта, несущего информацию об объекте. Если этот участок будет очень мал, то качество восстановленного изображения ухудшается. В случае голограмм сфокусированного изображения каждая точка объекта посылает свет на соответствующий ей малый участок голограммы. Поэтому фрагмент такой голограммы восстанавливает лишь соответствующий ему участок объекта.

Г) Полный интервал яркостей, передаваемый фотографической пластинкой, как правило, не превышает одного - двух порядков, между тем реальные объекты часто имеют значительно бульшие перепады яркостей. В голограмме, обладающей фокусирующими свойствами, используется для построения наиболее ярких участков изображения весь свет, падающий на всю ее поверхность, и она способна передать градации яркости до пяти - шести порядков.

Д) Если при восстановлении волнового фронта освещать голограмму опорным источником, расположенным относительно голограммы так же, как и при ее экспонировании, то восстановленное мнимое изображение совпадает по форме и положению с самим предметом. При изменении положения восстанавливающего источника, при изменении его длины волны или ориентации голограммы и ее размера соответствие нарушается. Как правило, такие изменения сопровождаются аберрациями восстановленного изображения.

Е) Минимальное расстояние между двумя соседними точками предмета, которые еще можно видеть раздельно при наблюдении изображения предмета с помощью голограммы, называют разрешающей способностью голограммы. Она растет с увеличением размеров голограммы. Угловое разрешение круглой (диаметра D) голограммы определяется формулой: . Угловое разрешение голограммы квадратной формы со стороной квадрата, равной L, определяется формулой: . В большинстве схем голографирования предельный размер голограммы ограничивается разрешающей способностью регистрирующего фотоматериала. Это обусловлено тем, что увеличение размеров голограммы сопряжено с ростом угла между предметным и опорным пучками и пространственной частоты . Исключением является схема безлинзовой фурье-голографии, в которой не увеличивается при увеличении размеров голограммы.

Ж) Яркость восстановленного изображения определяется дифракционной эффективностью, которая определяется как отношение светового потока в восстановленной волне к световому потоку, падающему на голограмму при восстановлении. Она определяется типом голограммы, условиями ее записи, а также свойствами регистрирующего материала. Максимально достижимая дифракционная эффективность голограмм составляет для двумерных пропускающих голограмм - амплитудных - 6,25%, - фазовых - 33,9 5; для отражающих - соответственно 6,25 и 100%. Для трехмерных пропускающих голограмм - 3,7 и 100%; для отражающих - 7,2 и 100%.

Объемные голограммы представляют собой трехмерные структуры, в которых поверхности узлов и пучностей зарегистрированы в виде вариаций показателя преломления или коэффициента отражения среды. Поверхности узлов и пучностей направлены по биссектрисе угла , который составляют предметный и опорный пучки. Такие многослойные структуры при освещении опорной волной действуют подобно трехмерным дифракционным решеткам. Свет, зеркально отраженный от слоев, восстанавливает предметную волну.

Пучки, отраженные от разных слоев усиливаю друг друга, если они синфазные, то есть разность хода между ними равна (условие Липпмана - Брэгга). Условие автоматически выполняется лишь для той длины волны, в свете которой регистрировалась голограмма. Это приводит к избирательности голограммы по отношению к длине волны источника, в свете которого происходит восстановление волнового фронта. Возникает возможность восстанавливать изображение с использованием источника сплошного спектра (Солнце, лампа накаливания). Если экспонирование проводилось светом, содержащим несколько спектральных линиц (красную, синюю, зеленую), то для каждой длины волны образуется своя трехмерная интерференционная структура. Соответствующие длины волн будут выделяться из сплошного спектра при освещении голограммы, что обусловить восстановление не только структуры волны, но и ее спектрального состава, то есть получение цветного изображения. Трехмерные голограммы одновременно образуют только одно изображение (мнимое или действительное) и не дают волны нулевого порядка.

Применения голографии. При восстановлении голограмм создается полная иллюзия существования объекта, неотличимого от оригинала. Это свойство голограмм используется в лекционных демонстрациях, при создании объемных копий произведений искусства, голографических портретов. Трехмерные голографические изображения используются при исследовании движущихся частиц, капель дождя или тумана, треков ядерных частиц в пузырьковых и искровых камерах.

Объемность изображения делает перспективным создание голографического кино и телевидения. Главная трудность при этом - создание огромных голограмм, которые могло бы наблюдать одновременно большое число зрителей. Кроме того, голограмма должна быть динамической. Для создания голографического телевидения необходимо преодолеть трудность, обусловленную необходимостью расширения на несколько порядков полосы частот, чтобы осуществлять передачу объемных движущихся изображений.

Одним из первых применений голографии было исследование механических напряжений.

Голография применяется для хранения и обработки информации. При этом обеспечивается большая плотность записи и надежность записи.

С помощью голографических устройств осуществляются различные волновые преобразования, в том числе обращение волнового фронта с целью исключения оптических аберраций.

Голограмма может быть изготовлена не только оптическим методом, но и рассчитана на ЭВМ (цифровая голограмма). Машинные голограммы используются для получения объемны изображений не существующих еще объектов. Машинные голограммы сложных оптических поверхностей используют как эталоны для интерференционного контроля поверхностей изделий.

Известна также акустическая голография, которая может сочетаться с методами визуализации акустических полей.

голограмма поле голография волновой

Размещено на Allbest.ru