Виды и свойства голограмм



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. Можно сказать, что этот эффект, называемый дифракцией, обусловлен волновой природой света.

Свет проникает в область тени лишь в очень малом телесном угле, так что практически мы этого никогда не замечаем. Но если на пути света оказывается много мелких препятствий, причем расстояния между ними составляют всего лишь несколько длин световой волны, то общий эффект прохождения света в область тени становится весьма заметным.

Когда волновой фронт падает на единичное большое препятствие, соответствующая часть его просто «выпадает». На оставшуюся часть волнового фронта это почти не оказывает влияния. 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. Он настолько сильно трансформируется, что даже начинает распространяться в ином направлении. 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. Дифракционную решетку можно рассматривать как простейший пример голограммы.

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 (рис. а), то амплитудно-фазовое распределение на голограмме будет тем же, что и в плоскости предмета (голограмма сфокусированного изображения). Поскольку в этом случае восстановленное изображение располагается вблизи от голограммы, лучи света разных длин волн не смогут разойтись на большой угол, прежде чем будет сформировано изображение. Это означает, что для освещения голограммы можно применять источник, имеющий широкий спектр излучения. Это свойство делает голограмму сфокусированного изображения особенно полезной при использовании в дисплеях.

Когда предмет находится достаточно далеко от пластинки, либо в фокусе линзы Л (рис. б), 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 (рис. г).

В случае безлинзовой фурье-голограммы опорный источник располагают в плоскости предмета (рис. д). 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 (рис. в). По мере увеличения расстояния между объектом и пластинкой голограммы Френеля переходят в голограммы Фраунгофера, а с уменьшением этого расстояния - в голограммы сфокусированных изображений.

Плоские пропускающие голограммы

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.

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). Пучок, освещающий объект, и опорный пучок отводятся от одного и того же лазера, что позволяет добиться их когерентности.

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.

Чтобы увидеть восстановленный волновой фронт, рассмотрим голограмму под соответствующим углом с расстояния порядка метра. Когда этот волновой фронт попадает нам в глаза, создается впечатление, что мы видим реальный предмет, расположенный за пластинкой точно в том же положении, в каком он находился во время регистрации голограммы. Стеклянная фотопластинка с записанной голограммой исполняет при этом роль «окна», открывающего вид на сцену, реально существовавшую за пластинкой при регистрации голограммы.

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.

Объемные голограммы

Пропускающие голограммы представляют собой интерференционную картину, зарегистрированную при прохождении света через фотографическую пластинку (или пленку). Фотопластинка - это стеклянная пластинка, покрытая тонким слоем светочувствительного вещества - фотоэмульсии. При проявлении те части эмульсии, на которые в процессе экспозиции падал свет, чернеют и становятся непроницаемыми для света (если же они оказываются «серыми», то пропускают свет лишь частично). На самом деле слой эмульсии несколько толще, чем расстояние между интерференционными полосами. Благодаря этому при определенных условиях можно записывать голограмму как интерференционную картину, которая фиксируется не только на поверхности эмульсии, но и - поскольку эмульсия совершенно прозрачна - в глубине ее.

Такая голограмма называется объемной и обладает рядом свойств, отсутствующих у пропускающей плоской голограммы. Можно изготовить объемные голограммы двух типов: у одних изображение восстанавливается при прохождении света (пропускающие объемные голограммы), у других - при отражении света (отражательные объемные голограммы).

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 1/2 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.



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.

Обычные голограммы, записанные на фотопластинке, можно превратить в фазовые, если отбелить темные интерференционные полосы соответствующим отбеливающим средством. В результате изменение степени потемнения во всем объеме пластинки превращается в изменение ее оптической плотности, которое соответствующим образом влияет на фазу опорного волнового фронта. Таким образом, удобство получения фотографических голограмм (использование маломощных лазеров) удается сочетать с яркостью изображения, создаваемого фазовыми голограммами. Первое время отбеленные фазовые голограммы давали хотя и более яркие, но менее качественные изображения, чем первичные голограммы.

Мультикомплексные голограммы

Мультикомплексной называют такую голограмму, на которой одновременно записано много изображений, либо раздельно записаны отдельные части одного изображения, либо единственное изображение записано несколько раз.

Пространственное мультиплексирование

При решении задачи хранения данных для записи многих голограмм можно использовать единственную фотопластинку или какой-либо иной материал, причем каждая голограмма может независимо восстанавливать изображения записанных на ней данных. При этом голограммы могут образовывать решетку типа шахматного поля, а для считывания изображения с каждой голограммы лазерный луч сканирует по решетке.

Встречается и другой способ пространственного разделения голограммы, когда одна и та же объектная волна или волна от одного и того же объекта, но с разных ракурсов записывается на голограмме в виде полос. В первом случае полосковая голограмма просто повторно записывается много раз, так чтобы можно было восстановить изображение со всей голограммы. Второй случай имеет место при записи синтезированных голограмм для целей отображения информации.

Голограммы, записанные с помощью сканирующего источника света

Голограммы, записанные с помощью сканирующего источника-- это такие голограммы, при регистрации которых использован; либо сканирующий пучок света для освещения объекта, либо сканирующий опорный пучок для освещения голограммы.

Сканирующий объектный пучок

Иногда сечение освещающего объект пучка уменьшается в такой степени, что он не может больше освещать весь объект одновремено, а должен сканировать по объекту. В результате формируется многоэкспозиционная голограмма, в которой изображение каждго из освещаемых пучком участков объекта регистрируется отдельно.

Если размеры объекта велики, можно сузить освещающий объект пучок и заставить его сканировать по объекту, так чтобы на голограмму падала объектная волна большей яркости. Это позволит уменьшить время экспозиции, необходимое для записи голограммы рассматриваемой части объекта. Полную экспозицию уменьшить нельзя.

Недостатком использования голографической системы со сканированием помимо необходимости использовать более сложное оборудование является также уменьшение дифракционной эффективности голограммы. Это уменьшение связано с увеличением: фоновой экспозиции, которая возникает при записи с многократной экспозицией.

Сканирующий опорный пучок

В случае сканирования опорным пучком объект освещается целиком, но при этом опорный пучок сканирует по голограмме. Следовательно, можно увеличить полную интенсивность света, падающего на часть голограммы, и уменьшить время экспозиции для части голограммы. Это позволяет голографировать объекты, имеющие движение в ограниченных пределах.

Цветные голограммы

Цветными называют голограммы, способные воспроизводить цветные изображения. В сущности цветные голограммы -- это мультиплексные голограммы, восстанавливающие перекрывающиеся изображения, каждое в своем цвете. Как и в случае мультиплексных голограмм, возникают различные проблемы в зависимости от того используются ли тонкие, т. е. поверхностные, голограммы или регистрирующая среда имеет заметную толщину. Голограммы, записанные на тонком материале, восстанавливают многократно повторяющиеся изображения, которые соответствуют многим дифракционным порядкам. Голограммы, записанные в толстой среде из-за усадки или набухания эмульсии могут не восстанавливаться освещением с исходной длиной волны. Если, например, рассматривать красные и белые изображения, то в противоположность черным и белым необходимо учитывать эффекты дисперсии. В случае голограммы сфокусированного изображения, поскольку расстояние между голограммой и телеграфируемым изображением; оказывается более коротким, таких проблем возникает меньше.

Акустические голограммы

Первые попытки совмещения оптических и акустических методов предпринимались давно с целью визуализации интерференционной картины звуковых волн на поверхности жидкости, отраженных от предметов, находящихся в ее объеме.

Использование идей голографии в акустике оказалось очень плодотворным. Очевидно, что получить голограмму акустических волн на фотоматериале трудно. Однако частота акустических волн по сравнению с оптическими невысока, что позволяет измерять не только амплитуду волны (интенсивность), но и фазу. Вспомним, что в оптической голографии информация о фазе рассеянной предметом волны фиксировалась по интерференционной картине. Фазу рассеянной волны определяли сравнением ее с известной фазой опорного пучка.

Поскольку фаза акустической волны измеряется непосредственно, то необходимость в опорной волне отпадает, а процесс записи и восстановления голограммы превращается в вычислительный процесс, который может быть выполнен ЭВМ. Благодаря этому акустическая голография получила широкое распространение. С ее помощью можно получать информацию о структуре земной коры, океаническом дне, выявлять наличие неоднородностей в естественных и созданных человеком объектах. Звуковая голография используется в подводном звуковидении, бесконтактной диагностике машин и механизмов, для получения акустических изображений биологических, непрозрачных для света объектов, в устройствах медицинской диагностики для получения информации о внутренних органах и т.д.

Свойства голограмм

В фотографии снимаемый предмет освещается обычным светом, а в голографии используется свет лазера. В фотографии фотопластинка фиксирует только интенсивность света, отражённого каждой точкой предмета (большая или меньшая яркость), а в голографии - не только интенсивность световой волны, но и её фазу. Таким образом, в голографии записывается полная характеристика отражённой предметом световой волны.

Голографическое изображение получается объемным, а фотография - плоской. Но у голограмм существует еще несколько важных свойств.

1. В любую точку плоской 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 первоначальное изображение.

Объясняется это тем, что каждая точка пластинки при экспонировании подвергается действию волн, отраженных от всех точек предмета. При отделении части голограммы, уменьшается число «штрихов» своеобразной дифракционной решетки. Поэтому уменьшается разрешающая способность и интенсивность изображения при восстановлении, но картинка сохраняется.

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 kг). Если запись ведется излучением длиной волны l1, а восстановление - кратной ему l2 > l1, изображение станет больше в k = l2/l1 раз (волновой коэффициент увеличения kв). Полное увеличение равно произведению обоих коэффициентов; например, для рентгеновского микроскопа (l1 = 10-2 мкм, l2 = 0,5 мкм) с kг = 200 полное увеличение k = 106.

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.

Цветные голограммы получают на толстослойных эмульсиях. При этом экспозиция проводится несколько раз с монохроматическим излучением. На голограмме фиксируется не плоская, а пространственная интерференционная картина и формируется пространственная решетка. Для воспроизведения голограмму освещают белым светом, и максимумы волн различной длины располагаются в различных точках пространства, формируя объемное цветное изображение, парящее в пространстве. 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.

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. Другой особенностью голографического изображения является его своеобразная зернистая структура; она обусловлена тем, что при голографировании предмет освещается когерентным светом.

Источник света для голограммы

При записи голограммы крайне важно, чтобы длины (частоты) объектной и опорной волн с максимальной точностью совпадали друг с другом и не менялись в течение всего времени записи (иначе на пластинке не запишется чёткой картины интерференции). Этого можно добиться только при выполнении двух условий:

1.обе волны изначально испущены одним источником

2.этот источник испускает электромагнитное излучение с очень стабильной длиной волны (когерентное излучение).

Крайне удобным источником света, хорошо удовлетворяющим второму условию, является лазер. До изобретения лазеров голография практически не развивалась. Вместо лазера использовали очень узкие линии в спектре испускания газоразрядных ламп, что очень затрудняет эксперимент. На сегодняшний день голография предъявляет одни из самых жестких требований к когерентности лазеров.

Чаще всего когерентность принято характеризовать длиной когерентности -- той разности оптических путей двух волн, при которой контраст интерференционной картины уменьшается в два раза по сравнению с интерференционной картиной, которую дают волны, прошедшие от источника одинаковое расстояние. Для различных лазеров длина когерентности может составлять от долей миллиметра (мощные лазеры, предназначенные для сварки, резки и других применений, не требовательных к этому параметру) до десятков метров.

Расстояние между двумя максимумами интерференционной картины того же порядка, что и длина волны лазера, а последняя чаще всего составляет 632,8 нм для гелий-неонового лазера, 532 нм для неодимового лазера на второй гармонике, 514 нм и 488 нм для гелий-аргонового лазера. Таким образом, это величина порядка 0.0005 мм. Чтобы получить чёткое изображение картины интерференции, потребовались регистрирующие среды с разрешающей способностью до 6000 линий на миллиметр (при записи по схеме на встречных пучках с углом схождения лучей 180°).

Свойства источников

Когерентность

Мы должны различать свойства опорной волны и волны, освещающей объект, с одной стороны, и свойства восстанавливающей волны -- с другой. Термин некогерентная голограмма обычно сохраняется за голограммами, записанными при использовании некогерентного света. При записи некогерентной голограммы интерференционные полосы образуются благодаря интерференции света от какой-либо точки изображения с самим собой. Для этого формируют два изображения объекта с помощью делительного устройства. Свет от соответствующих точек изображения является когерентным и может интерферировать. Свет, который не интерферирует, образует фоновое освещение голограммы. Другой способ получения интерференционных полос, когда источник света имеет низкую когерентность, заключается в формировании на голограмме изображения решетки и помещении объекта в один из порядков этой решетки.

Поляризация

Во многих случаях свет источника является поляризованным, в особенности, если источником служит лазер. Это означает, что мы имеем дело с поляризованной опорной волной. Объектная волна во многих случаях, таких, как отражение света от объекта при формировании объектной волны, оказывается поляризованной случайным образом. Поскольку интерференция может произойти только между волнами, имеющими одинаковую поляризацию, часть объектной волны не регистрируется. Обычно о поляризационных свойствах записи голограмм не упоминают. Применение этого свойства для проверки некоторых характеристик объекта путем выбора направления поляризации опорной волны называется поляризационной голографией.

Длина волны света

Применяя свет нескольких длин волн, можно записать цветную голограмму. Разумеется, сама голограмма не является цветной, но при освещении ее светом со многими длинами волн, мы получаем цветное изображение. Другие названия голограмм, связанные с длиной волны, относятся к области спектра или типу применяемой волны; например, микроволновая голограмма, акустическая голограмма и рентгеновская голограмма.

Применение

Хотя голографию изобрели в 1949 г., она получила широкое распространение лишь с начала шестидесятых годов, после изобретения лазера.

Области применения голограмм очень обширны. Благодаря своим уникальным свойствам, они выводят исследования объектов на качественно новый уровень.

Голография в оптике

Голограмма-пластинка любого предмета остаётся оптическим устройством. Подобно призмам, линзам и зеркалам, она изменяет ход лучей и структуру световых волн. Но никакая линза или призма не поможет, например, что-нибудь увидеть сквозь матовое стекло или другую рассеивающую свет преграду. Появление голографии сделало доступным и это.

Голография в технике

Настоящим подарком голография стала для инженеров: теперь они могут исследовать и регистрировать процессы и явления, описанные порой только теоретически. Например, лопатки турбореактивного авиационного двигателя во время работы нагреваются до сотен градусов и деформируются. Каким образом распределяется при этом напряжение в детали, где находится её слабое место, угрожающее разрушением, -- определить это прежде было либо крайне сложно, либо вообще невозможно. С помощью голографических методов такие исследования проводят без особого труда.

В настоящее время уже созданы голографические принтеры, способные печатать, созданные при помощи компьютерного ПО. Они записывают серии точек на регистрирующей среде при помощи зелёного, красного и синего лазеров. Каждая такая точка содержит информацию о всём объекте, полученную с конкретной перспективы.

Также голограммы часто применяются при массовом выпуске продукции для её защиты от подделывания. Так как они записаны с одной мастер-голограммы, то их подделывание требует больших материальных затрат и сложного оборудования.

Рассматриваются варианты создания систем памяти, а также вычислительных и кодирующих устройств, основанных на голографическом методе. Всё это благодаря тому, что оптический метод записи информации имеет свой определённый предел в плане объёма информации, достигнутый в дисках формата Blue-ray, в то время как голограммы, записанные на кристаллах или фотополимерах, позволяют хранить огромное количество информации.

Голография в физике

Благодаря импульсной же голограмме, учёные получили возможность фиксировать и анализировать быстро протекающие процессы.
Большой интерес, например, для ядерной физики и физики элементарных частиц представляет изучение следов (треков) частиц в трековых камерах. Для этой цели пока применяется стереоскопическая съёмка. Голографические методы оказываются здесь весьма эффективными, поскольку они позволяют зафиксировать информацию о всём объёме камеры. При восстановлении можно рассматривать изображение в различных сечениях камеры, что позволяет легко разделить треки, соответствующие разным частицам. Число частиц, регистрируемых на голограмме, может быть очень большим (порядка 1000). Аналогично можно изучать динамику распределения неоднородностей в туманах, жидкостях и других прозрачных средах.

Голографическое кино и телевидение

Изображения, наблюдаемые при восстановлении волнового фронта с голограммы, поражают своей реальностью. Параллакс, яркие блики от отражающих поверхностей, перемещающиеся по предмету при изменении точки зрения, стереоскопичность изображения, возможность получения многоцветных изображений - все это делает перспективы голографического кино и телевидения весьма заманчивыми.

Существующие сегодня системы трехмерного телевидения, разработанные в России в рамках программы П.В. Шмакова, в Японии и других странах ограничиваются двухракурсными схемами. Это самое грубое приближение к объемному видению. Оно утомительно для зрителя, поскольку эффект объема сохраняется только при неподвижности зрителя, исключен эффект оглядывания. Глубина восприятия объема минимальна. Недостатком является и наличие очков. Семиракурсная система - принципиально безочковая и обеспечивает оглядывание предметов, глубина эффекта почти не ограничена. Предметы можно приблизить к зрителю практически вплотную или удалить на неограниченное расстояние. Зритель расслаблен. Сейчас трудно сказать, какое число ракурсов необходимо для полноценного воспроизведения эффекта объема. Но ясно, что семиракурсная система обеспечивает очень высокое качество объемного изображения.

Трехмерная фотография

Голограммы могут регистрировать излучение, рассеянное объектом. Трехмерные свойства восстановленных с помощью голограмм изображений могут быть использованы в рекламе, лекционных демонстрациях, при конструировании художественных панорам, создании копий произведений искусств, регистрации голографических портретов.

Голография в медицинских исследованиях

Ведутся исследования и разработки по применению голографии в медицине. Например, при получении оптических голограмм глаза, обеспечивающих единое трехмерное изображение хрусталика и сетчатки.

Криминалистическая голография

Голографические методы обработки информации, использующие интерференционную систему записи исходных данных, привлекают в настоящее время большое внимание, что связано с возможностью их использования для создания голографических запоминающих устройств большой емкости, кодировании информации, распознавания и сравнения изображений объектов и других задач. Возможность записи информации о различных объектах на один и тот же участок поверхности голограммы, а также во всем ее объеме позволяет обеспечить высокую плотность записи. Это открывает пути для создания компактных, в том числе и переносимых запоминающих устройств, причем виды записи могут быть самые разнообразные (графические, буквенные, цифровые, предметные и т.п.).

Радужные голограммы

Голограммы Бентона, которые называют «радужными», т.к. они переливаются на белом свете всеми цветами радуги, можно видеть теперь повсюду: на банковских карточках и денежных купюрах, сувенирах и обложках журналов, на упаковках товаров и бланках важных документов. Радужные голограммы легко тиражируются: механическим способом рельеф переносится на специальный носитель, и далее идёт процесс тиснения на фольге или пластиковой плёнке. Но скопировать их стандартной копировальной и печатающей техникой невозможно, поэтому их широко используют для защиты документов и товаров от подделки.

Голография в сфере культуры

Традиционное применение объемного голографического изображения высокого качества относится к сфере культуры, образования для создания макетов оригиналов памятников культуры и искусства. Другая сфера применения объемного голографического изображения высокого качества тренажёры для обучения пилотирования самолётов, космических кораблей и овладения навыками работы в сложных условиях.

Голография в картографии

Получение голографического изображения высокого качества вместе с голографической интерферометрией нашло своё применение в картографии для создания на картах земной поверхности линий одного уровня (топографической сетки). Эта же методика может быть применена для контроля отклонения профиля поверхности от заданной формы.

Неоптическая голография

С помощью голографии успешно решается проблема визуализации акустических полей. Это имеет большое прикладное значение.
Методами акустической голографии удается получать объемные изображения предметов в мутной воде, где обычная оптика бессильна.
Возможные применения звуковой голографии - дефектоскопия, звуколокация, звуконавигация, поиск полезных ископаемых, исследование структуры земной коры и т.д.



Заключение

Жизнь сегодня трудно представить без голограмм. Голографические знаки отличия на денежных купюрах, «голографическая» бумага, музейные экспонаты, замененные на их голографическую подделку, голограмма в художественных фильмах… А сколько еще таит в себе неизвестного это явление? инерция вращение галограмма карно

Согласованные усилия многих исследователей позволили накопить ряд сведений и фактов о свойствах трехмерных голограмм. За этими на первый взгляд разрозненными фактами достаточно отчетливо вырисовывается то единое явление природы, которое лежит в их основе. Оказывается, что материализованная объемная картина волн интенсивности способна воспроизводить волновое поле со всеми его параметрами -- амплитудой, фазой, спектральным составом, состоянием поляризации и даже с изменениями этих параметров по времени.

Однако общая картина этого явления пока еще далека от завершения. И дело здесь не только в том, что в ряде случаев мы не знаем полностью набор отображающих свойств некоторых видов голограмм. Есть все основания считать, что будут открыты новые неожиданные оптические свойства голограмм. Вполне вероятно, что ряд новых эффектов будет обнаружен при применении светочувствительных материалов, обладающих специфическими свойствами, подобно тому, как применение резонансных и поляризационных сред открыло возможность записи временных и поляризационных характеристик волновых полей. И, наконец, прецедент объединения голографии и нелинейной оптики в динамическую голографию показывает, что внесение идей голографии в смежные с ней области знаний может привести к появлению совершенно новых направлений.

Значимость голографии не ограничивается областью ее практического приложения. Важнейшее значение голографии заключается в возникновении и развитии идей принципиально новых, в изучении явлений, которые в природе, как правило, не встречаются.

Голография - это мир, от начала и до конца созданный человеческим разумом и яркое подтверждение его неограниченных возможностей.



Список литературы

1. Ландсберг Г. С «Общий курс физики: оптика.» - М: «Наука.»,1976 г.

2. Дзюбенко А.Г. «Применение голографии в технике.» - М: «Знание»,1976 г.

3. Островский Ю.И. «Голография и ее применение.» - М: «Наука»,

1976 г.Пирожников Л. Б. «Что такое голография.» - М: «Московский рабочий»,1976 г.

4. Смородинский Я. А., Сороко Л. М. «Успехи голографии.(Интерференция, голография, когерентность.)» - М: «Знание»,1970 г.

5. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1999 г.

6. Бачище А.В. Краткий курс общей физики. Механика. Молекулярная физика. Термодинамика. - Новороссийск: НГМА, 1999 г.

7. Медведев Б.В. Начала теоретической физики. Механика. Теория поля. Элементы квантовой механики: Учебн. Пособие для вузов. - М.: Наука, 1977. - 496 с.

8. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. Электродинамика: Краткий курс теоретической физики. Кн. 1. - М.: Наука, 1969 - 271 с.

9. Рымкевич П.А. Курс физики [Для физ-мат фак. пед. институтов] Изд. 2-е, перераб и доп. М.: Высшая школа, 1975.

10. Курс физики: Учеб. Пособие для вузов/А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. - 4-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2002.-718с.:ил.

11. Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл.ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. М., «Советская Энциклопедия».1976. Т. 25 - Струнино - Тихорецк. 1976. 600с. с ил. 27 л. ил., 3 л. карт.

12. Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл.ред. А. М. Прохоров. Изд. 3-е. М., «Советская Энциклопедия».1973. Т. 11 Италия - Кваркуш. 1973. 608 с. с ил. 27 л. ил., 12 л. карт., 1 карта вкладка

Размещено на Allbest.ru