Голография

Цикл демонстрационных экспериментов

Голограммы Габора. Годом рождения голографии считается 1948 год, когда английский ученый Денис Габор (1900 - 1979) предложил оригинальный метод повышения разрешающей способности электронных микроскопов. Идея Габора заключалась в том, чтобы сначала зарегистрировать на фотопластинке интерференционную картину, сформированную электронным пучком, прошедшим без рассеяния, и пучком, рассеянным (дифрагированным) на исследуемом объекте.

Такую фотопластинку Габор назвал голограммой. После этого тем или иным способом изображение интерференционной картины увеличивалось в несколько тысяч раз и освещалось видимым светом, длина волны которого во много раз больше, чем у электронного пучка. Дифрагированный на интерференционной картине свет формировал изображение объекта. Расчеты показывали, что разрешающая способность при этом увеличивалась в несколько раз. Однако модельные эксперименты Габора с некогерентными источниками света завершились неудачно, и сама идея заглохла.

Второе рождение голографии произошло после появления первых лазеров в начале 60-х годов ХХ века. Уже в 1961 году американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс получили первые голограммы, используя когерентное излучение газового лазера. В 1962 году советский ученый Ю. Н. Денисюк продемонстрировал отражательные голограммы, которые восстанавливались белым (некогерентным) светом. В 1971 году Д. Габору за создание голографии была присуждена Нобелевская премия по физике. В настоящее время голография прочно вошла в арсенал экспериментальных оптических методов, а область ее практических применений постоянно расширяется.

Голограммы Лейта-Упатниекса. Термин голография происходит от двух греческих слов: holos - полный и graphos - пишу, т.е. голография дословно означает полная запись. Предложив этот термин, Габор хотел подчеркнуть, что голографический метод позволяет регистрировать не только интенсивность, но и фазу световой волны.

Голографический процесс состоит из двух этапов (рис. 8.45). На первом этапе происходит запись голограммы (рис. 8.45а). Для этого когерентный световой пучок тем или иным способом разделяется на два пучка. Один из них - опорный - отражается от плоского зеркала 1,

а	б

Рис. 8.45. Запись и восстановление голограммы.

а другой - объектный - рассеивается объектом 2. Там, где опорный и объектный пучки пересекаются в пространстве, происходит их интерференция, в результате которой в одних областях пространства световые колебания усиливаются, а в других - ослабляются. Локальное интерференционное поле представляет собой периодически чередующиеся светлые и темные области, расстояние между которыми определяется длиной волны света и углом схождения пучков. При небольших углах схождения (несколько градусов) период интерференционного поля составляет несколько десятков микрометров. Крупномасштабные изгибы интерференционного поля, изменение его контраста однозначно определяются фазовой поверхностью объектного пучка.

Если в интерференционное поле поместить пластинку 3 с нанесенным на ее поверхность тонким фоточувствительным слоем, обладающим достаточно высоким разрешением, то на ней будут зафиксированы интерференционные полосы. После фотографической обработки такая пластинка называется голограммой.

При записи голограмм Лейта-Упатниекса фотопластинка ориентируется так, что ее плоскость приблизительно перпендикулярна биссектрисе угла схождения объектного и опорного пучков. Толщина фоточувствительного слоя при этом обычно меньше, чем расстояние между интерференционными максимумами. В этом случае на фотопластинке регистрируется периодическое синусоидальное распределение интенсивности света, соответствующее светлым и темным областям интерференционного поля. С учетом указанных особенностей записи голограммы Лейта-Упатниекса называют также тонкими голограммами.

Следует отметить, что пространственное разрешение фотопластинок для записи голограмм должно быть достаточно высокое. Например, фотопленки для репродукционной съемки имеют разрешение около 200 линий на мм, в то время как для голографической записи требуются фотоэмульсии с разрешением от 1000 (плоские голограммы) до 10000 (объемные голограммы) линий на мм. А так как разрешение фотоматериалов обратно пропорционально их чувствительности, то запись голограмм обычно производят на установках, защищенных от вибраций. Ведь при низкой чувствительности (а она часто составляет всего 0,05 и даже 0,003 ед. ГОСТ) нужно обеспечить длительную экспозицию, во время которой интерференционная картина опорного и объектного пучков не сдвигалась бы более, чем на 1/10 длины волны излучения, т.е. на ~ 0,05 мкм.

Второй этап голографического процесса связан с восстановлением голографического изображения (рис. 8.45б). Голограмма освещается опорным пучком примерно под тем же углом, что и при записи. Этот опорный пучок дифрагирует на голограмме как на дифракционной решетке. Дифрагированный пучок является почти точной копией объектного пучка, который записывал голограмму, поэтому если посмотреть сквозь голограмму навстречу дифрагированному пучку (глаз 4), то можно увидеть объемное изображение объекта 5.

Голограммы Денисюка. Этот тип голограмм называют также толстослойными, объемными, отражательными голограммами или голограммами на встречных пучках. Метод Денисюка тесно связан с методом цветной фотографии Г. Липпмана, за который последнему была присуждена Нобелевская премия по физике в 1908 году. Для получения высококачественных цветных фотографий Липпман помещал достаточно толстую (несколько десятков микрометров) фоточувствительную эмульсию 1 на зеркало (рис. 8.46а), в качестве которого он использовал жидкую ртуть 2.

а

б

Рис. 8.46. Фотография Липпмана.

Цветное изображение проецировалось на эту эмульсию, проходило сквозь нее и отражалось зеркалом назад. В результате интерференции падающей и отраженной световой волны в объеме эмульсии возникали светлые и темные области, примерно параллельные плоскости фоточувствительного слоя. Так как расстояние между интерференционными областями в данном случае оказывалось порядка половины длины волны света, в фоточувствительном слое “помещались” десятки таких областей. После фотографического проявления и фиксации в объеме фоточувствительного слоя оказывались зарегистрированными светлые области интерференционного поля в виде слабо отражающих поверхностей. Расстояние между этими поверхностями однозначно определялось локальным цветом регистрируемого изображения. Если теперь убрать зеркало и осветить этот слой белым светом (рис. 7-46б), то отражаться от каждого участка слоя будет только тот цвет, для которого расстояние между отражающими поверхностями в этом месте равно половине длины волны. Поэтому в одних местах будет отражаться, например, красный свет, в других – зеленый. Цветные фотографии Липпмана до сих пор поражают яркостью и сочностью цветов.

При записи голограммы Денисюка когерентный (обычно монохроматический) пучок света, являясь одновременно опорным, проходит сквозь фотопластинку 1 и рассеивается объектом 2 (рис. 8.47а).

а

б

Рис. 8.47. Голограммы Денисюка

Объектный пучок (отраженный или рассеянный объектом) распространяется почти навстречу опорному и образует интерференционное поле в виде чередующихся светлых и темных областей, расстояние между которыми равно половине длины волны. В объеме фоточувствительного слоя возникают слабо отражающие слои, форма и расположение которых определяется светлыми областями интерференционного поля, в котором “закодировано” распределение амплитуды и фазы излучения, отраженного объектом. Если теперь осветить такую фотопластинку (голограмму) пучком некогерентного белого света (рис. 8.47б), то эффективно отражаться будет только свет с такой длиной волны, которая в два раза больше расстояния между отражающими слоями голограммы в данном месте фотопластинки. Чем больше слоев, тем большим отражением и спектральной селективностью обладает голограмма. Кроме того, отраженная волна является почти точной копией волны от объекта, которая записывала голограмму. Поэтому в отраженном свете мы видим мнимое объемное изображение объекта1.

Объемность голографического изображения. Одним из самых замечательных свойств восстановленного голографического изображения является его объемность. Рассматривая фотографию, мы тоже можем “оценить” объемность зафиксированного на ней изображения, но при этом мы руководствуемся психологическими критериями, такими как уменьшение размеров предметов по мере их удаления, перекрывание близкими предметами более далеких, сдвиг более далеких предметов вверх в поле зрения, менее четкое изображение удаленных предметов и т.д. В то же время все точки фотографии находятся на одинаковом расстоянии от наших глаз, поэтому не надо по-разному фокусировать хрусталик глаза на разные расстояния (аккомодация), не используется бинокулярность зрения, связанная с тем, что для разных расстояний разные области сетчатки глаза являются сопряженными, т.е. дают единый (не раздвоенный) образ объекта. Именно указанные физиологические особенности зрения ответственны за ощущение объемности рассматриваемого пространства. При восстановлении голографического изображения разным точкам объекта, находящимся на разном расстоянии от голограммы, соответствуют фазовые поверхности разного радиуса. Поэтому при наблюдении такого голографического изображения в полной мере “работают” и аккомодация глаза, и бинокулярность зрения, давая не только психологическое, но и физиологическое ощущение глубины пространства.

Немного математики. Пусть e_1,2 = E_1,2 e^{i(wt- k} _1,2^{r )} опорная и объектная волны соответственно, Е_1,2 - их комплексные амплитуды. У объектной волны фаза зависит от координат и тем самым этот пучок несет информацию об объекте. Будем считать волны одинаково поляризованными и, следовательно, не будем вообще учитывать поляризационные эффекты. Волновые векторы k_1,2 показаны на рис. 8.48а.

Рис. 8.48. Восстановление голограмм.

Суперпозиция этих полей е₁ + е₂ образует интерференционное поле, распределение интенсивности в котором определяется квадратом модуля суммарной амплитуды

I = (е₁ + е₂)(е₁ + е₂)^* = ½ e₁ ½² + е₂е₁ ^* + e₁е₂ ^* + ½ e₂ ½².

Эта интенсивность определяет пропускание (или преломление) среды

e ~ gI,

где g - коэффициент, определяющий фотохромные и фоторефрактивные свойства среды. Пространственно модулированные слагаемые е₂е₁ ^* и e₁е₂ ^* определяют голографические характеристики среды, а ½ e₁ ½² и ½ e₂ ½² обусловливают квазиоднородную засветку и соответствующее изменение коэффициента поглощения или показателя преломления среды. Дифракция на голографической решетке определяется только интерференционными слагаемыми в выражении для I.

Осветим теперь эту среду волной е₁ (см. рис. 8.48б), тогда на выходе из среды имеем (учитывая только интерференционные слагаемые)

Е ~ g е₂е₁ ^* е₁ + g e₁е₂ ^* е₁.

Первое слагаемое в этом выражении соответствует дифрагированной волне е₂ в направлении k₂, которая полностью идентична объектной волне. Эта волна образует мнимое голографическое изображение. Если осветить среду волной е₁ ^* (рис. 8.48в), которая распространяется в противоположном направлении относительно е₁, то второе слагаемое в выражении для Е даст дифрагированную волну в направлении е₂ ^*. Эта волна, распространяется навстречу е₂ и образует действительное псевдоскопическое изображение. При его рассмотрении глазом выпуклые места кажутся вогнутыми и наоборот.

Лекционная демонстрация восстановленных голографических изображений начинается с показа студентам фотопластинки, на которой записана голограммы Лейта-Упатниекса (рис. 8.49).

Рис. 8.49. Голограмма.

Эту голограмму можно держать в руке или воспользоваться кодоскопом и показать теневое изображение пластинки на белой стене. Видно, что голограмма практически не отличается от равномерно засвеченной фотопластинки. Все неоднородности, полосы, пятна, которые видны на пластинке, не имеют ничего общего с записанной на голограмме информацией об объекте. Чаще всего это просто брак в нанесении эмульсии на пластинку.

Как было сказано в теоретическом введении, «голографическая» информация заключена в интерференционной картине, зафиксированной на пластинке. Чтобы увидеть эту картину, нужно поместить голограмму под микроскоп с достаточно сильным увеличением. В этом случае можно увидеть микроструктуру голограммы, представляющую собой более - менее параллельные полосы с переменным контрастом (рис. 8.50).

Если осветить эту голограмму когерентным лазерным пучком (рис. 8.51), то этот пучок будет дифрагировать на голограмме, давая восстановленное изображение объекта (в данном случае детской игрушки). Для наблюдения восстановленного изображения используется телевизионная камера с мультимедиапроектором. На изображении хорошо видно зеркало, формирующее опорный пучок при записи голограммы.

Рис. 8.50. Микроструктура голограммы.

Если слегка перемещать камеру перпендикулярно направлению на объект, то можно заметить, что объект и тень от него перемещаются друг относительно друга (параллакс). Для усиления эффекта от наблюдения голографического изображения рекомендуется после окончания лекции предоставить студентам возможность подойти к установке и непосредственно увидеть это голографическое изображение.

Рис. 7-51. Демонстрация восстановленного изображения.

Лекционная демонстрация по голографии завершается показом нескольких голограмм Денисюка (рис. 8.52).

Рис. 8.52. Голограммы Денисюка.

Для этого голограммы последовательно освещаются мощным пучком белого света так, что отраженный свет направлен в сторону студентов. Небольшие качания голограмм в горизонтальной и вертикальной плоскости усиливают впечатление от объемности создаваемых ими изображений.

Дата добавления: 2014-01-04