Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине

Голография — метод записи и восстановления волнового поля, основанный на интерференции и дифракции волн.

Идея голографии была впервые высказана Д. Табором в 1948 г., однако ее практическое использование оказалось возможным после появления лазеров.

Изложение основ голографии уместно начать сравнением с фотографией. При фотографировании на фотопленке фиксируется интенсивность световых волн, отраженных предметом. Изображение в этом случае является совокупностью темных и светлых точек. Фазы рассеиваемых волн не регистрируются, и таким образом пропадает значительная часть информации о предмете.

Голография позволяет регистрировать и воспроизводить более полную информацию об объекте с учетом амплитуд и фаз волн, рассеянных предметом. Регистрация фазы возможна вследствие интерференции волн. С этой целью на светофиксирующую поверхность посылают две когерентные волны: опорную, идущую непосредственно от источника света или зеркал, которые используют как вспомогательные устройства, и сигнальную, которая появляется при рассеянии (отражении) части опорной волны предметом и содержит соответствующую информацию о нем.

Интерференционную картину, образованную сложением сигнальной и опорной волн и зафиксированную на светочувствительной пластинке, называют голограммой. Для восстановления изображения голограмму освещают той же опорной волной.

Покажем на некоторых примерах, как получается голограмма и восстанавливается изображение.

Голограмма плоской волны. В этом случае на голограмме фиксируется плоская сигнальная волна I, попадающая под углом a₁ на фотопластинку Ф (рис. 19.23, а).

Рис. 19.23

Опорная волна II падает нормально, поэтому во всех точках фотопластинки одновременно ее фаза одинакова. Фазы сигнальной волны вследствие ее наклонного падения различны в разных точках светочувствительного слоя. Из этого следует, что разность фаз между лучами опорной и сигнальной волн зависит от места встречи этих лучей на фотопластинке и, согласно условиям максимумов и минимумов интерференции, полученная голограмма будет состоять из темных и светлых полос.

Пусть АВ (рис. 19.23, б) соответствует расстоянию между центрами ближайших темных или светлых интерференционных полос. Это означает, что фазы точек А и В в сигнальной волне отличаются на 2p. Построим нормаль АС к ее лучам (фронт волны). Очевидно, что фазы точек А и С одинаковы. Различие фаз точек В и С на 2p означает, что |ВС| = l. Из прямоугольного D АВС имеем

|АВ| = |BC|/sin a₁= l/sin a₁, (19.43)

Итак, в этом примере голограмма подобна дифракционной решетке, так как на светочувствительной поверхности зарегистрированы области усиленных (максимум) и ос-лабленных (минимум) колебаний, расстояние АВ между которыми определяется по формуле (19.43).

Так как сигнальная волна образуется при отражении части опорной oт предмета, то понятно, что в данном случае предметом является плоское зеркало или призма, т. е. такие устройства, которые преобразуют плоскую опорную волну в плоскую сигнальную (технические подробности на рис. 19.23, а не показаны).

Направив на голограмму опорную волну II (рис. 19.24), осуществим дифракцию (см. § 19.6). Согласно (19.29), первые главные максимумы (k = 1) соответствуют направлениям

sina = ± l/с. (19.44)

Подставив в это выражение АВ из (19.43) вместо с, имеем

sin a = ± lsin a₁/l,= ± sina₁, (19.45)

откуда

a = ± a₁. (19.46)

Из (19.46) видно, что направление волны I ¢ (рис. 19.24), дифрагированной под углом a₁, соответствует сигнальной: так восстанавливают волну, отраженную (рассеянную) предметом. Волна I ¢¢ и волны остальных главных максимумов (на рисунке не показаны) также воспроизводят информацию, зафиксированную в голограмме.

Голограмма точки. Одна часть опорной волны II попадает на точечный объект А (рис. 19.25, а) и рассеивается от него в виде сферической сигнальной волны I, другая часть плоским зеркалом 3 направляется на фотопластинку Ф, где эти волны и интерферируют. Источником излучения является лазер Л. На рис. 19.25, б схематически изображена полученная голограмма.

Рис. 19.25

Хотя в данном примере сигнальная волна является сферической, можно с некоторым приближением применить формулу (19.43) и заметить, что по мере увеличения угла a₁ (см. рис. 19.23, а) уменьшается расстояние АВ между соседними полосами. Нижние дуги на голограмме (рис. 19.25, б) расположены более тесно.

Если вырезать из голограммы узкую полоску, показанную штриховыми линиями на рис. 19.25, б, то она будет подобна узкой дифракционной решетке, постоянная которой уменьшается в направлении оси X. На такой решетке отклонение вторичных волн, соответствующих первому главному максимуму, возрастает по мере увеличения координаты X щели [см. (19.29)]: с становится меньше, |sin a| — больше.

Таким образом, при восстановлении изображения плоской опорной волной дифрагированные волны уже не будут плоскими. На рис. 19.26 показаны волна I ¢, формирующая мнимое изображение А' точки А, и волна I ¢¢, создающая действительное изображение А ¢¢.

Так как рассеянные предметом волны попадают совместно с опорной волной во все точки голограммы, то все ее участки содержат информацию о предмете, и для восстановления изображения не обязательно использовать полностью всю голограмму. Следует, однако, заметить, что качество восстановленного изображения тем хуже, чем меньшую часть голограммы для этого применяют. Из рис. 19.26 видно, что мнимое и действительное изображения образуются и в том случае, если восстановление осуществляют, например, нижней половиной голограммы, однако изображение при этом формируется меньшим коли­чеством лучей.

Любой предмет является совокупностью точек, поэтому рассуждения, приведенные для одной точки, могут быть обобщены и на голографирование любого предмета. Голографические изображения объемны, и их зрительное восприятие ничем не отличается от восприятия соответствующих предметов: ясное видение разных точек изображения осуществляется посредством аккомодации глаза (см. § 21.4); при изменении точки зрения изменяется перспектива, одни детали изображения могут заслонять другие.

При восстановлении изображения можно изменить длину опорной волны. Так, например, голограмму, образованную невидимыми электромагнитными волнами (ультрафиолетовыми, инфракрасными и рентгеновскими), можно восстановить видимым светом. Так как условия отражения и поглощения электромагнитных волн телами зависят, в частности, от длины волны, то эта особенность голографии позволяет использовать ее как метод внутривидения, или интроскопии.

Особо интересные и важные перспективы открываются в связи с ультразвуковой голографией. Получив голограмму в ультразву­ковых механических волнах, можно восстановить ее видимым светом. Ультразвуковая голография в перспективе может быть использована в медицине для рассматривания внутренних органов человека с диагностической целью. Учитывая большую информативность этого метода и существенно меньший вред ультразвука по сравнению с рентгеновским излучением, можно ожидать, что в будущем ультразвуковая голографическая интроскопия заменит традиционную рентгенодиагностику.

Еще одно медико-биологическое приложение голографии связано с голографическим микроскопом. Один из первых способов построения голографического микроскопа основан на том, что изображение предмета получается увеличенным, если голограмму, записанную с плоской опорной волной, осветить расходящейся сферической волной.

В развитие голографии внес вклад советский физик Ю. Н. Денисюк, разработавший метод цветной голографии.

Сейчас трудно оценить все возможности применения голографии: кино, телевидение, запоминающие устройства и т. д. Несомненно лишь, что голография является одним из величайших изобретений XX в.

Дата добавления: 2014-01-07