Семестр_3_Лекция_24 (Все лекции по физике в пдф)

Семестр 3. Лекция 241Лекция 24. Голография.Опорная и предметная световые волны. Запись и воспроизведение голограмм. Применение голографии.Голография (от греч. holos - весь, полный иЗапись голограммыИсточник светаЗеркалоgrapho - пишу), способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины, которая образована волной, отражённой предметом, освещаемым источником света (предметная волна), и когерентной с ней волной,идущей непосредственно от источника светаПредмет(опорная волна).

Зарегистрированная интер-Фотопластинкаференционная картина называется голограммой. Голограмма, освещённая опорнойВосстановление голограммыИсточник светаЗеркаловолной, создаёт такое же амплитуднофазовое пространственное распределениеволнового поля, которое создавала при записи предметная волна. Таким образом, всоответствии с принципом Гюйгенса - Френеля, голограмма преобразует опорную волну в копию предметной волны.МнимоеОсновы голографии были заложены визображениеГолограмма1948 физиком Денисом Габором (Великобритания).

Однако отсутствие мощных ис-Действительноеизображениеточников когерентного света не позволилоему получить качественные голографические изображения. Второе рождение голо-графия пережила в 1962 – 63 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 трёх-Семестр 3. Лекция 242мерной среде, объединив, таким образом, идею Габора с цветной фотографиейЛипмана. К 1965 – 66 гг. были созданы теоретические и экспериментальные основы голографии. В последующие годы развитие голографии идёт главным образомпо пути совершенствования её применений.Принцип голографии.

Обычно для получения изображения какого-либо объекта фотографическим методом пользуются фотоаппаратом, который фиксируетна фотопластинке излучение, рассеиваемое объектом. Каждая точка объекта вэтом случае является центром рассеяния падающего света; она посылает в пространство расходящуюся сферическую световую волну, которая фокусируется спомощью объектива в небольшое пятнышко на светочувствительной поверхностифотопластинки. Так как отражательная способность объекта меняется от точки кточке, то интенсивность света, падающего на соответствующие участки фотопластинки, оказывается различной.

Поэтому на фотопластинке возникает изображение объекта. Это изображение складывается из получающихся на каждом участкесветочувствительной поверхности изображений соответствующих точек объекта.При этом трёхмерные объекты регистрируются в виде плоских двухмерных изображений.В процессе фотографирования на фотопластинке фиксируется лишь распределение интенсивности, то есть амплитуды электромагнитной волны, отражённойот объекта (интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды).

Однако световая волна при отражении от объекта изменяет не только амплитуду, но и фазу всоответствии со свойствами поверхности объекта в данной точке.Голография позволяет получить более полную информацию об объекте, таккак представляет собой процесс регистрации на фотопластинке не только амплитуд, но и фаз световых волн, рассеянных объектом. Для этого на фотопластинкуодновременно с волной, рассеянной объектом (предметная волна), необходимонаправить вспомогательную волну, идущую от того же источника света (лазера), сфиксированной амплитудой и фазой (опорная волна).Интерференционная картина (чередование тёмных и светлых полос или пятен), возникающая в результате взаимодействия сигнальной и опорной волн, со-Семестр 3. Лекция 243держит полную информацию об амплитуде и фазе предметной волны, то есть обобъекте.

Зафиксированная на светочувствительной поверхности интерференционная картина после проявления называется голограммой. Если рассматривать голограмму в микроскоп, то в простейшем случае видна система чередующихся светлых и тёмных полос. Интерференционный узор реальных объектов весьма сложен.Для того чтобы увидеть изображение предмета, голограмму необходимопросветить той же опорной волной, которая использовалась при её получении. Впростейшем случае - интерференции двух плоских волн (двух параллельных пучков) - голограмма представляет собой обычную дифракционную решётку.

Плоская волна, падая на такую голограмму, частично проходит сквозь неё, сохраняяпрежнее направление, а частично вследствие дифракции преобразуется в две вторичные плоские волны, распространяющиеся под углом θ, который связан с шагом решётки d и длиной световой волны λ формулой: d sin θ = ±λОдна из волн ничем не отличается от волны, идущей от объекта при непосредственном его наблюдении. Таким образом, при просвечивании голограммывосстанавливается та же самая волна, которая исходила от объекта. В результатеэтого наблюдатель, смотрящий сквозь голограмму, увидит мнимое изображениеобъекта в том месте, где объект находился при съёмке. Другая волна также содержит информацию об объекте и образует его действительное изображение.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 иУпатниекса такие помехи были устранены наклоном опорной волны (неосеваясхема).Голографическое изображение является объёмным, причём зрительное восприятие этого изображения ничем не отличается от восприятия исходного объекта. Фотографируя мнимое изображение, можно, в зависимости от места расположения фотоаппарата и его фокусировки, зафиксировать все особенности на сним-Семестр 3. Лекция 244ках. Экспериментально такие голограммы впервые получили американские физики Э. Лэйтс и Ю.

Упатниекс в 1962.Действительное изображение также трёхмерно и обладает всеми упомянутыми свойствами; оно как бы висит перед голограммой, но наблюдать его несколько труднее.Интерференционная структура может быть зарегистрирована светочувствительным материалом одним из следующих способов:в виде вариаций коэффициента пропускания света или его отражения. Такие голограммы при восстановлении волнового фронта модулируют амплитудуосвещающей волны и называются амплитудными.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 остаётся только фазовая модуляция.Типы голограмм.Структура голограммы зависит от способа формирования предметной иопорной 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 наличияоптических элементов между ними, связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскостях голограммы и предмета различна.

Еслипредмет лежит в плоскости голограммы или сфокусирован на неё, то амплитуднофазовое распределение на голограмме будет тем же, что и в плоскости предмета(голограмма сфокусированного изображения, f – фокусное расстояние линзы).Семестр 3. Лекция 242f5Когда предмет находится доста-2fголограмматочно далеко от пластинки, либо всфокусированно- фокусе линзы, то каждая точкаго изображения предмета посылает на пластинкупараллельный световой пучок.Опорный пучокfГолограмма в этом случае называется голограммой Фраунгофера.голограммаПри записи голограммы ФурьеФраунгоферапредмет и опорный источникобычно располагают в фокусеОпорный пучоклинзы. В случае безлинзовой Фурье-голограммы опорный источ-голограмманик располагают в плоскостиФренеляпредмета.

При этом фронт опорной волны и фронты элементар-Опорный пучокных волн, рассеянных отдельныfголограммаФурьеми точками объекта, имеют одинаковую кривизну. В результатеструктура и свойства голограммыпрактически такие же, как у Фу-Опорный источникрье-голограммы. ГолограммыбезлинзоваяФурьеголограммаФренеля образуются в том случае,когда каждая точка предмета посылает на пластинку сферическуюволну.

По мере увеличения рас-Опорный источникстояния между объектом и пла-стинкой голограммы Френеля переходят в голограммы Фраунгофера, а с уменьшением этого расстояния - в голограммы сфокусированного изображения.При встрече опорной и предметной волн в пространстве образуется системастоячих волн, максимумы которых соответствуют зонам, в которых интерфери-Семестр 3. Лекция 246рующие волны находятся в одной фазе, а минимумы - в противофазе.

В схеме Габора опорный источник и предмет расположены на оси голограммы. Осевые голограммы называют также однолучевыми, т. к. используется один пучок света, частькоторого 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 (двулучевая голограмма). Для двулучевых голограмм требуются фотоматериалы с более высоким пространственным разрешением.