17 (Лунёва)

Семестр 3. Лекция 171Лекция 17. 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 ин-ФотопластинкаВосстановление голограммыИсточник светаЗеркалотерференционная картинаназываетсяголограммой.освещённаяГолограмма,опорной волной, создаёт такое же амплитудно-фазовое пространственное распределение волнового поля, которое создавалапри записи предметная волна. Таким образом, в соответствии с принципом Гюйгенса Френеля, голограмма преобразует опорнуюволну в копию предметной волны.МнимоеОсновы голографии были заложены визображениеГолограммаДействительноеизображение1948 физиком Денисом Габором (Великобритания).

Однако отсутствие мощных источников 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 наклон-Семестр 3. Лекция 172ным опорным пучком, а Ю. Н. Денисюк осуществил запись голограммы в трёхмерной 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-либообъекта фотографическим методом пользуются фотоаппаратом, который фиксирует на фотопластинке излучение, рассеиваемое объектом.

Каждая точка объектав этом 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 двумерных 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).Семестр 3.

Лекция 173Интерференционная картина (чередование тёмных и светлых полос или пятен), возникающая в результате взаимодействия сигнальной и опорной волн, содержит 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 чередующихсясветлых и тёмных полос. Интерференционный узор реальных объектов весьмасложен.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 двевторичные плоские волны, распространяющиеся под углом , который связан сшагом решётки d и длиной световой волны  зависимостью: d sin    .Одна 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 схемеЛейта и Упатниекса такие помехи были устранены наклоном опорной волны(неосевая схема).Голографическое изображение является объёмным, причём зрительное восприятие этого изображения ничем не отличается от восприятия исходного объекта. Фотографируя мнимое изображение, можно, в зависимости от места располо-Семестр 3.

Лекция 174жения фотоаппарата и его фокусировки, зафиксировать все особенности на снимках. Экспериментально такие голограммы впервые получили американские физики Э. Лэйтс и Ю. Упатниекс в 1962 году.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). Такиеголограммы 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, показателяпреломления и рельефа. После отбеливания голограммы остаётся только фазоваямодуляция.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 172f5Когда предмет находится доста-2fголограмматочно далеко от пластинки, либо всфокусированно- фокусе линзы, то каждая точкаго изображения предмета посылает на пластинкуОпорный пучокfпараллельныйсветовойпучок.Голограмма в этом случае называется голограммой Фраунгофе-голограммара.ФраунгофераПри записи голограммы ФурьепредметОпорный пучокиопорныйисточникобычно располагают в фокуселинзы.

В случае безлинзовой Фу-голограммарье-голограммы опорный источ-Френеляник располагают вплоскостипредмета. При этом фронт опор-Опорный пучокной волны и фронты элементарfголограммаФурьеных волн, рассеянных отдельными точками объекта, имеют одинаковую кривизну. В результатеструктура и свойства голограммыОпорный источникпрактически такие же, как у ФубезлинзоваяФурьеголограммарье-голограммы.ГолограммыФренеля образуются в том случае, когда каждая точка предметапосылает на пластинку сфериче-Опорный источникскую волну.

По мере увеличениярасстояния между объектом и пластинкой голограммы Френеля переходят в голограммы Фраунгофера, а с уменьшением этого расстояния - в голограммы сфокусированного изображения.Семестр 3. Лекция 176При встрече опорной и предметной волн в пространстве образуется системастоячих волн, максимумы которых соответствуют зонам, в которых интерферирующие 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.