Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Следовательно, различие в фазах волн, отраженных от трехмерного объекта, может давать информацию о протяженности объекта вдоль направления иаблюдеппя. Однако, как сказано выше, фотографический метод регистрации изображений не дает возможности использовать фазовую информацию. Для этого надо искать новые способы ее выявления.
Задачу возможно более полного использования и записи информации, переносимой полем световых воли, отраженных объектом, решает недавно появившаяся отрасль оптики — голография. Это принятое повсемесзно название нового направления оптики, означающее в русском переводе с греческого полную запись (светового поля), вполне соответствует той цели, которая была поставлена основоположником голографии английским ученым Л. Габором. Первым этапом голографической записи оптической информации является регистрация как амплитудных, так в фазовых характерисзяк волнового поля, отраженного объектом наблюдения. При некоторых специальных условиях, о которых подробно будет сказано ниже, эта регистрация осуществляется фотографически, но без формирования оптического изображения ооъекта.
Фотопластинка с такой специальной записью параметров поля называется гологралгмой. Следующий этап голографирования — извлечение из голограммы информации об объекте, которая на ней зарегистрирована, Для этого голограмму просвечивают световым пучком (в некоторых случаях используют отражение света от голограммы). Голограмма является своеобразной двумерной (иногда трехмерной) структурой, на которой дифрагирует падающий на нее свет. Световой пучок, дифрагировавшнй на голограмме, может сформировать на экране действительное оптическое изображение объекта без применения каких- либо оптических систем.
Этот пучок способен также создать волновое поле, эквивалентное распространявшемуся ранее (т. е. во время съемки голограммы) от объеита наблюдения, Для использования такого волнового поля с целью получения информации об объекте наблюдения уже необходима оптическая система. Замечательное свойство голограммы, соответствующее смыслу ее названия — полная запись — состоит в большом объеме зарегистрированной на ней информации. Голограмма позволяет полностью восстанавливать уже в отсутствие объекта то волновое поле, которое ранее (т. е. при регистрации голограммы) создавал сам объект.
С помощью такого поля можно получить не одно изображение объекта, а множество его разнообразных изображений, как при непосредственном наблюдении самого объекта с разных точек зрения. В этом заключается наиболее существенное отличие голограммы от фотоснимка, Методом голографии можно восстановить эффект объемности трехмерного предмета (наблюдать параллактическое смеи4ение *) при изменении положения наблюдателя), воспроизвести окраску поверхности объекта, не прибегая к обычным методам цветной фотографии, и т. д. Использование для получения оптической информации об объекте его волнового поля, восстановленного при просвечивании голограммы, позволило дать этому методу наблюдения еще одно название: формирование изображений восстановлением волнового поля.
й 140. Запись голограммы с помощью плоской опорной волны. Как было указано выше, прямая регистрация фазы *) Параллактнческим смещением называется видимое смещение взаимного расположения объектов наблюдения при изменении положения наблюдателя. оптических колебаний методами, фиксирующими лишь среднюю по времени интенсивность света, невозможна. Однако известно, что в явлениях интерференции света распределение его интенсивности в интерференционном поле определяется как амплитудами, так и фазами интерферирующих волн. Следовательно, для регистрации всех характеристик волнового поля, идущего от объекта наблюдения, можно использовать интерференцию света, создав условия, необходимые для ее возникновения. Стационарная во времени интерференционная картина получается при интерференции когерентных световых волн. Таким образом, для регистрации разовых соотношений в волновом поле, которое получается в присутствии объекта наблюдения, необходимо прежде всего, чтобы объект был освещен монохроматическим и д когерентным в пространстве излучением.
Тогда и поле, рассеянное объ- ктом, будет обладать этими свойствами. Если теперь добавить к иссле- у уг дуемому полю, создаваемому объектом, вспомогательное монохромагическое поле той же частоты, нап- Рис. 283. Схема записи ример, плоскую волну (так пазы- голограммы непрозрачноваемую опорную волну), то во го предмета всем пространстве, где обе волны (рассеянная объектом и опорная) перекрываются, возникает сложное, но не меняющееся со временем распределение областей взаимного усиления и ослабления обеих волн, т. е.
стационарная интерференционная картина. А такое неизменное распределение интенсивности суммарного поля уже можно зафиксировать на фотопластинке. Разумеется, на пластинке будут при этом фиксированы интенсивности только в тех точках пространства, которые лежат в плоскости пластинки. Принципиальная схема установки для голографирования непрозрачного объекта наблюдения 1 в отраженном от него свете представлена на рис. 283. Здесь 2 — фронт плоской световой волны, созданной с помощью лазерного светового пучка и расширенного до необходимого поперечного сечения специальной оптической системой. !2 эаемевеерима уеебиик еиеики. е. !и Зеркало у направляет плоскую опорную волну на фотоазластинку 4, куда приходят и волны, отраженные от объекта 1.
Существенно, что на каждую точку освещенной части фотопластинки наряду с опорной волной падают световые волны, рассеянные всеми участками объекта наблюдения. Поэтому любой участок голограммы содержит полную информацию о всем объекте наблюдения. Запись голограагм по приведенной выше схеме выдвигает определенные требования к спектральному составу используемого при этом излучения.
Действитетьно, для возникновения интерфереициоиных картин как результата супер- позиции волнового поля, распространяющегося от объекта наблюдения, и поля опорной волны необходимо обеспечить когерентность этих полей при всех разностях хода. Эти разности неизбежно создаются макрорельефом отражающего свет предмета и могут быть значительными. Рис.
284. Изображение объекта получено методом обычной уототрафии Если, например, считать, что разность хода достигает 10 см, то, как показывает расчет, ширина спектральной линии используемого излучения должна быть порядка 10 'Л. Между тем ширина спектральной линии ртутной лампы, даже с невысоким давлением паров, составляет десятки ангстрем. Следовательно, источники света так ЗЯ называемого долазерного периода развития оптики малопригодны для голографии. С помощью же лазеров сравнительно легко удовлетворить требования голографии к монохроматичности света. Этим и объясняется бурное развитие голографии в последнее время, когда лазеры стадм доступны многим лабораториям. Рис. 285.
Увеличенное изображение участка голограммы Необходимо обратить внимание еще на одну деталь. При записи голограмм протяженных объектов углы между интерферирующими световыми волиамн, падающими на фотопластинку, могут достигать существенных величин. Поэтому интерференциониая картина, образованная па фотопластинке, оказывается весьма мелкой и для ее фиксации требуются фотоматериалы с высокой разрешающей способностью. Современные голографические фотопластинки имеют разрешающую способность более 5000 штрихов на 1 мм.
Чтобы иллюстрировать первьш этап голографнрования, приведем две фотографии. На первой пз нпх ~рис. 284) показано изображение объектов, полученное методом обычной фотографии, на второй (рис. 285) — при большом увеличении фотозапись интерференционной картины — голограмма этих объектов, зафиксированная с помощью плоской опорной волны. Как видим, никакого сходства между ними нет. г И٠— э- х Рнс. 2286. Схема носсгановления голо графических изображений в 141. Получение оптических изображений по методу восстановления волнового фронта. Лля прочтения записанной на голограмме информации об объекте наблюдения голограмму, полученную описанным выше способом, просвечивают. Принципиальная схема получения изображений показана на рис. 286.
Плоская монохроматическая волна падает на голограмму слева, нормально к ее поверхности, В результате прохож- 4 лссипонаблен- ДеннЯ света сквозь гонсе болнобой лограмму и его дифрак- ции па ее неоднородном 2 почерненни за пластин- 1 кой возникает сложная система световых пуч- Х ков. Пучки 1 н 2 никакой информации о наблюдаемом объекте не несут. Сходящийся световой пучок 3, без помощи какой-либо оптической системы, формирует действительное изображение ДИ обьекта. Оно получается на том же расстоянии от голограммы, на котором находился от фотопластинки объект наблюдения во время его голографирования. Помещая экран поочередно в разных сечениях области локализации действительного изображения, можно наблюдать на нем четкие изображения разных деталей объекта.
Чтобы их зафиксировать, вместо экрана можно использовать фотопластинку. При просвечивании разных участков голограммы наблюдается эффект взаимного параллактнческого смещения деталей объекта, поскольку на эти участки пластинки свет от объекта падал при изготовлении голограммы под различными углами. Расходящийся световой пучок 4, если его пропустить через собирающую линзу, восстанавливает другое изображение объекта — так называемое мнимое изображение МИ. Оно локализуется перед голограммой симметрично действительному изображению.
Мнимое изображение можно наблюдать и невооруженным глазом. Роль собирающей линзы в этом случае будет выполнять хрусталик глаза, проецирующий изображение на его сетчатую оболочку. Таким образом, в отсутствие объекта за просвечиваемой голограммой воспроизводится то самое волновое поле, которое распространялось от объекта при записи голограммы. Благодаря этому можно фотографировать объект или разглядывать его с разных пространственных точек зрения так, как будто он находится перед наблюдателем или фотоаппаратом.
Восстановленное голограммой волновое поле, как уже отмечалось, позволяет наблюдать и регистрировать эффекты параллактического смещения деталей объекта. Для этого нужно либо изменять взаимную пространственную ориентацию голограммы и просвечивающего ее светового пучка, либо перемещать глаза наблюдателя (или объектив фотоаппарата) по отношению к неподвижной голограмме, так как это делается при разглядывании предмета или группы освещенных предметов с разных сторон, Эффект параллактнческого смещения иллюстрируется рис. 287. На фотографиях размещение фигур видно как бы с разных точек зрения. Между тем оба изображения получены с помощью одной голограммы, но фотоаппарат устанавливался в различных по отношению к ней положениях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
