Физические основы голографии

Описание

Основной закон голографии. Если светочувствительный материал, на котором зарегистрирована картина интерференции нескольких световых волн, поместить в положение, в котором он находился в процессе записи, и осветить снова некоторыми из этих волн, то произойдет восстановление остальных. Эта особенность объясняется тем, что на голограмме записываются не только интенсивность, как на обычной фотопластинке, но и фаза исходящего от объекта света. Именно информация о фазе волны необходима для формирования при восстановлении трехмерного пространства, а не двухмерного, даваемого обычной фотографией. Таким образом, голография основана на восстановлении волнового фронта.

Голографический процесс состоит из двух этапов — записи и восстановления. Волна от объекта интерферирует с «опорной» волной, и образующаяся при этом картина записывается Второй этап — формирование нового волнового фронта и получение изображения исходного объекта. Запись информации о фазе волны, идущей от объекта, может быть осуществлена только источником света со стабильными фазовыми характеристиками Идеальным для этой цели является лазер — когерентный источник света высокой интенсивности и высокой монохроматичности.

Принцип суперпозиции. Повседневный опыт показывает, что освещенность, создаваемая двумя или несколькими обычными некогерентными источниками света, является простой суммой освещенностей, создаваемой каждым из них в отдельности. Это явление называют принципом суперпозиции. Еще Гюйгенс в своем «Трактате» писал: «Одно из чудеснейших свойств света состоит в том, что, когда он приходит из разных сторон, лучи его производят действие, проходя один сквозь другой без всяких помех». Причина этого в том, что каждый источник, состоящий из множества атомов и молекул, излучает одновременно огромное количество волн, не связанных по фазе. Разность фаз меняется быстро и беспорядочно, и, несмотря на то, что между некоторыми волнами возникает интерференция, интерференционные картины сменяются с такой частотой, что глаз не успевает заметить изменения освещенности. Поэтому интенсивность результирующего колебания воспринимается как сумма составляющих исходных колебаний, а излучение источника представляет собой «белый» свет, т. е. не монохроматический, а состоящий из различных длин волн. По той же причине этот свет является неполяризованным, а естественным, т. е. не имеет преимущественной плоскости колебания.
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Когерентные колебания. В особых условиях принцип суперпозиции не соблюдается. Это наблюдается, когда разность фаз световых волн остается постоянной в течение достаточно длительного для наблюдения времени. Волны как бы «звучат в такт». Такие колебания называются когерентными. Основным признаком когерентности является возможность интерференции. Это значит, что при встрече двух волн они взаимодействуют, образуя суммарно новую волну. В результате этого взаимодействия результирующая интенсивность будет отличаться от суммы интенсивностей отдельных колебаний — в зависимости от разности фаз образуется или более темное, или более светлое поле, или вместо равномерного поля чередующиеся полосы разной интенсивности интерференционные полосы.

Монохроматические волны всегда когерентны. Однако светофильтры, часто называемые монохроматическими, в действительности никогда не дают строго монохроматического излучения, а только сужают спектральный диапазон и, конечно, не превращают обычного излучения в когерентное.

Получение когерентного излучения. Ранее был известен только один способ получения когерентного излучения — с помощью специального прибора — интерферометра. Излучение обычного источника света разделялось на два пучка, когерентных между собой. Эти пучки могли интерферировать. Теперь известен другой способ, использующий индуцированное излучение. На этом принципе основаны лазеры.

Лазер как источник когерентного излучения. Термин «лазер» образован из начальных букв английских слов «light amplification by stimulated emission of radiation» — «усиление света с помощью индуцированного излучения». Применяют также термин ОКГ, составленный из первых букв слов «оптический квантовый генератор». Лазеры принципиально отличаются от других источников света свойствами светового потока: когерентностью, монохроматичностью, строгой направленностью (малой расходимостью). Работа лазеров основана на принципе индуцированного излучения в атомах и молекулах. Это означает, что излучение атомов активной среды происходит одновременно, вследствие чего суммарное излучение имеет идеальную регулярность в пространстве и времени. В качестве активной среды в лазерах могут быть использованы твердые, жидкие и газообразные вещества. В твердотельных лазерах применяются кристаллические или аморфные диэлектрики, в жидкостных — растворы различных веществ. Общим для лазеров является оптическая накачка, осуществляемая с помощью ламп.

Основной особенностью лазеров, делающих их незаменимыми в ряде случаев, является возможность создания огромных плотностей энергии на небольших площадях. Это свойство позволило применить их и в офтальмологии для коагуляции сетчатки и других тканей глаза. Лазерные фотокоагуляторы широко используются при хирургических операциях на глазу. В данной работе, однако, не рассматривается лазер как хирургический инструмент, для которого основным качеством является высокая плотность энергии. Нас интересует применение лазера для прижизненного исследования структур глаза, а при этом плотность энергии должна быть очень ограничена и не превосходить порогового значения, вызывающего необратимые изменения в тканях Для этой цели основным является когерентность излучения лазеров, положенная в основу голографии. В последнее время ведутся интересные исследования по использованию когерентного излучения для диагностики глазных заболеваний, например, для определения регинальной остроты зрения, лазерной скиаскопии и рефрактометрии.

Дифракция в голографии. Основным физическим явлением, на котором основана голография, является дифракция — отклонение от своего первоначального направления света, проходящего вблизи краев непрозрачных тел или сквозь узкие щели. Если на экране нанесена не одна, а несколько щелей, то возникает интерференционная картина, состоящая из серии чередующихся светлых и темных полос, более ярких и узких, чем при одной щели. В середине расположена самая яркая полоса «нулевого порядка», по обе стороны от нее — полосы постепенно убывающей интенсивности первого, второго и прочих порядков. С увеличением числа щелей на экране полосы становятся все уже и ярче. Экран с большим количеством тонких параллельных щелей, количество которых часто доводят до 10 000, называется дифракционной решеткой.

Голограмма как дифракционная решетка. Решетка, представляющая собой голограмму, характеризуется прежде всего тем, что дифракция происходит не на щели, а на кружке. Дифракционная фигура от круглого непрозрачного объекта представляет собой яркий центральный кружок, окруженный постепенно ослабевающими кольцами. Если вместо непрозрачного диска на пути волны поместить диск с окружающими его кольцами, то кружок на изображении станет ярче, а полосы бледнее. Если прозрачность от темного к светлому участку меняется не скачками, а постепенно, по синусоидальному закону, то такая решетка образует полосы только нулевого и первого порядков, а помехи в виде полос высших порядков не появляются. Это свойство очень важно при записи голограммы. Если переход от темного кольца к светлому будет осуществляться строго по синусоидальному закону, то кольца на изображении пропадут и изображение будет представлять собой маленький яркий кружок, почти точку. Таким образом, круглая синусоидальная решетка будет формировать из параллельного пучка лучей (плоской волны) такое же изображение, как собирательная линза.

Такая решетка, называемая зонной решеткой, пластинкой Сорэ, пластинкой Френеля, используется иногда вместо линзы. Например, она применяется в очках, заменяя тяжелые очковые линзы высоких рефракций. Получение зонных решеток возможно различными путями, как механическими, так и оптическими, интерференционными. Использование этих решеток, полученных интерференционным путем, и положено в основу голографии.

Запись голограммы. Чтобы записать голограмму сложного несамосветящегося объекта, его освещают излучением лазера. На ту же пластинку, на которую падает рассеянный отраженный объектом свет, направляют когерентную опорную волну. Эта волна отделяется от излучения лазера с помощью зеркал.

Свет, отраженный каждой точкой объекта, интерферирует с опорной волной и образует голограмму этой точки. Так как любой объект представляет собой совокупность рассеивающих свет точек, то на фотопластинку накладывается множество элементарных голограмм — точек, которые в совокупности дадут сложную интерференционную картину объекта.

Восстановление голограммы сложных объектов. Проявленную голограмму помещают в то место, где она находилась при записи, и включают лазер. Так же как при восстановлении голограммы точки, при освещении голограммы пучком света лазера, участвовавшего в записи, происходит восстановление световых волн, исходивших от объекта при записи. Там, где при записи находился объект, видно мнимое изображение. Сопряженное с ним действительное изображение формируется по другую сторону от голограммы, со стороны наблюдателя. Оно обычно незаметно, но в отличие от мнимого может быть получено на экране.

Восстановление изображения с помощью некогерентного источника света. Ю. Н. Денисюк (1962) разработал метод, в котором для регистрации голограммы вместо тонкослойной эмульсии используются трехмерные среды. В такой толстой голограмме возникают стоячие волны, что существенно расширив возможности метода. Трехмерная дифракционная решетка, кроме описанных ранее свойств голограммы, обладает рядом важных особенностей. Наиболее интересна возможность восстановления изображения с помощью обычного источника сплошного спектра—лампы накаливания, солнца и других излучателей. Кроме того, в трехмерной голограмме отсутствуют волны нулевого порядка и действительное изображение, а следовательно, снижаются помехи.

---

Статья из книги: Оптические приборы для исследования глаза | Тамарова Р.М.