Глава 2. Физические основы голографии
Физические основы голографии
Юсупов Р.А.,Юлдашева З.Р.
Ташкент 2005 г.
Авторы:
Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры "Методика преподавания физики" ТГПУ имени Низами – Юсупов Р.А.
Бакалавр физики, выпускник ТГПУ имени Низами – Юлдашева З.Р.
Рецензенты:
Кандидат физико-математических наук, сотрудник Института Ядерной Физики – Хугаев А.В.
Профессор физических наук – Насриддинов К.
Данное учебно-методическое пособие составлено на основе следующего плана:
1. Физические основы голографии
2. Типы голограмм
3. Голографическая интерферометрия
4. Свойства голограмм
Объектом выполненной работы являются учащиеся проф. колледжей и лицеев.
Целью данной работы – как можно более доходчиво донести до учащихся колледжей и лицеев основы голографии.
Чтобы выполнить данную работу я рассмотрела существующую литературу для бакалавров, специализированных колледжей и лицеев. Учебники для ВУЗов написаны сложно, а для колледжей и лицеев либо отсутствуют, либо написаны так коротко, что трудно понять их смысл. Основное внимание уделено раскрытию физического смысла голографии, видам и типам голографии и её применение в науке и технике.
Данное учебно-методическое пособие предназначено для учащихся колледжей, лицеев и студентов.
Содержание
Введение
Глава 1. История голографии
Глава 2. Физические основы голографии
|
|
|
2.1 Основные понятия
2.2 Образование голографического изображения
2.2.1 Интерференция
2.2.2 Дифракция
2.2.3 Голограмма – дифракционная решетка
Глава 3. Типы голограмм
3.1 Плоские пропускающие голограммы
3.2 Объемные голограммы
3.3 Фазовые голограммы
Глава 4. Голографическая интерферометрия
4.1 Классическая интерферометрия
4.1.1 Кое-что из истории
4.1.2 Методы голографической интерферометрии
4.2 Интерферометрия фазовых объектов
4.2.1 Виды настройки интерферометров
4.2.2 Бесконечно широкая полоса
Полосы конечной ширины
4.3 Подготовка и обработка галогенидосеребряных эмульсий
4.4 Оптические схемы голографических интерферометров
4.4.1 Голографический интерферометр с диффузным рабочим пучком
4.4.2 Голографический интерферометр с коллимированным рабочим пучком
4.4.3 Голографический интерферометр сфокусированного изображения
Глава 5. Свойства голограмм
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Большую часть информации об окружающем мире (порядка 90%) человек получает с помощью зрения. Сравнивая зрение с другими источниками информации, можно установить следующее. Посредством слуха человек воспринимает акустическую (звуковую) информацию, однако скорость, с которой могут восприниматься звуковые сигналы, на много порядков меньше скорости восприятия света. Совсем низкой по сравнению со зрением и слухом является скорость восприятия информации посредством органов осязания и обоняния. Поэтому наш человеческий мозг упорядочивает информацию о внешнем мире и в первую очередь при помощи зрительных представлений. Не случайно народная мудрость гласит: "лучше один раз увидеть, чем десять раз услышать".
|
|
|
За свою многовековую историю человек изобрел большое количество различных оптических приборов и систем, предназначенных для получения, передачи и хранения изображений, и все они обязательно включали линзу или систему линз (объектив). Трудно найти человека, не знакомого с фотографированием, методом получения изображений объектов на фотопленке с помощью объектива. Основное назначение объектива – собрать все попадающие в него лучи света, которые исходят из некоторой элементарной точки объекта, в соответствующую ей точку на фотопленке. После проявления фотопластинки изображение предмета можно увидеть, рассматривая фотопленку при обычном освещении на просвет или отражение, либо перенося это изображение на светочувствительную бумагу.
|
|
|
Однако полученный фотоснимок содержит не всю информацию о предмете. Рассматривая фотографическое изображение незнакомого предмета, ничего нельзя сказать о том, на каких расстояниях находятся отдельные точки предмета, т.е. о его объемных свойствах. Эта потеря информации происходит вследствие того, что фотопленка реагирует только на среднюю интенсивность света при экспонировании и не способна реагировать на фазу световой волны, которая зависит от расстояния между предметом и фотопленкой. Следовательно, фотография обладает ограниченными изобразительными возможностями: на ней отсутствует объемность предмета и ощущение глубины пространства. Изображение на сетчатке глаза тоже двухмерное, плоское, и тем не менее мы не лишены возможности видеть предметы объемными, обладающими не только высотой и шириной, но и глубиной. Объемность нашего восприятия обусловлена не только возможностью зрения двумя глазами, но также тем, что глаз, представляя собой оптическую систему с переменным фокусным расстоянием (способную фокусироваться на разноудаленные точки предмета), обладает определенной подвижностью. Это свойство глаза позволяет нам, изменяя направление наблюдения, видеть предметы в разных проекциях, создавая тем самым ощущение объемности. Способность глаза изменять фокусное расстояние получило название аккомодации.
|
|
|
Итак, фотография, на первый взгляд являющаяся объективным способом регистрации изображений, при детальном рассмотрении дает весьма субъективную информацию, рассчитанную на восприятие человеческим глазом. Недостатки фотографии в полной мере компенсируются принципиально новым методом регистрации изображений, получившим название голография.
Оптические и оптоэлектронные приборы строят на основе давно известных законов оптики, однако новый взгляд на существо этих законов, который дала голография, привел к важнейшим результатам: появлению оптических приборов, включающих в себя элементы лазерной техники, голографических методов обработки информации и ЭВМ; разработке голографических пространственно-частотных фильтров; фильтров, синтезированных на ЭВМ; различных голографических оптических элементов, заменяющих обычные оптические линзы, зеркала, дифракционные решетки, а также множества пространственно-временных модуляторов оптического сигнала.
С помощью голографических методов стало возможным получать оптические элементы, по всем свойствам аналогичные волоконно-оптическим устройствам. Такие элементы имеют все свойства оптического волокна, но отличаются от него простотой изготовления. Методы голографии позволяют выполнять оптические элементы и придавать им оптические свойства, которые невозможно получить при обычных методах изготовления. Голографические методы находят широкое применение при аттестации качества оптических элементов и узлов оптических приборов; успешно используются при решении задач выделения сигналов из шумов и распознавания образов. Голография позволяет увеличивать изображения во много раз больше, чем это можно сделать с помощью оптических линз, строить принципиально новые датчики положения и формы объектов и многое другое.
Однако на пути создания конкретных голографических оптических приборов и устройств еще встречается много серьезных технических трудностей. Поэтому разработчикам тех или иных голографических приборов часто приходится идти сложным и не всегда прямым путем, но возможности голографии настолько заманчивы, что внушают большой армии ученых и инженеров оптимизм и уверенность в их преодолении.
Общеизвестно, что на данный момент в профессиональных колледжах и академических лицеях в курсе физики тема голографии затронута поверхностно (Всего 4 часа: 2 лекция и 2 практика). В связи с этим целью данной работы является попытка создания методического учебного пособия по курсу голографии, предназначенного как для школ, академических лицеев, профессиональных колледжей, так и для институтов и университетов в которых преподавание физики не является профилирующим.
Глава 1. История голографии
Основоположником голографии является профессор государственного колледжа в Лондоне Деннис Габор, получивший в 1947 г. первую голограмму. Он родился в Будапеште, где после школы приступил к изучению электротехники. В 1927 году, закончив специальное образование в Берлине, Д. Габор получил диплом доктора – инженера. После захвата власти фашистами Габор покинул Берлин и переселился в Англию. Именно здесь в результате длительной работы он изобрел новый способ получения изображений.
В то время Габор считал важнейшей задачей усовершенствование электронного микроскопа. Электронный микроскоп отличается от обычного лишь тем, что в нем изображение образуется не световыми волнами, а электронами, попадающими на фотографическую эмульсию после того как они прошли через исследуемый объект. В том месте эмульсии, куда попал электрон, после проявления возникает почернение. Там, куда попало больше электронов, почернение оказывается более интенсивным.
Электронный микроскоп, как и оптический, формирует в плоскости, в которой расположена фотоэмульсия, резкое и четкое изображение только от малой части исследуемого объекта. Одновременно получить на эмульсии резкое изображение всей толщи объекта невозможно. Не сфокусированные части объекта дают на снимке фон, лишь ухудшающий качество изображения и не дающий никакой дополнительной информации об объекте.
Габор вновь и вновь возвращался к мысли о том, что поток электронов, прошедших сквозь объект, несет в себе полную информацию о всех взаимодействиях, испытанных электронами в толще объекта. И в нем крепло стремление найти путь к использованию такой информации. Он ясно понимал, что успех, достигнутый при решении этой специальной задачи, будет иметь гораздо более широкое значение. Ведь и свет, падающий на объектив фотоаппарата или на зрачок глаза, содержит обширную информацию о всех предметах, от которых исходит свет. Но ни глаз, ни фотоаппарат, ни электронный микроскоп не могут одновременно образовать резкого изображения всех деталей независимо от их местоположения. Такова природа образования изображения при помощи линз. Линзы отображают на плоскости только плоские объекты, расположенные в определенных "сопряженных" плоскостях. В результате фотоэмульсия фиксирует лишь ничтожную часть информации, переносимой светом или электронами.
Итак, Габор первым противопоставил скудость фотоизображения богатству информации, содержащейся в световом или электронном потоке. Он же указал путь преодоления этого разрыва, который состоял из нескольких скачков:
Первый – отказ от применения линз, ибо, формируя изображение одной плоскости объекта, линзы приводят к потере информации об остальной, причем большей, его части.
Второй – фиксирование на фотоэмульсии не изображения объекта, а по возможности всей информации о нем, переносимой пучком электронов или лучами света.
Третий – использование записанной информации для того, чтобы впоследствии создавать пучки света, несущие в себе всю эту информацию.
И четвертый – формирование при помощи этих пучков света изображения того объекта, информация о котором была зафиксирована в первой стадии процесса.
Габор подчеркивал, что радикальное отличие нового метода от обычной фотографии, которая записывает на фотоэмульсии изображение предмета в один прием, состоит в том, что процесс получения изображения разбит на два этапа, происходящих в различные моменты и совершенно независимо. Сперва на фотоэмульсию записывается информация об объекте, содержащаяся в потоке света или электронов, взаимодействующих с объектом. После проявления записанная информация может храниться сколь угодно долго, и, когда нужно, можно приступить ко второму этапу – воссозданию изображения на основе этой информации. Габор назвал свой метод голографией, прибегнув, как обычно, к греческому языку. "Голограмма" означает "полная запись". Воссоздание изображения при помощи голограммы он назвал "реконструкцией".
Однако, как часто бывает в науке, до появления в 60-х годах первых лазеров голографию всерьез не принимали. Зато потом голография начала развиваться с огромной скоростью и, со временем, превратилась в мощный научный инструмент, обладающий недоступными ранее возможностями.
Взрывному интересу к голографии в немалой степени способствовал тот факт, что американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс проявили себя не только умелыми экспериментаторами, но и незаурядными психологами, показав журналистам в качестве своей первой пропускающей голограммы голограмму металлического доллара, как бы висящего в воздухе. Прием сыграл на все 100%. Что такое голография журналисты тогда не знали, но что такое доллар – им было известно прекрасно. Восторженные, захлебывающиеся рассказы об увиденном "чуде", которое можно видеть, но нельзя потрогать, сыграли свою роль. Голографией заинтересовались не только ученые. Нашлись деньги на дальнейшие исследования. Процесс пошел и начал набирать обороты.
В это же самое время в Ленинграде советский физик Ю. Денисюк записал свою первую зонную пластинку (голограмму линзы). Этот, на первый взгляд незначительный, факт вывел голографию на совершенно новый уровень, поскольку примененный им способ съемки позволял использовать лазер только при записи голограммы, а восстанавливать их можно уже обычными источниками белого света. Именно по такой схеме сейчас и записываются все изобразительные голограммы.
Глава 2. Физические основы голографии
Основные понятия
Процесс видения окружающих нас предметов осуществляется с помощью физического носителя, именуемого светом. По определению слово свет означает оптическое излучение, видимое человеческим глазом. Свет представляет собой психофизическое понятие. Физическая природа света та же, что и радиоволн – это распространяющиеся в пространстве электромагнитные колебания.
Изменение частоты световых колебаний воспринимается нашим глазом как изменение цвета. Свет распространяется в пространстве с наивысшей возможной скоростью с=3*108 м/с. Электромагнитная волна, колебания в которой происходят с одной строго постоянной частотой, называется монохроматической (одноцветной).
Световые волны возбуждают зрительные нервы нашего глаза, благодаря чему процесс видения оказывается возможным. Так что же физически представляет собой процесс видения? Для ответа на этот вопрос рассмотрим простейший случай – синусоидальную (монохроматическую) волну, распространяющуюся в одном направлении. Тогда в любой момент времени t картина волны будет иметь вид синусоиды с соответствующими данной волне параметрами n (частота излучения) и Т (период колебаний). Если же возьмем какую-либо фиксированную точку на пути распространения волны и рассмотрим изменение амплитуды волны в этой точке со временем, то увидим, что эта амплитуда изменяется также по синусоидальному закону, с тем же периодом колебаний Т. Для того чтобы описать волновой процесс одновременно во времени и пространстве, достаточно представить себе, что синусоидальная волна движется параллельно самой себе вдоль какой-либо оси. При этом достаточно рассматривать движение такой точки на кривой, которая будет характеризоваться двумя параметрами: амплитудой и фазой, их значения зависят от расстояния между выбранной точкой и источником излучения.
Предположим теперь, что в пространстве расположен точечный монохроматический источник, испускающий волны равномерно во всех направлениях. В этом случае в любом направлении от источника волновой процесс будет описываться одной и той же синусоидальной кривой. Чтобы охарактеризовать распространение этих волн в пространстве, необходимо рассмотреть движение уже не одной точки, а целого семейства точек, расположенных на одинаковом расстоянии от источника излучения, т. е. точек, в которых все волны имеют одну и ту же фазу. Поверхность, образуемая в пространстве этими точками, называется волновым фронтом. По форме волновых фронтов различают волны плоские (плоские волновые фронты), цилиндрические (цилиндрические волновые фронты) и сферические (сферические волновые фронты). Волновые фронты точечного источника, излучающего равномерно во все стороны, имеют форму концентрических сфер (в плоскости они будут выглядеть как концентрические окружности). Эти сферы распространяются от источника со скоростью света с и по мере удаления от источника их радиус увеличивается. Следовательно, определив в какой-либо точке пространства кривизну волнового фронта, мы в принципе можем определить расстояние до источника излучения.
Если на пути распространения световой волны оказывается какой-то предмет, волновой фронт искажается. Вследствие внесенного предметом рассеяния света волны, идущие от разных точек освещаемого предмета, будут иметь различные амплитуды и фазы. В этих амплитудных и фазовых искажениях волнового фронта и заключена информация о форме предмета, в том числе и его объемное изображение. Используя эти предпосылки, Д. Габор предложил вместо изображения предмета регистрировать пространственную структуру самой волны света, а именно несущий информацию о предмете волновой фронт, и затем по этой записи восстанавливать изображение предмета.
Такой двухступенчатый процесс записи и восстановления волнового фронта, несущего информацию о предмете, и называется голографией, а зафиксированная на какой-либо регистрирующей среде пространственная структура световой волны – голограммой.
Дело в том, что технические средства не в состоянии прямым путем измерить фазу столь высокочастотных колебаний, какими являются световые сигналы, поскольку реакция любого приемника света (фотоумножителя, фотодиода, фототранзистора и даже человеческого глаза) определяется значением средней интенсивности света. Однако решение этой задачи оказалось неожиданно очень простым: использовать для получения голограммы интерференцию двух когерентных пучков света, называемых обычно объектным и опорным, а для восстановления изображения с голограммы – явление дифракции света.
Отсюда более развернутым и полным представляется следующее определение голографии. Голография – направление в физике, в основе которого лежат специальные методы получения, восстановления и преобразования волн. Совокупность таких методов называется голографическим процессом.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 84; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!