Образование голографического изображения
Голография обязана своим возникновением основным законам волновой оптики – законам интерференции и дифракции.
Интерференция
Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина, то есть, в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света (это подобно тому, как две системы волн на воде при пересечении образуют чередующиеся максимумы и минимумы амплитуды волн).
Явление интерференции имеет место для всех видов волн, так что интерференционную картину можно получить от любых двух источников колебаний, но наиболее четко выраженные усиления и ослабления результирующих, колебаний наблюдаются в том случае, когда источники обладают своего рода определенной синхронностью излучения, называемой когерентностью. Когерентными считаются колебания одной частоты, разность фаз которых не меняется в течение рассматриваемого промежутка времени.
Если волны встречаются в фазе, то они складываются друг с другом и дают результирующую волну с амплитудой, равной сумме их амплитуд. Если же они встречаются в противофазе, то будут гасить одна другую. Между двумя этими крайними положениями наблюдаются различные ситуации сложения волн. Результирующая сложения двух когерентных волн будет всегда стоячей волной. То есть интерференционная картина будет устойчива во времени. Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм.
|
|
|
Обычные источники света не обладают достаточной степенью когерентности для использования в голографии. Поэтому решающее значение для ее развития имело изобретение в 1960 г. оптического квантового генератора или лазера – удивительного источника излучения, обладающего необходимой степенью когерентности и могущего излучать строго одну длину волны.
Дифракция
Если на пути света оказывается какой-либо предмет, то он отбрасывает тень. Однако свет не распространяется строго по прямой линии, но, огибая предмет, частично заходит в область тени. В общем можно сказать, что этот эффект, называемый дифракцией, обусловлен волновой природой света, хотя его строгое объяснение достаточно сложно.
Когда волновой фронт падает на единичное большое препятствие, соответствующая часть его просто "выпадает". Когда же на пути волнового фронта находится множество мелких препятствий, он в результате дифракции изменяется таким образом, что свет, распространяющийся за препятствием, будет иметь качественно иной волновой фронт. Таким образом, дифракция дает нам в руки способ, позволяющий преобразовать один волновой фронт в другой, совершенно отличный от исходного. Иными словами, дифракция – это механизм, посредством которого мы можем создавать новый волновой фронт света.
|
|
|
Устройство, таким путем формирующее новый волновой фронт, называется дифракционной решеткой. В простейшем виде она представляет собой небольшую пластинку, на которую нанесены параллельные тонкие прямые линии (штрихи), отстоящие друг от друга примерно на сотую и даже тысячную долю миллиметра. Если поставить решетку, состоящую из слегка размытых ярких и темных полос, на пути лазерного луча, то часть его будет проходить через решетку прямо, а часть – загибаться; в результате формируются два новых пучка, выходящих из решетки под некоторым углом к исходному лучу по обе стороны от него. Если первый лазерный пучок имеет, например, плоский волновой фронт, то и два новых пучка, образовавшиеся по бокам от него, также будут обладать плоскими волновыми фронтами. Следовательно, пропуская пучок лазерного излучения через дифракционную решетку, мы создаем два новых плоских волновых фронта. Таким образом, дифракционную решетку можно рассматривать как простейший пример голограммы.
Голограмма – дифракционная решетка
|
|
|
Рассмотрим два плоских волновых фронта, которые, взаимодействуя, создают интерференционную картину; последнюю регистрируют на фотографической пластинке, помещенной в то же место, где находился экран. В голографии эта (первая) стадия процесса называется регистрацией (или записью) голограммы. Одна из плоских волн (для определенности, скажем, волна А) называется опорной волной (или опорным волновым фронтом). Тогда волну В мы будем называть предметной, то есть волной (или волновым фронтом), отраженной от предмета, изображение которого регистрируется; в нашем случае она ничем не отличается от опорной волны, однако при получении голограммы реального трехмерного объекта возникает существенно более сложный волновой фронт отраженного от него света. Интерференционная картина, записанная на фотографической пленке (изображение дифракционной решетки), и есть голограмма. Если эту голограмму поместить на пути первичного опорного пучка (пучка лазерного света, имеющего плоский волновой фронт), то по обе стороны от него образуются два новых волновых фронта. Один из них будет точной копией предметного волнового фронта, иначе говоря, это будет плоский волновой фронт, распространяющийся в том же направлении, что и волна В. Эта вторая стадия голографического процесса называется восстановлениемизображения.
|
|
|
Записанная на фотопластинке интерференционная картина, созданная двумя когерентными плоскими волнами, представляет собой некое устройство, которое – если его потом осветить одной из названных плоских волн – позволяет восстановить другую плоскую волну. Таким образом, голографический процесс включает в себя следующие стадии: регистрацию и "хранение" предметного волнового фронта в виде интерференционной картины (то есть голограммы) и – спустя любое время – восстановление его при прохождении через голограмму опорной волны. В действительности предметный волновой фронт может быть любым, в частности, это может быть волновой фронт, отраженный от реального предмета, если при этом он когерентен опорной волне. Интерференционная картина, сформированная любыми двумя когерентными волновыми фронтами, и есть именно то устройство, которое благодаря дифракции позволяет преобразовать один из этих волновых фронтов в другой. Здесь-то и спрятан ключ к голографии.
Чтобы наблюдать изображение, создаваемое простейшей голограммой – дифракционной решеткой, ее следует поместить на расстоянии примерно 1 м от глаза и смотреть сквозь решетку в направлении, в котором из нее выходят восстановленные плоские волны. Поскольку в глаз наблюдателя попадают плоские волны, изображение также имеет вид плоскости и предстает перед нами как "глухая стена", равномерно освещенная светом того же цвета, что и у лазерного излучения. Поскольку такая "стена" лишена каких-либо специфических признаков, невозможно сказать, как далеко она находится. Создается впечатление, что вы смотрите на бесконечно протяженную стену, расположенную где-то в бесконечности, но видите при этом только часть ее, которую вам удается рассмотреть через небольшое "окно" – дифракционную решетку. Таким образом, дифракционная решетка предстает равномерно светящейся поверхностью и мы не замечаем на ней ничего интересного и достойного внимания.
Голограмма – дифракционная решетка – позволяет наблюдать ряд простейших эффектов, которые можно продемонстрировать и с помощью голограмм другого типа. Пучок света, проходя через дифракционную решетку, расщепляется, образуя два новых пучка. Любую дифракционную решетку можно освещать пучками лазерного излучения, отличающимся цветом от того, что использовался при ее записи. В каждом случае угол, под которым изгибается пучок света, зависит от цвета этого пучка. Так, пучок красного цвета (наиболее длинноволнового) изгибается под большим углом, чем пучок синего цвета (имеющий меньшую длину волны). Если через дифракционную решетку пропустить белый свет, то есть смесь всех цветов, то каждая цветовая компонента его будет искривляться под "своим" углом, и тогда на выходе дифракционной решетки мы получим спектр цветов, аналогичный тому, что создает призма.
Чтобы искривление световых лучей было заметно, штрихи дифракционной решетки должны располагаться очень близко друг к другу. Например, для искривления луча красного цвета на 20° необходимо, чтобы расстояние между ними не превышало 0,002 мм; при более тесном размещении штрихов луч света будет изгибаться еще больше. Для "записи" такой решетки потребуется, конечно, фотопластинка, способная регистрировать столь тонкие детали. Необходимо также, чтобы в процессе экспозиции и при регистрации интерференционной картины пластинка оставалась абсолютно неподвижной. При малейшем движении картина может смазаться настолько, что окажется совершенно неразличимой, и тогда вместо интерференционной картины мы увидим просто стеклянную пластинку, однородно серую или черную по всей поверхности. Конечно, ни о каком воспроизведении специфических эффектов дифракции, создаваемых дифракционной решеткой, в таком случае не может быть и речи.
Рассмотренная дифракционная решетка называется пропускающей, так как она действует в проходящем через нее свете. Если же линии решетки нанести на поверхность зеркала, а не на прозрачную пластинку, то получится отражательная дифракционная решетка. Такая решетка отражает свет различных цветов под разными углами. Соответственно существуют два обширных класса голограмм – пропускающие и отражательные голограммы; первые из них наблюдаются в проходящем, а вторые – в отраженном свете.
Глава 3. Типы голограмм
голография интерферометр светочувствительный эмульсия
Структура голограммы зависит от способа формирования предметной и опорной 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 наличия оптических элементов между ними, связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскостях голограммы и предмета различна.
Если предмет лежит в плоскости голограммы или сфокусирован на нее, то амплитудно-фазовое распределение на голограмме будет тем же, что и в плоскости предмета (голограмма сфокусированного изображения).
Когда предмет находится достаточно далеко от пластинки, либо в фокусе линзы, то каждая точка предмета посылает на пластинку параллельный световой пучок, при этом связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскости голограммы и в плоскости предмета дается преобразованием Фурье (комплексная амплитуда предметной волны на пластинке – так называемый фурье-образ предмета). Голограмма в этом случае называется голограммой Фраунгофера. Если комплексные амплитуды предметной и опорной волн являются фурье-образами и предмета и опорного источника, то голограмму называют голограммой Фурье. При записи голограммы Фурье предмет и опорный источник обычно располагают в фокусе линзы. В случае безлинзовой фурье-голограммы опорный источник располагают в плоскости предмета. При этом фронт опорной волны и фронты элементарных волн, рассеянных отдельными точками объекта, имеют одинаковую кривизну. В результате структура и свойства голограмм практически такие же, как у фурье-голограммы. Голограммы Френеляобразуются в том случае, когда каждая точка предмета посылает на пластинку сферическую волну. По мере увеличения расстояния между объектом и пластинкой голограммы Френеля переходят в голограммы Фраунгофера, а с уменьшением этого расстояния – в голограммы сфокусированных изображений.
Пространственная частота ν интерференционной структуры (величина, обратная ее периоду) определяется углом α, под которым сходятся в данной точке световые лучи, исходящие от опорного источника и предмета:
ν =(2 sin α/2)/ λ,
где λ– длина волны.
В схеме Габора опорный источник и предмет расположены на оси голограммы, угол α близок к нулю и ν минимальна. Осевые голограммы называются также однолучевыми, так как используется один пучок света, часть которого 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 (двухлучевая голограмма). Для двухлучевых голограмм νвыше, чем для однолучевых (требуются фотоматериалы с более высоким пространственным разрешением). Если опорный и предметный пучок падают на светочувствительный слой с различных сторон (α ~ 180°), то ν максимальна и близка к 2/λ(голограммы во встречных пучках). Интерференционные максимумы располагаются вдоль поверхности материала в его толще. Эта схема была впервые предложена Денисюком. Поскольку при освещении такой голограммы опорным пучком восстановленная предметная волна распространяется навстречу освещающему пучку, такие голограммы иногда называют отражательными. Если толщина светочувствительного слоя δ много больше расстояния между соседними поверхностями интерференционных максимумов, то голограмму следует рассматривать как объемную. Если же запись интерференционной структуры происходит на поверхности слоя или если толщина слоя сравнима с расстоянием dмежду соседними элементами структуры, то голограммы называют плоскими. Критерий перехода от двухмерных голограмм к трехмерным:
δ≥1,6d²/λ .
Интерференционная структура может быть зарегистрирована светочувствительным материалом одним из следующих способов: 1) в виде вариаций коэффициента пропускания света или его отражения. Такие голограммы при восстановлении волнового фронта модулируют амплитуду освещающей волны и называются амплитудными. 2) 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 остается только фазовая модуляция.
Зарегистрированная на фотопластинке интерференционная структура обычно сохраняется долго, то есть процесс записи отделен во времени от процесса восстановления (стационарные голограммы). Однако существуют светочувствительные среды (некоторые красители, кристаллы, пары металлов), которые почти мгновенно реагируют фазовыми или амплитудными характеристиками на освещенность. В этом случае голограмма существует только во время воздействия на среду предметной и опорной волн, а восстановление волнового фронта производится одновременно с записью, в результате взаимодействия опорной и предметной волн с образованной им же интерференционной структурой (динамические голограммы). На принципах динамических голограмм могут быть созданы системы постоянной и оперативной памяти, корректоры излучения лазеров, усилители изображений, устройства управления лазерным излучением, обращения волнового фронта.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 92; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!