Плоские пропускающие голограммы
Опишем, как получают голограмму какого-либо предмета, а точнее волнового фронта света, отраженного от предмета (или группы предметов). Предмет, освещенный лазерным лучом, отражает волновой фронт, который обладает важнейшим свойством когерентности. Благодаря этому такой волновой фронт, взаимодействуя с другим когерентным волновым фронтом (обычно простейшей формы, например, плоским), выполняющим роль опорного пучка, создает специфическую единственную в своем роде интерференционную картину.
Рис. Пропускающая голограмма
Предмет устанавливают вблизи фотопластинки и освещают пучком лазерного света. Часть волнового фронта, который отражается от предмета во всех направлениях, падает на фотопластинку. Одновременно на нее под некоторым углом к предметной волне проецируют опорный волновой фронт (или опорный пучок).
Необходимая когерентность двух волновых фронтов – опорного и предметного – достигается путем деления луча лазера на две части; это осуществляется так называемыми расщепителями пучка. Каждый из полученных таким образом пучков расширяется с помощью специального приспособления и направляется зеркалами в нужную сторону: один – на фотопластинку, другой – на предмет.
Продолжительность экспозиции фотопластинки определяется требуемой яркостью получаемого изображения, то есть зависит от мощности лазера. При сравнительно малой мощности лазера время экспозиции составляет несколько секунд. С облучением фотографической пластинки процесс регистрации заканчивается. Записанное на ее поверхности изображение и есть голограмма. Она представляет собой чрезвычайно сложную картину, состоящую из множества тонких причудливых линий, в которых невозможно усмотреть никакого сходства с реальным предметом. Если рассматривать голограмму в дневном свете, держа ее на расстоянии вытянутой руки, она покажется однородно-серой, и мы не обнаружим ни малейшего намека на изображение, закодированное в ее структуре. Более пристальное изучение голограммы под лупой откроет запутанную картину изогнутых темных линий, завитков и "мишеней". В действительности это всего лишь поверхностные дефекты голограммы, обусловленные дифракцией света на частичках пыли и несовершенством оптической системы. Собственно голографические полосы можно наблюдать только в мощный микроскоп.
|
|
|
При восстановлении изображения используется та же схема, что и при регистрации голограммы, с той лишь разницей, что предмет и освещающий его пучок убирают. Голограмму устанавливают так, чтобы опорный пучок падал на нее примерно под тем же углом, что и на стадии регистрации. Часть пучка проходит через голограмму, "не реагируя" на ее присутствие, но часть его отклоняется, формируя по обе стороны пластинки два новых волновых фронта, один из которых представляет собой точную копию первичного волнового фронта, отраженного от предмета.
|
|
|
Голографическое изображение, полученное таким образом, оказывается в точности подобным реальному предмету. Оно объемно, и мы можем заглянуть за "предметы", расположенные на переднем плане, просто слегка двигая головой в сторону (явления параллакса).
Голограмму можно разбить на две части, и тогда получаются две голограммы предмета. Однако, поскольку каждая из них меньше первоначальной, по отдельности они дадут только части того первоначального "окна", через которое мы видим изображение. Это в свою очередь ограничит интервал углов, под которыми мы можем наблюдать изображение, причем неизбежно эти две голограммы воспроизводят изображения предмета, рассматриваемого под несколько отличающимися углами зрения.
Стеклянные фотопластинки, используемые для получения голограмм такого размера, которые обычно демонстрируются на различных выставках, имеют площадь порядка 1 м². Помимо стеклянных фотопластинок для голограмм применяют также гибкие фотографические пленки. Их можно делать размером до 6 м², что позволяет получать очень большие голограммы.
|
|
|
Свернув такую пленку в виде цилиндра и поместив внутрь его нужный нам предмет, мы можем изготовить цилиндрическую голограмму. (В этом случае опорный пучок должен освещать всю поверхность цилиндра, и простая плоская волна здесь не годится). Такую голограмму можно обходить вокруг и рассматривать с любой стороны. При восстановлении изображения создается впечатление, что предмет заключен внутри цилиндра.
Голографическое изображение характеризуется рядом особенностей, связанных с тем, что для его получения используется высококогерентный свет лазера. Если предмет первоначально освещается монохроматическим светом – чаще всего это красный свет гелий-неонового лазера, – то и последующее восстановление изображения осуществляется с помощью луча того же света. В результате голографическое изображение также оказывается одноцветным, например, красным. Для получения голограммы, воспроизводящей естественный цвет предметов, требуются значительно более сложные методы. Другой особенностью голографического изображения является его своеобразная зернистая структура; она обусловлена тем, что при голографировании предмет освещается когерентным светом. Предпринимались неоднократные попытки "очистить" голограммы от этой досадной зернистости, однако успехи здесь пока невелики.
|
|
|
Голограмма способна воспроизводить свыше миллиона оттенков яркости, тогда как для фотографии этот показатель не превышает сотни. Таким образом, голограммы чрезвычайно полезны для качественного воспроизведения освещенности разных частей предмета.
Иногда, чтобы подчеркнуть реалистичность голографического изображения, в голографическую сцену (то есть вблизи предмета) помещают кусочки битого стекла. Рассматривая затем восстановленное изображение с разных сторон, мы видим игру света, отраженного от граней стекла, – благодаря этому сходство с оригиналом усиливается. Применяется и другой способ. Перед мелкими голографируемыми предметами устанавливают линзу. Наблюдая затем воспроизведенное изображение под разными углами, мы увидим увеличенными разные предметы, словно то один, то другой попадает под увеличительное стекло.
Посредством двойной экспозиции на одной и той же фотопластинке можно запечатлеть два различных голографических изображения. При воспроизведении эти изображения будут накладываться друг на друга. Таким путем изготовляют весьма интересные голограммы. Сначала обычным способом делают голограмму какого-либо предмета (или предметов). Затем голографируемый предмет слегка сдвигают или заменяют другим, и на той же пластинке записывают вторую голограмму. Когда такую "двойную" голограмму освещают, восстанавливаются оба изображения, как бы наложенные одно на другое. Размещая голографируемые предметы надлежащим образом, можно создать иллюзию, что два предмета частично перекрывают друг друга или что один из них находится внутри другого.
В процессе восстановления голограмма создает два новых волновых фронта, один из которых является точной копией волнового фронта, отраженного от реального объекта. Изображение, формируемое этим волновым фронтом, называется мнимым (или точным) изображением. Второй новый волновой фронт, выходящий из голограммы, также создает изображение – так называемое действительное (или сопряженное) изображение, которое обладает рядом интересных свойств.
Особенность этого изображения состоит в том, что оно воспринимается наблюдателем как обратное изображение реального объекта (или объектов), и эффекты параллакса также оказываются обратными – явление, называемое псевдоскопией(соответственно такое изображение мы будем называть псевдоскопическим). Псевдоскопичность изображения можно обнаружить, покачивая головой из стороны в сторону: тогда кажется, что предметы, находящиеся в задней части сцены, сдвигаются больше тех, что расположены впереди. Когда наблюдаешь этот эффект впервые, он производит неожиданное и ошеломляющее впечатление, поскольку противоположен тем привычным эффектам параллакса, с которыми мы сталкиваемся повседневно и которые называются ортоскопией. Совершенно невозможно правильно и точно описать псевдоскопическое изображение, создаваемое голограммой, – его надо видеть. Специалисты по голографии, немало поработавшие с такими изображениями и уже привыкшие к ним, приобретают способность мысленно "выворачивать" их таким образом, чтобы видеть обычные ортоскопические изображения. Говорят, что однажды подобному испытанию подвергли группу людей, которые в течение какого-то времени постоянно носили очки, переворачивающие мир "вверх ногами". После первой недели растерянности испытуемые сообщили, что теперь они вновь видят мир правильно – их мозг приспособился нужным образом "трансформировать" изображение, возникающее на сетчатке глаза. Когда же испытание закончилось, им опять пришлось пройти период адаптации, пока не вернулось нормальное видение мира.
Отметим, что существует специальный метод, позволяющий преобразовывать голографическое изображение из псевдоскопического в ортоскопическое.
Другая интересная особенность сопряженного изображения состоит в том, что на экране, установленном в месте его локализации, воспроизводится плоское, напоминающее фотографию изображение предмета, который был голографирован. Если же на место экрана поместить фотопластинку, то мы и в самом деле можем получить фотографию данного предмета, хотя, конечно, ее гораздо проще сделать с помощью обычного фотоаппарата.
Описанные здесь голограммы относятся к типу пропускающих, поскольку в этом случае предметный волновой фронт восстанавливается при прохождении света через голограмму. Схема, используемая для их получения, называется внеосевой (или схемой с наклонным опорным пучком) и несколько отличается от той, которую использовал Деннис Габор, получивший в 1948 г. первую голограмму. Основные принципы голографирования в обоих случаях одинаковы, однако внеосевая схема – ее предложили в начале 60-х годов американские ученые Иммет Лейт и Юрис Упатниекс, работавшие в Мичиганском университете, – обладает рядом преимуществ по сравнению со схемой Габора.
Широта возможностей голографического процесса ограничивается рядом факторов, прежде всего мощностью и качеством лазера, используемого в каждой конкретной установке, а также условиями, которые необходимо соблюдать при регистрации голограммы. Эти ограничения распространяются, вообще говоря, на процесс получения не только пропускающих голограмм, но и голограмм многих других типов.
Объемные голограммы
Если голограмму записать в некоторой объемной среде, то полученная модель стоячей волны однозначно воспроизводит не только амплитуду и фазу, но и спектральный состав записанного на ней излучения. Это обстоятельство было положено в основу создания трехмерных (объемных) голограмм.
В основу работы объемных голограмм положен дифракционный эффект Брэгга: в результате интерференции волн, распространяющихся в толстослойной эмульсии, образуются плоскости, засвеченные светом большей интенсивности. После проявления голограммы на засвеченных плоскостях образуются слои почернения. В результате этого создаются так называемые брэгговские плоскости, которые обладают свойством частично отражать свет. Т.е. в эмульсии создается трехмерная интерференционная картина.
Чтобы процесс восстановления изображения объемной пропускающей голограммы был эффективным, опорный пучок следует направить на нее точно под тем же углом, под каким он падал на фотопластинку при регистрации голограммы; в противном случае мы не получим никакого изображения. Кроме того, для восстановления должно использоваться излучение того же цвета, что и для записи голограммы. При соблюдении названных условий, меняя угол падения опорного пучка, на одной фотопластинке удается зарегистрировать до ста различных изображений. И каждое из них можно затем отдельно рассматривать, направляя на пластинку опорный пучок под соответствующим углом.
Схема регистрации объемных пропускающих голограмм подобна той, что применяется для записи плоских голограмм; разница лишь в том, что здесь требуются пластинки с более толстым слоем эмульсии.
Объемные отражательные голограммы получают совершенно иным способом. При их регистрации опорный пучок и фронт волны, отраженный от объекта, должны падать на фотопластинку с противоположных направлений. Такую отражательную голограмму можно рассматривать как состоящую из двух наборов интерференционных полос, выполняющих различные функции. По всей глубине голограммы интерференционные полосы действуют как светофильтры для излучения, которое отражается от голограммы. Подобный светофильтр называется интерференционным. При таком способе регистрации голограммы интерференционные полосы располагаются в плоскостях, отстоящих друг от друга на ½ длины волны лазерного излучения, и каждая из плоскостей, подобно зеркалу, частично отражает свет, причем усиливающая интерференция возникает только для определенного цвета, а именно такого, половина длины волны которого точно равна расстоянию между этими "зеркалами". Разумеется, интерференционные полосы на такой голограмме выполняют и свои обычные "функции" по отношению к свету, отраженному от "фильтров-зеркал", поэтому восстановление предметного волнового фронта происходит только в лучах соответствующего цвета. Цвет отраженного "фильтрами" излучения зависит от расстояния между плоскостями, в которых лежат интерференционные полосы, а оно в свою очередь определяется цветом лазерного луча, использованного для регистрации данной голограммы.
Теоретически, если голограмма записывалась, например, в красном свете, то интерференционные полосы являются красными фильтрами, и когда на голограмму падает свет, они поглощают все его составляющие, за исключением красной, которую отражают. В действительности же часто случается, что голограмма, записанная в красном свете лазера, дает зеленое изображение. Это обусловлено небольшим уменьшением толщины эмульсионного слоя (усадкой эмульсии) в процессе обработки голограммы, вследствие чего расстояние между плоскостями интерференционных полос изменяется. Обычно названный эффект не вызывает особого беспокойства, поскольку изображение монохроматично (вряд ли имеет значение, какого оно цвета – красного или зеленого). Это становится проблемой только при изготовлении "цветных" отражательных голограмм. С отражательными голограммами связан еще один эффект: когда мы смотрим на голограмму под различными углами, цвет изображения меняется от зеленого до синего.
Таким образом, объемная отражательная голограмма дает трехмерное голографическое изображение даже в том случае, когда ее освещают белым светом, лучше всего солнечным светом или ярким лучом фонаря. Отражательные голограммы, позволяющие восстанавливать изображение в белом свете, часто называют голограммами Денисюка – в честь советского ученого, предложившего в 1962 году этот способ голографирования.
Фазовые голограммы
Голограммы можно записывать не только на фотографических пластинках, но и в других средах. Существует множество разнообразных материалов, обладающих необходимыми для этого чувствительностью и разрешающей способностью. Но они реагируют на свет совершенно иначе, чем фотопластинка. Например, вместо того, чтобы темнеть в том месте, куда падает свет, они изменяют свою толщину, и в соответствии с толщиной материала в точке отражения изменяется фаза отраженной световой волны. Таким образом, при восстановлении изображения фаза опорного волнового фронта изменяется от точки к точке на поверхности голограммы. В результате на выходе голограммы формируется волновой фронт, который, как это и требуется, точно воспроизводит волновой фронт, отраженный от предмета.
Такие фазовые голограммы могут работать как на пропускание, так и на отражение. Они создают более яркие изображения, чем голограммы, записанные на фотопластинке, поскольку в этом случае для формирования восстановленного волнового фронта используется большая доля падающего на голограмму света. При рассмотрении в обычном дневном свете фазовые пропускающие голограммы выглядят прозрачными, как стекло.
В качестве материалов для регистрации фазовых голограмм используют, например, термопластичную прозрачную пластмассу, твердые листы которой устанавливают вместо фотопластинки. При записи голограмм на термопласте обычно требуется лазер высокой мощности или длительная экспозиция, поскольку регистрация голограммы в этом случае осуществляется благодаря тому, что в соответствующих участках интерференционной картины материал слегка нагревается и его толщина изменяется. Часто для этих целей применяют и другой материал – бихромированную желатину.
Одним из преимуществ термопласта как материала для регистрации фазовых голограмм следует считать то, что позволяет наладить массовое производство голограмм. Листы термопласта можно штамповать при помощи металлической матрицы.
Вообще говоря, обычные голограммы, записанные на фотопластинке, можно превратить в фазовые, если отбелить темные интерференционные полосы соответствующим отбеливающим средством. В результате изменение степени потемнения во всем объеме пластинки превращается в изменение ее оптической плотности, которое соответствующим образом влияет на фазу опорного волнового фронта. Таким образом, удобство получения фотографических голограмм (использование маломощных лазеров) удается сочетать с яркостью изображения, создаваемого фазовыми голограммами.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 80; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!