Реферат: Голография
Введение.
Принципы голографии впервые были изложены английским ученым Деннисом
Габором в 1948 году. В то время важность этого открытия еще не была
вполне очевидной, и лишь очень немногие исследователи, работавшие в 50-е
годы в данной области, страдали от отсутствия подходящего источника
света, который обладал бы весьма важным свойством – когерентностью. В
1960 году был изготовлен первый лазер. Этот прибор создает свет
достаточной когерентности, и американские ученые Иммет Лейт и Юрис
Упатниекс смогли использовать для его получения первых голограмм,
создававших изображения предметов во всех трех измерениях. Исследования
продолжались в последующие годы, и с тех пор на тему голографии были
опубликованы сотни научных статей и издано много книг, хотя в основном
они адресованы скорее специалистам, чем широкому читателю.
Голографию проще всего охарактеризовать как объемную фотографию с
использованием лазера. Это не вполне удовлетворительное определение, ибо
существует немало других видов трехмерной фотографии, однако в нем
отражены многие существенные моменты: голография – это технический
метод, позволяющий производить «запись» внешнего вида объекта; она
создает трехмерное изображение, которое выглядит столь же материальным,
как и реальный предмет; использование лазеров имело решающее значение
для ее развития.
Изучение голографии вносит ясность во многие вопросы, касающиеся обычной
фотографии. Голография, как изобразительное средство, способна даже
бросить вызов фотографии, так как она позволяет более правильно и точно
отражать окружающий нас мир. Иногда историки считают целесообразным
делить историю человечества на эпохи по типам средств связи, известным в
те или иные века. С этой точки зрения можно говорить, например, об
иероглифах Древноего Египта или изобретении печатного станка (1450 г.).
В последнее время в связи с техническим прогрессом господствующее
положение заняли новые средства связи: телефон и телевидение. Кое-кто
отрицает, что в целом их роль в развитии общества весьма благотворна, но
лишь немногие пытаются серьезно проанализировать, каково же все-таки
действительное влияние телефона и телевидения на жизнь в современном
мире. Хотя голография как средство информации пока еще пребывает в
младенческом состоянии, есть основания ожидать, что в будущем она в
значительной степени заменит существующие средства связи или по крайней
мере расширит сферу их действия. Тем не менее в наши дни мало кто
(исключая, конечно, специалистов) представляет, что такое голография и
где она может (или не может) найти применение.
Массовая печать и научно-фантастическая литература часто преподносят
голографию в довольно искаженном, неверном свете. Нередко они создают в
общем неправильное представление об этом методе. Увиденная впервые
голограмма завораживает, но физическое объяснение того, как она
работает, производит не меньшее впечатление. Только после этого
начинаешь понимать как потенциальные возможности, так и пределы
применимости голографии – не только сегодня, но и в будущем.
Принципы голографии.
Мы видим предметы благодаря тому, что световые волны отражаются от них
или преломляются ими и попадают в наш глаз. Световые волны, отраженные
от какого-либо объекта, характеризуются определенной формой волнового
фронта, которая соответствует форме данного объекта. Две группы
когерентных световых волн могут интерферировать, создавая картину
светлых и темных линий, или полос, причем в каждом конкретном случае эти
полосы образуют совершенно определенную комбинацию, зависящую только от
формы волновых фронтов взаимодействующих волн. Такую картину, называемую
интерференционной, можно зафиксировать на фотографичесокой пластинке,
помещенной в то место, где происходит интерференция волн.
Голография – это способ, который позволяет регистрировать (записывать)
волновой фронт, отраженный от предмета, а затем восстанавливать его
таким образом, что у наблюдателя возникает полное ощущение, будто он
действительно видит реальный предмет. Подобный эффект обусловлен тем,
что голографическое изображение получается трехмерным в той же мере, как
и реальный предмет.
Существует такое огромное множество разнотипных голограмм, что в них
нетрудно запутаться. Чтобы совершенно однозначно определить какой-либо
конкретный вид голограмм, необходимо воспользоваться четырьмя или пятью
прилагательными. Однако из всего множества голограмм рассмотрим лишь
некоторые основные типы и очень общие их классы, которые, впрочем, ничем
особенным не отличаются. На первый взгляд столь разнообразная
классификация кажется недостаточно ясной, поэтому зачастую для
различения голограмм приходится прибегать к более тонким деталям теории.
Но прежде чем приступить к рассмотрению собственно голограмм, следует
сказать несколько слов о волновом явлении, называемом дифракцией,
поскольку именно дифракция дает нам возможность конструировать, а
точнее, реконструировать (восстанавливать) волновой фронт любого типа.
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.
Свет проникает в область тени лишь в очень малом телесном угле, так что
практически мы этого никогда не замечаем. Но если на пути света
оказывается много мелких препятствий, причем расстояния между нимим
составляют всего лишь несколько длин световой волны, то общий эффект
прохождения света в область тени становится весьма заметным.
Когда волновой фронт падает на единичное большое препятствие,
соответствующая часть его просто «выпадает». На оставшуюся часть
волнового фронта это почти не оказывает влияния. 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. Он настолько
сильно трансформируется, что даже начинает распространяться в ином
направлении. 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. (рис. 1). Следовательно, пропуская пучок лазерного излучения
через дифракционную решетку, мы создаем два новых плоских волновых
фронта.
Рис.1. Получение плоских волн методом дифракции. Если рассматривать
дифракционную решетку как голограмму, то плоская волна в верхней части
рисунка будет представлять собой восстановленную волну В, а опорный
пучок – волну А.
Дифракционную решетку, по-видимому, можно рассматривать как простейший
пример голограммы, и отныне мы будем говорить об ее получении и
использовании, оперируя терминологией голографии.
Знакомство с принципами голографии начнем с рассмотрения двух плоских
волновых фронтов, 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, как показано на рис 1. 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 восстановлением
изображения.
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. И
первым его обнаружил Деннис Габор.
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
поадают 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, содаваемых дифракционной решеткой, в
таком случае не может быть и речи.
Дифракционная решетка, которую мы только что рассмотрели, 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 – пропукающие и
отражательные голограммы; первые из них наблюдаются в проходящем, а
вторые – в отраженном свете.
Типы голограмм.
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 рапределениями предметной волны в плоскостях
голограммы и предмета различна.
Рис.2. Схемы получения голограмм различных типов: а – голограмма
сфокусированного изображения; б – голограмма Фраунгофера; в – голограмма
Френеля; г – голограмма Фурье; д - безлинзовая фурье-голограмма; 1 –
предмет; 2 – фотопластинка; Л – линза; f – фокусное расстояние линзы.
Если предмет лежит в плоскости голограммы или сфокусирован на нее
(рис.2, а), 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 Л (рис. 2, б), 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 (рис. 2, г). В случае безлинзовой фурье-голограммы опорный
источник располагают в плоскости предмета (рис. 2, д). 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
Френеля образуются в том случае, когда каждая точка предмета посылает на
пластинку сферическую волну (рис. 2, в). По мере увеличения расстояния
между объектом и пластинкой голограммы Френеля преходят в голограммы
Фраунгофера, а с уменьшением этого расстояния – в голограммы
сфокусированных изображений.
При встрече опорной и предметной волн в пространстве образуется система
стоячих волн, максимумы которых соответствуют зонам, в которых
интерферирующие волны находятся в одной фазе, а минимумы - в
противофазе.
Рис. 3. Пространственная интерференционная система, образующаяся в
случае точечных объекта О1 и источника света О2: I – расположение
фотопластинки а схеме Габора; II – в схеме Лейта и Упатниекса (с
наклонным пучком); III – при записи голограммы на встречных пучках; IV
– при записи безлинзовой фурье-голограммы.
Для точечного опорного источника О1 и точечного предмета О2 поверхности
максимумов и минимумов представляют собой систему гиперболоидов вращения
(рис. 3). Пространственная частота ? интерференционной структуры
(величина, обратная ее периоду) определяется углом ?, под которым
сходятся в данной точке световые лучи, исходящие от опорного источника и
предмета:
? = (2 sin ?/2)/?, где ? – длина волны.
Плоскости, касательные к поверхности узлов и пучностей в каждой точке
пространства, делят пополам угол ?. В схеме Габора опорный источник и
предмет расположены на оси голограммы, угол ? близок к нулю и ?
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
? выше, чем для однолучевых (требуются фотоматериалы с более высоким
пространственным разрешением). Если опорный и предметный пучок падают на
светочувствительный слой с различных сторон (? ~ 180°), то ? максимальна
и близка к 2/? (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 ? 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 d между соседними элементами
структуры, то голограммы называют плоскими. Критерий перехода от
двухмерных голограмм к трехмерным: ??1,6d2/?.
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.
Плоские пропускающие голограммы.
Теперь уже можно описать, 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.
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) (рис. 4).
Рис. 4. Запись голограммы, работающей на пропускание света: пучок,
освещающий объект, и опорный пучок отводятся от одного и того же лазера,
что позволяет добиться их когерентности.
Рис. 5. Типичная схема получения пропускающей голограммы.
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
(рис. 5).
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.
Рис. 6. Восстановление изображения в случае пропускающей голограммы
(точное изображение). При таком расположении голограмма восстанавливает
действительные световые волны, отраженные от объекта при его
голографировании.
Чтобы увидеть восстановленный волновой фронт, рассмотрим голограмму под
соответствующим углом с расстояния порядка метра (рис. 6). Когда этот
волновой фронт попадает нам в глаза, создается впечатление, что мы видим
реальный предмет, расположенный за пластинкой точно в том же положении,
в каком он находился во время регистрации голограммы. Стеклянная
фотопластинка с записанной голограммой исполняет при этом роль «окна»,
открывающего вид на сцену, реально существовавшую за пластинкой при
регистрации голограммы.
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). При наблюдении голограммы с
разных сторон необходимо быть предельно осторожным и ни в коем случае не
подставлять глаза под лазерный луч, ибо это может привести к их
повреждению.
Голограмму можно разбить на две части, и тогда получаются две голограммы
предмета. Однако, поскольку каждая из них меньше превоначальной, 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. Чтобы увидеть это изображение,
рассмотрм голограмму по ходу данного волнового фронта (рис. 7). Тогда
сопряженное изображение покажется «плавающим» в пространстве где-то
между наблюдателем и голограммой, то есть оно будет расположено перед
фотопластинкой, а не позади нее.
Рис. 5. Восстановление сопряженного изображения в случае пропускающей
голограммы. При таком расположении пропускающей голограммы сопряженное
изображение возникает перед пластинкой, и его можно наблюдать из
положения, показанного на рисунке. Это изображение обладает весьма
своеобразным свойством псевдоскопии.
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,
преворачивающие 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.
Большинство голограмм необходимо делать в затемненном помещении, так
чтобы интерференционная картина создавалась исключительно светом
предметного и опорного пучков.
Расстояние между линиями, или полосами, интерференционной картины (то
есть голограммы) примерно такое же, как и на дифракционной решетке (то
есть на каждом миллиметре укладывается порядка 1-2 тысяч полос). Поэтому
для изготовления голограмм пригодны только высококачественные
фотопластинки, способные зарегистрировать столь тонкие детали. Проблему
представляют также возможные вибрации или смещения установки. Для
лазеров малой мощности, чаще всего используемых в голографии (вследствие
их достаточно умеренной стоимости и хорошей когерентности), время
экспозиции составляет несколько секунд, поскольку такие лазеры дают
весьма тусклую интерференционную картину. Если в продолжение экспозиции
аппаратура или голографируемый объект сдвинутся хотя бы на длину волны
света (0,001 мм!), то интерференционная картина, зарегистрированная на
фотопластинке, «смажется». В этом случае яркость восстановленного
изображения значительно уменьшится; при сильном же «смазывании»
интерференционной картины изображение и вовсе не получится. Поэтому
специалисты, работающие с маломощными лазерами, принимают всевозможные
меры предосторожности, дабы уберечь установку от малейших колебаний.
Аппаратуру монтируют на тяжелом гранитном или металлическом столе,
который устанавливается на твердом бетонном полу с помощью специальной
виброустойчивой системы. Обычно она представляет собой подставку для
стола, установленную на трубах, внутри которых находятся слабо
накаченные резиновые камеры; такая система позволяет практически
полностью исключить вибрацию. Однако при голографировании ряда объектов
подобные усилия оказываются совершенно бесполезными просто потому, что
невозможно заставить не двигаться сам объект. Поэтому маломощные лазеры
совершенно непригодны для изготовления голограмм людей, так как работа
сердца, перекачивающего кровь по кровеносным сосудам кожи, заставляет ее
колебаться сильнее, чем это допустимо при голографировании. Кроме того,
на специальном вибороустойчивом столе можно получать лишь голограммы
достаточно мелких предметов.
Еще одна причина, ограничивающая возможности использования маломощных
лазеров для голографии, связана с их длиной когерентности. Длина
когерентности источника характеризует чистоту цвета его излучения (то
есть монохроматичность). Дешевые маломощные лазеры, как правило,
обладают небольшой длиной когерентности, иначе говоря, их свет
недостаточно монохроматичен. Вообще говоря, при записи голограммы
опорный пучок и пучок, освещающий объект, проходят пути разной длины,
прежде чем они встречаются на фотографической пластинке и накладываются
друг на друга, создавая интерференционную картину. Свет, попадающий на
пластинку от ближайших к ней частей голографируемого объекта, проходит
меньший путь, чем свет от более удаленных его частей, поскольку в первом
случае суммарный путь света – до объекта и после отражения от него до
фотопластинки – меньше, чем во втором. Если разность этих путей
оказывается больше длины когерентности лазера, то интерференционная
картина не получится и, конечно, никакого изображения восстановить не
удастся. По этой причине при использовании лазеров с малой длиной
когерентности (порядка 0,5 м) глубина сцены, которую удается
удовлетворительно голографировать, довольно мала. Теперь должно быть
ясно, почему лазеры столь важны для получения голограмм объемных сцен:
длины когерентности лазеров лежат в интервале от 0,5 м до 1 км, тогда
как достаточно яркие источники когерентного света нелазерного типа имеют
длину когерентности не более нескольких миллиметров. Поэтому только с
внедрением лазеров стало реально возможным голографирование объемных
предметов. (Фактически голограммы плоских объектов, например,
транспарантов и слайдов, можно было получать и до создания лазеров – с
помощью газоразрядных ламп; первые голограммы Габора как раз изображали
прозрачный пластмассовый транспортир.)
При освещении пропускающей голограммы в процессе восстановления
изображения различие длин путей света уже не имеет такого значения, как
при записи, и поэтому здесь можно использовать менее интенсивный
источник света с меньшей длиной когерентности. Газоразрядная лампа
(например, неоновая) создает свет достаточно чистого цвета, вполне
пригодный для восстановления голографического изображения. На самом деле
пропускающие голограммы можно рассматривать даже в свете обычного
проектора, исполльзуемого при демонстрации слайдов, если вместо обычного
слайда вставить в него в качестве фильтра кусок цветной прозрачной
платсмассы. Однако, чем более монохроматичен свет источника, тем
отчетливее получается изображение, поэтому лазер обеспечивает наиболее
высококачественное воспроизведение изображения.
Если на голограмму направить излучение, отличающееся цветом от
использованного при ее записи, то восстановленное изображение мы также
увидим в этом цвете, причем оно будет казаться больше или меньше
реального объекта в зависимости от того, короче или длиннее длина волны
этого излучения по сравнению с длиной волны света, использованного при
регистрации голограммы. Если голограмму освещать мощным источником
белого света (смесью всех цветов), то каждый цвет создает «свое»
отдельное изображение, и в результате мы получаем радугу изображений.
Объемные голограммы.
Пропускающие голограммы представляют собой интерференционную картину,
зарегистрированную при прохождении света через фотографическую пластинку
(или пленку). Фотопластинка – это стеклянная пластинка, покрытая тонким
слоем светочувствительного вещества – фотоэмульсии. При проявлении те
части эмульсии, на которые в процессе экспозиции падал свет, чернеют и
становятся непроницаемыми для света (если же они оказываются «серыми»,
то пропускают свет лишь частично). На самом деле слой эмульсии несколько
толще, чем расстояние между интерференционными полосами. Благодаря этому
при определенных условиях можно записывать голограмму как
интерференционную картину, которая фиксируется не только на поверхности
эмульсии, но и – поскольку эмульсия совершенно прозрачна – в глубине ее.
Такая голограмма называется объемной и обладает рядом свойств,
отсутствующих у пропускающей плоской голограммы. Можно изготовить
объемные голограммы двух типов: у одних изображение восстанавливается
при прохождении света (пропускающие объемные голограммы), у других – при
отражении света (отражательные объемные голграммы).
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
голграммы; 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 (рис. 8,
а). 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 интерферен-ционные полосы располагаются в плоскостях,
отстоящих друг от друга на 1/2 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.
Рис. 8. Отражательная (объемная) голограмма, позволяющая восстанавливать
изображение в белом свете: а – регистрация голограммы с использованием
когерентного лазерного света; б- восстановление изображения в
некогерентном солнечном свете или свете обычного яркого источника.
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 (рис. 8, б).
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 платмассу, 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.
Первое время отбеленные фазовые голограммы давали хотя и более яркие, но
менее качественные изображения, чем первичные голограммы. Однако в 1976
году фирма «Филлипс» разработала способ отбеливания, который позволяет
получать яркие изображения очень высокого качества.
Акустическая голография.
Акустическая голография, интерференционный способ получения изображения
предметов с помощью акустических волн. Основной принцип получения
акустических голографических изображений подобен оптической голографии:
сначала регистрируется поле стоячих волн, образованных интерференцией
двух звуковых волн – рассеянной предметом и некоторой опорной, а затем
по полученной записи (акустической голограмме) восстанавливается либо
исходное изображение предмета, либо структура рассеянного этим предметом
звукового поля на некотором расстоянии от него.
Поскольку скорость звука невелика, а большинство акустических приемников
звука линейны (а не квадратичны, как в оптике), то, в отличие от
оптической голографии, в акустической голографии можно вообще отказаться
от использования опорной волны (регистрация мгновенного распределения
акустического поля), либо вводить ее искусственно уже в электрическом
канале. Восстановление акустической голограммы обычно осуществляется в
когерентном свете видимого диапазона, поэтому запись акустической
голограммы осуществляется на специальных носителях, параметры которых
могут изменять либо амплитуду, либо фазу проходящих через них световых
волн. В качестве носителей используют фотопленки, термопластинки,
кристаллы с электрооптическим эффектом и т.п. Чтобы акустическую
голограмму сделать видимой, используют различные методы визуализации
звуковых полей.
Акустическую голограмму поля можно записать в виде последовательности
электрических сигналов на магнитной ленте, а их обработку
(восстановление) осуществить с помощью вычислительной машины (так
называемые методы восстановления акустических голограмм). Полученное
изображение затем выводится на графический или полутоновый дисплей.
Выбор оптических или цифровых методов акустических голограмм
определяется: диапазоном частот, требуемым быстродействием, объемом
входной информации (числом точек в изображении) и допустимыми
искажениями в восстановленном изображении. Оптические методы
восстановления могут быть использованы практически на любом диапазоне
частот, они дают возможность получения акустических изображений со
скоростью ~ 16-20 кадров/с при числе точек ~ 5000*5000. Их недостатки –
невысокая точность (от 3 до 5%) и искажения в продольных размерах
восстановленного изображения, связанные с тем, что практически
невозможно уменьшить размер акустической голограммы в ?зв/?св раз (?-
длина волны соответствующего звука и света).
Цифровые методы обычно используются в низкочастотном звуковом диапазоне
и пока не позволяют получить изображение в масштабе реального времени.
Число точек обычно не превышает 1024*1024. Однако они обеспечивают по
сравнению с оптическим восстановлением большую точность и восстановление
неискаженных изображений.
Для оптического восстановления акустических голограмм часто пользуются
устройством с приемной антенной в виде двухмерной матрицы приемников
звука (рис. 9), электрические сигналы с которых с помощью коммататора
модулируют силу тока электронно-лучевой трубки. Мишень трубки выполняют
из прозрачного для света электроннооптического кристалла типа ДКДП.
Электронный луч изменяет локальный коэффициент преломления
кристаллической мишени в соответствии с интерференционной картиной
рассеянного акустического поля. Направляя на мишень световой поток от
лазера, можно наблюдать в некоторой области производства восстановленное
акустическое изображение предмета. В подобных устройствах число приемных
элементов в антенне должно быть достаточно велико, что создает
технические трудности при их практической реализации.
Рис. 9. Схема голографического устройства с метричной двухмерной
антенной:
1 – антенна; 2 – устройство параллельного формирования голограмм; 3 –
устройство отображения голограммы на трубке с мишенью из
электрооптического кристалла; 4 – оптическая система восстановления
изображения; 5 – индикатор, дающий изображение предмета; 6 – задающий
генератор; 7 – излучатель; 8 – предмет.
Описанная схема (и ей подобные) используется в основном диапазоне
звуковых и низких ультразвуковых частот от 1 до 300-500 кГц. В более
высокочастотном диапазоне методы регистрации голограмм основываются на
пространственных носителях, чувствительных к интенсивности звука.
Наибольшее распространение получили способы, основанные на методе
поверхностного рельефа. Звуковая волна, падающая на отражающую
поверхность воды, деформирует ее, формируя рельеф, представляющий собой
акустическую голограмму, которая при освещении ее светом восстанавливает
изображение (рис. 10).
Рис. 10. Схема безлинзовой ультразвуковой голографии: 1 – излучатели; 2
– акустические линзы; 3 – предмет; 4 – кювета с водой; 5 –
полупрозрачное зеркало;
6 – оптическая система восстановления; 7 – плоскость регистрации
изображения.
При получении голографических изображений предметов всегда следует
помнить, что акустические изображения могут быть неадекватны оптическим,
даже если длины волн достаточно близки. Поскольку в акустической
голографии используются длины волн, как правило, большие, чем световые,
то восстановленные звуковые изображения предметов обычно имеют зернистую
структуру и худшее разрешение. Для ликвидации этих явлений используют
широкополосное излучение и звуковое освещение с различных сторон (аналог
белого света и диффузной подсветки) для того, чтобы убрать зеркальные
блики.
Благодаря свойству акустических волн распространяться на большие
расстояния без затухания, акустическая глография применяется в геофизике
для исследования земной коры, поиска полезных ископаемых, получения
изображений морского дна, в гидролокации.
Методы акустической голографии используются в медицинской диагностике
вследствие относительной безвредности ультразвуковой умеренной мощности:
визуализация мягких тканей, сосудов, новообразований, изображений
внутренних органов.
Получение света: лазер.
С изобретением лазера (1960г.) ученые получили прибор, которому было
суждено стать ценным инструментом в руках человека. Первоначально
возможности использования прибора, который может давать интенсивный
пучок когерентного света, представлялись весьма неопределенными. Но
буквально за несколько лет лазер нашел многочисленные применения в науке
и технике.
В действительности теоретические принципы получения света, которые легли
в основу изобретения лазера, были хорошо известны задолго до 1960 года.
Эти принципы были сформулированы в квантовой механике, разработанной в
первой четверти XX века. Позднее ученые заинтересовались вопросом, каким
образом материалы могут испускать свет или другие виды электромагнитного
излучения. Они также занялись исследованием воздействия света на
вещество.
Чтобы объяснить результаты некоторых экспериментов, поставленных в то
время, ученые приняли, что пучок света представляет собой поток частиц,
названных фотонами, которые не имеют массы покоя и движутся со скоростью
света; эти положения известны как постулаты квантовой теории света.
Можно считать, что световые волны – это поток множества фотонов, или,
наоборот, что фотоны соответствуют пучкам световых волн.
На самом же деле с любым фотоном можно связать соответствующую длину
световой волны. Одно из важнейших положений квантовой теории света
состоит в том, что каждый фотон несет определенное количество (квант)
энергии, соответствующее длине (или частоте) световой волны, «связанной»
с этим фотоном. Величина этой энергии выражается формулой Планка:
Энергия фотона = постоянная Планка*частота «связанной» волны.
Световой пучок, таким образом, можно рассматривать как сумму многих
квантов. Энергия кванта чрезвычайно мала. Например, если фотон красного
света передаст всю свою энергию стакану с водой, то температура воды
поднимется лишь на величину порядка одной миллиардной от одной
миллиардной (10-18) доли градуса.
Фотон может поглощаться или испускаться атомом. Атом может получить
энергию при столкновении с другим атомом или с какой-либо иной частицей,
скажем с электроном или даже фотоном. Когда атом поглощает энергию, он
переходит в возбужденное состояние. После того, как это случится, атом
через малую долю секунды возвращается в свое обычное, так называемое
основное состояние. При этом он испускает квант света (или другого
электромагнитного излучения), который уносит первоначально поглощенную
атомом энергию. В соответствии с формулой Планка частота излученного
таким образом света (иначе говоря, его цвет) зависит от поглощенной
энергии. Итак, цвет излучаемого атомом света определяется количеством
поглощенной этим атомом энергии.
Каждый из существующих в природе химических элементов состоит из
определенного типа атомов. Оказывается, атом не может поглощать
произвольное количество энергии. В действительности атом каждого типа
способен поглощать только определенный «набор» различных количеств
энергии, и различные типы атомов характеризуются присущими только им
наборами количеств энергии, которые они в состоянии поглощать. Атом
может находиться в четырех различных возбужденных состояниях (на четырех
уровнях). Поглотив одно из количеств энергии, атом спустя некоторое
время возвращается в свое основное состояние и излучает квант света,
цвет которого зависит от величины энергии, поглощенной атомом, или,
иначе говоря, от того возбужденного состояния, в котором находился атом.
Когда атом возвращается из того или иного возбужденного сосотояния в
основное, мы говорим, что он совершает энергетический переход.
Лазер.
В неоновой лампе атом неона излучает квант энергии вскоре после того,
как он получает ее в результате столкновения с электроном. Каждый атом
излучает фотон спонтанно (самопроизвольно) и независимо от других
окружающих его атомов. Вследствие этого данный процесс называется
спонтанным излучением в отличие от процесса излучения фотонов, который
происходит в лазере и который называется индуцированным (вынужденным)
излучением. Можно считать, что атом в возбужденном состоянии как бы
«сохраняет» (аккумулирует) фотон какого-то определенного цвета.
Индуцированное излучение наблюдается в том случае, когда атом
сталкивается с фотоном того же цвета, что и у аккумулированного фотона.
Тогда последний испускается атомом одновременно с тем фотоном, с которым
атом претерпел столкновение. Таким образом, в результате столкновения
вместо одного фотона получается два, причем – и это особенно важно –
волны, соответствующие обоим фотонам, находятся в фазе.
Именно процесс индуцированного излучения и определяет действие лазера.
Впервые этот процесс был теоретически исследован Альбертом Эйнштейном. В
действительности подобный процесс происходит и в неоновой лампе, но там
он несущественен, поскольку случается крайне редко. Это связано с тем,
что в лампе одновременно переходит в определенное возбужденное состояние
относительно немного атомов, и столкновение любого из них с фотоном
маловероятно. Процесс станет более заметным, если удастся сделать так,
чтобы в определенном возбужденном состоянии всегда находилась
значительная часть атомов неона; однако подобное невозможно при обычных
условиях. Чтобы добиться этого, придется непрерывно «подкачивать» этой
части атомов неона большое количество энергии.
Рассмотрим гелий-неоновый газовый лазер. Он представляет собой длинную
тонкую стеклянную трубку с электродами, заполненную смесью галия и неона
(рис. 11). Около обоих концов трубки установлены зеркала, положение
которых настолько точно отрегулировано, что свет, отражаясь от них,
многократно проходит через трубку вперед и назад без отклонений. Для
того чтобы такой прибор работал как лазер, необходимо добиться, чтобы
большинство атомов неона в нем всегда находилось в определенном
возбужденном состоянии. Как и в неоновой лампе, здесь атомы неона
переводят в возбужденное состояние, пропуская между электродами
электрический ток, то есть, создавая поток электронов через газ.
Рис. 11. Гелий-неоновый лазер. Этот лазер используют в голографии, так
как он генерирует излучение относительно чистого цвета и с высокой
когерентностью.
Добавление гелия к неону увеличивает эффективность данного процесса и
способствует тому, что в возбужденном состоянии оказывается большинство
атомов неона. Как только это произойдет, атомы неона в результате
спонтанной эмиссии неизбежно начинают испускать во всех направлениях
фотоны. Распространяясь по трубке, фотоны сталкиваются с возбужденными
атомами и инициируют испускание другий фотонов, порождая тем самым
цепную реакцию. После первого столкновения возникают два фотона, каждый
из которых в свою очередь вызывает испускание еще одного фотона,
следовательно, теперь в общей сложности появятся четыре фотона; они
создадут еще четыре фотона, так что их окажется уже восемь и т.д. – до
тех пор, пока фотоны не покинут стеклянную трубку. Все испускаемые
фотоны находятся в фазе с первичным фотоном, давшим начало этому
процессу.
Но если на этом все и закончится, то ничего существенного не произойдет.
Результирующий эффект в таком случае будет подобен тому, что наблюдается
в обычной неоновой лампе: излучаемый свет оказывается не строго
монохроматичным (то есть он не обладает временной когерентностью), что,
как и прежде, связано с эффектом Доплера. Излучение будет также и
пространственно некогерентным. Тем не менее случается так, что некоторые
из фотонов, возникших при спонтанном излучении, - из множества
испущенных, их потребуется всего лишь несколько – будут распространяться
строго вдоль стеклянной трубки; они вызывают испускание таких же
фотонов, и возникает «лавина» одинаковых квантов света. Выходя через
один из торцов трубки, эти фотоны попадают на зеркало и, отражаясь от
него назад, вступают в действие во второй раз, вызывая излучение новых
фотонов, которые присоединяются к ним. Может показаться, что эти фотоны
так и будут «метаться» между зеркалами до бесконечности. Однако как раз
здесь уместно вспомнить, что световые волны, генерируемые в лазере,
имеют не строго одинаковую длину волны. И чтобы понять, что же на самом
деле при этом происходит, нам придется вернуться к волновой теории и
разобраться в том, что случается со световыми волнами, которые
многократно отражаются и двигаются взад-вперед между двумя плоскими
зеркалами.
Два плоских зеркала и пространство, заключенное между ними, - содержит
ли оно воздух, гелий, неон или это просто вакуум – образуют так
называемый оптический резонатор. В оптическом резонаторе мы имеем дело
не с колеблющимся под действием звука предметом, а со световыми волнами,
которые, отражаясь от зеркал, «бегают» взад-вперед. Световые волны,
отраженные от зеркал и распространяющиеся в простанстве между ними,
являются плоскими волнами. В гелий-неоновом лазере световые волны,
испускаемые атомами неона и соответствующие различным оттенкам (в силу
эффекта Доплера) красного цвета, представляют собой плоские волны
различной длины. Однако оптический резонатор настроен только на одну из
них. Следовательно, вследствие резонанса лазер будет создавать свет
только этой точно определенной длины волны, и только такой свет будет
усиливаться в трубке при отражении от зеркал. И хотя в гелий-неоновом
лазере первоначально возникают плоские волны различных оттенков красного
цвета, свойства этого резонатора гарантируют, что в конечном итоге лазер
генерирует плоскую волну строго определенного цвета. И именно эта волна
будет непрерывно усиливаться, вызывая испускание других фотонов, то есть
новых световых волн, которые оказываются в фазе с первичной волной и
распространяются в том же напавлении; эти новые волны немедленно
«объединяются» с первичной волной, передавая ей свою энергию. Таким
образом, плоская волна, возникающая в лазере, обладает не только
временной (имея совершенно чистый цвет), но и пространственной
когерентностью, поскольку это абсолютно плоская волна.
«Отводя» часть света, который несет такая плоская волна, мы получаем на
выходе лазера когерентный свет. Этого можно достичь, сделав одно из
зеркал частично прозрачным, так чтобы оно какую-то долю света отражало,
а остальную – пропускало. Тогда мы получим пучок когерентного света,
выходящий из этого зеркала. Этот пучок света очень узок – как правило,
не более нескольких миллиметров в диаметре – и обычно по своему виду
напоминает раскаленный докрасна твердый «стержень», что объясняется
рассеянием света на частицах атмосферной пыли и дыма, встречающихся на
его пути. Пучок света распространяется строго по прямой линии и очень
незначительно расширяется с расстоянием – можно получить такой лазерный
луч, который, достигнув Луны (расстояние от Земли до Луны составляет 400
тыс .км), создаст на ее поверхности дискообразное световое пятно
диаметром всего лишь 3 км.
Свет лазера обладает высокой степенью как временной, так и
пространственной когерентности. Длина когерентности различных лазеров в
зависимости от их качества лежит в пределах от 0,5 м до 1 км.
Предшественником лазера был прибор, называемый мазером, изобретенный в
50-х годах. По принципу действия этот прибор аналогичен лазеру, но он
создает когерентное электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне
(это область радиоволн, длина волны которых больше длины волны света).
Первый действующий лазер был изготовлен в июле 1960 г. Теодором
Х.Мейманом.
Начиная с 1960 г. было разработано множество разнообразных типов
твердотельных и газовых лазеров, каждый из которых генерирует излучение
различного цвета, мощности и когерентности. Полупроводниковые лазеры
делают из материалов, применяемых для изготовления транзисторов.
В голографии обычно используют гелий-неоновые лазеры. Выходная мощность
такого лазера составляет тысячные доли ватта, что вполне достаточно для
данных целей. Это очень небольшая мощность, и, если луч такого лазера
направить на руку, мы не почувствуем жара и на коже не появится ожога.
Однако подставлять глаза под такой луч очень опасно, поскольку хрусталик
глаза фокусирует пучок в крошечное пятнышко света на сетчатке. Что может
вызвать ее повреждение. Поэтому при работе с лазером следует быть
предельно осторожным.
Для получения голографического изображения предмета узкий луч лазера
необходимо расширить настолько, чтобы он полностью освещал
голографируемый предмет. С этой целью используются так называемые
рассеивающие линзы, которые превращают узкий прямолинейный пучок света в
конусообразный, расширяющийся после выхода из линзы, так что он создает
на освещаемой поверхности световое пятно в виде диска нужных размеров.
Поверхность предмета, освещенного лазером, выглядит странно
«пупырчатой», что объясняется высокой степенью когерентности лазерного
сета. Возникновение мнимых «неровностей» поверхности при освещении ее
когерентным излучением называется спекл-эффектом или «зернистостью».
Применение голографии.
Записанные на голограмме световые волны при их восстановлении создают
полную иллюзию существования объекта, неотличимого от оригинала. В
пределах телесного угла, охватываемого голограммой, изображение объекта
можно осматривать с разных направлений, то есть оно является трехмерным.
Эти свойства голографии используются в лекционных демонстрациях, при
создании объемных копий произведений искусства, голографических
портретов (изобразительная голография). Трехмерные свойства
голографических изображений используются для исследования движущихся
частиц, капель дождя или тумана, треков ядерных частиц в пузырьковых
камерах и искровых камерах. При этом голограмму создают с помощью
импульсного лазера, а изображения восстанавливают в непрерывном
излучении.
Объемность изображения делает перспективным создание голографического
кино и телевидения. Главная трудность – создание огромных голограмм,
через которые как через окно одновременно могло бы наблюдать изображение
большое число зрителей. Эти голограммы должны быть динамическими, то
есть меняться во времени в соответствии с изменениями, происходящими с
объектом. Пока голографическое кино используется только в физическом
эксперименте для исследования быстропротекающих процессов.
Голографическое телевидение также встретилось с трудностями создания
динамических сред в передающей и приемной частях телевизионной системы.
Другая трудность состоит в недостаточно большой полосе пропускания
телевизионного канала, которую необходимо увеличить на несколько
порядков для передачи трехмерных движущихся сцен. С помощью голографии
решается проблема визуализации акустических полей и электромагнитных
полей в радиодиапазоне.
Если поместить голограмму на то место, где она экспонировалась, и
осветить опорным пучком, то восстановится волна, рассеивавшаяся объектом
во время экспозиции. Если же объект не убирать, то можно одновременно
наблюдать две волны: непосредственно идущую от объекта и восстановленную
голограммой. Эти волны когерентны и могут интерферировать. Если с
объектом происходят какие-либо изменения, ведущие к фазовым искажениям
рассеянной им волны (например, деформация или изменение коэффициента
преломления), то это скажется на виде наблюдаемой картины. Появятся
интерференционные полосы, форма которых однозначно связана с
изменениями. На этом основана голографическая интерферометрия, где, как
и в обычной интерферометрии, происходит сравнение нескольких волн.
Наблюдаемая интерференционная картина указывает на различие форм
сравниваемых волн, однако в обычной интерферометрии они формируются
одновременно или с очень небольшой временной задержкой, максимальная
величина которой определяется временем когерентности (?10-4–10-5 с).
Голограмма же позволяет зафиксировать световую волну и восстановить ее
копию в любой момент времени. Поэтому голографическая интерферометрия не
связана с требованием одновременности формирования волн. Эта же
особенность снизила требования к качеству оптических деталей, так как
обе интерферирующие волны, проходя по одному и тому же каналу, одинаково
искажаются погрешностями оптики.
С помощью голограммы можно восстановить интерференционные картины
световых волн, рассеянных объектом в разных направлениях. Это позволяет
изучать пространственные неоднородности показателя преломления. Одним из
первых применений голографической интерферометрии было исследование
механических деформаций.
Голография применяется для хранения и обработки информации. Информация
об объекте, записанная в виде интерференционной структуры, однородно
распределена на большой площади. Это обусловливает высокую плотность
записи информации и ее большую надежность. Обработка записанного на
голограмме массива информации световым пучком происходит одновременно по
всей голограмме (с огромной скоростью).
С помощью голографических устройств осуществляются различные волновые
преобразования, в том числе обращение волнового фронта с целью
исключения аберраций.
Записывая голограммы в средах со специфическими свойствами, можно
воспроизводить состояние поляризацци предметной волны и даже ее
изменение во времени.
Голограмма может быть изготовлена не только оптическим методом, но и
рассчитана на ЭВМ (цифровая голограмма). Машинные голограммы
используются для получения объемных изображений не существующих еще
объектов. Машинные голограммы сложных оптических поверхностей служат
эталонами для интерференционного контроля поверхностей изделий.
Литература.
М.Уиньон. Знакомство с голографией. / Под редакцией доктора физ.-мат.
наук А.И.Лоркина, М., «Мир», 1980.
Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л.. Оптическая голография, перевод с англ.
/ Под редакцией Ю.И.Островского, М., «Мир», 1973.
Островский Ю.И. Голография и ее применение, Л.,1973.
Уинстон Е. Хок. Лазеры и голография. / Под редакцией Я.А.Смородинского,
М., «Мир», 1973.
Строук Дж. Введение в когерентную оптику и голографию, перевод с англ.,
М., «Мир», 1967.
Демидов В.Е. Пойманное пространство, М., «Знание», 1982.
 |