Реферат: Голография: основные принципы и применение

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЮЖНО- УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ.

Реферат

По курсу “Общая физика”

На тему: “Голография: основные принципы и применение”

Выполнил: студент Пинкус К.О.

группа ЭиУ-202

Проверил: Ивашкова З.А.

Челябинск 2003г.

СОДЕРЖАНИЕ.

1     ВВЕДЕНИЕ… 3

2     СУТЬЯВЛЕНИЯ ГОЛОГРАФИИ. 6

2.1      Голографирование.Восстановление изображения предмета. 8

3     КЛАССИФИКАЦИЯГОЛОГРАММ. 9

3.1      Регистрирующиесреды и их применение 9

3.1.1       Толщина среды… 10

3.1.2       Отражение ипропускание. 10

3.1.3       Синтезголограмм на ЭВМ… 10

3.2      Регистрируемыепараметры объектной волны… 10

3.3      Модулируемыепараметры. 11

3.3.1       Амплитуднаямодуляция. 12

3.3.2       Фазоваямодуляция. 12

3.3.3       Фазовая иамплитудная модуляция. 13

3.4      Конфигурация. 13

3.4.1       Свойстваобъектной волны… 13

3.4.2       Свойстваопорной волны… 14

3.5      Регистрирующийматериал и конфигурация. 14

3.6       СВОЙСТВАИСТОЧНИКОВ. 16

3.6.1       Когерентность. 16

3.6.2       Поляризация. 17

3.6.3       Длина волнысвета. 17

3.7      Описаниеголограммы. 18

4     НЕКОТОРЫЕВИДЫ ГОЛОГРАММ. 18

4.1      Мультикомплексныеголограммы. 18

4.1.1       Пространственноемультиплексирование 18

4.1.2       Составныеизображения. 19

4.1.3       Голограммы,записанные с помощью сканирующего источника света. 19

4.2      Цветныеголограммы. 20

4.2.1       Голограммы,восстанавливаемые в белом свете. 20

5     ПРИМЕНЕНИЕГОЛОГРАФИИ… 21

5.1      Голографическийпортрет. 22

5.1.1       Лазер. 22

5.1.2       Экспериментальныеустановки. 23

5.1.3       Восстановление изображений. 24

6     ЗАКЛЮЧЕНИЕ… 25

7     Литература… 26

/>1   ВВЕДЕНИЕ

Фотографический способ основан натом, что он позволяет получить так называемое оптическое изображение, какговорят оптики, сформировать изображение. Роль формирующей системы при этомпоручается объективу фотоаппарата. С его помощью на светочувствительнойповерхности фотопластинки (фотопленки) создается сфокусированное изображение.

За счет чего же получаетсясходство фотографического изображения с оригиналом? Прежде всего за счет того,что каждая точка предмета передается в виде некоторого кружка рассеяния. Междувсеми точками предмета и изображения сохраняется пропорциональность. Процессполучения изображения по аналогии с процессом наблюдения можно представить так:предмет — волновое поле, рассеянное предметом,— фотообъектив — изображениепредмета на фотопластинке.

Куда же пропадает информация обобъемности предмета, создающая дифракционную картину? Этот вопрос долгое времяволновал оптиков.

Оказалось, что информация опредмете никуда не исчезает, порок кроется в самой фотопластинке, которая какприемник светового излучения инерционна. Она не может разрешить во времениколебания со световыми частотами. Кроме того, она, как и другие фотоматериалы,реагирует только на усреднённую во времени Интенсивность световых колебании,рассеянных предметом. Эта интенсивность пропорциональная квадрату амплитудысветовых колебаний. Значит, фотопластинка регистрирует только амплитуднуюинформацию.

Но фотопластинка совершеннонечувствительна к тому, в какой фазе подошла к ней световая волна. Поэтомуинформация о фазе рассеянной световой волны безвозвратно теряется.Следовательно, фотопластинка регистрирует только половину информации,принесенной рассеянной световой волной. А это приводит к неполному, лишенномуобъемности отображению трехмерного образа. Итак, мы выяснили, что основнаяпричина получения плоского изображения вместо объемного при обычномфотографировании заключается в невозможности зарегистрировать на фотопластинкефазовую информацию об оптическом изображении, приносимую световой волной.

И вот, наконец, способ,позволяющий фотографическим путем зарегистрировать фазу световой, волны, былнайден. Оказалось, что для этого нужна среда, в которой должен происходитьнезависимый от регистрируемой волны колебательный процесс, создающий эталоннуюволну, причем частота эталонной волны обязательно должна быть одинаковой счастотой регистрируемой волны. Кроме того, должно быть известно распределениефазы эталонной волны. Если в качестве приемника света взять фотопластинку, тона ней можно сравнить фазы регистрируемой волны с фазой эталонной волны вкаждой точке.

Что же взять в качестве эталона?Для этой роли подходит только свет. В технике хорошо известны методырегистрации фазы электромагнитных волн, в которых свет используется в качествеэталона. Они основаны на явлении интерференции. При эталонном сравнении двухпучков света возникает интерференционная картина Важное условие еенеподвижности —применение когерентного света. Итак, решение задачи регистрациифазовой информации оказалось совсем простым. Способ регистрировать фазу всветовой волне на фотопластинке был найден. Теперь на фотопластинку можно былозаписывать как амплитудную, так и фазовую информацию, т. е; регистрироватьсветовую волну со всеми ее характеристиками. Это полностью решало проблемузаписи волнового поля пространственного предмета. Должны были возникнуть новыепринципы формирования изображения на фотопластинке и последующего его воспроизведения.Конечно, сам способ такого фотографирования должен существенно отличаться отобычного. Формулируя свое изобретение, Габор рассуждал примерно так. Для тогочтобы получить качественное изображение пространственного предмета, надовозможно более точно воспроизвести рассеянное им волновое поле. Чем с большимиподробностями оно будет воспроизведено, тем больше гарантия, что глазнаблюдателя увидит изображение предмета, ничем не отличающееся от оригинала.Для этого нужно каким-то образом записать волновое поле, образованное световымиволнами, рассеянными освещенным или светящимся предметом, а затем нужновоссоздать изображение предмета при помощи обычного видимого света.

Вместо изображенийпространственного предмета Габор предложил регистрировать пространственнуюструктуру световой волны. Сложный узор волнового фронта, который содержит всюинформацию о предмете, надо было как-то записать, т. е. «заморозить», а потом,когда захочешь снова увидеть предмет, «разморозить» световую волну,'восстановить волновой фронт.

Свой метод Габор и назвал методомвосстановления волнового фронта. Практическое воплощение он получил только в1964 г

/>/>/>/>/>2   СУТЬ ЯВЛЕНИЯ ГОЛОГРАФИИ.

Согласно принципу Гюйгенса —Френеля, можно восстановить картину волнового поля, образованного электромагнитнойволной, в любой момент времени и в любой точке пространства. Для этого надозаписать распределение амплитуд и фаз волн (в данном случае световых) напроизвольной поверхности или ее части, охватывающей источник волн. Инымисловами, чтобы «заморозить» электромагнитные волны во всем пространстве,достаточно «заморозить» их только на некоторой поверхности.

Как восстановить в пространствесветовую волну, т. е. «разморозить» ее? Для этого надо задать параметры,характеризующие среду. Предположим, нужно восстановить плоскую волну. Для этогомы должны задать для любой плоскости равномерно распределенные источникиколебаний с определенной начальной фазой. Элементарные источники колебанийдолжны находиться на поверхности, перпендикулярной направлению распространенияволн. Но это те обязательно. Все будет зависеть от типа волн. Возьмем дляпримера сферические волны, излучаемые точечным источником. Зададим в качествеповерхности, на которой «замораживаются» волны, сферу с центром в источнике.Амплитуды и фазы элементарных источников волн будут одинаковыми для всейповерхности. В случае с круговыми волнами при «замораживании» световых волннадо расположить элементарные источники колебаний с одинаковой фазой иамплитудой на концентрических окружностях.

Иными словами, мы должнызарегистрировать на некоторой поверхности мгновенные картины линий постояннойфазы в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных областей. В этом нампомогает интерференция: мы получаем интерференционную картину, состоящую изсветлых, (прозрачных) и темных (непрозрачных) полос. Интерференция и естьспособ сравнения пространственной структуры двух пучков света. Вначалепроисходит их сравнение, а затем — регистрация их на фотопластинку.

Откуда возникли оба эти пучка ичто они собой представляли в опытах Габора? Один пучок отражался от освещенногопредмета и падал на фотопластинку. Он являл собой определенную комбинацию волн,конфигурация которых зависела от формы предмета. Она могла быть как оченьпростой, так и очень сложной. Другой пучок имел простую конфигурацию. Чащевсего он состоял из плоских волн. Создавался он когерентным источником света иназывался опорной волной. Второй пучок служил в качестве эталона. Он такжепадал на фотопластинку.

Оба световых пучка пересекалисьвблизи этой пластинки. При пересечении они интерферировали между собой, образуяобласти усиления или ослабления, чередующиеся по определенному закону вовремени и пространстве. В результате интерференции получалась интерферограмма ввиде чередующихся светлых и темных полос— неподвижная интерференционнаякартина.

Неподвижность интерференционнойкартины в пространстве обеспечивалась опорной (эталонной) волной. Это она«останавливала» («замораживала») световую волну.

Чтобы восстановить изображениепредмета, достаточно осветить голограмму только опорным пучком, используемымпри записи. Этот способ регистрации волнового поля ценен тем, что допускаетпростое восстановление исходной волны. Как только мы направляем на голограммуопорную волну, использованную при записи, за голограммой восстанавливается(«размораживается») исходное волновое поле предмета. Согласно принципу Гюйгенса— Френеля, восстановлением мы обязаны эквивалентным источникам, образованнымсветлыми местами интерференционной картины. По этой причине волны «размораживаются»,и наблюдатель видит пространственное изображение предмета.

Итак, можно сделать вывод о том,что голография— это фотографический метод. Но он существенно отличается отметода классической фотографии. Это радикально иной, двухступенчатый метод. Вотличие от обычной фотографии изображения, которые получаются привосстановлении записанного на голограмме, полностью неотличимы от изображенийреального предмета. Голография позволяет воспроизвести в пространстведействительную картину электромагнитных волн, т. е. волновую картину предметатогда, когда.самого предмета уже нет.

/>/>/>/>/>2.1   Голографирование.Восстановление изображения предмета.

Уширенныйс помощью простого оптического устройства пучок лазера (рис.1) одновременнонаправляется на исследуемый объект и на зеркало. Отраженная от зеркала опорнаяволна и рассеянная объектом световая волна падают на обычную фотопластинку, гдепроисходит регистрация возникшей сложной интерференционной картины. Послесоответствующей экспозиции фотопластинку проявляют, в результате чегополучается так называемая голограмма — зарегистрированная на фотопластинкеинтерференционная картина, полученная при наложении опорной и предметной волн.Голограмма внешне похожа на равномерно засвеченную пластинку, если не обращатьвнимания на отдельные кольца и пятна, возникшие вследствие дифракции света напылинках и не имеющие отношения к информации об объекте.

Для восстановления волнового поляпредмета, тем самым для получения его объемного изображения, голограммупомещают в то место, где была расположена фотопластинка при фотографировании, изатем освещают голограмму световым пучком того же лазера под тем же углом, подкоторым было осуществлено экспонирование. При этом происходит дифракция опорнойволны на голограмме и мы видим объемное со всеми присущими самому объектусвойствами (в нем сохраняется также распределение освещенности, как и вобъекте) «мнимое» изображение. Оно кажется нам настолько реальным, что дажеиной раз появляется желание потрогать предмет. Разумеется, это невозможно, таккак в данном случае изображение образовано голографической копией волны,рассеянной предметом во время записи голограммы.

От голограммы в глаз попадаетточно такая же волна, какая попала бы от самого предмета. Кроме мнимогоизображения получается также действительное изображение объекта, имеющеерельеф, противоположный рельефу самого объекта, (рис. 1, а), если наблюдениеведется справа от голограммы, как показано на рис. 1, б. В этом случае труднонаблюдать действительное изображение невооруженным глазом. Если осветитьголограмму с обратной стороны обращенным опорным пучком так, чтобы все лучипучка были направлены противоположно лучам первоначального опорного пучка, то вместе первоначального расположения предмета возникает действительноеизображение, доступное наблюдению невооруженным глазом. Его можнозарегистрировать на фотопластинку без применения линз.

/>/>

Рис.1

/>/>/>/>/>3    КЛАССИФИКАЦИЯГОЛОГРАММ./>/>/>/>/>3.1   Регистрирующиесреды и их применение

В этом разделе мы рассмотримобщие характеристики материалов, применимые почти к любой среде, а неконкретные голографические среды Во-первых, мы отметим важную роль, которуюиграет в голографической среде, глубина записи. Во-вторых, рассмотрим двакласса голограмм, на которые они делятся по способу освещения обработанной голограммы, отражательные ипропускающие. И наконец, отметим тот факт, что некоторые голограммы нерегистрируются а синтезируются с помощьюЭВМ.

/>/>/>/>/>3.1.1   Толщина среды

Если прирегистрации интерференционныхполос используется толькоповерхность регистрирующей среды, то получаются тонкие плоские или поверхностные голограммыВажным моментом является не сама величина толщины регистрирующей среды,а влияние, которое она оказывает; даже если среда толстая, но запись по глубинене используется, результат оказывается таким же, как от тонкой среды. Мы имеем толстую, или объемную, голограмму в томслучае, когда трехмерная интерференционная картина регистрируется ииспользуется по всей глубине слоя среды. Именно использование объемарегистрирующей среды позволяет нам восстанавливать только одно изображениевместо основного и сопряженного ему изображений.

/>/>/>/>/>3.1.2   Отражение ипропускание

Между отражением и пропусканиемимеется относительно простое различие. В одном случае свет, используемый дляосвещения голограммы при восстановлении волнового фронта, отражается от среды ввиде волнового фронта изображения, а в другом свет проходит через голограмму. Вслучае работы на отражение теряется обычно меньше света

/>/>/>/>/>3.1.3   Синтез голограммна ЭВМ

В этом случае в ЭВМ вводятсяпараметры, описывающие объект, и она вычисляет объектную волну. Опорная волнаможет складываться с объектной математически, и результат, получаемый награфопостроителе, должен быть аналогом оптической записи. В общем случае этогоне делается, но голограмма, синтезированная на ЭВМ, будучи воспроизведенной награфопостроителе, представляет собой систему прозрачных апертур, закодированнуютаким образом,  чтобы дать искомую волну изображения.

/>/>/>/>/>3.2   Регистрируемыепараметры объектной волны

Амплитуда и относительная фазасветовой волны, идущей от объекта, изменяются  определенным образом. Эту волнуможно записать в виде:

/>

Где функция а(х, у) описывает изменения амплитуды вплоскости голограммы, а φ(x, у) — изменения относительной фазы. Параметры ν и γ представляют собойсоответственно оптическую частоту и постоянную распространения. Естественно,что и амплитуда, и фаза объектной волны сохраняются в голограмме. Однако, еслифазовая или амплитудная информация устраняются, мы имеем то, что называютсоответственно голограммой амплитуднойинформации или голограммой фазовой информации. Можно такжеупотреблять термин чистофазовая голограмма,когда в голограмме сохраняется только фазовая информацияφ(x, у). Голограммаамплитудной информации используется довольноредко, поскольку она дает плохое качество изображения. В случае когдаобъект является диффузно отражающим, большая часть информации заключается вфазе. В некоторых случаях, таких, как акустическая голография или голограммы,синтезированные на ЭВМ, при записи или вычислении волнового фронта объектнойволны амплитудная информация вообще не учитывается.

/>/>/>/>/>3.3   Модулируемыепараметры

Голограмма может изменять либоамплитуду, либо фазу освещающей (восстанавливающей) волны, либо одновременно итот и другой параметр. Тем, кто знаком с теорией связи, поможет аналогия самплитудной модуляцией (АМ) и фазовой модуляцией (ФМ) временного сигнала.Распределение энергии в плоскости регистрации голограммы, обусловленноеинтерференцией объектной и опорной волн, дается выражением

/>(1)

где а(x,y) и а(x,y)-изменения амплитуд объектной и опорной волн, а φ0(x, у) и φг(x, у) — изменения фаз объектной и опорной волнсоответственно. Параметры ξ0и ξг определяютсякак

/>                                                                                      (2)

/>                                                                                     (3)

где λ — длина волны света, аθо и θr — углы падения объектной и опорной волн на плоскость голограммы.Выражение (1) описывает поверхностную, или тонкую, голограмму.

/>/>/>/>/>3.3.1   Амплитуднаямодуляция

Голограмму называют амплитудной тогда,когда восстанавливающая волна модулируется таким образом, что после прохождениячерез голограмму ее амплитуда становится пропорциональна величине, описываемойвыражением (1). Эта волна после прохождения некоторого расстояния вызываетпоявление волн, идущих, в трех направлениях. Одна из этих волн пропорциональнаисходной волне от объекта. Амплитудную модуляцию можно получить либо за счетпоглощения части волны, либо в случае отражательной голограммы за счеткоэффициента отражения, который изменяется по x и y.

/>/>/>/>/>3.3.2   Фазоваямодуляция

Фазовой называют голограмму, которая модулирует фазу восстанавливающейволны таким образом, что результирующая волна имеет относительный сдвиг фазы,пропорциональный величине, описываемой выражением (1); иными словами, волнуможно представить в виде функции ω(x, y), записываемой как

/>                                                 (4)

где

/>                                                      (5)

Параметр р — коэффициент фазовоймодуляции. Прошедшая через голограмму волна приводит к образованию многих волн,одна из которых пропорциональна волне, идущей от объекта. Если величина р мала,то объектная волна восстанавливается с минимумом шума. Если же р не мал, тонекоторые из остальных волн, образованных волной, описываемой выражением (4),могут стать источником шума в восстановленной объектной волне [1]. Фазовуюмодуляцию можно получить, заставляя коэффициент преломления или толщинуголограммы меняться в зависимости от х и у пли меняя профиль голограммы ииспользуя ее как отражатель.

/>/>/>/>/>3.3.3   Фазовая иамплитудная модуляция

Многие голографическиерегистрирующие материалы, такие, как фотоэмульсия, вызывают амплитудную ифазовую модуляцию освещающей волны; при этом амплитуда модулированной волныПропорциональна I (х, у), а фаза — величине φН(x, у). Как амплитуда, так и фаза волнысодержат всю записанную информацию в соответствии с выражением (1). Этот эффектимеет место в случае, когда применяют тонкую фотоэмульсию. Однако он еще неизучен достаточно хорошо, и мы его здесь рассматривать не будем. Очень полезнымявляется случай амплитудной и фазовой модуляции, когда желаемое изменениеамплитуды волны создается; амплитудной модуляцией, а изменение фазы — фазовоймодуляцией. Этого можно достичь с помощью толстых (объемных) голограмм.

/>/>/>/>/>3.4   Конфигурация

Под конфигурацией мы понимаем всето, что связано с положением объекта, применением линз для формирования изображенияили выполнения преобразования Фурье над объектной волной, структурой опорнойволны, с формой поверхности и способами экспонирования голографическогоматериала.

/>/>/>/>/>3.4.1   Свойстваобъектной волны

В общем случае, если объектрасположен близко к голографическому записывающему устройству, регистрируетсято, что называется голограммой Френеля. Если объект мал и находится всего лишьв нескольких сантиметрах от голограммы, мы все же получим то, что называетсяголограммой Фраунгофера. Если объект располагается очень близко к голограммеили изображение объекта формируется в непосредственной близостиголографическому записывающему устройству, мы получаем голограммусфокусированного изображения. Поскольку в этом случае восстановленноеизображение располагается вблизи от голограммы, лучи света разных длин волн несмогут разойтись на большой угол, прежде чем будет сформировано изображение.Это означает, что для освещения голограммы можно применять источник, имеющийширокий спектр излучения. Это свойство делает голограмму сфокусированногоизображения особенно полезной при использовании в дисплеях

Если, для того чтобы в плоскостирегистрации голограммы получить двумерный пространственный Фурье-образраспределения амплитуд и фаз объектной волны, используется линза, то получаемголограмму Фурье. В случае когда рассеивающий объект и точечный опорныйисточник находятся на одинаковом расстоянии регистрирующей среды, мы имеем голограммуквази–Фурье.

/>/>/>/>/>3.4.2   Свойства опорнойволны

Влияние формы опорной волныгораздо сильнее, чем это кажется на первый взгляд. От опорной волны зависятположение и размер изображения, его поле зрения и разрешение; она определяетразрешение, которым должен обладать регистрирующий материал.

Если точечный источник опорнойволны расположен на том же расстоянии от голограммы, что и объект, тоголограмма имеет почти те же свойства, что и голограмма Фурье. Поэтому такуюголограмму можно назвать голограммой квази-Фурье. От положения точечногоисточника опорной волны зависят и другие параметры. Конечное разрешениезаписывающего устройства накладывает ограничения на поле зрения изображения,ёго разрешение или на то и другое вместе. Выбирая положение точечного источникаопорной волны, можно найти компромиссное решение между пределами,ограничивающими поле зрения и разрешение изображения. Если источник находится вобласти объекта, то мы получаем максимальное разрешение ценой ограниченногополя зрения. Если же источник расположен на бесконечности (плоская опорная волна),то „мы имеем максимальное поле зрения и невысокое разрешение. Если точечныйисточник опорной волны поместить между объектом и бесконечностью вдали отголограммы, то мы получим промежуточные значения поля зрения и разрешенияизображения

/>/>/>/>/>3.5   Регистрирующий материали конфигурация

В качестве регистрирующегоматериала, как правило, употребляется плоская фотографическая эмульсия, котораяэкспонируется одновременно и целиком.

Регистрирующий материал можетбыть термопластиком, тогда говорят о термопластической голограмме. Записываютсяфотохромные и бихромат-желатинные  голограммы. Почти любая среда, способнаязаписать изображения, может применяться для регистрации голограммы. Еслирегистрирующий материал отличается от фотоэмульсии, то его названиеиспользуется для того, чтобы определять тип голограммы.

Положение фотопластинки при голографировании. Фотопластинку в принципе можно расположить в любом участке полястоячих волн. В частности, пусть имеем интерференционную картину, создаваемуюпучками света от двух точечных источников О1 и 02 (рис. 2).Для записи голограммы в таком световом поле фотопластинку можно расположитьпо-разному. На рис. 2 показаны несколько положений фотопластинки (/ — поГабору, 2 — по Лейту и Упатниексу, 3—по Денисюку *, 4—двухмерная голограмма с«обращенным опорным пучком», 5 и 6 — так называемые «безлинзовая»Фурье-голограмма и голограмма Фраунгофера). В зависимости от места расположенияпластинки в поле стоячих волн меняется форма интерференционных полос. В общемслучае интерференционные полосы являются кривыми, представляющими собой сечениясемейства гиперболоидов или параболоидов вращения плоскостью голограммы. Взависимости от назначения и цели выбирают то или иное расположение пластинкиотносительно источника опорной волны и предмета. Лейт и Упатниекс располагалифотопластинку в положении 2, чтобы лучи света от источников пересекались вобласти фотопластинки под некоторым углом. В этом случае становится возможнымраздельно наблюдать действительное и мнимое изображения. В методе Денисюка (положение3) с целью получения объемной голограммы фотопластинку следует расположитьмежду источниками света на прямой, соединяющей их. Это дает возможностьпоместить несколько интерференционных полос по толщине фотопластинки.

* В этом случае интерференция предметнойи опорной волн фиксируется не на плоскости, а в объеме — голограммапредставляет собой толстослойную фотоэмульсию, иначе говоря, фоточувствительныйобъем (объемная голограмма).

/>/>

Рис. 2

/>/>/>/>/>3.6    СВОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ/>/>/>/>/>3.6.1   Когерентность

Мы должны различать свойстваопорной волны и волны, освещающей объект, с одной стороны, и свойствавосстанавливающей волны — с другой. Термин некогерентная голограмма обычносохраняется за голограммами, записанными при использовании некогерентногосвета. При записи некогерентной голограммы интерференционные полосы образуютсяблагодаря интерференции света от какой-либо точки изображения с самим собой.Для этого формируют два изображения объекта с помощью делительного устройства.Свет от соответствующих точек изображения является когерентным и можетинтерферировать. Свет, который не интерферирует, образует фоновое освещениеголограммы. Другой способ получения интерференционных полос, когда источниксвета имеет низкую когерентность, заключается в формировании на голограммеизображения решетки и помещении объекта в один из порядков этой решетки.

Существует много различныхситуаций, когда голограмма регистрируется в когерентном свете, а изображение снее восстанавливается некогерентным светом. Название голограммы определяют характеристиками голограммы, не связанными с когерентностью.Например, голограмма, записанная в когерентном свете, но при восстановленииосвещаемая белым светом, называется отражательной голограммой, восстанавливаемой в белом свете (такая голограмма называется также голограммой Денисюка илиголограммой Липпмана — Брэгга— Денисюка.

Возможно, что голограммавосстанавливает ту часть света, которая имеетдлину волны используемого при регистрации голограммы излучения,поскольку толстая голограмма действует как комбинационный интерференционныйфильтр. Может применяться и тонкая голограмма, если для компенсации дисперсиисвета применяется решетка. Такие голограммы были названы поверхностнымиотражательными голограммами. При освещении белым светом вполнеудовлетворительное изображение дают голограммы сфокусированного изображения ирадужные голограммы.

/>/>/>/>/>3.6.2   Поляризация

Во многих случаях свет источникаявляется поляризованным, в особенности если источником служит лазер. Этоозначает, что мы имеем дело с поляризованной опорной волной. Объектная волна вомногих случаях, таких, как отражение света от объекта при формированииобъектной волны, оказывается поляризованной случайным образом. Посколькуинтерференция может произойти только между волнами, имеющими одинаковуюполяризацию, часть объектной волны не регистрируется. Обычно о поляризационныхсвойствах записи голограмм не упоминают. Применение этого свойства для проверкинекоторых характеристик объекта путем выбора направления поляризации опорнойволны называется поляризационной голографией.

/>/>/>/>/>3.6.3   Длина волнысвета

Применяя свет нескольких длинволн, можно записать цветную голограмму. Разумеется, сама голограмма неявляется цветной,  но при освещении еесветом со многими длинами волн, мы получаем цветное изображение. Другиеназвания голограмм, связанные с длиной волны, относятся к области спектра илитипу применяемой волны; например,микроволновая голограмма, акустическая голограмма и рентгеновскаяголограмма.

/>/>/>/>3.7  Описание голограммы

Названия голограмм, рассмотренныенами, употребляются только в том случае, если голограмма чем-то отличается отстандартной. Если говорят, что кто-то собирается записать голограмму, то это,по всей вероятности, означает, что планируется использовать лазер, поместитьфотопластинку в френелевскую область объекта, расположить внеосевой точечныйопорный источник по крайней мере на таком же расстоянии от плоскостирегистрации, на котором от нее находится объект, применять плоскую фотоэмульсиюи регистрировать поверхностную голограмму.

/>/>/>4   НЕКОТОРЫЕ ВИДЫ ГОЛОГРАММ./>/>/>4.1  Мультикомплексные голограммы.

Мультикомплексной называют такую голограмму,на которой одновременно записано много изображений, либо раздельно записаныотдельные части одного изображения, либо единственное изображение записанонесколько раз.

/>/>/>4.1.1  Пространственное мультиплексирование

При решениизадачи хранения данных для записи многих голаграмм можно использовать единственную фотопластинку или какой-либо иной материал, причем каждая голограммаможет независимо восстанавливать изображения записанных на ней данных. При этом голограммы могут образовыватьрешетку типа шахматного поля, адля считывания изображения с каждой голограммы лазерный луч сканирует по решетке.

Встречаетсяи другой способ пространственного разделения голограммы, когда одна и та же объектная волна или волна отодного и того же объекта, но с разных ракурсов записывается на голограмме в виде полос. В первом случае полосковаяголограмма просто повторнозаписывается много раз, так чтобы можно было восстановить  изображение со всей голограммы. Второйслучай имеет место при записисинтезированных голограмм для целей отображения информации.

/>/>/>4.1.2  Составные изображения

Подсоставными голограммами мы имеем в виду голограммы, которые формируют изображения, состоящие изотдельных частей каждая изкоторых была записана самостоятельно

/>/>/>4.1.3  Голограммы, записанные с помощью сканирующего источника света

Голограммы, записанные с помощьюсканирующего источника— это такие голограммы, при регистрации которыхиспользован; либо сканирующий пучок света для освещения объекта, либосканирующий опорный пучок для освещения голограммы.

Сканирующийобъектный пучок,

Иногда сечение освещающего объектпучка уменьшается в такой степени, что он не может больше освещать весь объектодновремено, а должен сканировать по объекту. В результате формируетсямногоэкспозиционная голограмма, в которой изображение каждго из освещаемыхпучком участков объекта регистрируется отдельно.

Если размеры объекта велики,можно сузить освещающий объект пучок и заставить его сканировать по объекту,так чтобы на голограмму падала объектная волна большей яркости. Это позволитуменьшить время экспозиции, необходимое для записи голограммы рассматриваемойчасти объекта. Полную экспозицию уменьшить нельзя.

Недостатком использованияголографической системы со сканированием помимо необходимости использовать более сложное оборудование являетсятакже уменьшение дифракционной эффективности голограммы. Это уменьшение связанос увеличением: фоновой экспозиции, которая возникает при записи с многократнойэкспозицией.

Сканирующийопорный пучок

В случае сканирования опорнымпучком объект освещается целиком, но при этом опорный пучок сканирует поголограмме. Следовательно, можно увеличить полную интенсивность света, падающегона часть голограммы, и уменьшить время экспозиции для части голограммы. Этопозволяет голографировать объекты, имеющие движение в ограниченных пределах.Однако такой мет приводит к уменьшению дифракционной эффективности, чтообъясняется увеличением энергии опорного пучка по отношению к объектному

/>/>4.2   Цветные голограммы

Цветныминазывают голограммы, способные воспроизводить цветные изображения. В сущности цветныеголограммы — это мультиплексныеголограммы, восстанавливающие перекрывающиеся изображения, каждое в своем цвете. Как и в случае мультиплексных голограмм, возникают различные проблемы взависимости от того используютсяли тонкие, т. е. поверхностные, голограммы или регистрирующая среда  имеет заметную толщину. Голограммы,записанные на тонком материале, восстанавливаютмногократно повторяющиесяизображения, которые соответствуют многим дифракционным порядкам. Голограммы, записанные в толстой среде из-за усадки или набухания эмульсии могут невосстанавливаться освещениемс исходной длиной волны. Если, например, рассматривать красные и белые изображения, то в противоположностьчерным и белым необходимо учитывать эффектыдисперсии. В случаеголограммы сфокусированного изображения, поскольку расстояние между голограммой и телеграфируемымизображением; оказывается болеекоротким, таких проблем возникает меньше.

/>/>4.2.1   Голограммы,восстанавливаемые в белом свете

Голограммапредставляет собой закодированную дифракционную решетку. Следовательно, когда голограмма освещается белым светом, волны с большими длинами волн отклоняютсясильнее от оси освещающей голограммуволны, чем волны с более короткими длинамиволн. В результате этого восстановленное изображение; смазывается. Такой эффект можно отчастискомпенсировать, используядифракционную решетку с шагом штриха, равным среднему периоду интерференционных полос на голограмме. Изложенные выше соображения применимы к тонкимголограммам. Объемные голограммы обладают избирательностью по отношению к длиневолны и будут отражать или пропускать только узкую полосу длин волн,обусловленную эффектом Брэгга.

/>/>5    ПРИМЕНЕНИЕГОЛОГРАФИИ

Голографическийметод записи волнового фронта находит широкое применение в различных областях науки и техники и имеет перспективы в будущем. Перечислим лишь некоторые из них. Голограммуможно использовать в качествекомплексного оптического элемента. Такой оптический элемент может выступать во многих качествах.Известны голограммы, играющиероль линз (голограмма — зонная решетка), разлагающие свет в спектр (голограммы—дифракционные решетки), интерференционные фильтры (слои Липпмана) ит. д. Голографические дифракционныерешетки содержат свыше 5000 полос на 1 мм. Метод голографии позволяет записывать на заданном малом участке фотоэмульсии (особеннотолстослойной) в 100—400 раз большестраниц печатного текста, чем методы обычной микрофотографии. На обычную фотопластинку размером 32-32 мм2 можно записать 1024 голограммы, каждая из которых занимаетплощадь в один квадратныймиллиметр. Одна голограмма— страница книги, одна пластинка — целая большая книга.

Многообещающимявляется применение голографии при распознавании образов и символов, что позволит создать читающие автоматы, обладающие большой надежностью.

Голографическиеустройства с использованием звуковых радиоволн совместно со световыми волнами дадут возможность видеть предметы, рассеивающие звуковые илирадиоволны (звуко- и радиовидение).

Методголографической интерферометрии позволяет исследовать изменения (например, деформацию),происшедшие в наблюдаемом объекте под каким-либо внешним действием. В основерегистрации таких малых деформацийлежит явление интерференции двух волн, существовавших в разные моменты времени. Как можно осуществить интерференцию таких волн? Для этого на однуи ту же фотопластинкурегистрируют две голограммы, полученные от одного и того же исследуемого объекта в разные моментывремени. Малейшее изменение формыобъекта из-за деформации в промежуткемежду двумя регистрациями изменяет фазу предметной волны. Следовательно, если впромежуток времени между двумя экспозициями(важно, чтобы фотопластинка не сдвинулась между двумя экспозициями) произошли какие-то деформации, то припросвечивании этих голограмм увидим изображение объекта, перерезанное интерференционными полосами, поформе которых можно судить охарактере деформации. Точность измерения этого метода весьма высокая: онпозволяет измерить деформации порядка десятой доли микрона. Возможности контроля размеров, формы и качества обработки сложных деталей с помощьюголографии сделают этот методнаиболее ценным в производстве.

Ценностьголографической интерферометрии заключается еще и в том, что она позволяет при любых относительныхизмерениях обойтись без эталонасравнения, например при деформации поверхности, перемещении из одного состояния в другое или при сжатии исходное и конечное состояния могут служитьэталонами друг относительнодруга.

/>/>5.1   Голографическийпортрет.

Записьголографического портрета стала возможной благодаря созданию многокаскадных рубиновых лазеров с большой длиной когерентности излучения.Короткая длительность импульсатвердотельных лазеров с модулированной добротностью позволяет пренебречь механической нестабильностью и движением объекта.

/>/>5.1.1   Лазер

В качествеисточников света для получения голографического портрета могут использоваться рубиновые лазеры с модулированной добротностью и Nd: YAG-лазерыс удвоением частоты генерации и модулированной добротностью. В настоящеевремя для съемки голографического портретаобычно используют рубиновый лазер с модулированнойдобротностью, поскольку он обеспечивает значительно более высокуюэнергию на выходе по сравнению с Nd: YAG-лазером с удвоением частотыгенерации.

Отличительнымисвойствами лазерных систем, применяемых при голографировании человека, является совмещение высокоэнергетического выхода и большой длиныкогерентности. Для получения голограммы одного человека требуется энергияминимум 250 мДж и длина когерентности 1 м.Голографический групповой портретобычно регистрируется при энергии 4—10 Дж и длине когерентности 5-10 м

Достаточнуюэнергию и длину когерентности для рассматриваемого применения обеспечивают только системы, состоящиеиз генератора и усилителей. Обычно приголографировании одного человекаприменяют один усилитель, а для группового портрета необходимы два усилителя. Модулятором добротности генератора служат ячейки Поккельса, Керра или жепросветляющийся краситель, посколькуточной синхронизации импульсов в данном применении не требуется.

/>/>5.1.2   Экспериментальныеустановки

Короткое время экспозиции снижаеттребования к механической стабильности всей установки, и получитьвысококачественные пропускающие или отражательные голограммы становитсясравнительно легко.

Наиболее важным требованием приполучении таких голограмм является защита глаз человека от повреждениялазерным  излучением. Не менее важную роль играет требование к оптическому путиопорного пучка. Необходимо предусмотреть, чтобы часть (около 10%) опорного пучка, отраженного фотографическойпластинкой, направлялась в сторону от человека. Человекобычно находится на расстоянии 1—2 м от фотографической пластинки. Обычно голограммы записываются на фотопластинкахАгфа 10Е75 или 8Е75 с размерами 9х12или 18x24 см. Фотографические пластинкидолжны быть защищены фильтром с ограниченной полосой пропускания от засветки,вызываемой лампой-вспышкой или комнатным освещением (например, типа Schottglass RG-665). Если перед системой фильтр — фотографическая пластинкаустановлен затвор, то голограмма может быть получена при дневном освещении илив условиях нормального комнатного освещения, Работа такого механическогозатвора должна быть синхронизирована с лазером. Промышленностью выпускается электромеханическийзатвор, управляемый электромагнитом, с апертурой около 15 см, минимальное времяоткрывания составляет 0,4—0,6 с. На рис. 3 показана экспериментальная установкадля записи отражательных голограммчеловека. В этом случае восстанавлимоес голограммы изображение можно наблюдать в белом свете. В этом случае особенно важно установить уголосвещения пластинки, чтобы опорныйпучок не попадал па человека.

/>/>

Рис. 3

/>/>5.1.3   Восстановлениеизображений

Голографическийпортрет наблюдается обычным способом с помощью расширенныхпучков от Не — Ne- или аргонового лазера или отфильтрованнымсветом дуговой лампы. Отражательные голограммы освещаются от источника некогерентного света.

/>6    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Такимобразом, согласованные усилия многих исследователей позволили накопить ряд сведений и фактов освойствах трехмерныхголограмм. За этими на первый взгляд разрозненными фактами достаточно отчетливо вырисовывается тоединое явление природы, которое лежит в их основе. Оказывается, что материализованная объемная картина волн интенсивностиспособна воспроизводитьволновое поле со всеми его параметрами — амплитудой, фазой, спектральным составом, состояниемполяризации и даже с изменениямиэтих параметров по времен.

Однакообщая картина этого явления пока еще далека от завершения. И дело здесь не только в том, что в рядеслучаев мы не знаем полностью наборотображающих свойств некоторых  видов голограмм. Есть все основания считать, что будутоткрыты новые неожиданныеоптические свойства голограмм. Вполне вероятно, Что ряд новых эффектов будет обнаружен при применении светочувствительных материалов, обладающих специфическимисвойствами, подобно тому  какприменение резонансных и поляризационных сред открыло возможность записи временных и поляризационных характеристик волновых полей. И наконец, прецедентобъединения голографии и нелинейнойоптики в динамическую голографию показывает,что внесение идей голографии в смежные с ней области знаний может привести к появлению совершенноновых направлений.

7   Литература

1.  Введение в  когерентную оптику и голографию: Учеб. пособие для физ.-мат. фак. пед.ин-тов.-Минск: Выш. шк.,1985.-144 с. Шепелевич В. В.

2.  Оптическаяголография т.1 С.Б. Гуревич, Г. Колфилд.

3.  Оптическаяголография т.2 С.Б. Гуревич, Г. Колфилд.

4.  Оптика.Учебное пособие для вузов. М., “Высшая школа”, 1977г.
Годжаев Н.М.