|
Реферат: ГолографияРеферат: ГолографияВведение.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 предметно |
