3. Источники света в голографии

'■rV;.

Необходимыми условиями Г, являются неподвижность и высокая контрастность интерференционной картины, образующейся в об­ласти пересечения опорного и предметного пучков света во время экспозиции. Иначе говоря, области макс, почернения не должны смещаться во время экспозиции. Если принять во внимание, что длина волны видимого света X ~ 0,5 мкм, то легко представить трудности, возникающие при реализации этого требования. На неподвижность в пространстве интерференционной картины, реги­стрируемой голограммой, влияют два основных фактора: механич. жесткость всех элементов голография, установки и способность самого света образовывать устойчивую и контрастную интерферен­ционную картину. Свет, обладающий такой особенностью, наз. когерентным (см. Когерентность). Рассмотрим его особен­ности.

Так как расстояния между поверхностями или полосками по­чернений на голограмме непосредственно связаны с длиной волны света А,, то световые волны должны быть монохроматичны, т. е. иметь одну и при этом постоянную длину волны. Свет, излучаемый ре­альными источниками, не является идеально монохроматическим. Степень его монохроматичности характеризуется отношением дли­ны волны К к разности ДА, между наибольшей А,_макс и наименьшей А,_мин длинами волн, содержащимися в пучке света.

Если источник излучает свет в нек-рой полосе длин волн ДА,, то каждая спектральная компонента будет создавать свою интер­ференционную картину. При одновременном действии всех компо­нент освещенность полос усреднится и контраст интерференцион­ной картины ослабеет (в цветной Г. каждая из трех компонент

должна быть монохроматичной).

Посмотрим, как влияет немонохроматичность света на интер­ференционную картину на примере интерференции света от двух­точечных источников, излучающих когерентный свет, длина волны к-рого хаотически колеблется (во времени) в пределах от А,_макг до Ямин- Свет с длиной волны А,_мин образует интерференционную кар­тину, показанную на рис. 20 сплошными линиями, а свет с длиной

Рис. 20. Размытие интерференционной картины от двух точечных источ­ников света при изменении длины волны света (Я-_мин — сплошные ли­нии, ?i_MaKC — пунктир — смещается). Это регистрируется голограммой различно на разных расстояниях от источника.

волны А,_маке Дает сдвинутую картину (пунктир). Т. к. полное число образующихся гиперболоидов почернения равно целому числу N полуволн, умещающихся на отрезке (см. выше), то величина

N обратно пропорциональна А,. Поэтому изменение длины вол­ны будет сопровождаться изменением положения поверхностей почернения, а следовательно, и изменением полного их числа N в пространстве. При этом уменьшение длины волны приводит к уве­личению числа поверхностей почернения, и наоборот. Нечувстви­тельной к изменению длины волны остается лишь экваториальная плоскость.

Если светочувствительный куб расположен вплотную к источ­никам, то он захватывает все поверхности почернения. Интерферен­ционная картина в этом случае зарегистрируется более полно. Изменение К за время экспозиции приводит к ее размытию. При этом, чем дальше от экваториальной плоскости расположены по­верхности почернения, тем сильнее размытие. Степень ослабления контрастности уменьшается по мере приближения к экваториальной плоскости. Число поверхностей почернения N, регистрируемое голограммой, зависит от ее размера и относительного расположе­ния источника (рис. 20). Если длина волны света К за время эк­спозиции изменится настолько, что число поверхностей почернения N возрастет или уменьшится на единицу, то это приведет к потере контрастности примерно у половины всех поверхностей почернения.

'■ui..

% #

_t

Очевидно, что для сохранения контраста у большинства поверх­ностей почернения необходимо, чтобы за время экспозиции число

поверхностей почернения изменилось бы меньше, чем на единицу. Это означает, что степень монохроматичности света АХ/Х₀ [Х₀ ~

^{== X}U (^макс + ^мин)1 должна быть значительно меньше, чем1Д/У, где N — полное число поверхностей почернения, умещающихся в голограмме, т. е.:

VAA,>iV. (1)

Отсюда следует, что чем большее число поверхностей почернения

N регистрируется голограммой, тем жестче требования к монохро­матичности света. Т. о. для получения контрастной голограммы требуется вполне определенная степень монохроматичности света, определяющаяся как размером голограммы, так и ее расположением относительно источника света. Все сказанное справедливо и для плоской голограммы.

Однако одной монохроматичности, или временной когерентно­сти света еще недостаточно, чтобы получить контрастную картину.

Вторым важным условием является пространственная когерент­ность. Реализовать это условие для реальных нелазерных источ­ников света трудно.

До сих пор рассматривались точечные источники света и парал­лельные пучки, что, конечно, является идеализацией. Посмотрим, как влияет протяженность источников на интерференционную кар­тину. Для этого заменим каждый из точечных источников S_x и S₂ двумя расположенными близко друг к другу источниками S_x, S[

Рис. 22. Размытие интерференционной картины под влиянием протяжен­ности источника вдоль оси оу. Необходимое условие — сохранение кон­траста: Аг/ < %/а.

и £₂, S; (рис. 21). Сплошными линиями показана интерференцион­ная картина, образованная источниками S_x и So, а пунктирными линиями - интерференционная картина от источников S[ и S'₉. Т. к. макс, сдвиг поверхностей почернения на краях голограммы должен быть значительно меньше расстояния между этими поверх­ностями, равного Ъ — Х/[3, где р — угол, под к-рым видна каждая пара источников S[n S*, то контрастность интерференционной кар­тины не ослабеет, если протяженность источников, используемых

(2)

в Г., вдоль оси Ля будет удовлетворять условию:

Л^<А,/р.

Полное число интерференционных поверхностей, умещающихся на голограмме размером А, при этом равно N = А (3Д. Т. о., чем дальше от источников расположена голограмма, т. е. чем меньше угол Р, тем больший размер Ах может иметь источник света.

Аналогичные рассуждения для протяженности источников вдоль осей у и z дают:

^{Лу^^/Р и Лг<;А,/Р2. . (2,а)}

Т. е. глубина каждого источника (протяженность вдоль оси z) может быть в 1/а раза больше, чем его размеры вдоль поперечных осей у их (рис. 22, 23).

■щ.

Из сказанного следует, что для достижения высокой контраст­ности интерференционной картины необходимо иметь источники монохроматич. света либо очень малых размеров, либо же удалять их на достаточно большие расстояния. Резюмируя, можно сказать,

что когерентность света, или его способность образовывать непод­вижную и контрастную интерференционную картину, определяется двумя факторами: 1) монохроматичностью света и 2) направлен­ностью лучей света, к-рая для нелазерных источников определяется их размерами и удаленностью от голограммы.

Напр., если опорный пучок освещает предмет размером 3x3 см², отстоящий от голограммы на расстоянии 30 см, р = ¹/₁₀рад и «объем», в к-рый должен «вписаться» источник света (объем коге­рентности), определяется условиями:

Аа: <^ 5 мкм, Аг/ <^ 5 мкм, &z <^ 50 мкм.

Иными словами, света должен иметь

микроскопии, размеры. Не говоря уже о трудности его изготовле­ния, очевидно, что интенсивность его будет ничтожна. В действи­тельности подобных источников не изготавливают, а берут обычный источник и свет от него пропускают через отверстие (в диафрагме) необходимых размеров. Если взять, в частности, ртутную лампу

Щ:

размером a = 5 мм, то в отсутствие диафрагмы ее придется удалить от голограммы на расстояние ;>Л/а, т. е. примерно на 100 м. Ко эфф. использования света лампы при диафрагмировании или уда лении лампы на большое расстояние — КГ⁸. При еще больших размерах голограммы обычный источник света придется отодвинуть на расстояние в неск. км. Время экспозиции при этом достигает величины более одного года. Вот почему изобретателю Г. англ. физику Д. Габору удалось получить голограммы только простей­ших микроскопич. объектов при длительности экспозиции в неск. часов.

Только после появления квантовых генераторов света — л а -з е р о в — Г. начала бурно развиваться. Сочетание высокой ин­тенсивности пучка лазера с его острой направленностью и весьма высокой монохроматичностью делает лазер почти незаменимым элементом любой голографич. установки (см. Лазер).