5.2 Оптическая голография
Голография (от греч. holos–весь, полный), область физики, занимающаяся изучением методов записи, воспроизведения и преобразования волновых полей различной физической природы и частоты, и созданием на их основе голографических устройств.
Оптическая голография использует интерференцию света–для записи на фотоматериале поля световых волн, рассеянных объектом, и далее–дифракцию света–для восстановления записанной информации, в результате чего можно наблюдать объёмное изображение этого объекта. Теоретические основы голографии были заложены в 40-е годы ХХ века, однако реализована она была только после создания лазеров, в 60-е годы.
|
Рисунок 10 – Схемы получения голограммы (а) и восстановления волнового поля голограммы (б). З – зеркало, S – источник света
При записи голограммы регистрируется волновое поле, которое образуется при интерференции двух когерентных волн: волны, освещающей объект (т. наз.“опорной”), и волны, отражённой объектом (“предметной”) (рисунок 10,а). В отличие от фотографии, голографический метод получения объёмного изображения объекта позволяет регистрировать на светочувствительном материале не только интенсивность (как в фотографии), но и фазу световой волны (системы стоячих волн) в плоскости регистрации. Получаемая после обработки светочувствительного материала голограмма представляет собой множество чередующихся тёмных и светлых полос, образующих периодические структуры («дифракционные решётки»), шаг которых порядка длины световой волны λ, что требует применения фотоматериалов с высокой разрешающей способностью. Восстановление волнового поля объекта осуществляется при освещении записанной голограммы (фотопластинки) опорной волной. (рисунок 10,б) либо в проходящем свете (пропускающая голограмма), либо в отражённом свете (отражательная голограмма).
Голограммы подразделяются на: “амплитудные”, когда осуществляется изменение оптической плотности среды, “фазовые”–изменяется показатель преломления или оптическая толщина среды, либо “амплитудно-фазовые”–изменяются обе характеристики. Отметим, что информация об объекте, записанная в виде интерференционной картины, оказывается однородно распределенной на большой площади, т.е. каждый участок голограммы несёт всю информацию, что обусловливает высокую надёжность записи.
Голографический метод требует использования лазерного излучения с высокими когерентными свойствами. Необходимо, чтобы выполнялось условие
,
(8)
где τ – время когерентности, L – максимальное для конкретной схемы разность путей двух световых лучей, проходящих от источника лазера до голограммы. Время когерентности лазерного излучения может достигать 10–3с. В этом случае
длина когерентности
доходит
до 105 м,
что на семь порядков превышает длину
когерентности обычных источников света
(доли см). Наиболее широко в голографии
используются газоразрядные лазеры с
излучением в видимом диапазоне длин
волн и узкой линией (He-Ne,
Ar+
и др., см., [3]).
Если опорный и предметный пучки падают на светочувствительный слой с разных сторон, то период минимален и близок к λ/2, а интерференционная картина располагается в толще слоя (“отражательная”голограмма Денисюка).
Методы голографии позволяют получать объёмные изображения предметов (в т.ч. и цветные изображения), что используется в демонстрационных целях, при создании объёмных изображений произведений искусства, голографических портретов (изобразительная голография). Трёхмерные свойства голографических изображений используются для исследования движущихся частиц (например, капель дождя или тумана), треков ядерных частиц и др. Объёмность изображения делает перспективным создание голографического кино и телевидения. Широкое применение получили методы голографической интерферометрии для изучения неоднородностей материалов (внутренние трещины, пустоты и др.), в т. ч. для исследования механических деформаций. Методы голографии также используются для хранения и обработки информации.