Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

Г л а в а XV. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ

ОПТИЧЕСКОЙ ГОЛОГРАФИИ

В настоящей главе мы рассмотрим бурно развивающийся в настоящее время метод получения объемных изображений различных предметов, который имеет многочисленные научные и технические применения. Этот метод, называемый оптической голографией, основывается на явлениях интерференции и дифракции света, которые были изложены в предыдущих главах.

§ 139. Фотография и голография. Для получения фотографии какого-либо несамосветящегося объекта его освещают и, используя оптическую систему (объектив, сферическое зеркало), формируют действительное изображение предмета на фотопластинке (пленке), которую затем проявляют и фиксируют.

Техника фотографирования достигла высокого уровня, и научное и практическое значение фотографии в настоящее время огромно. Нет сомнения в том, что она сохранит свое значение и в будущем как превосходное и простое средство регистрации важнейшей информации, доступной оптическим методам наблюдения.

Однако, несмотря на высокое развитие инструментальной оптики и фотографической техники, возможности фотографии в некоторых отношениях ограничены. Рассмотрим вкратце ограничения, присущие этому традиционному методу записи оптической информации.

1.Для получения изображения объекта на экране или на фотопластинке необходима оптическая система.

2.Оптическая система формирует изображение трехмерного объекта на плоском экране или фотопластинке, причем в оптимальных условиях при этом находятся только те точки объекта, которые лежат в одной определенной плоскости, перпендикулярной к оптической оси системы.

3.Полученное на экране или фотопластинке изображение не дает возможности обозреть объект с различных сторон, как это происходит при непосредственном его наблюдении. Другими словами, при фотографической регистрации утрачивается объемность объекта.

352Гл. XV. Физические принципы оптической голографии

4.На каждом участке поверхности фотопластинки фиксируется информация лишь об определенной детали объекта, поэтому с помощью части негатива нельзя наблюдать полное изображение предмета.

5.На одном негативе нецелесообразно фиксировать изображения нескольких объектов, если эти изображения перекрываются: информация об одном объекте помешает восприятию информации о другом объекте.

Рассмотрим теперь с более общей точки зрения, в какой мере фотография позволяет использовать информацию об объекте, которую переносит отраженное им электромагнитное поле.

Оптическое изображение на экране или на фотопластинке создается неравномерной освещенностью их поверхности отраженным от объекта светом. Освещенность измеряется энергией света, которая падает в единицу времени на единицу площади. При этом в связи с высокой частотой колебаний оптического электромагнитного излучения она определяется средним по времени значением потока энергии.

Среднее значение потока энергии зависит, в свою очередь, от амплитуды электрического E и магнитного B векторов светового поля у поверхности каждого участка изображения, но не зависит от начальной фазы колебаний поля на этом участке. Так, например, два участка изображения будут одинаково освещены, если амплитуды векторов E и B вблизи них соответственно одинаковы, но фазы их колебаний различны.

Очевидно, что фотографическая регистрация распределения освещенности в плоскости изображения не позволяет учесть распределение фаз колебаний в этой плоскости. В самом деле, почернение фотографического негатива обусловливается лишь поглощенной им энергией, а последняя зависит от освещенности негатива и времени экспозиции.

Прежде чем перейти к изложению принципов голографии, поясним некоторые термины, которыми мы будем пользоваться в дальнейшем. Световая волна называется монохроматической, если она содержит излучение строго определенной длины волны. Реальные источники света, конечно, не обладают таким свойством, но если интервал длин волн их излучения мал, то такую волну мы тоже будем называть монохроматической. Если разность фаз двух волн, приходящих в одну точку пространства, не изменяется с течением времени, то эти волны обладают временной когерентностью и способны образовать устойчивую интерференционную картину.

Существенно, что на каждую точку освещенной части фотопластинки наряду с опорной волной падают световые волны, рассеянные всеми участками объекта наблюдения. Поэтому любой участок голограммы содержит полную информацию о всем объекте наблюдения.

Запись голограмм по приведенной выше схеме выдвигает определенные требования к спектральному составу используемого при этом излучения. Действительно, для возникновения интерференционных картин как результата суперпозиции волнового поля, распространяющегося от объекта наблюдения, и поля опорной волны необходимо обеспечить когерентность этих полей при всех разностях хода. Эти разности неизбежно создаются макрорельефом отражающего свет предмета и могут быть значительными.

Рис. 284. Изображение объекта получено методом обычной фотографии

Если, например, считать, что разность хода достигает 10 см, то, как показывает расчет, ширина спектральной линии исполь-

зуемого излучения должна быть порядка 10−2 ˚. Между тем

A

ширина спектральной линии ртутной лампы, даже с невысоким давлением паров, составляет десятки ангстрем. Следовательно, источники света так называемого долазерного периода развития оптики малопригодны для голографии. С помощью же лазеров сравнительно легко удовлетворить требования голографии к монохроматичности света. Этим и объясняется бурное развитие голографии в последнее время, когда лазеры стали доступны многим лабораториям.

Необходимо обратить внимание еще на одну деталь. При записи голограмм протяженных объектов углы между интерферирующими световыми волнами, падающими на фотопластинку,

Рис. 285. Увеличенное изображение участка голограммы

могут достигать существенных величин. Поэтому интерференционная картина, образованная на фотопластинке, оказывается весьма мелкой и для ее фиксации требуются фотоматериалы с высокой разрешающей способностью. Современные голографические фотопластинки имеют разрешающую способность более 5000 штрихов на 1 мм.

Чтобы иллюстрировать первый этап голографирования, приведем две фотографии. На первой из них (рис. 284) показано изображение объектов, полученное методом обычной фотографии, на второй (рис. 285) — при большом увеличении фотозапись интерференционной картины — голограмма этих объектов, зафиксированная с помощью плоской опорной волны. Как видим, никакого сходства между ними нет.

§ 141. Получение оптических изображений по методу восстановления волнового фронта. Для прочтения записанной

на голограмме информации об объекте наблюдения голограмму, полученную описанным выше способом, просвечивают.

Принципиальная схема получения изображений показана на рис. 286.

Плоская монохроматическая волна падает на голограмму слева, нормально к ее поверхности. В результате прохождения света сквозь голограмму и его дифракции на ее неоднородном почернении за пластинкой возникает сложная система световых пучков.

Пучки 1 и 2 никакой информации о наблюдаемом объекте не несут. Сходящийся световой пучок 3, без помощи какой-либо оптической системы, формирует действительное изображение ДИ объекта. Оно получается на том же расстоянии от голограммы, на котором находился от фотопластинки объект наблюдения во время его голографирования.

Помещая экран поочередно в разных сечениях области локализации действительного изображения, можно наблюдать на нем четкие изображения разных деталей объекта. Чтобы их зафиксировать, вместо экрана можно использовать фотопластинку.

Рис. 286. Схема восстановления голографических изображений

При просвечивании разных участков голограммы наблюдается эффект взаимного параллактического смещения деталей объекта, поскольку на эти участки пластинки свет от объекта падал при изготовлении голограммы под различными углами.

Расходящийся световой пучок 4, если его пропустить через собирающую линзу, восстанавливает другое изображение объекта — так называемое мнимое изображение МИ. Оно локализуется перед голограммой симметрично действительному изображению. Мнимое изображение можно наблюдать и невооруженным глазом. Роль собирающей линзы в этом случае будет выполнять хрусталик глаза, проецирующий изображение на его сетчатую оболочку.

Таким образом, в отсутствие объекта за просвечиваемой голограммой воспроизводится то самое волновое поле, которое распространялось от объекта при записи голограммы. Благодаря этому можно фотографировать объект или разглядывать его с разных пространственных точек зрения так, как будто он находится перед наблюдателем или фотоаппаратом.

Восстановленное голограммой волновое поле, как уже отмечалось, позволяет наблюдать и регистрировать эффекты параллактического смещения деталей объекта. Для этого нужно либо изменять взаимную пространственную ориентацию голограммы и просвечивающего ее светового пучка, либо перемещать глаза наблюдателя (или объектив фотоаппарата) по отношению к неподвижной голограмме, так как это делается при разглядывании предмета или группы освещенных предметов с разных сторон.

сразных точек зрения. Между тем оба изображения получены

спомощью одной голограммы, но фотоаппарат устанавливался в различных по отношению к ней положениях. Таким образом, как мы уже говорили, голограмма содержит значительно больший объем информации, чем обычная фотография.

Рис. 287. Эффект параллактического смещения, наблюдаемого для голографических изображений

Отметим еще ряд важнейших особенностей голографического метода регистрации и воспроизведения оптической информации.

Для получения оптических изображений путем просвечивания голограммы не требуется использования всей ее площади. Просвечивая любую часть голограммы, можно полностью восстановить действительное и мнимое изображения объекта наблюдения. Это является прямым следствием того, что любого участка поверхности фотопластинки, на которой регистрируется

голограмма, достигают световые волны, отраженные от всех элементов поверхности объекта наблюдения, а также фронт опорной световой волны. Надо только учитывать, что при существенном уменьшении используемой площади голограммы снижается ее разрешающая способность, изображение объекта размывается, т. е. уменьшается возможность различать мелкие детали объекта.

Кроме того, в голографии не существует понятий позитива и негатива. С помощью отпечатка, изготовленного с голограммы контактным способом, можно восстанавливать изображения с таким же распределением света и тени, какое дает первичная голограмма.

Разумеется, это строго справедливо только в отношении двумерных дифракционных структур. Практически же толщина слоя фотоэмульсии составляет примерно 20 мкм, т. е. на ней укладывается около 100 длин световой волны. Поэтому даже при использовании фотопластинок с тонкослойными эмульсиями проявляются некоторые эффекты, свойственные трехмерной структуре. Это в известной мере лимитирует возможности размножения голограмм путем контактной печати.

Наконец, на одной фотопластинке можно записать голограммы нескольких объектов, варьируя ориентацию пластинки по отношению к регистрируемым волновым полям и опорной световой волне. Чтобы затем порознь, без помех, восстанавливать с помощью комбинированной голограммы изображения различных

объектов, надо просвечивать ее монохроматическими световыми пучками, падающими на голограм-

му под разными углами.

светом лазера сквозь фотопластинку (голографические пластинки, даже не проявленные и не отфиксированные, вполне прозрач-