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

ны для света). Стеклянная подложка фотопластинки 2 покрыта фотоэмульсией с толщиной слоя около 15–20 мкм (на рисунке этот слой сильно утолщен).

Отраженное от объекта волновое поле распространяется назад по направлению к слою фотоэмульсии. Идущий навстречу этой волне исходный световой пучок 4 от лазера выполняет теперь функцию опорной волны. Поэтому такой вариант получения голограмм называется также методом встречных световых пучков.

Интерференционное поле стоячих волн, возникающее в толще фотоэмульсии, вызывает ее слоистое почернение, которое регистрирует распределение как амплитуд, так и фаз волнового поля, рассеянного объектом наблюдения. На рис. 288 слои почернения схематически показаны в виде системы волнистых линий. Разумеется, конфигурация этих слоев во всей фотоэмульсии может быть весьма причудливой, так как плоской является лишь опорная волна, а волновые фронты, распространяющиеся от освещенного объекта наблюдения, ориентированы по-разному.

Существенно, что толстослойная фотоэмульсия с неоднородным распределением почернения представляет собой трехмерную структуру, в отличие от двумерных структур, какими с высокой степенью приближения можно считать голограммы рассмотренного ранее вида.

Если осветить расходящимся пучком белого света голограмму, зарегистрированную в толстослойной эмульсии, то в отраженном от нее свете можно будет наблюдать изображение объекта исследования.

Рис. 289 и 290 иллюстрируют, каким образом, варьируя ориентацию голограммы по отношению к освещающему ее свету, можно получить мнимое или действительное изображение объекта наблюдения. Естественно, что на восстановленном изображении будет виден не весь непрозрачный объект, а только та его поверхность, которая была обращена к фотопластинке во время записи голограммы.

Возможность использования источника белого света (например, лампа накаливания, солнце) на стадии восстановления изображения, записанного на толстослойной голограмме, обусловлена тем, что взаимное усиление световых пучков, отраженных от слоев почернения объемной дифракционной структуры при ее определенном пространственном периоде и определенном угле наблюдения, будет удовлетворено только для излучения определенной длины волны. Таким образом, пространственно периодические слои объемной дифракционной структуры сами

осуществляют монохроматизацию излучения, необходимую для наблюдения голографического изображения. При этом изображение восстанавливается в монохроматическом свете.

Разумеется, спектральная разрешающая способность объемной дифракционной решетки с малым числом слоев почернения недостаточна для монохроматизации освещающего голограмму белого света в той же степени, в какой монохроматично излучение лазера, использованного на стадии регистрации голограммы. Поэтому изображения, создаваемые толстослойными голограммами, будут не вполне монохроматическими.

Кроме того, хотя изображения, получаемые с помощью освещаемых белым светом толстослойных голограмм, являются квазимонохроматическими (т. е. не полностью монохроматическими), их цвет в отдельных случаях может заметно отличаться от цвета излучения лазера, использованного при записи голограммы. Это связано с воздействием на фотоэмульсию процессов проявления, а главное, фиксирования и последующей сушки.

Надо отметить еще одну особенность голограмм, записанных в толстослойных эмульсиях по методу встречных световых пучков. Она обусловлена свойственным голографии эффектом псевдоскопии, который в данном случае проявляется особенно ярко.

Если записать голограмму по схеме, приведенной на рис. 288, и восстановить изображение объекта, освещая голограмму в соответствии со схемой, показанной на рис. 289, то мнимое изображение выпуклого предмета также получится выпуклым.

В действительном же изображении предмета (рис. 290) выпуклая поверхность предмета будет вогнутой, так как части предмета, располагавшиеся ближе к фотопластинке при записи голограммы, расположатся ближе к голограмме.

Поэтому при записи голограмм музейных экспонатов используется наблюдение мнимых изображений, видимых за плоскостью голограммы.

Способ записи голограмм в толстослойных эмульсиях дает возможность получать цветные изображения объектов с сохранением всех преимуществ голографии перед обычной фотографией.

Чтобы пояснить принцип цветной голографии, надо напомнить, в каких случаях человеческий глаз воспринимает изображения предметов как цветные, а не как черно-белые.

Опыты по физиологии зрения показывают, что человек видит изображение цветным и более или менее близким к натуральной окраске объекта, если оно воспроизводится минимум в трех цветах, например, красном, зеленом и синем. Совмещение трех красок осуществляется при самой примитивной цветной репродукции, выполняемой методом литографии (для высокохудожественной репродукции используется 10–15-красочная печать).

Учитывая особенности человеческого восприятия, чтобы восстановить цветное изображение объекта, нужно осветить объект наблюдения при записи голограммы одновременно или последовательно лазерным излучением трех спектральных линий, отстоящих по длинам волн достаточно далеко друг от друга. Тогда в толще фотоэмульсии образуются три системы стоячих волн и соответственно три системы пространственных решеток с различным распределением почернения.

Каждая из систем слоев почернения будет формировать изображение объекта в своем спектральном участке белого света, используемого при восстановлении изображения. Благодаря этому в отраженном от обработанной голограммы расходящемся пучке белого света получится изображение объекта как результат суперпозиции трех участков спектра, что соответствует минимальным физиологическим требованиям хроматического зрения человека.

Голографирование по методу Денисюка и восстановление изображения по схеме рис. 289 широко используется для получения высококачественных объемных копий различных предметов, например, уникальных произведений искусства.

§ 143. Использование голографии в оптической интерферометрии. Как известно, явление интерференции света находит обширные и разнообразные применения в физике и технике.

Например, интерференция света широко используется для тщательного контроля геометрической формы различных тел, качества обработки их поверхности, малых изменений формы или поверхности под действием тех или иных внешних воздействий: механических напряжений, нагрева и др.

Однако в обычной оптической интерферометрии изучаемый объект сравнивается со специально изготовленным эталоном, причем поверхности как объекта исследования, так и эталона должны быть очень тщательно обработаны.

Голография может быть применена в интерференционном исследовании, например, деформаций тела произвольной формы и с произвольным качеством обработки поверхности.

Вернемся к рис. 283, на котором приведена схема голографирования объектов произвольной формы. Пусть мы желаем, привлекая голографию, исследовать интерференционным методом небольшие деформации объекта, возникающие под действием каких-либо причин.

Экспонируем голографическую пластинку, освещая объект до того, как он испытал деформации. Не смещая пластинку и не проявляя ее, прервем освещение объекта на произвольный промежуток времени. Во время перерыва деформируем объект, не изменяя, однако, его положения в голографической установке. Вновь осветим теперь уже деформированный объект и еще раз экспонируем голографическую пластинку. Закончив вторую экспозицию, фотопластинку проявим и отфиксируем обычным способом.

В результате на пластинке окажутся зарегистрированными две голограммы, полученные с одной и той же опорной волной. Первой будет голограмма недеформированного объекта, второй — деформированного. Как подчеркивалось выше, запись двух или нескольких голограмм на одной фотопластинке вполне допустима, в отличие от фиксации нескольких перекрывающихся оптических изображений на обычной фотопластинке.

Восстановление изображений недеформированного и деформированного объекта с помощью «двойной» голограммы осуществляется по схеме, показанной на рис. 286. Как было объяснено раньше, полную амплитудную и фазовую информацию несут лишь световые пучки 3 и 4, которые мы и будем рассматривать.

Поскольку в данном случае просвечивается «двойная» голограмма, за ней возникнут два волновых поля 3 и 3 и два волновых поля 4 и 4 . Одно из каждой пары этих полей соответствует недеформированному объекту, другое — деформированному.

Так как обе интересующие нас пары волновых полей образуются в результате просвечивания голограммы одним пространственно когерентным световым пучком, волновые поля каждой пары могут интерферировать между собой и давать стационарную интерференционную картину. Но волновое поле 3 отличается от волнового поля 3 (так же как поле 4 от поля 4 ) тем, что между их голографической записью объект был деформирован. Следовательно, при просвечивании «двойной» голограммы суперпозиция полей 3 и 3 и полей 4 и 4 даст на действительном и мнимом изображениях объекта интерференционную картину, выявляющую его деформации.

Существенно, что при таком способе эталоном для сравнения деформированного объекта служит не специально приготовленная с оптической точностью обработанная поверхность, а сам объект.

Таким образом, метод голографической интерферометрии неизмеримо расширяет возможности интерференционных оптических наблюдений и измерений, в частности, как мы отмечали, позволяет исследовать деформации объектов произвольной формы и с произвольным качеством поверхности, а также деталей, никак специально для этого не подготовленных.

Рис. 291. Изображение деформированного шарикового подшипника

На рис. 291 показано изображение шарикового подшипника, сжатого в кулачках патрона токарного станка. Оно получено в результате просвечивания «двойной» голограммы, которая записывалась сначала до, а затем после возникновения деформаций в объекте. Интерференционные полосы на поверхности подшипника выявляют распределение этих деформаций.

Голографическая интерференция широко применяется для целей неразрушающего контроля. Можно, например, выявлять

раковины и слабые места сварки в стенках полых сосудов. Для этого нагревают воздух внутри сосуда, что вызывает расширение его стенок, причем участки с различной теплопроводностью расширяются по-разному. Картина интерференционных полос позволяет обнаруживать места, в которых теплопроводность отлична от нормальной. Аналогично этому испытывают сосуды под давлением: ослабленным местам будут соответствовать более частые интерференционные полосы.

Возможно использование голографической интерференции и для контроля качества автомобильных шин по деформации их поверхности при небольшом изменении давления (рис. 292). На ослабленные места указывают области высокой концентрации интерференционных полос (отмечены стрелками). На рисунке приведены восстановленные изображения шины в двух проекциях.

Рис. 292. Изображение дефектной автомобильной шины (в двух проекциях)

Голографический метод применяется также для исследования колебательных процессов. В этом случае обычным способом снимают голограмму колеблющейся поверхности, например, мембраны, причем продолжительность экспонирования голограммы значительно превосходит период колебания мембраны. Таким образом, в течение экспозиции колеблющаяся поверхность многократно проходит все положения, заключенные между двумя крайними. Однако большую часть времени мембрана находится в крайних положениях, поскольку при максимальном отклонении от положения равновесия скорость ее движения минимальна.

Рис. 293. Изображение колеблющейся мембраны

Полученную усредненную по времени голограмму можно рассматривать в качестве двухэкспозиционной. С ее помощью так же, как и в методе двух экспозиций, наблюдаются интерференционные полосы, позволяющие рассчитать амплитуду колебаний различных точек мембраны. Изображение мембраны, восстановленное с подобной голограммы, приведено на рис. 293.

Рис. 294. Изображение ударных волн, создаваемых летящей пулей

Метод двух экспозиций с применением лазеров, дающих мощные кратковременные импульсы света, с большим успехом был применен для интерферометрии быстропротекающих процессов. На рис. 294 приведено изображение летящей пули, полученное с помощью двухэкспозиционной голограммы. Видны интерференционные полосы в области ударной волны.

будут ли пластинки соприкасаться или находиться на некотором расстоянии друг от друга (рис. 295).

Рис. 295. Схема опыта по наблюдению прохождения света через две пластинки турмалина: S — источник света; 1 — первая и 2 — вторая пластинки турмалина

Но если устранить одну из пластинок и вращать вторую, или вращать обе пластинки вместе так, чтобы оси их все время составляли неизменный угол, то мы не обнаружим никакого изменения в интенсивности проходящего пучка. Таким образом, изменение интенсивности происходит только тогда, когда свет, прошедший одну из пластинок, встречает другую, ось которой меняет свое направление по отношению к оси первой.

§ 145. Гипотезы, объясняющие наблюдаемые явления. Понятие о поляризованном свете. Итак, свет, прошедший сквозь

турмалин, приобретает особые свойства. Свойства световых волн в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, становятся анизотропными, т. е. неодинаковыми относительно плоскости, проходящей через луч и ось турмалина. Поэтому способность такого света проходить через вторую пластинку турмалина зависит от ориентации оптической оси этой пластинки относительно оптической оси первой пластинки. Такой анизотропии не было в пучке, идущем непосредственно от фонаря (или солнца), ибо по отношению к этому пучку ориентация турмалина была безразлична.

Можно объяснить все наблюдающиеся явления, если сделать следующие выводы.

1. Световые колебания в пучке направлены п е р п е н д и- к у л я р н о к линии распространения света (световые волны поперечны).

2.Турмалин способен пропускать световые колебания только

втом случае, когда они направлены определенным образом относительно его оси (например, параллельно оси).

370Гл. XVI. Поляризация света и поперечность световых волн

3.В свете фонаря (Солнца) представлены поперечные колебания л ю б о г о н а п р а в л е н и я и притом в о д и н а к о в о й доле, так что ни одно направление не является преимущественным.

Мы будем в дальнейшем называть свет, в котором в одинаковой доле представлены все направления поперечных колебаний,

естественным светом.

Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одинаковой степени проходит через турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2, способен пропускать световые колебания только определенного направления. Действительно, как бы ни был ориентирован турмалин, в естественном свете всегда окажется одна и та же доля колебаний, направление которых совпадает с направлением, пропускаемым турмалином. Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, что из поперечных колебаний о т б и р а ю т с я только те, которые могут пропускаться турмалином. Поэтому свет, п р о ш е д ш и й ч е р е з т у р м а л и н, будет представлять собой совокупность

поперечных колебаний о д н о г о направления, определяемого ориентацией оси турмалина. Такой свет мы будем называть линейно поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось светового пучка, — плоскостью поляризации.

Теперь становится понятным опыт с прохождением света через две последовательно поставленные пластинки турмалина. Первая пластинка п о л я р и з у е т проходящий через нее пучок света, оставляя в нем колебания только о д н о г о направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин п о л н о-

ст ь ю только в том случае, когда направление их с о в п а д а е т

снаправлением колебаний, пропускаемых вторым турмалином, т. е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колебаний в поляризованном свете п е р п е н д и к у л я р н о к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмалином, то свет будет п о л н о с т ь ю з а д е р ж а н. Это имеет место, когда

пластинки турмалина, как говорят, с к р е щ е н ы, т. е. их оси составляют угол 90◦. Наконец, если направление колебаний в поляризованном свете составляет острый угол с направлением, пропускаемым турмалином, то колебания будут пропущены лишь ч а с т и ч н о.

§ 146. Механическая модель явлений поляризации. Объяснение, предложенное в предыдущем параграфе, можно иллюстрировать с помощью механических опытов. Веревка, колеблющаяся в одной плоскости, например в вертикальной, может