книги из ГПНТБ / Вьено, Ж. -Ш. Оптическая голография. Развитие и применение
.pdfГлава 8
Методы, основанные на оптической голографии
Одно из самых существенных свойств голограммы — возмож ность использования ее в качестве комплексного оптического эле мента — было широко прокомментировано в предыдущей главе. Из первых глав книги можно понять, что такой оптический компо нент может выступать во многих качествах. Мы видели голограммы, играющие роль линз, голограммы, отклоняющие пучки (эффект призмы), разлагающие свет в спектр, голограммы-дифракционные решетки, голограммы-селекторы и интерференционные фильтры (эффект Липпмана — Брэгга в цветной голографии) и т. д. Кроме того, размеры голограммы (простая фотопластинка или кусок фо топленки), ее вид (черно-белый или даже совершенно прозрачный диапозитив, если голограмма была «отбелена») облегчают получение голограммы и возможности работы с ней.
Голограмма тем не менее отличается от других оптических эле ментов тем, что ее почти всегда получают в специализированных оптических лабораториях в единственном экземпляре. Возможнос ти копирования голограмм ограниченны. Было бы естественно, если бы теоретики попытались рассчитывать голограммы исходя из заданного распределения амплитуд и фаз. Тогда можно было бы разрешить не только проблему их серийного, даже промышленного, производства, но и проблему получения голограмм объектов, ко торые реально не существуют (синтетические голограммы и «кинофор мы», рассчитанные электронно-вычислительной машиной).
Наконец, так как работа всякого элементарного оптического прибора определяется как геометрическими, так и волновыми свойствами видимого излучения, было бы естественно применить принципы голографии ко всему электромагнитному спектру и к другим волновым явлениям — механическим или акустическим и даже к пучкам электронов. Мы дадим в общих чертах представление о некоторых перспективах такого применения.
ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ РЕШЕТКИ — Ф И Л Ь Т Р Ы ВРЕМЕННЫХ ЧАСТОТ
Если в линейной среде зарегистрировать результаты интерфе ренции двух когерентных пучков, то получим синусоидальную решетку в том случае, когда интерферирующие волны плоские и
Методы, основанные на оптической голографии |
175 |
закрепление, промывка, просушка), проводимые с фотоэмульсией,— все это ухудшает качество восстановленных спектров. Некоторые вещества, такие, как бихроматнзированный желатин, хорошо под ходят для приготовления отражающих решеток высокой разре шающей способности.Коэффициент отражения сильно повышается,
если покрыть поверхность решетки очень тонким |
слоем |
металла. |
|||
Мы у ж е указывали некоторые преимущества голографического |
|||||
„ метода |
изготовления |
решеток: |
возможность получения |
решеток |
|
больших |
размеров, |
создающих |
волны с ошибкой, |
меньшей, чем |
|
À/4, отсутствие дефектов периодичности (духов), свойственных ре шеткам, изготовленным на делительных машинах (фиг. 126 и 127). Кроме того, следует упомянуть о возможности получать спектр на конечном расстоянии благодаря использованию линзовых свойств голографической решетки. Это представляет большой интерес, так как помогает избежать применения оптики, специально при
способленной |
для |
исследуемой спектральной области (объективы |
из флюорита |
или |
кварца). |
Касаясь вклада голографии в спектральный анализ, следует напомнить о фурье-спектроскопии (гл. 6). Восстановление с помощью монохроматического источника дает столько изображений, сколько «длин волн» было использовано при регистрации. Так, для точечного или линейного объекта получаем монохроматический спектр. Наз вание «фурье-спектроскопия» свидетельствует о том, что фотоотпе чаток действительно содержит преобразование Фурье спектраль ного распределения объекта. Это соответствует в действительности идеальному случаю, когда спектральная чувствительность эмуль сии постоянна в исследуемой области. Применение этой техники представляет интерес для качественного анализа прерывистых (вспышка, искры) или невоспроизводимых источников (плазменные разряды).
НЕФОТОГРАФИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ РЕГИСТРАЦИИ ГОЛОГРАММ
В оптическом корреляторе фильтр-голограмма играл роль ас социативной памяти, емкость которой намного превосходит коли чество информации, необходимое для рассмотренных операций. В общем случае голографическая память интересна не только своей большой емкостью, но и высокой пропускной способностью1 . Фото-
1 Основным параметром служит не поверхность и не объем памяти, а полное число элементов информации, необходимое для процесса восстанов ления; эта потенциальная емкость связана с зерном эмульсин: для обычной голографической пластинки разрешение достигает 3000 линий на 1 мм, что существенно превосходит разрешение существующих электрооптических сис
тем. |
Очень |
хороший |
объектив разрешает несколько миллионов точек на |
||
1 дм2 , |
тогда |
как |
на |
пластинке такой |
же площади можно зарегистрировать |
(с учетом эффекта |
близости зерен) 100 |
миллионов точек. Значит, с помощью |
|||
178 |
Глава S |
методов, позволяющих восстанавливать изображения в видимом свете, то можно рассмотреть три типа регистрации, соответствую щих трем основным параметрам, характеризующим объект (с оп тической точки зрения). Эти параметры таковы: амплитуда или интенсивность, фаза или относительная разность хода лучей, при шедших к наблюдателю от разных элементов объекта, цвет.
Первый параметр |
связан с коэффициентом пропускания, |
отра |
жения или рассеяния |
света объектом; второй — с вариациями по |
|
казателя преломления |
или просто с толщиной. Что касается |
цвета, |
он представляет собой результат избирательного поглощения раз личных длин волн или интерференции. Последнее относится к ко герентной дифракции, которую используют в цветной голографии (гл. 4).
Задержимся немного на амплитудных голограммах, с тем чтобы отметить оригинальный способ Кальвара, в котором световое излу чение приводит к образованию микроскопических пузырьков, размеры которых меняются в зависимости от освещенности среды. При восстановлении эти пузырьки рассеивают свет и полученная голограмма обладает любопытным свойством в зависимости от освещения образовывать либо негатив, либо позитив.
Среди многих способов регистрации фазовых голограмм следует указать способ преобразования изменений освещенности в изменения толщины. Возьмем, например, тонкий термопластический диэлекттрический слой, в котором световое излучение создает фиксиро ванное распределение электрических зарядов. Если нагреть обра зец после регистрации, то вещество размягчится. Если поднести теперь к нему равномерно заряженную плоскую пластинку, вза имное притяжение или отталкивание зарядов создаст рельеф в тех местах термопластинки, которые прежде были освещены. Теперь достаточно его охладить, чтобы надолго сохранить отпечаток. Этот способ может представлять коммерческий интерес, если станет возможным изготовлять матрицу по оригиналу и размножать голо граммы, как грампластинки.
Однако невозможность повторного использования фотопластин ки является в некотором смысле неудобством. Преимущества маг
нитофонной ленты |
перед |
грампластинкой |
заставляют искать ана |
|||
логичные |
возможности |
стирания и повторной регистрации |
голо |
|||
грамм в одной и той ж е среде. Эта проблема |
может быть |
разрешена |
||||
•с помощью фотохромных стекол (фиг. 128). |
|
|
. ^ |
|||
Возьмем кристалл фтористого кальция, содержащий |
включения |
|||||
самария и европия. При освещении его зеленым светом |
(около |
|||||
5000 À) |
кристалл |
меняет цвет, т. е. начинает поглощать |
другие |
|||
длины волн. Падающая световая энергия, следовательно, |
регистри- і |
|||||
руется кристаллом |
в виде вариаций окраски, и необходимость в |
|||||
каком-либо проявлении отпадает. Поместив кристалл в пучок
.красного света (6000 À), можно восстановить высококачественное
Методы, основанные |
на оптической голографии |
179" |
изображение. Напротив, если |
использовать синий |
свет (4000 Â), |
то регистрация стирается. Цикл можно возобновлять столько раз, сколько нужно. Это явление можно использовать в объемном теле видении: экран фотокатода с напыленным на него фотохромным. слоем мог бы воспроизводить переданную по проводам голограмму,
а другой |
пучок восстанавливать соответствующее изображение. |
При использовании фтористого кальция или титаната стронция, |
|
или любых |
других фотохромных веществ стирание происходит как. |
^Состояние А
0,Ц |
0,5 |
0,6 |
ты |
Валентная зона |
|
Ф и г. |
128. Схема |
действия |
фотохромных фотоматериалов. |
||
Вещество поглощает свет в области |
спектра |
около 0,4 мкм |
(состояние А) н меняет окраску, |
||
т. е. оказывается в состоянии В за счет передачи одного из электронов атома |
самария (Sm+ + )' |
||||
атому европия (Еч++). Таким образом, мы можем читать с |
помощью фотонов |
с энергией |
|||
стирать запись фотонами Ее и записывать снова фотонами £,• (по 3. Дж . Киссу). |
|||||
при освещении светом определенной длины волны, так и самопроиз вольно по истечении определенного времени. Д а ж е при считывании происходит потеря информации. Емкость кристалла около 107
битов, разрешение 200 штрихов/мм, а энергия |
регистрации |
несколь |
||||
ко миллиджоулей на 1 см2 . |
|
|
|
|
||
Чувствительность |
фотохромных |
веществ |
выше |
довольно слабой |
||
чувствительности |
фотоэмульсий, |
но ниже, |
чем |
чувствительность- |
||
термопластиков |
(к |
сожалению, |
старение |
полимеров |
не поз |
|
воляет применять их для повторных регистрации, в то время как способность поверхности полимеров деформироваться дает возмож ность изготовлять очень точные отпечатки).
В литературе описаны многие другие вещества, которые могут служить голографической средой и обладают в некоторых отно шениях превосходными качествами. Так, некоторые ферроэлектрические кристаллы регистрируют от 1500 до 2000 штрих/мм. Одинединственный кристалл ниобата лития может накопить более 1000 голограмм, правда, энергия, которая требуется для этого, достііѵ гает нескольких джоулей на 1 см 2 .
Ѵ . 7 *
