Landsberg-1985-T3

· Зеркало 3 направляет плоскую опорную волну на фото­

'пластинку 4, куда приходят и волны, отраженные от

объекта 1.

Существенно, что на каждую точку освещенной части фотопластинки наряду с опорной волной падают C~ToBыe волны, рассеянные всеми участкаыи объекта наблюдения. Поэтому любой участок голограммы содержит полную ИН­ формацию о всем объекте наблюдения.

Запись голограМ~1 по приведенноit выше схеме выдвигает

определенные требования к спектра.1ЬНОМУ составу исполь­

зуемого при этом излучения. Действительно, для ВОЗНИК­

НОВения интерференционных картин как результата супер­ позиции волнового поля, распространяющегося от объекта

наблюдения, и поля опорной волны rcеобходшlO обеспечить

когерентность этих полей при всех разностях хода. Эти разности неизбежно создаются макрорельефом отражаю­

щего свет предмета и могут быть значительными.

Рис. 284. Изображение объекта ПО,1/учено методом обычной фотографии

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

линии используемого излучения должна быть порядка

10-8Л. Между тем ширина спектральной линии ртутной

лампы, даже с невысоким давлением паров, составляет

десятки ангстрем. Следовательно, источники СВета так

3s4

называемого долазерного периода развития оптики мало­

пригодны для голографии. С помощью же лазеров сравни­ тельно легко удовлетворить требования голографии к монохромаТИЧIЮСТИ света. Этим и объясняется бурное

развитие голографии в последнее время, когда лазеры cTaJ.lII доступны многим лабораториям.

Рис. 285. УвеличеНlJое изображенме участка голограммы

Необходимо обратить внимание сщё-на одну деталь. При

записи голограмм протяженных объектов углы между ИН­

терферирующими световыми волнами, падающими на фото­ пластинку, могут достигать существенных величин. Поэто­ му интерференционная картина, образованная на фото­ пластинке, оказывается весьма мелкой и для ее фиксации требуются фотоматериалы с высокой разрешающей способ­ ностыо. Современные голографические фотопластинки имеют

разрешающую способность более 5000 ШТРIIХОВ на 1 мм.

Чтобы иллюстриров.ать первый этап голографирования,

приведем две фотографии. На первой из них (рис. 284)

показано изображение объектов, ПО.lученное методом обыч­

ной фотографии, на второй (рис. 285) - при большом уве­

.Пичснии фотозапись интерференционной картины - гола­

грамма этих объектов, зафИКСИРОВ~lНная с помощью плоской

опорной волны. Как видим, никакого сходства между НИ1llИ

нет.

разглядывать его с разных пространственных точек эр€;о

иия так, как будто он находится перед наблюдателем или

фотоаппаратом.

Восстановленное голограммой волновое поле, как уже

отмечалось, позволяет наблюдать и регистрировать эффеко

ты параллактического смещения деталей объекта. для этого нужно либо изменять взаимную пространственную ориен­

тацию голограммы и просвечивающего ее светового пучка,

либо перемещать глаза наблюдателя (или объектив фото­ аппарата) по отношению к неподвижной голограмме, так

как это делается при разглядывании предмета или группы

освещенных предметов с разных сторон.

Эффект параллактического смещения иллюстрируется

рис. 287. На фотографиях размещение фигур видно как бы с разных точек зрения. Между тем оба изображения полу­

чены с помощью одной голограммы, но фотоаппарат уста­ навливался в различных по отношению к ней положениях. Таким образом, как мы уже говорили, голограмма содержит значительно больший объем информации, чем обычная фото­

графия.

Отметим еще ряд важнейших особенностей голографи­

ческого метода регистрации и воспроизведения оптической информации.

для получения оптических изображений путем просве­

чивания голограммы не требуется использования всей ее площади. Просвечивая любую часть голограммы, можно

полностью восстановить действительное и мнимое изобра­

жения объекта наблюдения. Это является прямым след­

ствием 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 разре­ шающая способность, изображение объекта размывается,

т. е. уменьшается возможность различать мелкие детали

объекта.

Кроме того, в голографии не существует понятий пози­ тива. 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 тол­ щина слоя фотоэмульсии составляет примерно 20 мкм, т. е.

357

Рис. 287. Эффект параллактического ~мещения:, наблюдаемого для

голографических изображений

на ней укладывается около 100 длин световой волны. По­

этому даже при использовании фотопластинок с тонкослой­ ными эмульсиями проявляются некоторые эффекты, свой­

ственные трехмерной структуре. Это в известной мере

358

лимитирует возможности размножения голограмм путем

контактной печати.

Наконец, на одной qютопластинке Можно записать голограммы нескольких объектов, варьируя ориентацию

плаСТИНЮI по отношению к регистрируемым волновым по­

лям п опорной световой волне. Чтобы затем порознь, без помех, восстанавливать с помощью комбинированной го­ лограммы изображения различных объектов, надо просве­

чивать ее l\!онохроматическими световыми пучками, падаю­

ЩJIМИ на го.lограЫl\IУ под разными углами.

§ 142. Голографирование по методу встречных световых пучков. В 1962 г. совеТСЮl1\I физико:..! Ю. Н. Денисюком

был предложен ilJeTO;:!, ПО,lучения голографических изобра­ жений, являющийся развитием практически уже не приме­

нявшегося тогда способа цветной фотографии Липпмана.

Схема такой голографической запис!! приведена на

рис. 288. Объект наблюдения 1 освещается свето!\! лазера

этой волне исходный световой

пучок 4 от лазера выполняет теперь функцию опорной вол­

ны. Поэтому такой вариант получения голограмм называ­ ется также Л1етодом 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 причудли­ вой, так как плоской является лишь опорная волна, а вол­

Iювые фронты, распространяющиеся от освещенного объек­ та наблюдения, ориентированы по-разному.

359

Существенно, что ТОЛСТОС10йная ФОТОЭЫУ,1ЬСИЯ с неод­

народным распреде,1ением почернения предстаВ,1яет собой

трехмерную структуру, в ОТ,1ичие от ДВУI\lерных структур,

какими с высокой степенью приближения можно считать

голограммы рассмотрешюго ранее вида.

Если осветить расходящимся ПУЧ]{QМ бе.10ГО света ГО,10- грамму, зарегистрировашrую в толстослойной эмульсии,

ТО в отражеНIIОМ от нее свете можно будет наблюдать изоб­ ражение объекта исследования.

Рис. 289 и 290 иллюстрируют, каким образом, варьи­

руя ориентацию голограммы по отношеНIIЮ к освещающему

! I I

1//

ее свету, можно получить мнимое или действительное изоб­

ражение объекта наблюдения. Естественно, что на вОСста­

новленном изображении будет виден не весь непрозрачный объект, а ТОЛько та его поверхность, которая была обращена

кфотопластинке во время записи голограммы.

Возможность ИСПОЛЬЗОl3апия источника белого света (lIа­ пример, лампа накаливания, солнце) на стадии восстанов­ ления изображения, записанного на толстослойной голо­ грамме, обусловлена тем, что взаимное усиление световых пучков, отраженных от слоев почернения объемной дифрак­ ционной СТРУКТУРЫ при ее опреде,1енном простраНСТl3ен­ ном периоде и определенном угле наб,1юдения, будет удов­

летворено только для излучения определенной Д,1ИНЫ ВОЛНЫ.

Таким образом, простраНСТIЗенно периодические С,10И объе1\l­

ной дифракционной СТРУКТУРЫ сами осущеСТВ,1ЯЮТ моно­

хроматизацию излучения, необходимую Д,1Я наб,1юдения

голографического изображения. При этоы изображение

восстанавливается в монохроматическом свете.

Разумеется, спектральная разрешающая способность

объемной дифракционной решетки с малым чИСлом слоев

почернения недостаточна для монохроматизации освещаю­

щего голограмму белого света в той же степени, в какой

монохроматично излучение лазера, использованного на

стадии регистрации голограымы. Поэтому изображения,

создаваемые толстослойными голограммами, будут не

вполне монохроматическими.

Кроме того, хотя изображения, получаемые с помощью

освещаеl\IЫХ беnЫI\l светом толстослойных голограмм, яв­ ляются квазимонохроматическими (т.е. не полностью моно­ хроматическими), их цвет в отдельных случаях может за­

метно отличаться от цвета излучения лазера, использован­

ного при записи голограммы. Это связано с воздействием на

фотоэмульсию процессов проявления, а главное, фиксиро­

вания и последующей сушки.

Надо отметить еще одну особенность голограмм, запи­

санных в толстослойных эмульсиях по методу встречных световых пучков. Она обусловлена свойственным гологра­

фии эффектом nсевдоскоnии, который в данном случае

проявляется особенно ярко.

Если записать голограмму по схеме, приведенной на

рис. 288, и восстановить изображение объекта, освещая голо­ грамму в соответствии со схемой, показанной на рис. 289,

то мнимое изображение выпуклого предмета также получит­

ся выпуклым. В действительном же изображении предмета

(рис. 290) выпуклая поверхность предмета будет вогнутой, так как части предмета, располагавшиеся ближе к фото­

пластинке 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 преимущеСТБ голографии перед обыч­ ной фотографией.

Чтобы пояснить принцип цветной голографии, надо на­

помнить, 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 си­

нем. Совмещение трех красок осуществляется при самой

361

примитивной цветной репродукции, выполняемой методом литографии (для высокохудожественной репродукции IIС­

пользуется 10-15-красочная печать).

Учитывая особенности человеческого восприятия, чтобы

восстановить цветное изображение объекта, нужно осве­

тить объект наблюдения Прll заПИСIl голограМ!lIЫ одновре­

менно или последовательно лазерны!l1 излучением трех спек­

тральных линий, отстоящих по длинаы ВОЛН достаточно да­

леко друг от друга. Тогда в толще фоТОЭ~IУЛЬСИИ образуются

три систе!llЫ стоячих волн и соответственно три системы

пространственных решеток с раЗЛИЧНЫ!ll распределением

почернения.

Каждая из систем слоев почернения будет формировать

изображение объекта в своем спектраЛЬНО:\1 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 требова­

ниям хроматического зрения человека.

Голографирование по методу Денисюка и восстановле­

ние изображения по схеме рис. 289 широко используется

для получения высококачественных объемных копий раз­

личных предметов, например, уникальных произведений

искусства.

§ 143. ИСПОJlьзование ГОJlографии в оптической интерферо­ метрии. Как известно, явление интерференции света нахо­

дит обширные и разнообразные применения в физике и технике. Например, интерференция света широко исполь­

зуется 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 изучае­ мый объект сравнивается со специ.ально изготовленным

эталоном, причем поверхности как объекта исследования,

так и эталона должны быть очень тщательно обработаны. Голография может быть применена в интерференцион­

ном исследовании, например, деформаций тела ПРОIIЗВОЛЬ­

ной формы И с произвольным качеством обработки поверх­

ности.

Вернемся к рис. 283, на котором приведена схема голо­ графирования объектов произвольной формы. Пусть мы

желаем, привлекая голографию, исследовать интерферен­

цИOIIIIЫМ методом небольшие деформации объекта, возни­

кающие под действием каких-либо причин.

Экспонируем голографическую пластинку, освещая

объект до того, как он испытал деформации. Не смещая пла­

стинку и не проявляя ее, прервем освещение объекта на

ПРОИЗВОi]ьныii промежуток врел!ени. Во вреыя перерыва

дефорыируе~! объект, не JJЗ~Iеняя, однако, его ПU:lОжеJiИЯ EI голографической установке. Вновь осветиы теперь ужt де­ формированный объект и еще раз экспонируеl\! ГО,10графиче­ скую П:lастинку. Закончив вторую экспозицию, ФОТОП,lа­

стиrrку проявим и отфиксируем обычным способо:.!.

В реЗУ,lьтате на пластинке окажутся зарегистрирован­

ныыи две ГО:lОгра!\п.lЫ, ПО,'1ученные с одной и той же 0110Р­

ной волной. Первой будет голограмма недеформированного объекта, второй - деформированного. Как подчеркива.l0СЬ

выше, запись двух ИЛИ неско,'1ЬКИХ голограмм на одной фо­ ТОП,'1астинке вполне допустима, в отличие от фиксации не­ скольких перекрывающихся оптических изображений на

обычной фотопластинке.

Восстановление изображений недеформированного и деформированного объекта с помощью «ДВОЙНОЙ» голограм­ мы осуществляется по схеме, паказанной на рис. 286. Как было объяснено раньше, полную амплитудную и фазовую информацию несут лишь световые ПУЧКИ 3 и 4, которые мы

ибудем рассматривать.

Поскольку в данном случае просвечивается «двойная» голограмма, за ней возникнут два волновых ПОi]Я 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 голограrvшы ОДНJlМ

пространственно когерентным световым ПУЧКО~I, волновые

поля каждой пары могут интерферировать ~lежду собой и давать стационарную интерференциоппую картину. Но волновое поле 3 отличается от волнового 110.'151 3' (так же как поле 4 от поля 4') тем, что между их голографlJческой записью объект был деформирован. с'педователЫIO, при просвечивании «двойной» голограммы суперпозиция полей 3 и 3' и полей 4 и 4' даст на действительном и МЮI!\ЮМ изоб­

ражениях объекта интерференционную картину, выявляю­ щую его деформации.

Существенно, что при таком способе этаЛОНО1\1 для срав­

нения деформированного объекта служит не специально

363