3 семестр ЭКТ / Физика. Оптика / Методические материалы и лекции / lek_optika

измеряется с использованием стандартной кюветы с известным растворителем.

Спектрофотометр AvaSpes. Производится фирмой Avantes. Измеряет как спектры поглощений, так и излучений в диапазоне длин волн 1,1 мм – 0,2 мкм. Современный прибор с цифровой обработкой информации. Оптическая схема представлена на рис. 4, б, внешний вид – на рис. 7. Прибор удобен тем, что 1) приемник излучения расположен на конце гибкого волновода, что позволяет проводить спектрометрическое изме-рения от труднодоступных источников, 2) вывода информации в виде цифрового файла, либо графиков, которые можно сохранять в памяти ЭВМ.

а)

б)

в)

Рис. 7. а – измерение спектра поглощения; б – вывод информации на экран монитора, в – измерение спектра излучения

181

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. ПРИНЦИПЫ ГОЛОГРАФИИ

1. Общие положения. Голография – это запись на фотопленку информации о предмете на основе интерференционного поля. Слово голография происходит от двух греческих слов: holos – полный, grapho – записывать. Таким образом, с помощью голографии можно получать объемные изображения предмета. Голографию предложил и экспериментально осуществил английский физик венгерского происхождения Денис Габор в 1948 г. Фотопленка с записью на ней интерференционного поля называ-

ется голограммой.

Проще всего понять принцип голографии можно на примере голограммы точки. Точка рассеивает падающий на нее параллельный световой пучок и создает сферическую волну, которая интерферирует с нерассеянной частью падающего пучка; эта интерференционная картина представляет собой систему концентрических колец, которая получила название зонной решетки Френеля. Фотография зонной решетки на прозрачной пластинке (например, стеклянной) и есть голограмма точки. Если эту голограмму осветить параллельным световым пучком, то вследствие дифракции на решетке он соберется в точку, то есть даст изображение (рис. 1). Радиус m-го кольца (m = 0, 1, 2, …,

mmax), обозначаемого rm, при условии rm<< l, где l – расстояние от предмета до фотографической пластинки, определяется формулой

Голограмму любого сложного предмета можно представить как суперпозицию (волновое наложение) зонных решеток от всех точек предмета. Для получения таких голограмм необходимы интенсивные когерентные световые пучки, например, лазерные, и тонкослойные фотографические эмульсии, толщина которых должна быть значительно меньше минимального расстояния между кольцами зонной решетки.

1. Методы записи информации на голограммы. Если воспроизводство изображения с голограмм производится единым образом (см. ниже), то запись информации на голограмму можно производить различными методами.

182

1

l

Рис. 10.1. Голограмма точки: а) запись голограммы, б) вид голограммы, в) чтение голограммы. 1 – опорный пучок, 2 – матовая прозрачная пластинка, 3 – предмет (небольшое тело), 4 – фотопластинка

2.1. Метод Габора. В методе Габора (см. рис. 2, а) предмет представляет собой изображение на прозрачной пластинке 1, на который перпендикулярно падает плоскополяризованный пучок света 2. Проходя через пластинку, свет дифрагирует на изображении предмета, создавая за пластиной интерференционное поле 3, которое фиксируется фотопластинкой 4. Для воспроизведения изображения предмета с помощью голограммы (рис. 2, б) необходимо направить этот же пучок света на голограмму ( прозрачную пластину с изображением предмета убрать!). Дифрагируя на голограмме, свет создает интерференционное поле, которое дает два изображения предмета: мнимое 5 и действительное 6, поэтому при наблюдении изображения предмета имеет место его кажущееся раздвоение.

Недостатком метода Габора является то обстоятельство, что лучи, формирующие действительное 6 и мнимое 5 изображения предмета при воспроизведении распространяются по одному направлению, то есть два изображения и накладываются друг на друга.

183

а)

5 4 6

Рис. 2. а) Запись голограммы: 1 – прозрачная пластинка с изображением предмета, 2 – плоскопараллельный пучок поляризованного монохроматического света. 3 – интерференционное поле, 4 – голограмма; б) воспроизведение изображения: 5 – мнимое, 6 – действительное изображение предмета

2.2. Метод Лейта и Упатниекса. Для устранения этого недостатка в 1962 году американские физики И. Лейт и Ю. Упатниекс предложили видоизменить схему записи голограммы в которой опорный и предметные пучки света падали под разными углами на голограмму так, как показано на рис.5.20. Из рисунка видно, что на фотографическую пластинку записывается интерференционная картина от двух пучков лучей. Воспроизведение производится освещением голограммы опорным пучком света. Основное требование при голографическом изображении – это высокая когерентность световых лучей, которая может достигаться только при использовании лазерных источников света.

184

2.3. Цветные голограммы. Метод Денисюка. В рассмот-

ренных выше методах записи и воспроизведения изображения использовался монохроматический свет, поэтому получающиеся изображения предметов одноцветны. Если освещать предмет несколькими лазерами с различными длинами волн и записывать голограммы на одну и ту же пластинку, то полученная голограмма (она называется цветной голограммой) будет воспроизводить цветное изображения.

Объемные изображения можно получать, используя толстослойные голограммы. Этот метод предложил в 1959 г. Советский физик Ю.Н. Денисюк. Подробно с его методом можно познакомиться в работе [14].

Одна из схем записи цветной голограммы представлена на рис. 3. Здесь вместо пучка лазерного света используется интенсивный источник немонохроматического света типа ртутной лампы, Солнца, лампы накаливания. В этом случае и фотографической эмульсии предъявляются чрезвычайно высокие требования: размер зерен должен быть таким, чтобы они укладывались не менее нескольких тысяч на миллиметр, а установка должна быть устроена так, чтобы полностью исключить воздействие микровибраций. В методе Денисюка толщина эмульсии должна составлять не менее 5 мкм. В этом случае в ней фиксируется объемное интерференционное поле, в котором записывается не менее 5-8 пучностей стоячей световой волны.

Мелкозернистая эмульсия

Зеркало

Рис. 3. Запись голограммы в эмульсии, расположенной на зеркале: падающий 1 и отраженный 2 лучи образуют стоячую волну, которая фиксируется эмульсией

Современная установка по изготовлению цветных голограмм приведена на рис.4.

185

4

2

а)

1

д)

Рис. 4 а – установка по изготовлению цветных голограмм: 1 – массивный оптический стол (вес более 2 т), 2 – лазер, 3 – поворотные зеркала, 4 – отражающий рефлектор, 5 – предмет; б – интерференционная картина, с помощью которой производится настройка системы; в – установка фотопленки перед предметом; г – освещение предмета (картинки) светом, отраженным от рефлектора; д – предмет (картинка) и его голограмма

186

2.4. Методы записи голограмм

1. Голограммы можно записывать от предметного пучка света (рис.5.20) и в том случае, когда эмульсия нанесена на зеркальную поверхность (рис. 3). В обоих случаях интерференция падающей 1 и отраженной 2 волны образует стоячее поле, которое фиксируется эмульсией голограммы.

2. Если опорный пучок является сферической волной (а предметный как обычно – рассеянный свет), то этот метод записи голограммы называется методом Фурье.

3. Голограмму можно получить аналитически в виде массива цифр с помощью математического расчета интерференционного поля. Этот массив чисел называется цифровой голограммой и хранится в памяти ЭВМ. Если затем распечатать цифровую голограмму на фотопленку и осветить светом, то в отраженном свете можно получить объемное изображение предмета.

3. Применение голографии

Ниже мы перечислим наиболее важные применения голографии, которые в настоящее время получили широкое применение.

1.Цифровая голографическая запись в радиоволновом диапазоне позволяет реконструировать изображения предметов, не видимых в оптическом диапазоне. Именно таким способом были составлены голографические карты поверхности Венеры с помощью радиолокационного спутника.

2.Голографическая запись с помощью акустических волн позволяет воспроизводить изображения предметов в размерах, значительно меньше 1 мкм, то есть этот метод позволяет давать изображения предметов, которые не видны в оптический микроскоп. Воспроизведение изображения с акустических голограмм производится программно с помощью ЭВМ. Таким методом контролируется качество интегральных схем.

3.Голографический метод позволяет воспроизвести с неподвижного экрана изображение движущегося объекта. Экспериментальная система голографического кино длительностью около 0,5 минуты была продемонстрирована в октябре 1976 году в Москве на Международном конгрессе по кинематографии [15].

187

Задача.

Вывести формулу для радиуса колец зонной решетки (1). Указание. Воспользоваться тем обстоятельством, что фазы волны на волновой поверхности, проходящие через рассеивающую точку О (рис. 5), одинаковы. Фазы волны в точках О, О1 одинаковы, поэтому оптическая разность хода лучей ОР и

О1Р равна = ОР – ОА = ОР – l. Далее использовать условие l >> rm.

О1 Р

rm

l

О Рис. 5 А

188

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. ЛАЗЕРЫ

Генераторы электромагнитного излучения, в которых излучателями являются молекулярные или атомные системы, называются мазерами ( в радиоволновом диапазоне) и лазерами (в диапазоне длин волн, начиная с инфракрасной области и ниже ). Само слово “лазер” есть аббревиатура от английского названия

“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” - первого оптического генератора, который был создан американским физиком Мейманом в 1960 г.

1. Квантовая теория излучения

Лазеры являются квантовыми генераторами, в основу работы которых положен принцип квантового излучения, суть которого заключается в следующем. Известно, что каждый атом квантовой системы, состоящей из N атомов, может находиться только в дискретных квантовых состояниях с полной энергией E1, E2,… En, En+1,…. Например, в квантовом осцилляторе значения En

En+2,…- свободны. Например, в многоэлектронном атоме энергетические состояния E1, E2,… En занимают электроны атома, последнее значение En имеет валентный электрон (или электроны), находящейся на внешней электронной оболочке

атома, а состояния En+1, En+2,… - свободны, так как на этих оболочках нет электронов. Состояния атома, к котором все

энергетические уровни E1, E2,… En заняты электронами, называется основным. Если электроны атома переходят в какое-либо из энергетических состояний En+1, En+2,…, то он называется возбужденным. Процесс передачи энергии атому от внешних источников называется накачкой квантовой системы. Способы возбуждения (накачки) квантовой системы рассмотрим ниже. Обратный процесс перехода из возбужденного состояние в основное называется инверсией. Совокупность атомов в возбужденном состоянии составляет инверсионную населенность. Чем больше атомов находится в возбужденном состоянии, тем больше инверсионная населенность.

189

Возбужденное состояние атома является неустойчивым и через некоторый промежуток времени ( порядка 10-8 с) он переходит в основное состояние, излучая фотон с энергией εni , которая определяется разностью энергий возбужденного Ei и основного En состояний

Переходы из возбужденного состояния в основное бывают трех типов: безызлучательные (энергия Ei – En переходит в внутреннюю энергию среды), спонтанные (самопроизвольные) и вынужденные или индуцируемые. Если атомы излучают спонтанно, то результирующее излучение не имеет пространственной когерентности ( световой вектор E не упорядочен и направление излучения случайно ). При индуцированном излучении атом излучает под действием внешнего (вынуждающего) фотона. Основное свойство индуцированного излучения заключается в том, что излучаемый фотон имеет то же направление и ту же поляризацию ( то есть направление вектора E ), что и вынуждающий фотон.

2. Принципы лазерного излучения

В основу работы лазера положены принцип лазерного излучения, которые были разработаны нобелевскими лауреатами Н.Г.Басовым, А.М.Прохоровым (СССР) и Ч.Т. Таунсоном

(США).

Принципы лазерного излучения включают следующие положения.

1.За счет внешнего воздействия (накачки) часть атомов квантовой системы N* переходит в возбужденное состояние.

2.Излучение возбужденных атомов является вынужденным и развивается лавинообразно следующим образом. Вначале спонтанно излучается каким-либо атомом затравочный фотон, который инициирует излучение другого возбужденного атома. В результате образуются два фотона, имеющие одинаковые поляризацию и направление движения. Далее эти два фотоны инициируют излучение следующих двух фотонов, что и приводит к лавинообразному нарастанию числа излучаемых фотонов, имеющих одинаковые направление движения и поляризации.

190