Голография. 
Электроника. 
Часть 3 квантовая и оптическая электроника

Принципы голографической обработки информации

Голография (от греческого holos — весь, полный и grapho — пишу, рисую) представляет собой метод записи, воспроизведения и преобразования оптических световых полей.

В основе голографического метода записи лежит регистрация интерференционной картины, образованной волной отраженной от предмета (предметная волна) и когерентной с ней волной от источника света (опорная волна).

При взаимодействии опорной и предметной волн получается новая волна, амплитуда которой является результатом сложения амплитуды опорной волны и амплитуды предметной волны в каждой точке плоскости голограммы; сложение амплитуд происходит в зависимости от фазы каждой волны. Результатом сложения являются точки, в которых наблюдаются интенсивности в пределах от суммы амплитуд до их разности. Пространственное распределение интенсивностей называют интерференционной картиной.

Итак, опорная волна и предметная волна взаимодействуя между собой, образуют распределение интенсивности по закону: или

Из этих соотношений следует, что интенсивность излучения в любой точке голограммы от воздействия опорной и предметной волн является суммой интенсивностей отдельных волн и интерференционной составляющей, пропорциональной разности фаз. Под голограммой подразумевается плоскость, в которую помещается фотопластинка для фиксации распределения светового поля. Из выражения (9.5) также следует, что разность фаз модулирует амплитуду интерференционной составляющей. Вот поэтому этот процесс и называется голографией, поскольку фаза опосредованно записывается и является составляющей интенсивности. Другими словами, записывается вся информация о световой волне и фаза, и амплитуда. Записанную интерференционную картину можно интерпретировать как суперпозицию многих интерференционных полос или множество дифракционных решеток.

На стадии восстановления изображения голограмма освещается когерентным светом той же длины волны. При падении лазерного пучка /₀ на дифракционную решетку часть лазерного излучения проходит прямо, одновременно формируются пучки по двум направлениям + / и -/, отклоняющихся на угол © от основного пучка. Угол 0 зависит от шага (периода) дифракционной решетки (рис. 9.4).

При восстановлении голограммы, представляющей собой суперпозицию множества дифракционных решеток с разным шагом, происходит дифракция света на интерференционных полосах.

Для плоской волны, падающей на дифракционную решетку, справедливо условие Брэгга.

Рис. 9.3. Схема записи голограммы (а) и процесса образования интерференционной картины на голограмме (б): 1 — когерентный пучок света; 2— линза для расширения пучка;

• 3 — опорная волна (ОВ); А— предметная волна (ПВ); 5 — голографируемый объект; 6 — зеркало;
• 7 — голограмма

где d— шаг решетки, 0— направление на главный максимум, X— длина волны излучения.

Таким образом, при освещении голограммы опорной волной часть дифрагированного на ней света воссоздает волновой фронт, который шел от объекта при записи голограммы. Создается так называемое действительное изображение в том месте, где ранее находился объект. Одновременно восстанавливается сопряженная волна, формирующая мнимое изображение.

Рис. 9.4. Дифракция плоской волны на дифракционной решетке (а) и схема восстановления изображения с голограммы (б): 1 — лазерное излучение: 2— линза;

3 — зеркало; 4 — голограмма; 5 — действительное изображение; б — мнимое изображение Пропускание фотопластинки с записью опорной и объектной волн выражается уравнением (9.4) и после проявления фотопластинки будет пропорционально /. Если эту проявленную пластинку-голограмму осветить опорной волной, то пройдет волна, описываемая.

уравнением:

В ЭТОМ уравнении еиь |уи слшасмыл.

• 1. (UJ[² + U_llf>²)U_tip— предметная волна U,₄" амплитуда которой промодулирована коэффициентом (|l/J^l +1 UJi²).
• 2. U^UJ¹ = 2U_imU_l4, exp (iip_ir) — объектная или предметная волна U_l4>t промодулироваиная коэффициентом и,".
• 3. - ^иЦу>^асхр[/(2ф_(М — — волна, комплексно-сопряженная с объектной. Она

несет информацию с отличной от объектной волны фазой. Поэтому мнимое изображение псевдоскопично или изображение видно как бы изнутри.

Голограмма обладает рядом уникальных свойств:

• ? Каждый фрагмент голограммы обладает свойством воспроизводить полную записанную информацию. *
• ? Голограмма способна регистрировать и воспроизводить состояние поляризации предметной волны. Картина интерференции в этом случае характеризуется не изменением интенсивности поля, а модуляцией состояния поляризации. В этом случае слои с линейной поляризацией соседствуют со слоями, в которых поляризация циркулярная В свою очередь эти слои граничат со слоями, где поляризация линейна, но уже в ортогональном направлении. Глаз это не различает, но такой способ эквивалентен записи двух голограмм на одной пластинке.
• ? Голограмма способна формировать обращенную волну, что позволяет компенсировать искажения, вносимые оптически неоднородными средами.
• ? Двумерная голограмма позволяет масштабировать изображение при изменении длины волны источника излучения.
• ? Объемная голограмма способна хранить информацию, пропорциональную трехмерной гармоники с характерным размером ХхХхХ, где — длина волны. Таким образом, в объеме 1 см³ при длине волны = 5 мкм помещается 10^й независимых гармоник.
• ? Ассоциативные свойства голограммы сводятся к следующему: если зарегистрировать два изображения, А и В и осветить голограмму излучением от одного из изображений, например А, то получим другое изображение В. Возможно и наоборот.
• ? Голограмма осуществляет восстановление одного из изображений, если восстанавливающее изображение смещается параллельно самому себе во входной плоскости. Это свойство Фурье-голограммы, получаемой от транспората в фокальной плоскости линзы.