Голография. 
Оптика

Идея голографического способа записи информации принадлежит английскому ученому Деннису Габору (лауреату Нобелевской премии 1971 г.) и была высказана им еще в 1948 г. Однако практически она была впервые реализована лишь после изобретения лазеров американскими учеными Лейтом и Упатниексом лишь в 1963 г.

Голография — это способ записи и воспроизведения изображения, при котором регистрируется не сфокусированное изображение предмета (как в фотографии), а исходящий от него волновой фронт.

Термин «голография» происходит от греческого слова «голо», которое означает «весь», «целый». Этим изобретатель голографии хотел подчеркнуть, что в голографии регистрируется полная информация о волне, идущей от предмета, — как амплитудная, так и фазовая.

В соответствии с принципом Гюйгенса — Френеля действие исходной, первичной волны в произвольной области можно заменить действием вторичных когерентных источников, излучающих свет с определенными амплитудой и фазой. Выбрав эти источники, можно забыть о первичной волне. Волны, испускаемые вторичными источниками, интерферируя, восстановят за пределами этой области копию первичного волнового поля. Глаз или любой другой приемник не сможет отличить эту копию от поля волны, рассеянной самим предметом.

Голографическая запись изображения осуществляется следующим образом. Предмет освещается когерентным излучением от лазера (обладающим, как известно, большой длиной когерентности). Отраженные от предмета лучи (предметная волна) и опорная волна интерферируют между собой, образуя области максимума и минимума в пространстве. Если в эту область пространства поместить фотопластинку (рис. 6.27) и зарегистрировать эту интерференционную картину (такая фотопластинка и называется голограммой) таким образом, чтобы в области максимума фотопластинка была прозрачной, а в области минимума — непрозрачной, то, пропуская затем через эту голограмму опорную волну, мы получим точную копию волны, которая ранее шла от предмета. Поэтому наблюдатель будет видеть изображение предмета, причем в объемном виде.

Рис. 6.27.

Оказалось, что наряду с волной, дающей мнимое изображение предмета в том месте, где он находился при записи, имеется еще одна, сопряженная волна, дающая действительное изображение предмета. Действительное изображение располагается по другую сторону голограммы (рис. 6.28). Обычно увидеть его невооруженным глазом трудно, но если в область, где оно образуется, поместить фотопластинку или матовое стекло, то можно получить его двумерную проекцию.

Рис. 6.28.

Рассмотрим, как получается голограмма и восстанавливается волна от простейшего предмета — точки. Точка рассеивает световую волну, фронт которой в каждый момент времени является сферой. Пусть на расстоянии а от точки располагается фотопластинка (рис. 6.29). На эту фотопластинку падают сферическая рассеянная волна, а также плоская опорная волна. Интерференционная картина от этих волн на поверхности фотопластинки имеет вид концентрических светлых и темных колец. Поскольку оптическая длина пути от точечного источника до к-го кольца равна а + кХ, то из геометрических построений ясно, что.

Рис. 6.29.

Следует, однако, иметь в виду, что переход от светлого к темному кольцу происходит не скачком, а плавно, приблизительно по синусоидальному закону. Таким образом, голограмма от точечного предмета представляет собой разновидность синусоидальной дифракционной решетки (так называемой зонной решетки Френеля).

Расстояние между соседними кольцами может быть определено следующим образом:

Таким образом, постоянная решетки (расстояние между соседними кольцами) в нашем случае на самом деле не является постоянной, а уменьшается с ростом номера кольца (так как знаменатель растет быстрее, чем числитель, из-за малости X по сравнению с а). Если такую синусоидальную решетку осветить нормально падающим пучком той самой волны, что и при формировании решетки, то, как известно, за решеткой образуется три пучка (нулевого и плюс, минус первого порядков). Пучок нулевого порядка совпадает с направлением опорной волны. Пучки плюс первого и минус первого порядков должны удовлетворять условию (см. параграф 6.7).

Поскольку Аг_к уменьшается с ростом номера кольца, то это значит, что углы, под которыми распространяются лучи плюс первого и минус первого порядков, закономерно увеличиваются с ростом к (рис. 6.30).

Рис. 6.30.

Покажем, что лучи первых порядков образуют сходящуюся и расходящуюся сферические волны, причем лучи (или их продолжение) сходятся именно на расстоянии а от решетки. Предположим, что к-й луч пересекает ось симметрии на расстоянии х от решетки. Из рис. 6.29 очевидно, что

Отсюда.

т. e. независимо от к все лучи пересекают ось симметрии на одном и том же расстоянии — а.

Итак, при прохождении опорной волны через голограмму точечного предмета — зонную решетку Френеля, мы получаем три пучка:

• 1) пучок, являющийся продолжением опорного пучка (соответствует нулевому порядку, к = 0);
• 2) расходящаяся волна, исходящая из точки, расположенной на расстоянии а от решетки, т. е. там, где помещался точечный предмет при голографировании (дает мнимое изображение предмета);
• 3) сходящаяся волна, которая собирается в точку на расстоянии а от решетки по другую ее сторону (дает действительное изображение предмета).

Результат, полученный для точки, нетрудно распространить на предмет любой формы, состоящий из множества точек, рассеивающих свет. В этом случае голограмма представляет собой наложение зонных решеток Френеля и имеет сложный интерференционный узор.

Итак, если голограмму, полученную в результате регистрации интерференционной картины от опорной волны и волны, идущей от предмета (предметной волны), осветить опорной волной, то в результате дифракции света восстановится предметная волна.

Это основной принцип голографии.

Из приведенных выше рассуждений ясно, что любой участок голограммы восстанавливает изображение точечного предмета.

Этим же свойством обладает и голограмма более сложного предмета. Конечно, меньший участок голограммы восстановит меньший участок волнового фронта, и качество изображения, его контрастность будут ухудшаться. Тем не менее голограмма, как носитель информации, обладает высокой избыточностью (части голограммы несут информацию о всем предмете) и, как отмечалось, дает объемное изображение предмета.

Поскольку в действительном изображении точки, соответствующие углублению в предмете (т. е. большему а), будут находиться дальше от голограммы, то вогнутые детали исходного предмета будут представляться в действительном изображении как выпуклые (рис. 6.31). Это свойство действительного изображения голограммы называется псевдоскопичностью.

Если регистрировать голограмму в толстых фотослоях (толщина фоточувствительного слоя много больше расстояния между соседними интерференционными полосами), то можно получить трехмерную голограмму. Впервые трехмерные голограммы реализовал Денисюк. Трехмерная голограмма может рассматриваться как множество двумерных голограмм, составленных в пачку. Наличие дополнительных отражающих слоев ведет к подавлению пучка нулевого порядка, а также пучка, обеспечивающего образование действительного изображения. Поэтому в трехмерных голограммах обычно образуется только мнимое изображение. Расходящиеся пучки, отраженные от разных слоев решетки, будут усиливать друг друга (а значит, и наблюдаться) только в том случае, если они оказываются синфазными, что может выполняться только для той длины волны, в которой регистрировалась голограмма.

Рис. 6.37.

Таким образом, объемная (трехмерная) голограмма имеет избирательность по отношению к длине волны источника света. Поэтому появляется возможность восстанавливать изображение с помощью источника сплошного спектра (дневной свет, свет лампы накаливания) — это достоинство голограмм Денисюка. Кроме того, если производить экспонирование голограммы в свете нескольких спектральных линий (например, красной, зеленой, синей), то восстанавливаемое изображение можно получить цветным.

Голография является наиболее естественным и удобным способом записи объемного изображения. Кроме того, голограмма несет значительно большее число независимых сведений об объекте на единицу площади голограммы, чем другие носители. Так, число независимых сведений, регистрируемых голограммой: N = (L/90², где L — линейные размеры голограммы; X — длина волны лазерного излучения. Кроме того, считывание информации с голограммы тоже может осуществляться очень быстро. Минимальное время экспозиции луча, необходимое для восстановления изображения (информации), определяется соотношением т > Д/с, где, А — разность хода между волнами, идущими от крайних участков голограммы. Таким образом, голографическая запись информации может использоваться при создании быстродействующих оптоэлектронных вычислительных машин с большим объемом памяти.

Важным применением голографии является голографическая интерферометрия. Суть этого метода заключается в последовательной регистрации на одной фотопленке голограмм, образующихся от объекта в двух различных состояниях, например до и после деформации. При просвечивании такой «двойной» голограммы образуется два практически совпадающих изображения объекта. В тех местах объекта, где произошли изменения (например, вследствие деформации), происходит интерференция восстановленных волн, что проявляется в возникновении интерференционных полос. По виду и размерам полос можно судить о характере и величине изменения формы объекта. Голографическая интерферометрия может применяться к объектам с любым качеством поверхностей (в отличие от обычной интерферометрии).