Голография. Лекция 16(3)

1. Лекция 16. Голография

2.

Вопросы:
Голография как способ
записи и
восстановления
светового волнового
поля
Опорная и предметная
волны
Запись и воспроизведение
голограмм
Свойства голограмм
Применение голографии

3. Голография как способ записи и восстановления светового волнового поля

Голографией называют способ записи и восстановления
структуры световых волн (светового волнового поля),
основанный на явлениях дифракции и интерференции
когерентных световых пучков.
В переводе с греческого «голография» означает
«полная запись».
В отличие от обычной фотографии, голография – это
принципиально иной метод получения объемных изображений
предметов.

4. Опорная и предметная волны

В этом методе регистрируется не оптическое
изображение предмета, а интерференционная картина,
возникающая при наложении световой волны,
рассеянной (отраженной) предметом съемки (это так называемая
предметная волна) и когерентной с последней опорной волны,
идущей непосредственно
от того же источника света.
Эта интерференционная картина фиксирует на фотопластинке
информацию о распределении не только амплитуд
(и, соответственно, интенсивности), но и фаз колебаний в
предметной волне.
Зарегистрированную интерференционную картину принято назвать
голограммой.
Вывод. Голограмма несет в себе значительно более полную
информацию об объекте съёмки, нежели обычный фотоснимок.

5.

Опорная и предметная волны
Историческая справка о голографии
Основы голографии были заложены в 1947 году в экспериментах
английского физика Д. Габора. Желая усовершенствовать
электронный микроскоп, Габор предложил регистрировать
информацию не только об интенсивностях, но и о фазах
электронных волн, отраженных от кристаллических узлов
исследуемых образцов. Однако отсутствие мощных источников
света с высокой степенью временной и пространственной
когерентности (это требование диктовалось большой оптической
разностью хода опорной и предметной волн), не позволило ему
получить качественных голографических изображений.
«Второе рождение» голография пережила в в начале 60-х годов
20 в., когда американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс
применили в качестве источника света лазер и разработали
схему с наклонным опорным пучком. А вскоре (в середине 60-х
годов) советский физик Ю.Н. Денисюк предложил идею и
осуществил запись голограммы в трехмерной среде, положив
начало объемной, цветной голографии.

6. Запись и воспроизведение голограмм

Суть голографического метода можно пояснить с помощью
рисунка 1. Фотопленка (ФП) регистрирует интерференционную
картину, которая возникает при наложении предметной волны
1, рассеянной объектом съемки и когерентной с ней опорной
волны 2, имеющей фиксированные значения амплитуды и
фазы. Волна испускается тем же источником света (лазером),
что освещает объект (А), и после отражения от зеркала (З)
падает на фотопластинку.
Зафиксированная
на
(ФП)
интерференционная
картина
после
«проявки»
дает
голограмму,
которая
представляет
собой
очень
мелкий и замысловатый узор из
чередующихся максимумов и
минимумов
почернения
фотоэмульсии и, в отличие от
обычного фотоснимка, не имеет
общего сходства с объектом (А).

7. Запись и воспроизведение голограмм

Полученная
голограмма
в
закодированной
форме
содержит полную информацию об амплитудах и фазах
рассеянной предметной волны.
Восстановление изображения объекта (А) по его голограмме (Г)
осуществляют, просвечивая последнюю как диапозитив (слайд)
опорной волной (2) от того же самого лазера (причем при той же
ориентации,
которая
была
использована
при
снятии
голограммы).(см. Рис.2)

8. Запись и воспроизведения голограмм

Волна 2 дифрагирует на голограмме (на интерференционной структуре), в
результате чего наблюдаются два объемных изображения объекта съемки
– мнимое (А’) и действительное (А”).
Мнимое изображение (А’) находится в том месте (по отношению к
голограмме), где был реальный объект (А) при съемке. (А’) – видно сквозь
голограмму, как через окно.
Действительное изображение (А”) расположено по другую сторону
голограммы. Оно как бы «висит» в воздухе перед голограммой (Г) и
является зеркальным изображением объекта.
Обычно пользуются мнимым голографическим изображением (А’),
которое по своему зрительному восприятию тождественно самому
объекту. Оно не только обладает свойством объемности, но и его
перспектива изменяется в зависимости от положения глаза наблюдателя
по отношению к голограмме. Например, перемещая голову вдоль
голограммы, можно «заглянуть» за предмет, находящийся на переднем
плане голографии изображения.

9.

Запись и воспроизведения голограмм
Замечание. Изменение положения объекта (А) [или его
отдельных частей] приводит к изменению не только
интенсивности
интерференционных
максимумов,
но
и
расстояния между ними. Последнее же характеризует, как
известно, определенную разность хода, или разность фаз
между интерферирующими пучками. Поэтому и говорят, что
голограмма содержит информацию об амплитуде волны и ее
фазе. Этого достаточно, чтобы восстановить предметную
волну в том виде, в каком она была действительности в месте
распределения.
Таким образом, зафиксированная волна «оживает» с
помощью голограммы и создает полную иллюзию реальности
наблюдаемых предметов.

10.

Свойства голограмм
• Основное
свойство голограммы, отличающее ее от
фотоснимка, где регистрируется только распределение
амплитуды падающей на фотослой предметной волны, состоит в том, что на голограмме регистрируется
также и распределение фазы предметной волны
относительно фазы опорной волны. Информация об
амплитуде предметной волны записана на голограмме в
виде
контраста
интерференционного
рельефа,
а
информация о фазе – в виде формы и частоты
интерференционных полос. В результате голограмма при
освещении ее опорной волной восстанавливает полную
копию предметной волны.
• Голограмма, регистрируемая обычно на негативном
фотоматериале, подобна позитивной записи, т.е. светлым
местам
объекта
соответствуют
светлые
места
восстановленного изображения, а темным – темные.

11.

Свойства голограмм
• Интерференционная
картина в каждой точке голограммы
определяется светом, рассеянным всеми точками снимаемого
объекта. Поэтому любой участок голограммы содержит
информацию обо всем объекте и позволяет восстановить
изображение всего объекта, если при повреждении голограммы
сохранился только один этот ее участок. Следует иметь ввиду,
что чем меньше размеры сохранившейся части голограммы, тем
меньше света дифрагирует на ней на стадии воспроизведения
изображения. Соответственно снижается яркость и ухудшается
четкость голографического изображения объекта (как говорят,
уменьшается дифракционная эффективность голограммы).
Замечание.
Таким
образом,
голограмма
значительно
превосходит обычный фотоснимок (фотонегатив) по надежности
хранения полной информации (в фотоснимке каждый элемент
содержит запись только об изображенной на ней части
снимаемого объекта).

12. Свойства голограмм

Голографическая запись информации отличается
большой емкостью и компактностью. Так, на одной
фотопластинке можно записать достаточно много
голограмм от разных объектов, причем изображение
каждого объекта можно восстановить без помех со
стороны других изображений. Это можно сделать,
изменяя каждый раз, например, угол падения опорной
волны на фотопластинку.
Голография
позволяет
получить
цветные
объемные изображения объектов.
Для изготовления цветной голограммы используется
монохроматический свет лазеров трех основных цветов
(красный, зеленый, синий). Запись интерференционных
картин, соответствующих свету трех длин волн, может
производиться
либо
одновременно,
либо
последовательно на одной и той же пластинке. Для
воспроизведения цветного объемного изображения
объекта нужно одновременно направить на голограмму
под соответствующими углами три опорных пучка,
использованных при записи.

13. Свойства голограмм

Особыми свойствами обладают объемные голограммы,
получаемые с помощью толстослойных фотоэмульсий. На такой
голограмме
фиксируется
не
плоская,
а
пространственная
интерференционная
картина,
возникающая
при
наложении
предметной
и
опорной
волн.
Эта
голограмма
подобна
пространственной дифракционной решетке.
Здесь должно выполняться условие:
толщина светочувствительного слоя (δ) много больше расстояния
между поверхностями интерференционных максимумов. В этом
случае голограмму считают объемной.
Такая голограмма способна выделять из падающего на нее белого
света монохроматический свет такой длины волны, который был
использован при записи голограммы. Поэтому восстановление
изображения, записанного в виде объемной голограммы, можно
осуществить как в соответствующем монохроматическом, так и в
белом свете. Для объемной «цветной» голограммы достаточно
только белого света.
[ Это идеи Н. Денисюка]

14. Применение голографии

Трехмерные свойства голографических
изображений используются:
• в лекционных демонстрационных аппаратах;
• при создании объемных копий произведений искусства,
голографических портретов;
• при исследовании движущихся частиц, капель
жидкости, треков ядерных частиц в пузырьковых камерах
(или в искровых камерах)
Объемность
изображения
делает
перспективным
создание голографического кино и телевидения. Однако
здесь еще существуют технические трудности по созданию
больших, динамических голограмм (для кинозалов) и
трудности с передачей по телеканалам трехмерных
движущихся сцен (необходимо увеличить на несколько
порядков полосу пропускания канала).