ГОЛОГРАФИЯ

ГОЛОГРАФИЯ

       

(от греч. holos — весь, полный и grapho — пишу), способ записи и восстановления волн. поля, основанный на регистрации интерференц. картины, к-рая образована волной, отражённой предметом, освещаемым источником света (п р е д м е т н а я волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна; рис. 1, а). Зарегистрированная интерференц. картина наз. г о л о г р а м м о й. Голограмма, освещённая опорной волной, создаёт такое же амплитудно-фазовое пространств. распределение волн. поля, к-рое создавала при записи предметная волна. Т. о., в соответствии с Гюйгенса — Френеля принципом, голограмма преобразует опорную волну в копию предметной волны (рис. 1,6).

.

Рис. 1. Схемы получения голограммы (а) и восстановления волн. фронта (б); штриховкой показаны зеркала.

Основы Г. были заложены в 1948 физиком Д. Габором (Великобритания). Желая усовершенствовать электронный микроскоп, Габор предложил регистрировать информацию не только об амплитудах, но и о фазах электронных волн путём наложения на предметную волну попутной когерентной опорной волны. Модельные оптич. опыты Габора положили начало Г. Однако отсутствие мощных источников когерентного света не позволило ему получить качественных голографич. изображений. Второе рождение Г. пережила в 1962—63, когда амер. физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс применили в кач-ве источника света лазер и разработали схему с наклонным опорным пучком, а Ю. Н. Денисюк осуществил запись голограммы в трёхмерной среде (см. ниже), объединив, т. о., идею Габора с цветной фотографией Липмана. К 1965—66 были созданы теор. и эксперим. основы Г. В последующие годы развитие Г. идёт гл. обр. по пути совершенствования её применений.

Пусть интерференц. структура, образованная опорной и предметной волнами, зарегистрирована позитивным фотоматериалом. Тогда участки голограммы с макс. пропусканием света будут соответствовать тем участкам фронта предметной волны, в к-рых её фаза совпадает с фазой опорной волны. Эти участки будут тем прозрачнее, чем большей была интенсивность предметной волны. Поэтому при последующем освещении голограммы опорной волной в её плоскости непосредственно за ней образуется то же распределение амплитуды и фазы, к-рое было у предметной волны, что и обеспечивает восстановление последней.

Для восстановления предметной волны голограмму освещают источником, создающим копию опорной волны. В результате дифракции света на интерференц. структуре голограммы в дифракц. пучке первого порядка восстанавливается копия предметной волны, образующая неискажённое мнимое изображение предмета, расположенное в том месте, где предмет находился при голографировании. В случае двухмерной голограммы одновременно восстанавливается сопряжённая волна минус первого порядка, образующая искажённое действит. изображение предмета. Углы, под к-рыми распространяются дифракц. пучки нулевых и первых порядков, определяются углами падения на фотопластинку предметной и опорной волн. В схеме Га-бора источник опорной волны и объект располагались на оси голограммы (осевая схема). При этом все три волны распространялись за голограммой в одном и том же направлении, создавая взаимные помехи. В схеме Лейта и Упатниекса такие помехи были устранены наклоном опорной волны (в неосевая схема).

Типы голограмм.

Структура голограммы зависит от способа формирования предметной и опорной волн и от способа записи интерференц. картины. Предмет освещается пучком когерентного света, рассеянная им световая волна, несущая информацию о предмете, падает на фотопластинку, освещаемую опорным пучком. В зависимости от взаимного расположения предмета и пластинки, а также от наличия оптич. элементов между ними, связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскостях голограммы и предмета различна. Если предмет лежит в плоскости голограммы или сфокусирован на неё (рис. 2, а), то амплитудно-фазовое распределение на голограмме будет тем же, что и в плоскости предмета (голограмма сфокусированного изображения).

.

Рис. 2. Схемы получения голограмм разл. типов: а — голограмма сфокусиров. изображения; б — голограмма Фраунгофера: в — голограмма Френеля; г — голограмма Фурье; д — безлинзовая фурье-голограмма; 1 — предмет; 2 — фотопластинка; Л — линза; f — фокусное расстояние линзы.

Когда предмет находится достаточно далеко от пластинки, либо в фокусе линзы Л (рис. 2, б), то каждая точка предмета посылает на пластинку параллельный световой пучок, при этом связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскости голограммы и в плоскости предмета даётся преобразованием Фурье (комплексная амплитуда предметной волны на пластинке — т. н. фурье-образ предмета). Голограмма в этом случае наз. голограммой Фраунгофера. Если комплексные амплитуды предметной и опорной волн явл. фурье-образами и предмета и опорного источника, то голограмму наз. голограммой Фурье. При записи голограммы Фурье предмет и опорный источник обычно располагают в фокусе линзы (рис. 2, г). В случае безлинзовой фурье-голограммы опорный источник располагают в плоскости предмета (рис. 2, д). При этом фронт опорной волны и фронты элем. волн, рассеянных отд. точками объекта, имеют одинаковую кривизну. В результате структура и св-ва голограммы практически такие же, как у фурье-голограммы. Голограммы Френеля образуются в том случае, когда каждая точка предмета посылает на пластинку сферич. волну (рис. 2, в). По мере увеличения расстояния между объектом и пластинкой голограммы Френеля переходят в голограммы Фраунгофера, а с уменьшением этого расстояния — в голограммы сфокусиров. изображений.

При встрече опорной и предметной волн в пр-ве образуется система стоячих волн, максимумы к-рых соответствуют зонам, в к-рых интерферирующие волны находятся в одной фазе, а минимумы — в противофазе. Для точечного опорного источника О1 и точечного предмета О2 поверхности максимумов и минимумов представляют собой систему гиперболоидов вращения (рис. 3). Пространств. частота v интерференц. структуры (величина, обратная её периоду) определяется углом а, под к-рым сходятся в данной точке световые лучи, исходящие от опорного источника и предмета: v=(2sin(a/2))/l, где l — длина волны. Плоскости, касательные к поверхности узлов и пучностей в каждой точке пр-ва, делят пополам угол a. В схеме Габора опорный источник и предмет расположены на оси голограммы, угол а близок к нулю и v минимальна. Осевые голограммы наз. также о д н о л у ч е в ы м и, т. к. используется один пучок света, часть к-рого рассеивается предметом и образует предметную волну, а другая часть, прошедшая через объект без искажения,— опорную волну.

.

Рис. 3. Пространственная интерференц. структура, образующаяся в случае точечных объекта O1 и источника света О2: I — расположение фотопластинки в схеме Га-бора; II —в схеме Лейта и Упатниекса (с наклонным пучком); III — при записи голограммы на встречных пучках; IV — при записи безлинзовой фурье-голограммы.

В схеме Лейта и Упатниекса когерентный наклонный опорный пучок формируется отдельно (д в у х л у ч е в а я голограмма). Для двухлучевых голограмм v выше, чем для однолучевых (требуются фотоматериалы с более высоким пространств. разрешением). Если опорный и предметный пучок падают на светочувствит. слой с разных сторон (а = 180°), то v максимальна и близка к 2/l (голограммы во встречных пучках). Интерференц. максимумы располагаются вдоль поверхности материала в его толще. Эта схема была впервые предложена Денисюком. Поскольку при освещении такой голограммы опорным пучком восстановленная предметная волна распространяется навстречу освещающему пучку, такие голограммы иногда наз. отражательными. Если толщина светочувствит. слоя d много больше расстояния между соседними поверхностями интерференц. максимумов, то голограмму следует рассматривать как объёмную. Если же запись интерференц. структуры происходит на поверхности слоя или если толщина слоя сравнима с расстоянием А между соседними элементами структуры, то голограммы наз. плоскими. Критерий перехода от двухмерных голограмм к трёхмерным: d?1,6d2/l.

Интерференц. структура может быть зарегистрирована светочувствит. материалом одним из след. способов: 1) в виде вариаций коэфф. пропускания света или его отражения. Такие голограммы при восстановлении волн. фронта модулируют амплитуду освещающей волны (см. МОДУЛЯЦИЯ КОЛЕБАНИЙ) и наз. амплитудными. 2) В виде вариаций коэфф. преломления или толщины (рельефа). Такие голограммы при восстановлении волн. фронта модулируют фазу освещающей волны и поэтому наз. ф а з о в ы м и. Часто одновременно осуществляется фазовая и амплитудная модуляции. Напр., обычная фотопластинка регистрирует интерференц. структуру в виде вариаций почернения, показателя преломления и рельефа. После отбеливания голограммы остаётся только фазовая модуляция.

Зарегистрированная на фотопластинке интерференц. структура обычно сохраняется долго, т. е. процесс записи отделён во времени от процесса восстановления (стационарные голограммы). Однако существуют светочувствит. среды (нек-рые красители, кристаллы, пары металлов), к-рые почти мгновенно реагируют фазовыми или амплитудными хар-ками на освещённость. В атом случае голограмма существует только во время воздействия на среду предметной и опорной волн, а восстановление волн. фронта производится одновременно с записью, в результате вз-ствия опорной и предметной волн с образованной ими же интерференц. структурой (динамические голограммы). На принципах динамич. Г. могут быть созданы системы постоянной и оперативной памяти, корректоры излучения лазеров, усилители изображений, устройства управления лазерным излучением, обращения волн. фронта.

Свойства голограмм.

а) Осн. св-во голограммы, отличающее её от фотогр. снимка, состоит в том, что на снимке регистрируется лишь распределение амплитуды падающей на неё предметной световой волны, в то время как на голограмме, кроме того, регистрируется и распределение фазы предметной волны относительно фазы опорной волны. Информация об амплитуде предметной волны записана на голограмме в виде контраста интерференц. рельефа, а информация о фазе — в виде формы и частоты интерференц. полос. В результате голограмма при освещении опорной волной восстанавливает копию предметной волны.

б) Св-ва голограммы, регистрируемой обычно на негативном фотоматериале, остаются такими же, как в случае позитивной записи -— светлым местам объекта соответствуют светлые места восстановленного изображения, а тёмным — тёмные. Это легко понять, принимая во внимание, что информация об амплитуде предметной волны заключена в контрасте интерференц. структуры, распределение к-рого на голограмме не меняется при замене позитивного процесса на негативный. При такой замене лишь сдвигается на p фаза восстановленной предметной волны, что незаметно при визуальном наблюдении, но иногда проявляется в голографич. интерферометрии (см. ниже).

в) В тех случаях, когда при записи голограммы свет от каждой точки объекта попадает на всю поверхность голограммы, каждый малый участок последней способен восстановить всё изображение объекта. Однако меньший участок голограммы восстановит меньший участок волн. фронта, несущего информацию об объекте. Если этот участок будет очень мал, то кач-во восстановленного изображения ухудшается. В случае голограмм сфокусиров. изображения каждая точка объекта посылает свет на соответствующий ей малый участок голограммы. Поэтому фрагмент такой голограммы восстанавливает лишь соответствующий ему участок объекта.

г) Полный интервал яркостей, передаваемый фотогр. пластинкой, как правило, не превышает одного-двух порядков, между тем реальные объекты часто имеют гораздо большие перепады яркостей. В голограмме, обладающей фокусирующими св-вами, используется для построения наиб. ярких участков изображения весь свет, падающий на всю её поверхность, и она способна передать градации яркости до пяти-шести порядков.

д) Если при восстановлении волн. фронта освещать голограмму опорным источником, расположенным относительно голограммы так же, как и при её экспонировании, то восстановленное мнимое изображение совпадает по форме и положению с самим предметом. При изменении положения восстанавливающего источника, при изменении его длины волны l или ориентации голограммы и её размера соответствие нарушается. Как правило, такие изменения сопровождаются аберрациями восстановленного изображения.

е) Мин. расстояние между двумя соседними точками предмета, к-рые можно ещё увидеть раздельно при наблюдении изображения предмета с помощью голограммы, наз. разрешающей способностью голограммы. Она растёт с увеличением размеров голограммы. Для круглой голограммы с диаметром D угл. разрешение dj=1,22l/D; для голограммы квадратной формы со стороной квадрата L:dj=l/L. Для большинства схем предельный размер голограммы определяется разрешающей способностью регистрирующего фотоматериала (см. ниже), т. к. с ростом размеров голограммы растёт угол между предметным и опорным пучками и пространств. частота n. Исключение составляет схема безлинзовой фурье-голографии, в к-рой v при увеличении размеров голограммы не увеличивается.

ж) Яркость восстановленного изображения определяется дифракционной эффективностью, равной отношению светового потока в восстановленной волне к световому потоку, падающему на голограмму при восстановлении. Она определяется типом голограммы, условиями её записи, а также св-вами регистрирующего материала (см. табл.).

МАКСИМАЛЬНО ДОСТИЖИМАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГОЛОГРАММ, %

.

з) Если значения экспозиций в максимумах интерференц. структуры выходят за пределы линейного участка зависимости амплитудного пропускания от экспозиции, то запись голограммы становится нелинейной. Линейно зарегистрированную голограмму можно сравнить с дифракционной решёткой с синусоидальным распределением амплитудного пропускания, к-рая не образует дифракц. порядков выше первого. При нелинейной записи голограмма также представляет собой периодич. решётку, однако распределение амплитудного пропускания в этом случае может значительно отличаться от синусоидального из-за нелинейных искажений. Нелинейность проявляется в появлении волн высших порядков, а также в искажении амплитуд восстанавливаемых волн первого порядка. Влияние нелинейности на изображение сводится к усилению фона, появлению ореолов, искажению относит. интенсивностей разных точек объекта, а иногда и в появлении ложных изображений.

«Изображения», образованные дифрагиров. волнами высших порядков, имеют мало общего с самим предметом.

.

Рис. 4. Восстановление световой волны с помощью трёхмерной голограммы.

Однако в ряде случаев (напр., для голограмм сфокусиров. изображений) волны высших порядков всё же образуют изображения предмета, но распределение яркости в них, как правило, сильно искажено, а фаза изображения к-того порядка отличается в к раз от фазы изображения первого порядка. Это св-во используется для повышения чувствительности голографич. интерферометров в случае голограмм фазовых объектов.

Объёмные голограммы

представляют собой трёхмерные структуры, в к-рых поверхности узлов и пучностей зарегистрированы в виде вариаций показателя преломления или коэфф. отражения среды. Поверхности узлов и пучностей направлены по биссектрисе угла a, к-рый составляют предметный и опорный пучки. Такие многослойные структуры при освещении опорной волной действуют подобно трёхмерным дифракц. решёткам (рис. 4). Свет, зеркально отражённый от слоев, восстанавливает предметную волну.

Пучки, отражённые от разных слоев, усиливают друг друга, если они синфазны, т. е. разность хода между ними равна l (условие Липмана — Брэгга). Условие автоматически выполняется лишь для той длины волны, в свете к-рой регистрировалась голограмма. Это приводит к избирательности голограммы по отношению к длине волны источника, в свете к-рого происходит восстановление волн. фронта. Возникает возможность восстанавливать изображение с помощью источника света со сплошным спектром (лампа накаливания, Солнце). Если голограмма экспонировалась в свете, содержащем неск. спектр. линий (напр., синюю, зелёную и красную), то для каждой длины волны образуется своя трёхмерная интерференц. структура. Соответствующие длины волн будут выделяться из сплошного спектра при освещении голограммы, что приведёт к восстановлению не только структуры волны, но и её спектр. состава, т. е. к получению цветного изображения. Трёхмерные голограммы одновременно образуют только одно изображение (мнимое или действительное) и не дают волны нулевого порядка.

Источники света в голографии должны создавать когерентное излучение достаточно большой яркости. Временная когерентность определяет макс. разность хода l между предметным и опорным пучками, допустимую без уменьшения контраста интерференц. структуры. Эта величина определяется шириной спектральной линии Dl излучения (степенью монохроматичности): l=l2/Dl,. Пространств. когерентность излучения определяет способность создавать контрастную интерференц. картину световыми волнами, испущенными источником в разных направлениях. Для теплового источника она зависит от его размеров. Контраст К интерференц. картины в случае кругового источника диаметром d0 равен:

.

где I1 — ф-ция Бесселя 1-го порядка, в — угол при вершине образованного лучами конуса. Положив К?1/O2, имеем d0?1/2(l/q) , что и определяет максимально возможную протяжённость теплового источника света.

Лазерное излучение обладает высокой пространств. и врем. когерентностью при огромной мощности излучения. Для Г. стационарных объектов обычно используются лазеры непрерывного излучения, генерирующие в одной поперечной моде, в частности гелий-неоновый лазер (l= 6328. A) и аргоновый (l=4880 A, 5145 А). Для получения голограмм быстропротекающих процессов обычно применяют импульсные рубиновые лазеры (l=6943 A).

Светочувствительные материалы.

Г. предъявляет к регистрирующим материалам ряд требований, из к-рых важнейшее — достаточно высокая разрешающая способность. Макс. пространств. частота n структуры реализуется во встречных пучках (a=180°). Для гелий-неонового лазера и фотоэмульсии с показателем преломления n=l,5 n=4700 лин/м. Наиболее подходящий для Г. фотоматериал — фотопластинки ВРЛ, ЛОИ, ПЭ (последние два типа имеют разрешающую способность nмакс >5000 лин/мм) и фотоплёнка ФПГВ (n = 3000 лин/мм). Помимо галогеносеребряных фотоматериалов, применяют и др. среды, в т. ч. допускающие многократное повторение цикла запись — стирание, а в нек-рых случаях и регистрацию голограмм в реальном времени. К их числу относятся термопластики, халькогенидные фотохромные стёкла, диэлектрич. и ПП кристаллы. Голограммы могут также регистрироваться на магн. плёнках, жидких кристаллах, фотополимерах, фоторезистах, на нанесённых на подложку слоях металлов, на хромированной желатине и т. д.

Применения.

Записанные на голограмме световые волны при их восстановлении создают полную иллюзию существования объекта, неотличимого от оригинала. В пределах телесного угла, охватываемого голограммой, изображение объекта можно осматривать с разных направлений, т. е. оно явл. трёхмерным. Эти св-ва Г. используются в лекционных демонстрациях, при создании объёмных копий произведений искусства, голографич. портретов (изобразительная Г.). Трёхмерные св-ва голографич. изображений используются для исследования движущихся ч-ц, капель дождя или тумана, треков яд. ч-ц в пузырьковых камерах и искровых камерах. При этом голограмму создают с помощью импульсного лазера, а изображения восстанавливают в непрерывном излучении.

Объёмность изображения делает перспективным создание голографич. кино и телевидения. Гл. трудность — создание огромных голограмм, через к-рые как через окно одновременно могло бы наблюдать изображение большое число зрителей. Эти голограммы должны быть динамическими, т. е. меняться во времени в соответствии с изменениями, происходящими с объектом. Пока голографич. кино используется только в физ. эксперименте для исследования быстропротекающих процессов. Голографич. телевидение также встретилось с трудностями создания динамич. сред в передающей и приёмной частях телевиз. системы. Другая трудность состоит в недостаточно большой полосе пропускания телевиз. канала, к-рую необходимо увеличить на неск. порядков для передачи трёхмерных движущихся сцен. С помощью Г. решается проблема визуализации акустич. полей (см. ГОЛОГРАФИЯ АКУСТИЧЕСКАЯ) и эл.-магн. полей в радиодиапазоне (см. РАДИОГОЛОГРАФИЯ).

Если поместить голограмму на то место, где она экспонировалась, и осветить опорным пучком, то восстановится волна, рассеивавшаяся объектом во время экспозиции. Если же объект не убирать, то можно одновременно наблюдать две волны: непосредственно идущую от объекта и восстановленную голограммой. Эти волны когерентны и могут интерферировать. Если с объектом происходят к.-л. изменения, ведущие к фазовым искажениям рассеянной им волны (напр., деформация или изменение коэфф. преломления), то это скажется на виде наблюдаемой картины. Появятся интерференц. полосы, форма к-рых однозначно связана с изменениями. На этом основана голографич. интерферометрия, где, как и в обычной интерферометрии, происходит сравнение неск. волн. Наблюдаемая интерференц. картина указывает на различие форм сравниваемых волн, однако в обычной интерферометрии они формируются одновременно или с очень небольшой временной задержкой, макс. величина к-рой определяется временем когерентности (?10-4— 10-5 с). Голограмма же позволяет зафиксировать световую волну и восстановить её копию в любой момент времени. Поэтому голографич. интерферометрия не связана с требованием одновременности формирования волн. Эта же особенность снизила требования к качеству оптич. деталей, т. к. обе интерферирующие волны, проходя по одному и тому же каналу, одинаково искажаются погрешностями оптики.

С помощью голограммы можно восстановить интерференц. картины световых волн, рассеянных объектом в разных направлениях. Это позволяет изучать пространств. неоднородности показателя преломления. Одним из первых применений голографич. интерферометрии было исследование механич. деформаций.

Г. применяется для хранения и обработки информации. Информация об объекте, записанная в виде интерференц. структуры, однородно распределена на большой площади. Это обусловливает высокую плотность записи информации и её большую надёжность. Обработка записанного на голограмме массива информации световым пучком происходит одновременно по всей голограмме (с огромной скоростью).

С помощью голографич. устройств осуществляются различные волн. преобразования, в т. ч. обращение волн. фронта с целью исключения аберраций (см. ОБРАЩЁННЫЙ ВОЛНОВОЙ ФРОНТ).

Записывая голограммы в средах со спец. св-вами, можно воспроизводить состояние поляризации предметной волны и даже её изменение во времени.

Голограмма может быть изготовлена не только оптич. методом, но и рассчитана на ЭВМ (цифровая голограмма). Машинные голограммы используются для получения объёмных изображений не существующих ещё объектов. Машинные голограммы сложных оптич. поверхностей служат эталонами для интерференц. контроля поверхностей изделий.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.