Лабораторная работа № 72

ЗНАКОМСТВО С ГОЛОГРАФИЕЙ

Цель работы: восстановление голографических изображений.

Приборы и принадлежности: гелий-неоновый лазер ЛГ-75, набор голограмм.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время бурными темпами развивается новая отрасль оптики – голография. Голография (т.е. «полная запись», от греческого: голос – весь, графо – пишу) – это интерференционный метод регистрации структуры световых волн, дифрагировавших на объекте, который освещен когерентным светом. Голография была изобретена в 1947 году английским физиком Денисом Габором. За этот метод в 1971 году ему была присуждена Нобелевская премия.

В чем заключается принцип голографии? Как можно регистрировать и восстанавливать всю информацию о предмете?

Голография обязана своим возникновением основным законам волновой оптики – законам интерференции и дифракции – и принципу Гюйгенса-Френеля.

Если мы хотим регистрировать и восстанавливать волну, то необходимо уметь регистрировать и восстанавливать амплитуду и фазу волны, идущей от предмета. Такая возможность представляется в связи с тем, что фазовая и амплитудная информация заложена в формуле

,                    (1)

где Е₀ – амплитуда результирующего гармоничного колебания;
Е₀₁, Е₀₂ – амплитуды слагаемых гармонических колебаний; (a₂ – a₁) – разность фаз слагаемых колебаний.

Так как интенсивность прямо пропорциональна квадрату амплитуды, то для интенсивности получим

,                    (2)

где I₁ и I₂ – интенсивности слагаемых колебаний; I – результирующая интенсивность.

Как видно из выражений (1) и (2), распределение интенсивности в интерференционной картине определяется, не только амплитудами интерференционных волн, но и разностью фаз. Следовательно, для полной регистрации волнового поля можно использовать явление интерференции света. При этом надо учитывать, что для регистрации как фазовой, так и амплитудной информации необходимо иметь, кроме волны, идущей от предмета (предметной волны), еще одну когерентную с ней волну (опорную).

Таким образом, приходим к выводу: для регистрации и восстановления волны, дифрагированной предметом (т.е. промодулированной как по фазе, так и по амплитуде), необходимо заставить ее проинтерферировать с когерентной опорной волной с известной фазой,
затем с помощью опорной волны извлечь из общей интерференционной картины предметную волну. Это и есть идея голографирования.

Процесс получения изображения в голографии распадается на две стадии.

На первой стадии изготовляется голограмма, т.е. фотопластинка, на которой произведена фотографическая запись интерференционной картины световых волн. Голограмма содержит информацию о фазе и амплитуде дифрагированных волн.

Вторую стадию составляет извлечение из голограммы той информации об объекте, которая на ней зарегистрирована. Для этого
голограмма просвечивается световым пучком. В некоторых случаях используется отражение света от нее.

Изображение предмета, даваемое голограммой, является объемным. Замечательным свойством голограммы является большой объем содержащейся в ней информации.

Голограмма позволяет полностью восстанавливать волновое поле объекта в его отсутствие.

2. ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ РАБОЧЕЙ УСТАНОВКИ

2.1. Получение голограммы

На рис. 1 изображена принципиальная схема установки для получения голограммы непрозрачного объекта наблюдения Н в отраженном от него свете.

Испускаемый лазером волновой фронт излучения делится на две части (рис. 1). Одна часть фронта отражается от зеркала 3, а другая – рассеивается объектом наблюдения Н. Зеркало 3 направляет плоскую опорную волну на фотопластинку Р, куда приходят и волны, отраженные от объекта Н (предметная волна).

На каждую точку освещенной части фотопластинки могут падать световые волны, модулированные по амплитуде и фазе любым участком объекта наблюдения, и, кроме того, падает опорная волна. Поэтому каждый участок интерференционной картины, возникающий при суперпозиции этих двух волн, может содержать полную информацию о всем объекте наблюдения.

Опорная волна не должна быть обязательно плоской. В некоторых случаях используется сферическая волна. Голограммы с различной кривизной волновых фронтов опорной и предметной волн называются голограммами Френеля, с равной кривизной – голограммами Фурье.

Требование к спектральному составу излучения – высокая монохроматичность. Ширина используемого спектрального интервала
излучения ∆λ должна быть порядка 10^–2 А. Между тем ширина спектральной линии ртутной лампы, даже с невысоким давлением ртутных паров, составляет ≈ 300 А. Следовательно, источники света так называемого «долазерного периода развития оптики» малопригодны для голографии. Наоборот, с помощью лазеров сравнительно легко реализовать нужные в голографии требования к монохроматичности используемого в ней света. Поэтому на всех схемах голографических опытов ту исходную волну, с помощью которой форматируется поле, освещающее объект наблюдения, и опорную волну следует считать лазерным излучением.

2.2. Восстановление голографических изображений

Использование записанной на голограмме информации об объектах наблюдения осуществляется путем просвечивания голограммы (рис. 2). Плоская монохроматическая волна падает слева, нормально на голограмму. В результате распространения света сквозь голограмму и его дифракции на ее неоднородном почернении за голограммой возникает сложная система световых пучков.

Сходящийся световой пучок 2 формирует действительное изображение ДИ объекта наблюдения (без помощи оптической системы). Это изображение получается на том расстоянии от голограммы, на котором помещался объект наблюдения от фотопластинки во время его голографирования. Полученное действительное изображение объекта может быть принято на экран или фотопластинку, если его надо зарегистрировать. Изображение ДИ можно наблюдать и глазом, аккомодировав глаз на область локализации ДИ.

Расходящийся световой пучок 1, если его пропустить через собирающую линзу, может сформировать другое изображение объекта наблюдения. Распределение амплитуд и фаз световых волн в этом пучке 1 соответствует так называемому мнимому изображению
МИ объекта наблюдения. Изображение МИ локализовано перед голограммой, симметрично с действительным изображением ДИ
(см. рис. 2). Мнимое изображение МИ можно наблюдать невооруженным глазом, поместив глаз на пути светового пучка 1 и аккомодировав его на область локализации МИ. В этом случае роль собирающей линзы будет выполнять хрусталик глаза, проектирующий изображение на сетчатку глаза.

2.3. Запись голограммы в толстослойных эмульсиях
(метод Денисюка)

В 1962 году советским физиком Ю.Н. Денисюком был предложен метод получения голографических изображений во встречных пучках. На рис. 3 изображена принципиальная схема получения голограммы этим методом. Объект наблюдения О освещается через фотопластинку светом лазера, и отраженное от него волновое поле распространяется назад по направлению к слою фотоэмульсии ФЭ.

0

Толщина фотографического слоя составляет 15…20 микрон. На том же рисунке буквой С обозначено стекло фотопластинки. Отраженные от объекта наблюдения световые волны распространяются навстречу опорной волне от лазера. В результате в толще фотоэмульсии создается интерференционное поле стоячих волн, вызывающих слоистое почернение ее, которое учитывает распределение амплитуд и фаз волнового поля, рассеянного объектом наблюдения.

Если осветить голограмму расходящимися пучками белого света, то в отраженном от нее свете под определенным углом зрения можно наблюдать изображение объекта исследования. Максимальную интенсивность при этом будут иметь те световые лучи, для которых условия отражения удовлетворяют требованиям формулы Вульфа-Брегга. На рис. 4 а, б показано, каким образом, варьируя ориентацию голограммы по отношению к освещающему ее свету, можно получить мнимое или действительное изображение объекта наблюдения. В восстановленном изображении мы увидим только ту поверхность объекта, которая была обращена к фотопластинке во время съемки голограммы.

Рис. 4

Почему при использовании толстослойных голограмм на стадии восстановления изображения можно пользоваться белым светом со сплошным спектром? Условие Вульфа-Брегга может быть удовлетворено для излучения волны только определенной длины. Голограмма представляет собой объемную дифракционную решетку с пространственно периодическими слоями почернения. Из совокупности длин видимого света всегда найдется такая длина волны, для которой будет удовлетворено условие Вульфа-Брегга.

Цвет голограммы Денисюка может существенно отличаться от цвета излучения лазера, использованного при записи голограмм. Это связано с воздействием на фотоэмульсию процессов проявления и, главным образом, фиксирования и последующей сушки. Опыт показывает, что обработка фотопластинки дает эффект усадки фотоэмульсии. Это значит, что общая толщина высушенной фотоэмульсии, а следовательно, и расстояние между слоями почернения в ней становятся при сушке меньше, чем в момент регистрации голограммы. Таким образом, уменьшается пространственный период объемной дифракционной решетки, на которой происходит дифракция света на стадии восстановления изображения. В результате этого обстоятельства условие Вульфа-Брегга выполняется для излучения с меньшей длиной волны, а не для излучения, с помощью которого была записана голограмма:

.                                     (3)

Этим объясняется, что изображения, получаемые с помощью толстослойных голограмм, оказываются окрашенными в несколько иной цвет, отличающийся от цвета того излучения, в котором они записаны. Смещение окраски происходит при этом в синюю сторону спектра.

Для голограмм Денисюка ярко выражен эффект псевдоскопии действительного изображения, когда выпуклая поверхность вогнута (рис. 4, б). Данный эффект связан с тем, что в восстановленном изображении части предмета, располагавшиеся ближе к фотопластинке во время получения голограммы, изобразятся ближе к голограмме. Поэтому в действительном изображении выпуклые части предмета (например, барельефа) будут вогнутыми, а вогнутые – выпуклыми.
В изображении предмета мы будем видеть не весь непрозрачный предмет, а только его часть, которая во время получения голограммы была обращена к фотопластинке.

2.4. Требования, предъявляемые к голографической установке

Интерференционная картина – голограмма, получающаяся при суперпозиции предметного и опорного световых пучков, представляет собой весьма сложную систему тесно расположенных интерферен-ционных полос и пятен. Поэтому для фотографической регистрации неимпульсных голограмм необходимы весьма устойчивые оптико-механические системы, защищенные от вибрации во время экспозиции фотопластинок, регистрирующих голограммы. Незначительное, порядка долей длины световой волны, взаимное смещение элементов оптической системы, источника света или объекта наблюдения во время экспозиции приводит к размытию интерференционной картины на голограмме и к утрате записываемой на ней информации об объекте наблюдения. Поэтому голографическая установка, предназначенная для регистрации голограмм с помощью лазеров непрерывного действия, должна представлять собой единую жесткую систему, включающую в себя лазер, все детали оптической системы, объект наблюдения и фотопластинку. Кроме того, эта система должна быть очень надежно изолирована от внешних механических помех, которые могут вызвать в ней внутренние вибрации, способные изменить ход световых пучков.

Этим требованиям удовлетворяют современные голографические установки, представляющие собой примерно двухтонные интерференционные столы, снабженные воздушной пневматической амортизацией. Такие столы имеют период собственных свободных колебаний порядка секунды и высокую добротность подвески.

Интерференционный стол представляет собой обычно стальную плиту размером 1,5 × 3 м², на которой простроганы профили семи-восьми параллельных оптических скамей прямоугольного сечения. На рейторах, установленных и надежно закрепленных на этих скамьях, помещены все оптические детали голографической схемы, а также объект наблюдения и кассета с фотопластинкой.

2.5. Применение голографии

Голографический метод записи волнового фронта находит широкое применение в различных областях науки и техники и имеет перспективы в будущем.

К примеру, голограмму можно использовать в качестве комплексного оптического элемента. Известны, в частности, голограммы, играющие роль линз, дифракционных решеток, интерференционных фильтров. Голографические дифракционные решетки содержат 5 000 полос на 1 мм.

Метод голографии позволяет записывать на заданном малом участке фотоэмульсии (особенно толстослойной) в 100…400 раз больше страниц печатного текста, чем методы обычной микрофотографии. Это дает полное основание предполагать, что голография найдет широкое применение при записи и хранении информации.

На обычную фотопластинку 32 × 32 мм² можно записать 1 024 голограммы, каждая из которых занимает площадь в 1 мм². Одна голограмма – страница книги, одна пластинка – целая большая книга.

Разрабатываются электронно-вычислительные машины (ЭВМ) с голографической памятью, которая будет на несколько порядков превосходить память ныне существующих ЭВМ. Голографическая память ценна еще и тем, что она долговечна (ЭВМ «Минск-222» способна хранить информацию всего лишь 3 месяца).

Многообещающим является применение голографии при распознавании образов и символов, что позволит создать читающие автоматы, обладающие большой надежностью.

Голографические устройства, в которых используются звуковые радиоволны совместно со световыми, дадут возможность видеть предметы, рассеивающие звуковые или радиоволны (звуко- и радиовидение).

Метод голографической интерференции позволяет исследовать изменения (например, деформацию), происшедшие в наблюдаемом объекте под каким-либо внешним действием; он может быть использован также при исследовании плазмы.

Возможные применения голографии весьма разнообразны. Далеко не полный перечень образуют голографическое кино- и телевидение, голографический микроскоп, контроль качества обработки изделий. В литературе встречается утверждение, что изобретение голографии можно сравнить по его последствиям с созданием радиосвязи.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1. Ознакомьтесь со схемой, используемой для получения голограммы Френеля (см. рис. 1).

3.2. Изучите схему для восстановления мнимого и действительного изображения объекта по голограмме Френеля (см. рис. 2).

3.3. Включите лазер ЛГ-75.

3.4. Вставьте голограмму Френеля в специальный держатель, который может поворачиваться. Для наблюдения мнимого изображения объекта свет лазера ЛГ-75 должен падать на голограмму со стороны эмульсии. Изображение локализуется за голограммой. Соответственно глаз наблюдателя должен быть аккомодирован не на плоскость
голограммы, а на плоскость, лежащую за ней. Вращая держатель с голограммой, подобрать условия оптимальной яркости изображения объекта.

3.5. Для наблюдения действительного изображения объекта
голограмма должна быть обращена стеклом к освещенному световому пучку. Освещая голограмму узким световым пучком от ЛГ-75 и варьируя ее ориентацию, получают на передвижном экране действительное изображение объекта наблюдения. Перемещая столик с голограммой относительно просвечивающего ее светового пучка в плоскости голограммы, наблюдают эффект видимого параллактического смещения и вращение деталей изображения.

3.6. Изучите схему, используемую для получения голограммы во встречных пучках методом Денисюка (см. рис. 3).

3.7. Ознакомьтесь со схемой для восстановления мнимого и действительного изображений объекта по голограмме Денисюка
(см. рис. 4 а, б). Осветите голограмму белым светом. Если при восстановлении изображения свет падает на голограмму со стороны стекла фотопластинки, то за голограммой (по отношению к наблюдателю) будет видно мнимое изображение предмета (см. рис. 4, а).
При освещении голограммы со стороны эмульсионного слоя перед голограммой будет наблюдаться действительное изображение
(см. рис. 4, б). В этом изображении наблюдается эффект псевдоскопии.

3.8. Изменяя ориентацию столика с голограммой, наблюдают эффект объемности получаемых изображений и взаимного параллактического смещения деталей этих изображений.

3.9. Обратите внимание на цвет наблюдаемых изображений. Этот цвет не совпадает с красным цветом лазерного излучения, использованного при регистрации голограммы.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

1. Понятие о голографии и голограмме.

2. Получение голограммы непрозрачного объекта (голограмма Френеля).

3. Получение голограммы во встречных пучках (голограмма Денисюка).

ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ

1. Восстановление голографических изображений.

2. Отличие голограммы от обычного фотоснимка.

3. Требования, предъявляемые к голографической установке.

4. Эффект псевдоскопии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Годжаев Н.М. Оптика. – М.: Высш. шк., 1977. – 432 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. – М.: Наука, 1978. –
480 с.

3.  Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. – М.: Наука, 1980. – 751 с.

4. Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Наука, 1976. – 926 с.