Голография

Недавно появилась новая, весьма перспективная область оптики — голография, т. е. учение о закреплении промежуточного объемного оптического изображения и последующем его восстановлении в желаемый момент. Корень в слове «голография» от греческого слова «голос», что означает «весь, полный». Этим подчеркивается, что в изображении сохраняются все особенности внешнего вида предмета, в частности его объемность. Это выгодно отличает голографию от обычной фотографии, позволяющей получать лишь плоские изображения.

Рис 4.17

Одна из простейших голографических схем показана на рисунке 4.17, а. Линзы L и L1 превращают узкий пучок света, даваемый лазером, в широкий параллельный пучок (плоскую волну). Эта волна освещает объект О, рассеивающий свет, в частности, в направлении фотопластинки Р.

Часть плоской волны, отражаемая вспомогательным зеркалом S (опорная волна), падает нормально на ту же пластинку. Интерференция обеих (конечно, когерентных) волн создает на поверхности фотопластинки интерференционную картину, зависящую от фаз и амплитуд обеих волн; картину, получаемую после проявления фотопластинки, называют голограммой.

Рис 4.18

Для получения изображения голограмму располагают на том же месте, где находилась пластинка; объект убирают, а голограмму освещают таким же лазерным пучком, падающим на нее слева (рис. 4.17, б). Тогда по другую сторону пластинки возникает действительное изображение объекта D (его можно получить на экране). Если же смотреть сквозь пластинку, то на месте, где находился объект, глаз увидит мнимое изображение объекта М. Следовательно, голограмма сохранила полный набор сведений об амплитудах и фазах волн, освещавших пластинку при получении голограммы.

. Для понимания идеи голографического метода рассмотрим точечный объект О, помещенный на расстоянии a>>λ от фото пластинки (рис. 4.18). Рассеянная им волна у пластинки может считаться плоской; она «модулирована по фазе». Действительно, на любой окружности радиусом rh фазы колебаний во всех точках одинаковы; фазовый угол растет вместе с ростом радиуса кольца.

Одновременно на пластинку падает плоская опорная волна, имеющая постоянную фазу на всей поверхности пластинки. В результате интерференции образуется система концентрических колец с косинусоидальным распределением амплитуды. Если разность хода обеих волн в точке А равна нулю, то для ko освещенного кольца она будет равна , причем из рисунка 4.18 видно, что

При этом ширина кольцевой зоны равна:

Очевидно, такая интерференционная картина совершенно подобна зонной пластинке Френеля (см. §4.2), только, прозрачность колец после проявления пластинки меняется не скачком, а по гармоническому закону.

При восстановлении изображения {рис. 4.19) голограмму освещают той же опорной волной. Каждый малый участок голограммы подобен дифракционной решетке, дающей (см. § 4.6) три дифракционных пучка:

а) пучок, идущий в направлении распространения опорной волны;

б) дифрагированные пучки первого порядка, идущие под углами, определяемыми уравнением:

Следуя Френелю, рассмотрим освещенность, возникающую в проходящем свете в точке Д, расположенной симметрично точке М, где находился объект, рассеивающий свет при получении голограммы. Лучи, идущие от «светлых» колец, придут в точку Д с разностями хода, равными , т. е. будут совпадать по фазе. Следовательно, в точке Д получится действительное изображение объекта — светящейся точки.

 

Рис. 4.19

Рис 4.20

Если же в глаз наблюдателя попадут лучи расходящегося пучка (см. рис. 4.19), то они будут казаться выходящими из точки М, где и расположится мнимое изображение точки-объекта.

Поверхность любого тела представляет совокупность точек, поэтому наше объяснение можно распространить и на объект, имеющий макроскопические размеры. Так как при этом расстояния а для различных точек тела различны, то они будут неодинаковыми и для различных точек изображения, т. е. голограмма обеспечит объемность восстанавливаемого изображения.

Кроме того, так как более далекие точки предмета О (рис. 4.20) отобразятся в его действительном изображении Д дальше от голограммы Г, но рассматриваются с противоположной (по сравнению с предметом) стороны, то выпуклые участки объекта для наблюдателя Нзаменятся вогнутыми и наоборот.

В мнимом изображении, пространственно совпадающем с предметом, рельеф последнего воспроизводится без искажений.

Голограмма обладает и еще одним замечательным свойством: часть ее также восстанавливает изображение; качество его, правда, при этом несколько ухудшается. Физически это понятно: часть дифракционной решетки работает так же, как и целая решетка. Но разрешающая способность уменьшается по мере уменьшения размеров решетки, т. е. числа ее щелей (см. § 4.4).