AllPhysics.ru

Любое изображение объекта воспринимается нами благодаря рассеянию светового излучения, освещающего объект. Как мы установили выше, характер распределения интенсивности рассеянного объектом светового потока определяется законами дифракции. В частности, в соответствии с этими законами в точке наблюдения рассеянная световая волна представляет собой суперпозицию элементарных вторичных волн от каждой точки поверхности объекта. Если представить освещаемый световой волной объект, окружённым некоторой замкнутой поверхностью , то в соответствии с принципом Гюйгенса Френеля поле в точке наблюдения будет определяться сферическими волнами вторичных источников, исходящих из каждой точки поверхности , амплитуда и фаза которых равна амплитуде и фазе рассеянной объектом световой волны. Таким образом, если с помощью какого либо способа 'записать' распределение комплексных амплитуд, создаваемого при рассеянии световой волны некоторым объектом, то можно получить изображение этого объекта в точке наблюдения при воспроизведении записанного распределения на той же поверхности в отсутствии изображаемого объекта.

Для записи и воспроизведения волновых фронтов, переносящих изображение того или иного объекта или их совокупности, используется способ, получивший название - голография. В переводе с греческого языка голография означает 'полная запись'. "Изобретателем" голографии является Денис Габор, с помощью которой он в 1947г. собирался увеличить разрешающую способность электронных микроскопов. Однако практическая реализация голографии стала возможной после появления источников монохроматического излучения - лазеров, а также изобретения Лейтом и Упатниексом в 1963г. способа разделения действительного и мнимого изображения объекта, записываемого на тонкой голограмме. Способ записи голограмм с помощью толстых слоёв эмульсии, устраняющий проблему совмещения действительного и мнимого изображения объекта, был предложен Денисюком Ю.Н. в 1962г.

Рассмотрим принцип голографии на примере использования для записи волнового фронта пластинки, покрытой тонким слоем фотоэмульсии. Фотоэмульсия представляет собой слой микроскопически малых зерён галоидного серебра, которые под действием света после проявления пластинки остаются на её поверхности в виде отложений частичек металлического серебра. Количество серебра на поверхности пластинки, образующееся под действием света, тем больше, чем больше интенсивность световой волны в том или ином месте её поверхности. Таким образом, распределение интенсивности светового потока на поверхности пластинки при её освещении передаётся после проявления в виде изменения плотности серебра в соответствующих местах её поверхности.

Рис. 6.1.

Процесс освещения фотопластинки светом для регистрации распределения его интенсивности на её поверхности называется экспозицией. Время экспозиции определяется интенсивностью регистрируемого светового потока и физико-химическими свойствами используемой фотоэмульсии (чувствительностью фотоплёнки).

Голография представляет собой двухступенчатый процесс. На первом его этапе производится запись на голограмме волнового фронта, переносящего изображения объекта. На втором этапе получается восстановление изображения объекта с голограммы. Причём, это изображение в отличие от фотографического имеет трёхмерный характер, т.е. его можно рассматривать под различными ракурсами (углами зрения).

Рассмотрим первый этап голографии - запись волнового фронта объекта , изображение которого мы хотим получить. В дальнейшем будем называть этот волновой фронт - предметным. Для записи изображения объекта используется фоточувствительная среда (например, фотопластинка) и дополнительное волновое поле , называемое опорным, в соответствии со схемой, изображённой на рис. 6.1. На используемой для записи волновых фронтов фотопластинке регистрируется распределение интенсивности , соответствующее интерференции предметной и опорной волн, т.е.

где константа пропорциональности, равная обратной величине волнового сопротивления среды .

Рис. 6.2.

В целях упрощения следующих далее рассуждений предположим, что предметный и опорный волновые фронты представляют собой две плоские когерентные световые волны с одной и той же длиной волны и поляризацией, падающие соответственно под углами на поверхность фотопластинки, расположенной в плоскости выбранной системы координат (рис. 6.2). Для определённости будем полагать, что направление колебаний векторов напряжённости электрических полей предметной и опорной волны параллельно оси . В этом случае вектор напряжённости суммарного электрического поля предметной и опорной волны также будет параллелен оси . По этой причине в приводимых ниже расчётах, можно не использовать векторные обозначения для напряжённости электрического поля волн. Тогда, их комплексные амплитуды определяются следующими выражениями:

где и - волновые вектора, соответствующие предметной и опорной волнам.

Подставляя эти выражения в (6.1), получим

где и распределения фаз опорной и предметной волны.

Если учесть, что на поверхности фотопластинки () фазы плоских опорной и предметной волн соответственно равны , из (6.3a) следует, что распределение суммарной интенсивности этих волн на поверхности фотопластинки представляет собой периодическую функцию координаты :

Из выражения (6.3b) следует, что распределение интенсивности на поверхности фотопластинки имеет вид системы чередующихся максимумов и минимумов (рис. 6.3a), характерной для интерференционной картины от двух когерентных точечных источников, наблюдаемой на достаточно удалённом от них экране . После проявления фотопластинки на её поверхности в местах, которым соответствуют максимумы интенсивности, будут отмечены тёмные полосы и, наоборот, минимумам соответствуют светлые полосы на фотопластинке (рис. 6.3b) . Полученное изображение можно рассматривать, как дифракционную решётку, если приближённо считать что тёмные участки проявленной фотопластинки полностью поглощают проходящий через них свет, а светлые - полностью пропускают его.

Рис. 6.3.

С другой стороны изображение на фотопластинке, соответствующее (6.1) или (6.3), после проявления можно рассматривать как некоторый транспарант, обладающий переменной прозрачностью от точки к точке на его поверхности, которую можно задать с помощью функции , в общем случае зависящей от двух координат , причём,

где - константа пропорциональности, зависящая от физико-химических свойств материала фотопластинки, процесса её проявления и записи голограммы.

Транспарант переменной прозрачности, пропорциональной распределению суммарной интенсивности опорной и предметной волн на его поверхности, называется голограммой опорной и предметной волн.

По существу голограмма представляет собой интерферограмму опорной и предметной волн, распределение интенсивности на поверхности которой определяется их разностью фаз.

Рассмотрим второй этап голографического процесса - восстановление изображения, записанного на голограмме. На этом этапе проявленная фотопластинка - голограмма освещается опорной световой волной

падающей на поверхность голограммы под зеркальным углом по отношению к направлению волны, используемой для получения голограммы (рис. 6.4).

Рис. 6.4.

В результате явления дифракции на голограмме освещающей её волны в приближении Кирхгофа за голограммой образуется распределение комплексных амплитуд , которое соответствует сумме трёх волновых фронтов (рис. 6.4)

где - константы пропорциональности, зависящие от физико-химических свойств материала фотопластинки, процесса её проявления и записи голограммы, в конечном счёте, определяющие интенсивности волновых фронтов , распространяющихся за голограммой:

- волновой фронт, освещающий голограмму;

- волновой фронт, соответствующий мнимому изображению предмета;

- волновой фронт, который можно трактовать, как соответствующий действительному изображению предмета, промодулированному волной, используемой для освещения голограммы. Помимо мнимого изображения с голограммы получается и действительное, но оно размещается в стороне и не мешает наблюдению мнимого.