Которых с очень высокой степенью точности совпадают, возникает стоячая электромагнитная волна. Когда записывают голограмму, в определённой области пространства складывают две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В области стоячей электромагнитной волны размещают (или иной регистрирующий материал), в результате на этой пластинке возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине ) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует эту волну в волну, близкую к объектной. Таким образом мы будем видеть (с той или иной степенью точности) такой же свет, какой отражался бы от объекта записи.

Источники света

При записи голограммы крайне важно, чтобы длины (частоты) объектной и опорной волн с максимальной точностью совпадали друг с другом и не менялись в течение всего времени записи (иначе на пластинке не запишется чёткой картины ). Этого можно добиться только при выполнении двух условий:

1. обе волны изначально испущены одним источником
2. этот источник испускает волну с очень стабильной длиной ( излучение)

Единственным источником света, хорошо удовлетворяющим второму условию, является . До изобретения лазеров голография практически не развивалась. На сегодняшний день голография предъявляет одни из самых жестких требований к когерентности лазеров.

Чаще всего когерентность принято характеризовать длиной когерентности - той разности оптических путей двух волн, при которой чёткость картины интерференции падает в два раза по сравнению с картиной интерференции, которую дают волны, прошедшие от источника одинаковое расстояние. Для различных лазеров длина когерентности может составлять от нескольких миллиметров (мощные лазеры, предназначенные для сварки, резки и других применений, не требовательных к этому параметру) до десятков метров (специальные, так называемые одночастотные, лазеры для требовательных к когерентности применений).

История голографии

Первая голограмма была получена в году (задолго до изобретения лазеров) в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности . Он же придумал само слово "голография", которым он подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно.

Схема записи Лейта-Упатниекса

В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством, делителем (в простейшем случае в роли делителя может выступать любой кусок стекла), на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и пластинку. Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника, испускающего свет в очень малом диапазоне длин волн (монохромного излучения), в идеале - .

Схема записи Денисюка

В этой схеме луч лазера расширяется и направляется на . Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну. Как видно, объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон. В этой схеме записывается отражающая голограмма, которая самостоятельно вырезает из сплошного спектра узкий участок (участки) и отражает только его. Благодаря этому изображение голограммы видно в обычном белом свете или лампы (см. картинку в начале статьи). Изначально голограмма вырезает ту длину волны, которой её записывали (однако в процессе обработки и при хранении голограммы может менять свою толщину, при этом меняется и длина волны), что позволяет записать на одну пластинку три голограммы одного объекта , и лазерами, получив в итоге одну цветную голограмму, которую практически невозможно отличить от самого объекта.

Эта схема отличается предельной простотой и в случае применения (имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применения ) сводится к одному лишь лазеру и некоторой основы, на которой закрепляется лазер, пластинка и объект. Именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

Фотоматериалы

Голография крайне требовательна к разрешающей способности фотоматериалов. Расстояние между двумя максимумами картины того же порядка, что и длина волны лазера, последняя чаще всего составляет 633 (гелий-неоновый) или 532 ( лазер на второй гармонике) нанометра. Таким образом, это величина порядка 0.0005 мм. Чтобы получить чёткое изображение картины интерференции, потребовались фотопластинки с от 3000 (Лейт-Упатниекс) до 5000 (Денисюк) линий на миллиметр.

Основным фотоматериалом для записи голограмм являются специальные фотопластинки на основе традиционного бромида серебра. За счёт специальных присадок и специального механизма проявления удалось достичь разрешающей способности более 5000 линий на миллиметр, однако за это приходится платить крайне низкой чувствительностью пластинки и узким спектральным диапазоном (точно подобранным под излучение лазера). Чувствительность пластинок настолько низкая, что их можно выставить на несколько секунд под прямой солнечный свет без риска засветки.

Кроме того, иногда применяются фотопластинки на основе бихромированного желатина, которые обладают ещё большей разрешающей способностью, позволяют записывать очень яркие голограммы (до 90% падающего света преобразуется в изображение), однако они ещё менее чувствительны, причём они чувствительны только в области коротких волн (синий и, в меньшей степени, зелёный участки спектра).

На данный момент в мире существует только одно промышленное (кроме некоторого количества мелких) производство фотопластинок для голографии - российская «Компания Славич».

Некоторые схемы записи позволяют писать и на пластинках с меньшей разрешающей способностью, даже на обычных фотоплёнках с разрешением порядка 100 линий на миллиметр, однако эти схемы имеют массу ограничений и не обеспечивают высокого качества изображения.

Любительская голография

Как уже было написано выше, схема Денисюка, при применении лазерного диода в качестве источника когерентного света, оказывается предельно простой, что позволило записывать такие голограммы в домашних условиях без использования специального оборудования.

Для записи голограммы достаточно создать некий каркас, на котором будут неподвижно установлены лазер, фотопластинка (как правило, ПФГ-03М) и объект записи. Единственное серьёзное требование, накладываемое на конструкцию, - минимальные вибрации. Установку следует установить на виброгасящие опоры, за несколько минут до и во время экспозиции нельзя прикасаться к установке (обычно экспозицию отмеряют открывая и закрывая луч лазера экраном, механически не связанным с установкой, в простейшем случае его можно просто держать в руке).

В любительской голографии используются дешевые и доступные полупроводниковые лазеры:

1. лазерные указки
2. лазерные модули
3. отдельные лазерные диоды

Лазерные указки являются самым простым в использовании и доступным источником когерентного света. Их можно, за небольшие деньги, купить практически везде. После откручивания или отпиливания линзы, фокусирующей луч, указка начинает светить подобно фонарику (за исключением того, что её пятно вытянуто в одном из направлений), позволяя осветить фотопластинку и сцену, расположенную за ней. Необходимо только зафиксировать каким-либо образом (например, бельевой прищепкой) кнопку во включённом состоянии. К недостаткам указок стоит отнести их непредсказуемое качество и необходимость постоянно покупать новые батарейки.

Более совершенным источником является лазерный модуль, у которого опять таки нужно выкрутить или отпилить фокусирующую линзу. В отличии от указки, модуль питается не от батареек внутри него, а от внешнего источника, которым может служить стабилизированный блок питания на 3В. Такой блок питания, как и сам лазерный модуль, как правило, продаётся в магазинах радиодеталей за относительно небольшие деньги. Отсутствие садящихся батареек способствует стабильности работы. Как правило, лазерные модули сделаны качественнее указок, но их когерентность так же не предсказуема.

Наконец, лазерные отдельные диоды являются самыми сложными в эксплуатации источниками света. В отличие от модулей и указок, они не имеют встроенного блока питания, по этому вам придётся его собрать или купить (последнее очень дорого). Дело в том, что лазерные диоды, как правило, используют совсем не стандартное напряжение питания, например 1.8В, 2.7В и т.п. Кроме того, для них важнее не напряжение питания, а ток. Простейший блок питания состоит из миллиамперметра, переменного резистора и стандартного стабилизированного блока питания на 3-5В. Кроме того, лазерный диод не способен самостоятельно себя охлаждать, его необходимо установить на радиатор. Тепловая мощность диодов, применяемых для любительской голографии, не превышает сотен милливатт, по этому ему достаточно минимального по размерам радиатора, однако чем больше радиатор, тем стабильнее температура, а от стабильности температуры напрямую зависит когерентность.

Как уже писалось выше, когерентность указок и модулей совершенно непредсказуема, т.к. этот параметр для их обычного применения не важен. Вполне возможно, что вам придётся купить несколько модулей/указок, прежде чем вы натолкнётесь на экземпляр с высокой когерентностью. Понять, что когерентность недостаточна можно по записанной голограмме: если на ней есть характерные полосы, которые двигаются при её вращении, значит лазер генерирует несколько длин волн и его когерентность низка.

В случае лазерных диодов ситуация заметно лучше. Во-первых, если диод показал плохой спектр излучения (т.е. низкую когерентность) в своём нормальном режиме работы, то, несколько понизив или повысив ток через него, можно попытаться получить хороший спектр. Во-вторых, некоторые диоды выпускаются производителем с учётом требований высокой когерентности. Это лазеры с одной продольной модой (Single longitudinal mode) или одночастотные лазеры. Их длинна когерентности значительно превышает метр, что многократно превосходит потребности любительской голографии. При этом цена таких лазеров начинается от нескольких десятков долларов, что вполне по силам большинству любителей. В частности, такие лазерные диоды выпускаются фирмой Opnext совместно с Hitachi.

Самое большое распространение в самых различных применениях получили красные полупроводниковые лазеры с длинной волны 650нм. Эти же лазеры получили наибольшее распространение в любительской голографии. Они отличаются низкой ценой, достаточно высокой мощностью и чувствительность глаза (и фотопластинок ПФГ-03М, применяемых для записи голограмм Денисюка) к этой длине волны достаточно высока. Меньшее распространение в голографии поручили лазеры с длинами волн 655-665нм. Чувствительность фотопластинки (и глаза) к этому диапазону заметно (примерно в 2 раза) меньше, чем к 650нм, но такие лазеры имеют многократно бо́льшую мощность при близкой цене. Ещё меньшее распространение получили лазеры 635нм. Их спектр предельно близок к спектру красного He-Ne лазера (633нм), под который заточены фотопластинки, что обеспечивает максимальную чувствительность (чувствительность глаза так же значительно, в два раза, выше, чем к 650нм). Однако эти лазеры имеют высокую цену, низкий КПД и редко обладают высокой мощностью. Кроме того, поляризация этих лазеров перпендикулярна поляризации лазеров с бо́льшей длинной волны, однако это нельзя отнести ни к преимуществам, ни к недостаткам, это нужно просто принять к сведению при установке лазера, чтобы обеспечить минимальное отражение света от стекла фотопластинки.

Ссылки

• Голография - Виртуальная Галерея - крупнейший в СНГ сайт, посвященный голографии

Рисунок 7. Схема Денисюка

В этой схеме луч лазера расширяется линзойи направляетсязеркаломнафотопластинку. Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну. Как видно, объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон (т. н. схема на встречных пучках). В этой схеме записывается отражающая голограмма, которая самостоятельно вырезает из сплошного спектра узкий участок (участки) и отражает только его (т.о. выполняя роль светофильтра).

Благодаря этому изображение голограммы видно в обычном белом свете солнцаили лампы. Изначально голограмма вырезает ту длину волны, на которой её записывали (однако в процессе обработки и при хранении голограммыэмульсияможет менять свою толщину, при этом меняется и длина волны), что позволяет записать на одну пластинку три голограммы одного объектакрасным,зелёнымисинимлазерами, получив в итоге одну цветную голограмму, которую практически невозможно отличить от самого объекта.

Эта схема отличается предельной простотой и в случае применения полупроводникового лазера(имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применениялинз) сводится к одному лишь лазеру и некоторой основы, на которой закрепляется лазер, пластинка и объект. Именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

1. Пропускающая голограмма и.Лейта и ю.Упатниекса

В 1962 г. И. Лейти Ю. Упатниексполучили первыепропускающие голограммы объемных объектов, выполненные с помощью лазера. Схема, предложенная ими, используется в изобразительной голографии повсеместно.

Пучок когерентного излучения лазера направляется на полупрозрачное зеркало, с помощью которого получают два пучка – предметный иопорный . Опорный пучок направляют непосредственно на фотопластинку. Предметный пучок освещает объект, голограмму которого регистрируют. Отраженный от объекта световой пучок - объектный попадает на фотопластинку. В плоскости пластинки два пучка - объектный и опорный образуют сложную интерференционную картину, которая вследствие когерентности двух пучков света остается неизменной во времени и представляет собой изображение стоячей волны.

Рисунок 8. Запись пропускающей голограммы

При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале - лазера.

Интересно, что изображение, восстановленное с голограммы можно было записать на другую голограмму, при этом изменив не только его положение относительно фотопластины (например, можно вынести объект перед голограммой), но и сам тип голограммы.

Схема Лейта и Упатниекса своим названием подчеркивает исторический приоритет авторов в применении внеосевого расположения интерферирующих пучков. В настоящее время при регистрации голограмм используют внеосевые схемы с самым различным расположением интерферирующих пучков.

1. Радужная голограмма Бентона

Метод Бентона включает два последовательных этапа записи 2- х голограмм по схеме Лейта и Упатниекса. Сначала записывается обычная голограмма, например, по схеме, приведенной на рис.9.

Рисунок 9. Схема голограммы Лейта и Упатниекса

При этом объект располагают от голограммы на расстоянии наилучшего зрения 25 – 30 см. Затем с этой первичной голограммы восстанавливают действительное псевдоскопическое объемное голографическое изображение. Для этого используют восстанавливающий пучок лазерного света, сопряженный опорному пучку (рис.10,а). При этом голограмму прикрывают вертикальной узкой и длинной щелью так, что восстановление действительного изображения происходит только с узкой вертикальной полоски на голограмме. В область действительного изображения помещают фоточувствительный слой и для записи второй голограммы направляют опорный пучок, когерентный световому пучку, восстанавливающему действительное изображение с первой голограммы. Таким образом записывается основная радужная голограмма.

Если теперь полученную голограмму осветить пучком белого света, сопряженным опорному, то одновременно с ортоскопическим изображением объекта будет восстанавливаться и изображение полоски- щели, прикрывавшей первичную голограмму. Изображение щели в разных цветах в силу зависимости угла дифракции от длины волны λ будут занимать разное пространственное положение и поэтому в этой области наблюдается цветная полоса с чередованием всех цветов радуги. (рис. 10,б).

Рисунок 10. Оптические схемы записи радужной голограммы (а) и восстановление с нее в белом свете разноцветных изображение (б)

Зрачок глаза наблюдателя, помещенный в эту область, выделит из всего спектра одну цветовую составляющую, в свете которой и будет наблюдатель воспринимать восстановленное голографическое изображение. Каждое изображение щели выполняет роль окна наблюдения восстановленного голографического изображения в соответствующем цвете. Перемещение глаз наблюдателя по радужной полосе, или наклон голограммы будет сопровождаться изменением цвета воспринимаемого изображения. При смещении головы наблюдателя в пределах одной цветовой полоски, как и для обычной голограммы, наблюдается параллакс восстановленного объемного голографического изображения.

На радужной голограмме можно получить и цветное изображение, если на этапе записи использовать лазеры с красным, синим и зеленым светом. При восстановлении с таких голограмм изображений в белом свете первоначальное распределение цвета по изображению наблюдается только при одном направлении взгляда на голограмму. В других вертикальных положениях головы наблюдателя непрерывно изменяются все цвета восстановленного изображения. При этом возникают весьма необычные цветовые соотношения и цветовая гамма восстановленного изображения оказывается более разнообразной, чем объекта- оригинала.

Радужные голограммы тиражируются механическим путем посредством перенесения рельефа на специальный носитель. Но разработка дизайна, а также сам процесс тиснения и финишной отделки, требующие специальных знаний и навыков, высоких технологий, дорогостоящего оборудования, современных материалов для тиражирования, не позволяют производить высококачественные радужные голограммы в кустарных условиях.

Среди большого многообразия схем, применяемых в голографии, мы рассмотрим только некоторые, имеющие характерные особенности. Наиболее подробно исследованы схемы получения голограмм диффузно рассеивающих объектов. Одна из таких схем представлена на рис. 13. Здесь на светочувствительный слой вместе с опорной волной падает отраженное от объекта излучение.

В качестве делителя лазерного луча удобно использовать многослойное диэлектрическое зеркало, коэффициент отражения которого легко менять в широких пределах, изменяя угол падения лазерного луча. Это позволяет устанавливать необходимое соотношение между энергиями опорного и сигнального лучей простым поворотом светоделителя и избежать тех потерь, которые имеют место в случае использования ослабителей.

Поворотное зеркало 1 позволяет легко устанавливать оптимальное направление освещения объекта, а зеркало 2 служит для уравнивания путей, проходимых опорной и сигнальной волнами от светоделителя до голограммы. Мы уже говорили о том, что разность хода между этими волнами должна быть меньше длины когерентности лазерного излучения.

Случай, когда опорная волна имеет плоский фронт, а расстояние до объекта достаточно мало соответствует голографии Френеля. Каждая точка объекта в этом случае отображается на голограмме в виде сигнала с переменной пространственной частотой, которая определяется углом между опорной и сигнальной волнами.

Как уже указывалось, пространственная частота, которая фиксируется на голограмме, ограничивается разрешающей способностью фотослоя. Стремление смягчить требования к разрешению фотослоя реализуется в голографии Фурье, где опорная волна имеет сферический фронт и создается точечным источником, который располагается перед светочувствительным слоем на таком же расстоянии, что и объект (рис. 14). Здесь уже каждая точка объекта отображается на голограмме в виде сигнала с постоянной пространственной частотой, которая тем ниже, чем меньше ее расстояние до источника опорной волны. Иными словами, в этом случае промежуток между интерференционными полосами для каждой точки объекта не меняется в плоскости голограммы. Это легко понять, если перед голограммой расположить линзу, которая преобразует сферические волны в плоские.

Указанная особенность голографии Фурье позволяет получить голограммы с фотоэмульсиями, имеющими сравнительно невысокую разрешающую способность. Особенно удобен этот метод для съемки небольших предметов, так как по мере увеличения расстояния между объектом и источником опорной волны увеличивается пространственная частота, а яркость изображения падает. Восстановленное изображение имеет одну интересную особенность: оба изображения, мнимое и действительное, располагаются в одной плоскости и наблюдаются вместе с опорным лучом, который находится между ними. Эти изображения одинаковы, но перевернуты друг относительно друга на 180°.

Если радиус кривизны сферического фронта опорной волны постепенно увеличивать, то есть приближать к случаю плоской опорной волны, то одно из восстановленных изображений постепенно становится менее четким (вследствие расфокусировки), что соответствует переходу от голографии Фурье к голографии Френеля. На рис. 15 приведена фотография восстановленного изображения для одного из промежуточных случаев, иллюстрирующая переход к голографии Френеля. Здесь видно одно из восстановленных изображений вмести с ярким пятном, создаваемым опорным лучом. Голограмма снималась на фотопленку с помощью импульсного лазера на рубине.

Помимо съемок объектов в отраженном свете, значительный интерес представляет получение голограмм прозрачных и полупрозрачных объектов, в частности для записи информации с транспарантов. Луч лазера разделяется на два луча, как показано на рис. 16, и на пути одного из лучей устанавливается транспарант. Следует отметить, что свет, проходящий сквозь транспарант, распространяется по законам геометрической оптики и формирует на голограмме изображение, близкое к теневому. В этом случае не используется способность любой точки голограммы содержать информацию обо всем объекте съемки, и при наблюдении восстановленного изображения необходимо смотреть строго вдоль луча, освещающего транспарант при съемке голограммы, так как в противном случае яркость изображения резко падает. Чтобы устранить этот недостаток, транспарант освещают сквозь мозговое стекло, при чем расстояние от матового стекла до транспаранта не должно быть слишком большим, так как после матового стекла пучок света становится расходящимся и с увеличением расстояния до транспаранта освещенность последнего падает.

Мы уже отмечали, что глубина объема предметов при съемке голограмм определяется временной когерентностью оптических генераторов. Существующие в настоящее время гелий-неоновые лазеры, наиболее подходящие для получения голограмм, имеют длину когерентности порядка нескольких десятков сантиметров, и поэтому глубина объема предметов не должна превышать эту величину. Однако если мы хотим получить голограмму сразу нескольких объектов, расположенных друг за другом на большой глубине (значительно превышающей длину когерентности), то это оказывается возможным при использовании специальных полупрозрачных. В качестве примера рассмотрим схему для трех объектов, представленную на рис. 17.

Сигнальный луч делится с помощью системы полупрозрачных зеркал, и каждый из полученных лучей используется для освещения своей группы объектов, имеющих глубину объема меньше, чем длина когерентности лазера. Расположение зеркал выбирается таким образом, чтобы каждая группа предметов освещалась лучом света, длина пути которого до фотопластинки равнялась бы длине пути опорного луча. Прозрачность зеркал должна быть выбрана так, чтобы освещенность всех объектов была одинаковой.

Рассмотренная схема позволяет получить голограмму сцены с большой глубиной объема за одну экспозицию. В этом случае энергия сигнального луча лазера освещает все объекты одновременно. Можно сократить время выдержки, если в той же схеме освещать группы предметов поочередно, то есть снимать на одну и ту же фотопластинку последовательно голограммы каждого объекта. Для этого вместо полупрозрачных зеркал надо использовать одно полностью отражающее зеркало, располагая его каждый раз таким образом, чтобы освещалась только одна группа объектов.

В качестве иллюстрации на рис. 18 показаны фотографии мнимых изображений голограммы, полученной указанным выше способом. Эти фотографии соответствуют фокусировке фотоаппарата на различную глубину. На голограмму снимались кубики с буквами, расположенные на глубине порядка метра. Экспозиция при съемке каждого предмета составляла несколько секунд. Съемка голограммы производилась с помощью гелий-неонового лазера мощностью 10 мвт (с одним по-перечным и многими продольными типами колебаний) на фотопластинку "Микрат 900".

Следует отметить, что существует ряд других схем, позволяющих получить голограммы с большой глубиной объема.

В заключение надо сказать несколько слов о самом процессе съемки голограмм. Поскольку время экспозиции при использовании лазеров непрерывного излучения меняется от долей секунды до нескольких минут (в зависимости от мощности лазера, чувствительности пленки и размера объекта), существенную роль играют вибрации различных элементов схемы. Если амплитуда вибраций сравнима с длиной волны, то это приводит к "размазыванию" интерференционной картины и ухудшению качества голограммы. Вот почему съемка голограмм обычно производится на достаточно массивном основании, а элементы схемы закрепляются достаточно жестко. Это не относится к самому лазеру, вибрации которого не оказывают существенного влияния на качество голограмм.

Естественно, что при очень малом времени съемки голограммы, влияние вибраций уменьшается. Оно полностью, исключается в случае импульсной голографии, когда время экспозиции определяется длительностью импульса излучения лазера, которая обычно лежит в пределах 10 -3 -10 -9 сек .

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

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.

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.

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.

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).

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)

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.

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.

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.

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).

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.

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]

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).

Схема регистрации голограмм Габора

В этом положении (положении 1 на рис. 1.1) главные лучи объектного и опорного пучков распространяются по одному направлению. Полученные таким образом голограммы называются осевыми голограммами или голограммами Габора. При их записи разность хода объектной и опорной волн в пределах поверхности пластинки минимальна по сравнению со всеми другими возможными положениями, что позволяет использовать её для формирования голографического поля источники излучения с низкой степенью когерентности. Относительно большое расстояние между соседними поверхностями максимумов снижает требования к разрешающей способности регистрирующей среды.

Рис. 1.3

Принципиальная схема записи голограмм Габора представлена на рис. 1.3.1. Здесь S -источник когерентного излучения, Т - транспарант с изображением объекта, Н - голограмма. В соответствии с приведенной схемой общую комплексную амплитуду U света, падающего на светочувствительную среду, в плоскости регистрации голограммы можно представить в виде суммы комплексной амплитуды недифрагировавшей на структуре объекта фоновой или опорной волны R и комплексной амплитуды волны, дифрагировавшей на объекте - О

U = R +О, (1.3.2)

Отсюда интенсивность излучения I в плоскости регистрации голограммы может быть описана следующим образом:

При линейной обработке голограммы и ее восстановлении опорной волной с комплексной амплитудой R амплитуда поля в плоскости голограммы, непосредственно за ней - А, может быть описана с точностью до коэффициента пропорциональности следующим образом:

Если амплитуда опорной волны одинакова по всей плоскости голограммы, то первый член правой части выражения (1.3.4.) описывает волновой фронт, комплексная амплитуда которого пропорциональна амплитуде исходной волны U в выражении (1.3.2) .

Оптическая схема записи голограмм Лейта-Упатниекса

Интерференция наблюдается при сложении двух волн, когда при условии их когерентности, т.е. постоянной разности фаз этих волн, возникает характерное пространственное распределение интенсивности света - интерференционная картина. Фотопластинка-детектор регистрирует это в виде чередующихся светлых и темных полос, или интерферограммы.

Для определения остаточных напряжений применялась и обычная интерферометрия, но эту работу можно было провести только в хорошо оборудованной лаборатории: требовалась специальная подготовка поверхности исследуемого объекта, придание ей правильной формы, специальное освещение и оборудование.

Когда создали лазер, т.е. источник излучения с высокой пространственной и временной когерентностью, стала развиваться оптическая голография - способ записи и восстановления световых волн, рассеянных объектом и несущих информацию о его форме (т.е. трехмерного образа объекта). Некоторые методики интерферометрии сильно упростились, так как снялись проблемы освещения и подготовки поверхности.

Принципиальная оптическая схема для записи голограммы по Лейту-Упатниексу показана на рис.1.3.2. Луч лазера (1) расширяется линзой (2) и делится полупрозрачным зеркалом (3) на две части. Одна часть - это опорный луч (ОЛ) - проходит через зеркало и сразу падает на фотопластинку-детектор (5). Вторая часть, отраженная от зеркала, освещает объект (4) и, диффузно рассеянная им, проходит через линзу (6) и тоже падает на детектор. Это предметный луч (ПЛ).

Рис. 1.4 - Принципиальная схема записи голограммы Лейта-Упатниекса: 1 - лазер, 2 - линза, 3 - полупрозрачное зеркало, 4 - объект, 5 - фотопластинка-детектор, 6 - линза в режиме лупы, ОЛ - опорный луч, ПЛ - предметный луч

Заметим, что наличие линзы (6) не принципиально для записи голограмм, однако необходимо для измерения остаточных напряжений. Линза находится на фокусном расстоянии от объекта и поэтому работает в режиме лупы: на фотопластинке записывается не весь образ объекта, а малая, но увеличенная в 2-5 раз, его часть - область поверхности с отверстием. Это помогает рассмотреть довольно плотно расположенные (особенно на кромке отверстия) полосы интерферограммы .

В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством, делителем (в простейшем случае в роли делителя может выступать любой кусок стекла), на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и регистрирующую среду (например, фотопластинку). Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале - лазера.

Голограммы, получаемые на относительно толстых, по сравнению с периодом следования максимумов интенсивности голографического поля, регистрирующих средах представляют собой объемную дифракционную решетку, состоящую из последовательности частично отражающих поверхностей.

Такая решетка, как известно, обладает селективным, т.е. зависящем от угла падения и длины волны восстанавливающей волны, откликом, описываемым законом Брэгга. Голограммы, обладающие такими свойствами, называют объемными или брэгговскими. Если толстая по сравнению с периодом следования максимумов голографического поля регистрирующая среда устанавливается в положение 3, то опорная и объектная сферические волны падают на нее с разных сторон. В этом случае расстояние между поверхностями максимумов интенсивности голографического поля составляет примерно половину длины волны регистрирующего излучения и эти поверхности близки к плоскостям, параллельным поверхности регистрирующей среды.

Рис. 1.5

Такая схема регистрации голограммы предложена Ю.Н. Денисюком и носит его имя.

При регистрации голограммы в такой схеме в объеме регистрирующей среды образуется большое количество частично отражающих излучение поверхностей, называемых стратами, действующих подобно 15 отражательному интерференционному фильтру. Даже для толщин регистрирующей среды 10 - 12 мкм число этих страт может быть более 50. Большое число содержащихся в голограмме частично отражающих поверхностей обуславливает их высокую спектральную селективность, позволяющую восстанавливать записанное на них изображение в белом свете. Такие голограммы называются голограммами Ю.Н. Денисюка или отражательными объемными голограммами. Следует отметить, что известная из курса физики фотография Липпмана является, по своей сути, частным случаем голограммы Денисюка.

Голографирование с наклонным опорным пучком при диффузном и недиффузном объектном пучке.

Получение голограммы с помощью опорной волны, падающей на плоскость регистрирующей среды под углом, отличным от угла падения объектной волны. Пространственно-частотный анализ этого метода основан на понятии несущей, или опорной, волны, пространственная частота которой модулируется информацией о предмете. Таким образом, выражение “голограмма с несущей частотой” эквивалентно выражению “внеосевая голограмма”. При использовании метода несущей частоты отпадает необходимость получения опорной волны за счет света, прошедшего через предмет. Вследствие этого, при применении внеосевых голограмм, в противоположность габоровским голограммам, нет необходимости ограничиваться транспарантами с большими прозрачными участками. На рис.1.3.4. показан простой способ деления волнового фронта, позволяющий освещать прозрачный транспарант когерентной плоской волной и получать наклонную плоскую волну от того же источника. В качестве объекта можно взять полутоновой транспарант. Пусть О(x, y) - комплексная амплитуда объектной волны в плоскости голограммы, R = r exp(2рiоrx) = r exp(ikx sinи) - комплексная амплитуда плоской опорной волны. Из сравнения этих выражений проводимого, гласящего, что фаза волны обратно пропорциональна пройденному оптическому пути, получим выражение для пространственной частоты опорной волны, представленной на рис.1.3.4.

Рис. 1.6

Пространственная частота опорной волны, представленной на рис. 1.3.4. Пространственная частота опорной волны соответствует волновому вектору опорной волны, направленному вниз от оси z, где и- угол, образованный им в плоскости xz с осью z.

Рассмотренный нами ранее метод освещения частично прозрачного транспаранта плоской волной обладает рядом недостатков, среди которых:

* трудность наблюдения восстановленного мнимого изображения, заключающаяся в необходимости сканирования зрачком наблюдателя всей плоскости голограммы;

* сильная неравномерность интенсивности объектной волны в плоскости регистрации голограммы, затрудняющая выбор интенсивности опорной волны.

Эти недостатки можно устранить, если использовать диффузное освещение голографируемого транспаранта. Для этого между лазерным источником и транспарантом обычно помещают диффузный экран, например матовое стекло. Так как диффузный экран рассеивает свет в широком телесном угле, то теперь наблюдателю не нужно сканировать зрачком всю поверхность голограммы, чтобы увидеть все изображение транспаранта. Хотя фаза света, рассеянного диффузным экраном и прошедшего через объект, представляет собой быстро меняющуюся пространственную функцию координат в плоскости голограммы, свет в этой плоскости может сохранять когерентные свойства. Это происходит, если:

* исходная волна, освещающая диффузный экран, пространственно когерентна по всей площади экрана;

* максимальная длина пути света от источника до голограммы через диффузный экран отличается от длины пути опорного пучка не больше, чем на длину когерентности;

* экран остается неподвижным.

Голограмма, полученная при диффузном освещении, обладает рядом замечательных свойств. Дело в том, что диффузный экран имеет более широкий спектр пространственных частот, чем голографируемый транспарант, он рассеивает свет в широком телесном угле так, что каждая точка апертуры голограммы получает свет от всех точек транспаранта. Вследствие этого на стадии восстановления через любую часть голограммы можно наблюдать все мнимое изображение объекта. При смещении направления наблюдения изображение видно с другой стороны. Если мы имеем голограмму двумерного транспаранта и хотим наблюдать его изображение, то сможем восстановить его целиком, даже в том случае, когда голограмма оказалась разбитой или поврежденной, так, что сохранился лишь небольшой участок. Конечно, разрешение в изображении тем хуже, чем меньше площадь оставшейся части голограммы. Отметим, что диффузная подсветка объекта, помимо перечисленных выше преимуществ, обладает и рядом существенных недостатков. Среди них зернистая, спекловая структура изображений, восстанавливаемых с помощью таких голограмм. Благодаря ей, восстановленные изображения состоят из отдельных светлых пятен, разделенных абсолютно темными промежутками. Размер пятен находится на пределе разрешающей способности голограммы, а их контраст (видность) - V, определяемый как отношение разности максимальной и минимальной интенсивностей элементов изображения к их сумме, равен 1.

Причина появления спеклов кроется в невозможности регистрации всего поля, рассеянного диффузором. Потеря и не регистрация на голограмме части поля объекта приводит к перераспределению интенсивности восстановленного изображения, имеющего вид пятнистой структуры. Наличие спеклов ограничивает область практического использования голограмм с диффузной подсветкой объекта. Так, например, в фотолитографии спеклы недопустимы, поскольку приводят к разрыву отображаемых структур. До сегодняшнего дня так и не изобретено радикального метода борьбы со спеклами. Единственное, что предлагается делать в этом направлении, это использовать метод накопления, т.е. метод последовательной регистрации множества реализаций одного и того же восстановленного изображения, характеризующихся различными картинами спеклов. Практически реализуют этот метод путем установки вращающегося рассеивателя в восстанавливающий пучок лучей. Наличие вращающегося рассеивателя позволяет усреднить во времени различные реализации картин спеклов и свести их к постоянному по плоскости изображения шуму. Вместе с тем рассеиватель обуславливает изменение структуры восстанавливающего пучка и, тем самым, приводит к снижению разрешения в восстановленном изображении. Более подробно об этом мы будем говорить позже .

Материалы для записи голограмм

В настоящее время запись большинства объемных голограмм осуществляется на фотополимерах. Из них наибольшее распространение и известность получили фотополимеры фирмы Du Pont. Они выпускаются в промышленных масштабах и широко используются для изготовления защитных голографических меток, например голограмм на кредитных картах, банкнотах и т.д. Фотополимеры могут быть очувствлены практически в любом диапазоне видимой области спектра. Их разрешаюшая способность также превышает 3000 мм-1, что позволяет использовать эти среды для регистрации отражательных голограмм по схеме Ю.Н. Денисюка. Их светочувствительность составляет десятки мДж/см2. В качестве основных достоинств фотополимеров можно отметить низкий уровень шума, простоту послеэкспозиционной обработки. Недостатком этих сред является сложность их нанесения на подложку в виде равнотолщинной пленки.