Основные голографические схемы (продолжение).

Цели: продолжить знакомство с основными голографическими схемами.

Сценарий занятия:

1. Организация учащихся.
2. Изучение нового материала.

   Схема Упатниекса.

   Опорная и освещающая объект волны могут формироваться в ре­зультате разделения расширенного волнового фронта лазерного из­лучения на две части (рис. 11а, 12а). Одна часть фронта отражается от зеркала, а другая - рассеивается объектом наблюдения. Оба волновых поля достигают фотопластинки Р, на которой регистрируется результирующая интерференционная картина - голограмма объекта.

   рис. 11	рис. 12

   Изображения формируются в результате просвечивания голо­граммы лазерным световым пучком (рис. 11а, 12а) и дифракции света на неоднородностях ее почернения. Действительное изображение объекта формируется волновым полем, распространяющимся в данном на­правлении, без помощи объектива. Мнимое изображение формируется волновым полем, рассеянным объ­ектом наблюдения, как это показано на рис. 11б, 12б. Такое поле можно использовать, перемещая в нем объектив или глаз, для формирова­ния различных изображения объек­та, видимых под разными углами из различных точек пространства, как при непосредственных наблю­дениях объекта. Достигаемое при этом взаимное параллактическое смещение деталей изображения показано на рис. 13, 14. То же можно наблюдать и для действительных изображений, просвечивая различные участки голограммы. Кроме рассмотренных волновых полей за голограммой распространяются также ослабленный исходный световой пучок и немного расходящийся световой пучок (на рисунке не показаны). Эти пучки не несут информации об объекте наблюдения.

   рис. 13

   рис. 14

   Объемные голограммы (метод Денисюка).

   Интерференционное поле, образующееся в области перекрытия опорной и предметной волн, конечно, не локализовано на поверхно­сти фотопластинки. Как и в любом опыте с когерентными волнами, места повышенных и пониженных значений амплитуды суммарного колебания распределены во всем пространстве по тому или иному закону, зависящему от вида волновых фронтов. Поэтому в слое фо­точувствительной эмульсии, всегда обладающем некоторой толщи­ной, образуется трехмерная структура почернений, а не двумерная, как приближенно предполагалось нами ранее. Вместе с тем, законы дифракции света на трехмерных структурах имеют свои особенно­сти, которые находят интересные применения в голографии.

   Рассмотрим сначала простейший случай голограммы плоской волны, когда опорная волна также плоская. В этих условиях слои почернения фотоэмульсии, отвечающие точкам синфазного сложения световых колебаний, располагаются параллельно биссектрисе угла между волновыми векторами k₀ и k опорной и предметной волн, причем расстояние между соседними слоями равно d=λ/2sin½θ. На рис. 15а слои почернений условно обозначены сплошными линиями и изображены в сильно увеличенном масштабе.

   рис. 15

   Для просвечивающей волны такая голограмма служит периоди­ческой трехмерной структурой, и, в соответствии с законом Вульфа - Брэгга, должна наблюдаться дифрагировавшая волна в направле­нии, соответствующем зеркальному отражению от слоев почернения (см. рис. 15б). Но именно в этом направлении распространялась предметная волна. Таким образом, объемность структуры голограм­мы не препятствует восстановлению волнового фронта.

   Опыт показывает, что при достаточно большой толщине голо­граммы при ее просвечивании наблюдаются только волны порядков m = 0 и —1 (волновые векторы k₀ и k), а волна первого порядка не образуется. Так обстоит дело только при условии, что толщина слоя h значительно превосходит период структуры d. В противном случае трехмерная структура оказывается эквивалентной решетке Рэлея и в ней формируется и волна первого порядка, показанная на рис. 15б пунктирной стрелкой.

   Пусть, например, вектор k₀ перпендикулярен к плоскости голо­граммы. При этом условии волны первого порядка, зарождающиеся в последовательных слоях фотоэмульсии, взаимно гасят друг друга, если выполняется неравенствоh > λ/[2sin¹/₂θ]² (*)

   Если λ = 0,63 мкм, 6 = 10⁰ , то λ/[2sin¹/2θ]² = 21 мкм, что превы­шает толщины обычно используемых фотоматериалов (6 -15 мкм) и это неравенство не выполняется. Поэтому в расположениях, харак­теризующихся сравнительно небольшими углами между опорной и предметной волнами, объемность голограммы оказывается несущественной и наблюдается как главное, так и дополнительное изображение. Обратная картина имеет место при интерференции встречных или почти встречных волн (θ ~ 180⁰), когда λ/[2sin¹/2θ]² ~ λ/4 и условие (*) выполняется с большим запасом. В таких располо­жениях дифрагировавшая волна соответствует брэгговскому отраже­нию и следует ожидать образования только одного голографического изображения.

   На рис. 16а показана схема голографического опыта такого рода. Объект S освещается лазерным излучением через фотопластинку, и отраженные волны распространяются назад к слою специальной фо­тоэмульсии ФЭ, практически прозрачной до проявления. Буквой С обозначено стекло фотопластинки. Лазерная волна играет также роль опорной, образуя вместе с предметной волной интерференци­онное поле, передающее все особенности волнового фронта, идуще­го от объекта, и имеющее поэтому весьма сложную структуру. Как показывает опыт, при просвечивании полученной таким способом голограммы восстанавливается только мнимое (главное) изображе­ние объекта (рис. 16б), что и должно быть, согласно приведенным выше соображениям.

   рис. 16	рис. 17

   Описанный метод голографии, в котором используется брэгговское отражение просвечивающей волны от трехмерной структуры голограммы, был предложен и осуществлен Ю. Н. Денисюком (1962 г.) и носит его имя.

   Замечательная особенность метода Денисюка заключается в том, что в качестве просвечивающего излучения можно использовать расходящийся пучок белого света и, тем не менее, изображение предмета восстанавливается (рис. 17а). Это обусловлено особенно­стями дифракции света на трехмерной структуре: эффективное отражение света происходит лишь для тех длин волн и для тех направ­лений его распространения, которые связаны соотношением Вульфа – Брэгга (2dsinθ = nλ). Вся остальная часть излучения проходит голограмму и не принимает участия в образовании изображения.

   Если осветить голограмму с обратной стороны (рис. 17б), то главное изображение отсутствует, но образуется дополнительное, которое будет зеркальным по отношению к объекту.

   Этот метод позволяет также получать цветные изображения с вполне удовлетворительным качеством цветопередачи. Для уяснения принципа цветной голографии следует иметь в виду, что цветное зрение связано с существованием в сетчатке глаза трех типов при­емников света, реагирующих на красное, зеленое и синее излучение. Можно сказать, что изображение предмета на сетчатке глаза пред­ставляет собой как бы три совмещенных изображения, рассматри­ваемые в трех указанных интервалах длин волн. Подобный принцип совмещения изображений применяется и в цветной репродукции, где в зависимости от требуемого качества цветопередачи совмещают от трех до 10 - 15 изображений в различных красках.

   Аналогичные соображения лежат в основе цветной голографии. Для осуществления цветного изображения по методу Денисюка мож­но зарегистрировать голограмму, используя освещение объекта (од­новременно или последовательно) излучением, имеющим в своем спектре три линии (красную, зеленую и синюю). Тогда в толще фо­тоэмульсии образуются три системы стоячих волн и соответственно три системы пространственных структур. При восстановлении изо­бражения с помощью белого света каждая из указанных систем бу­дет формировать свое изображение объекта в свете соответствующе­го спектрального участка, примененного во время экспонирования. Поскольку положение изображения не зависит от длины волны, мы получим три совмещенные изображения в трех участках спектра, а этого уже достаточно для восстановления цветного изображения.

   Объемная дифракционная решетка, образованная несколькими десятками слоев почернений, обладает сравнительно небольшой спектральной разрешающей силой. Поэтому каждое из составных изображений не столь "монохроматично", как лазерное излучение, примененное на первом этапе голографирования. Это обстоятельство до известной степени способствует "мягкости" цветопередачи.

   Одна из трудностей цветной голографии связана с изменением толщины фотоэмульсии, происходящим при ее фотообработке. Практика показывает, что обработка приводит к "усадке" фотоэмульсии, вследствие чего уменьшается и период трехмерной структуры. В результате условие Вульфа – Брэгга выполняется для более коротковолнового излучения, чем опорное. Этим объясняется некоторое искажение окраски цветных голографических изображений.

^ наверх ^