Глава XV. Физические принципы оптической голографии

В настоящем главе мы рассмотрим бурно развивающийся в настоящее время метод получения объемных изображений различных предметов, который имеет многочисленные научные и технические применения. Этот метод, называемый оптической голографией, основывается на явлениях интерференции и дифракции света, которые были изложены в предыдущих главах.

§ 139. Фотография и голография

Для получения фотографии какого-либо несамосветящегося объекта его освещают и, используя оптическую систему (объектив, сферическое зеркало), формируют действительное изображение предмета на фотопластинке (пленке), которую затем проявляют и фиксируют.

Техника фотографирования достигла высокого уровня, и научное и практическое значение фотографии в настоящее время огромно. Нет сомнения в том, что она сохранит свое значение и в будущем как превосходное и простое средство регистрации важнейшей информации, доступной оптическим методам наблюдения.

Однако, несмотря на высокое развитие инструментальной оптики и фотографической техники, возможности фотографии в некоторых отношениях ограничены. Рассмотрим вкратце ограничения, присущие атому традиционному методу записи оптической информации.

1.Для получения изображения объекта на экране или на фотопластинке необходима оптическая система.

2.Оптическая система формирует изображение трехмерного объекта на плоском экране или фотопластинке, причем в оптимальных условиях при этом находятся только те точки объекта, которые лежат в одной определенной плоскости, перпендикулярной к оптической оси системы.

3.Полученное па экране или фотопластинке изображение не дает возможности обозреть объект с различных сторон, как это происходит при непосредственном его наблюдении. Другими словами, при фотографической регистрации утрачивается объемность объекта.

4.На каждом участке поверхности фотопластинки фиксируется информация лишь об определенной детали объекта, поэтому с помощью части негатива нельзя наблюдать полное изображение предмета.

5.На одном негативе нецелесообразно фиксировать изображения нескольких объектов, если эти изображения перекрываются: информация об одном объекте помешает восприятию информации о другом объекте.

Рассмотрим теперь с более общей точки зрения, в какой мере фотография позволяет использовать информацию об объекте, которую переносит отраженное им электромагнитное поле.

Оптическое изображение па экране или на фотопластинке создается неравномерной освещенностью их поверхности отраженным от объекта светом. Освещенность измеряется энергией света, которая падает в единицу времени на единицу площади. При этом в связи с высокой частотой колебаний оптического электромагнитного излучения она определяется средним по времени значением потока энергии.

Среднее значение потока анергии зависит, в свою очередь, от амплитуды электрического  и магнитного  векторов светового поля у поверхности каждого участка изображения, но не зависит от начальной фазы колебаний поля на этом участке. Так, например, два участка изображения будут одинаково освещены, если амплитуды векторов  и  вблизи них соответственно одинаковы, но фазы их колебаний различны.

Очевидно, что фотографическая регистрация распределения освещенности в плоскости изображения не позволяет учесть распределение фаз колебаний в этой плоскости. В самом деле, почернение фотографического негатива обусловливается лишь поглощенной им энергией, а последняя зависит от освещенности негатива и времени экспозиции.

Прежде чем перейти к изложению принципов голографии, поясним некоторые термины, которыми мы будем пользоваться в дальнейшем. Световая волна называется монохроматической, если она содержит излучение строго определенной длины волны. Реальные источники света, конечно, не обладают таким свойством, но если интервал длин волн их излучения мал, то такую волну мы тоже будем называть монохроматической. Если разность фаз двух волн, приходящих в одну точку пространства, не изменяется с течением времени, то эти волны обладают временной когерентностью и способны образовать устойчивую интерференционную картину.

Световой пучок называется пространственно когерентным, когда разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной к направлению его распространения, остается постоянной.

Если объект наблюдения освещен немонохроматическим и пространственно некогерентным светом, то фазы воли, отраженных объектом, распределяются по плоскости изображения хаотически (и в пространстве и во времени) и никакой дополнительной информации об объекте дать не могут.

Иначе обстоит дело, когда объект наблюдения освещен монохроматическим и пространственно когерентным световым пучком. В этом случае распределение фаз световых волн, отраженных от объекта, происходит по определенным законам и содержит информацию о нем, дополняющую ту, которую несут амплитуды волн.

Например, фазы волн, отраженных далекими участками объекта наблюдения, будут запаздывать и иметь другое распределение в плоскости изображения по сравнению с фазами волн, отраженных близкими к оптической системе его точками. Следовательно, различие в фазах волн, отраженных от трехмерного объекта, может давать информацию о протяженности объект вдоль напряжения наблюдения. Однако, как сказано выше, фотографический метод регистрации изображений не дает возможности использовать фазовую информацию. Для этого надо искать новые способы ее  выявления.

Задачу возможно более полного использования и записи информации, переносимой полем световых волн, отраженных объектом, решает недавно появившаяся отрасль оптики — голография. Это принятое повсеместно название нового направления оптики, означающее в русском переводе с греческого полную запись (светового поля), вполне соответствует той цели, которая была поставлена основоположником голографии английским ученым Д. Габором.

Первым этапом голографической записи оптической информации является регистрация как амплитудных, так и фазовых характеристик волнового поля, отраженного объектом наблюдения. При некоторых специальных условиях, о которых подробно будет сказано ниже, эта регистрация осуществляется фотографически, но без формирования оптического изображения объекта. Фотопластинка с такой специальной записью параметров поля называется голограммой.

Следующий этап голографирования — извлечение из голограммы информации об объекте, которая на ней зарегистрирована. Для этого голограмму просвечивают световым пучком (в некоторых случаях используют отражение света от голограммы).

Голограмма является своеобразной двумерной (иногда трехмерной) структурой, на которой дифрагирует падающий на нее свет. Световой пучок, дифрагировавший на голограмме, может сформировать на экране действительное оптическое изображение объекта без применения каких-либо оптических систем. Этот пучок способен также создать волновое поле, эквивалентное распространявшемуся ранее (т. е. во время съемки голограммы) от объекта наблюдения. Для использования такого волнового поля с целью получения информации об объекте наблюдения уже необходима оптическая система.

Замечательное свойство голограммы, соответствующее смыслу ее названия — полная запись — состоит в большом объеме зарегистрированной на ней информации.

Голограмма позволяет полностью восстанавливать уже в отсутствие объекта то волновое поле, которое ранее (т. е. при регистрации голограммы) создавал сам объект. С помощью такого поля можно получить не одно изображение объекта, а множество его разнообразных изображений, как при непосредственном наблюдении самого объекта с разных точек зрения. В этом заключается наиболее существенное отличие голограммы от фотоснимка.

Методом голографии можно восстановить эффект объемности трехмерного предмета (наблюдать паратактическое смещение при изменении положения наблюдателя), воспроизвести окраску поверхности объекта, не прибегая к обычным методам цветной фотографии, и т. д.

Использование для получения оптической информации об объекте его волнового поля, восстановленного при просвечивании голограммы, позволило дать этому методу наблюдения еще одно название: формирование изображений восстановлением волнового поля.