§ 133. Голография

Голография (т. е. «полная запись», от греческого: голос — весь, графо — пишу) есть особый способ фиксирования на фотопластинке структуры световой волны, отраженной предметом. При освещении этой пластинки (голограммы) пучком света зафиксированная на ней волна восстанавливается в почти первоначальном виде, так что при восприятии восстановленной волны глазом зрительное ощущение бывает практически таким, каким оно было бы при наблюдении самого предмета.

Голография была изобретена в 1947 г. английским физиком Д. Габором. Однако полное осуществление идеи Габора стало возможным только после появления в 1960 г. источников света высокой степени когерентности — лазеров. Исходная схема Габора была усовершенствована американскими физиками Э. Лейтом и Ю. Упатниексом, которые получили в 1963 г. первые лазерные голограммы. Советский ученый Ю. Н. Денисюк предложил в 1962 г. оригинальный метод фиксирования голограмм на толстослойной эмульсии. Этот метод, в отличие от голограмм на тонкослойной эмульсии, дает цветное изображение предмета.

Мы ограничимся элементарным рассмотрением метода получения голограмм на тонкослойной эмульсии. На рис. 133.1, а дана схема установки для получения голограмм, а на рис. 133.1, б — схема восстановления изображения. Испускаемый лазером световой пучок, расширенный с помощью системы линз, делится на две части. Одна часть отражается зеркалом к фотопластинке, образуя так называемый опорный пучок 1. Вторая часть попадает на пластинку, отразившись от фотографируемого предмета; она образует предметный пучок 2. Оба пучка должны быть когерентными. Это требование выполняется, поскольку лазерное излучение обладает высокой степенью пространственной когерентности (световые колебания когерентны по всему поперечному сечению лазерного пучка). Опорный и предметный пучки, налагаясь друг на друга, образуют интерференционную картину, которая фиксируется фотопластинкой.

Экспонированная таким способом и проявленная фотопластинка и есть голограмма. В образовании голограммы участвуют два пучка света, в связи с чем описанная схема получения голограмм называется двухлучевой.

Для восстановления изображения проявленную фотопластинку располагают относительно источника света так, как она находилась при фотографировании, и освещают опорным пучком света (часть лазерного пучка, которая освещала при фотографировании предмет, теперь перекрывается). Опорный пучок дифрагирует на голограмме, в результате чего возникает волна, имеющая точно такую структуру, как волна, отражавшаяся предметом. Эта волна дает мнимое изображение предмета, которое воспринимается глазом наблюдателя. Наряду с волной, образующей мнимое изображение, возникает еще одна волна, которая дает действительное изображение предмета. Действительное изображение псевдоскопично; это означает, что оно имеет рельеф, обратный рельефу предмета, - выпуклые места заменены вогнутыми и наоборот.

Рис. 133.1.

Рассмотрим характер голограммы и процесс восстановления изображения. Пусть на фотопластинку падают два когерентных параллельных пучка световых лучей, идущих под углом друг к другу (рис. 133.2). Пучок 1 является опорным, пучок 2 — предметным (предмет в данном случае представляет собой бесконечно удаленную точку). Для простоты предположим, что пучок 1 падает на пластинку нормально. Все полученные ниже результаты остаются справедливыми и при наклонном падении опорного пучка, однако формулы в этом случае более громоздки.

Вследствие интерференции опорного и предметного пучков на пластинке образуется система чередующихся прямолинейных максимумов и минимумов интенсивности. Пусть точки А и В соответствуют серединам соседних интерференционных максимумов.

Тогда разность хода равна . Из рис. 133.2 видно, что следовательно,

(133.1)

Зафиксировав на пластинке (путем экспонирования и проявления) интерференционную картину, направим на нее опорный пучок l. Пластинка для этого пучка играет роль дифракционной решетки, период d которой определяется формулой (133.1). Отличительной особенностью этой решетки является то обстоятельство, что ее пропускательная способность изменяется в направлении, перпендикулярном к «штрихам», по косинусоидальному закону (у рассматривавшихся в § 130 решеток она изменялась скачком: просвет — темно — просвет — темно и т. д.).

Рис. 133.2.

Рис. 133.3.

Эта особенность приводит к тому, что интенсивность всех дифракционных максимумов порядка выше 1-го практически равна нулю.

При освещении пластинки опорным пучком (рис. 133.3) возникает дифракционная картина, максимумы которой образуют с нормалью к пластинке углы определяемые условием

(133.2.)

(ср. с формулой (130.5)). Максимум, отвечающий лежит на продолжении опорного пучка. Максимум, отвечающий имеет такое же направление, какое имел при экспонировании предметный пучок 2 (ср. формулы (133.1) и (133.2)). Кроме того, возникает максимум, отвечающий

Можно показать, что полученный нами результат справедлив и в том случае, когда предметный пучок 2 является не параллельным, а расходящимся. При этом максимум, отвечающий имеет характер расходящегося пучка лучей 2 (он дает мнимое изображение точки, из которой выходили лучи 2 при экспонировании); максимум же, отвечающий имеет характер сходящегося пучка лучей 2" (он образует действительное изображение точки, из которой выходили лучи 2 при экспонировании).

При получении голограммы пластинка освещается опорным пучком и множеством расходящихся пучков 2, отраженных разными точками предмета. На пластинке возникает сложная интерференционная картина, образуемая в результате наложения картин, даваемых каждым из пучков 2 в отдельности. При освещении голограммы опорным пучком 1 оказываются восстановленными все пучки 2, т. е. полная световая волна, отражавшаяся предметом (ей отвечает . Кроме нее, возникают еще две волны (отвечающие . Но эти волны распространяются в других направлениях и не мешают восприятию волны, дающей мнимое изображение предмета (см. рис. 133.1).

Изображение предмета, даваемое голограммой, является объемным. На него можно смотреть из разных положений. Если при съемке близкие предметы закрывали более удаленные, то сместившись в сторону, можно заглянуть за ближайший, предмет (вернее, за его изображение) и увидеть скрытые до того предметы. Это объясняется тем, что, сместившись в сторону, мы воспринимаем изображение, восстановленное от периферической части голограммы, на которую при экспонировании падали также и лучи, отраженные от скрытых предметов. Рассматривая изображения ближних и дальних предметов, приходится, как и при рассматривании самих предметов, по-разному аккомодировать глаз.

Если голограмму расколоть на несколько кусков, то каждый из них при просвечивании дает такую же картину, что и исходная голограмма. Однако чем меньшая часть голограммы используется для восстановления изображения, тем меньше его четкость. Это легко понять, приняв во внимание, что при уменьшении числа штрихов дифракционной решетки ее разрешающая сила уменьшается (см. формулу (130.19)).

Возможные применения голографии весьма разнообразны. Далеко не полный их перечень образуют голографические кино и телевидение, голографический микроскоп, контроль качества обработки изделий. В литературе можно встретить утверждение, что изобретение голографии можно сравнить по его последствиям с созданием радиосвязи.