§ 8. ПОНЯТИЕ О ГОЛОГРАФИИ

Голография (впервые предложенная Ю. Табором в 1947 г.) есть особый метод регистрации на фотопластинке (или пленке) волнового фронта излучения, идущего от предмета, и затем восстановления этого фронта для получения мнимого или действительного изображения предмета. Голография основана на фотографировании результата интерференции двух частей волны (плоской или сферической),

испускаемой когерентным источником, например лазером: одна часть поступает на фотопластинку непосредственно и называется «опорной волной», а вторая часть направляется для освещения изучаемого объекта и после отражения от него поступает на ту же пластинку; эту часть волны называют предметной. На фотопластинке после проявления оказывается зафиксированной сложная интерференционная картина, называемая голограммой. В каждой точке голограммы результат интерференции опорной и предметной волн зависит не только от амплитуд их электрических векторов, но и от разности фаз между ними. Ввиду этого сведения о предмете, записанные на голограмме, оказываются более полными, чем при обычном фотографировании.

Рис. IV.51

На рис. IV.51 показана схема одной из простейших установок для получения сначала голограммы, а затем и изображения предмета. Когерентная (и монохроматическая) волна от лазера частично отражается от зеркала 3 и поступает на фотопластинку частично же направляется на предмет От каждой точки предмета на фотопластинку поступает сферическая волна, которая на всей освещаемой части пластинки интерферирует с плоской опорной волной. Можно показать, что в результате этой интерференции на фотопластинке получаются чередующиеся темные и сретлые концентрические кольца с синусоидальным распределением коэффициента пропускания (см. § 5). Эта интерференционная картина фиксируется на фотопластинке и является голограммой данной точки предмета. Каждая точка предмета в зависимости от разности фаз между волной, исходящей от этой точки предмета, и опорной волной образует на фотопластинке свою голограмму. Таким образом, на голограмме предмета окажутся записанными голограммы всех его точек.

Для того чтобы получить изображение предмета по его голограмме, направляют на голограмму то же опорное излучение, при помощи которого она была снята. В схеме, указанной на рис. IV.51, можно, например, просто удалить предмет или воспользоваться экраном

и закрыть ту часть излучения, которая раньше направлялась на предмет при фотографировании голограммы. Изображения предмета получаются в результате дифракции опорной волны на периодической структуре голограммы. Расчеты показывают, что плоская опорная волна, прошедшая через голограмму, образованную одной точкой предмета, в результате дифракции разделяется на три волны: одну плоскую, распространяющуюся в том же направлении и две сферические волны — расходящуюся и сходящуюся На рис. IV.51 показано, что каждый луч опорной волны после дифракции разделяется на прямой луч и два симметрично расположенных луча эти лучи показаны пунктиром. Лучи с сходятся в точке и образуют действительное изображение точки предмета; лучи с расходятся и могут создать мнимое изображение (которое получается в том месте, где раньше находилась точка предмета). Таким образом будут получены действительные и мнимые изображения каждой точки предмета, а следовательно, и соответствующее полное изображение всего предмета. Разумеется, голограмма предмета представляет собой весьма сложное распределение почернения на фотопластинке. Однако можно полагать, что сравнительно простая интерференционная картина от каждой отдельной точки предмета, условно выражаясь, «действует» независимо от других, благодаря чему получается очень отчетливое изображение всего предмета. Заметим также, что на голограмме будет записана не только интерференция предметной и опорной волн, но и результаты интерференции отдельных частей самой предметной волны между собой; однако интерференционная картина, вызванная одной только предметной волной, оказывается значительно более слабой, чем основная картина, образованная совместно предметной и опорной волнами.

Для удобства наблюдения действительного изображения предмета (и фотографирования его) голограмму освещают не с левой, как показано на рисунке, а с правой стороны (под тем же углом). Тогда действительное изображение получается в том месте, где находился предмет при снятии голограммы.

Перечислим некоторые достоинства голографии по сравнению с обычным фотографированием. Объектив фотоаппарата (допустим, идеальный) преломляет лучи, вышедшие из одной точки предмета, таким образом, что они пересекаются в одной точке, которую мы называем изображением. По существу, объектив дает объемное изображение предмета; однако изображения некоторых точек предмета оказываются либо ближе, либо дальше плоского светочувствительного слоя. Почернение пластинки в различных местах определяется только энергией, которая поступает на эти участки за время экспозиции, поэтому на фотографии невозможно установить, какие части предмета находились ближе или дальше от фотоаппарата, В голограмме же интерференционная картина зависит от разности фаз между опорной волной и волной, идущей от данной точки предмета. Эта разность фаз различна для различных точек предмета, поэтому от голограммы можно получить почти не искаженное объемное изображение предмета.

Далее, при обычном фотографировании различные части предмета фиксируются в различных местах фотопластинки, поэтому сведения о предмете можно получить, изучая всю фотографию; вследствие этого размеры фотографии не могут быть очень малыми. В голограмме же сведения как о каждой точке предмета, так и о предмете в целом записаны на всей площади фотопластинки, поэтому от каждой, даже очень малой части пластинки, на которой записана голограмма, можно получить изображение всего предмета.

Важным достижением голографии оказалась возможность записи интерференционной картины (имеющей вид стоячих волн) в толстом слое фотоэмульсии, т. е. получение трехмерных голограмм (метод Ю. Денисюка, 1962 г.); толщина слоя должна быть значительно больше расстояний между соседними интерференционными поверхностями. Такие голограммы представляют собой трехмерные дифракционные структуры, которые при освещении дают объемные изображения предмета. При этом голограмма должна быть освещена излучением той же самой длины волны, при помощи которого производилась запись. На одной фотопластинке могут быть одновременно записаны голограммы нескольких тел, если воспользоваться опорными излучениями с различными длинами волн (и под различными углами падения). Далее, можно получить голограммы, дающие объемное цветное изображение предмета, если записать на одной пластинке голограммы этого предмета в трех основных цветах — красном, зеленом, синем (изображение предмета получается при освещении белым светом). Голография дает возможность получить также и увеличенные изображения предмета, если голограмма снимается на коротких волнах, а изображение получают при освещении длинноволновым излучением.

Известны многие применения голографии: для записи и хранения большого информационного материала на малых по размерам участках голограммы; для получения изображения от предметов, рассеивающих звуковые волны; для изучения физических процессов на поверхности тел и т. д.