5.4. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ГОЛОГРАММЫ

У. Кетти

Термин «поляризационная голограмма» используется в тех случаях, когда особое внимание уделяется состоянию поляризации объектной волны или волны, формирующей изображение. В известном смысле мы всегда имеем дело с поляризационной голограммой, поскольку на голограмме записываются только те компоненты объектной волны, поляризация которых совпадает с опорной. Сначала мы рассмотрим, почему объектная волна имеет особые характеристики поляризации, а затем отметим их влияние на запись голограммы. Первый шаг на пути получения более реалистических восстановленных изображений состоит в записи такого изображения объекта, каким его видел бы наблюдатель. Например, можно потерять зеркальные отражения, если поляризация некоторой части отраженной от объекта волны была ортогональна поляризации опорной. Затем мы исследуем способы, позволяющие сохранить в восстановленном изображении состояния поляризации объектной волны. При сохранении состояния поляризации объекта голографическое изображение можно наблюдать сквозь поляризатор, а также, используя голографическое изображение, проводить поляризационные измерения, например, при исследовании фотоупругости. Основы рассмотрения данного вопроса были заложены в § 2.3 настоящей книги.

5.4.1. Поляризация объектной волны

Очень часто используемые в голографии объекты оказываются диффузно отражающими. Это означает, что световой луч несколько раз отражается на микроструктуре поверхности объекта, прежде

чем он отразится в сторону наблюдателя. Вследствие этого объектная волна деполяризуется, даже если при освещении применяется сильно поляризованный свет. И наоборот, некоторые поверхности, коэффициент отражения которых зависит от состояния поляризации освещающей волны, поляризуют отражаемую ими волну. Одним из примеров таких поверхностей может служить вода. Следовательно, объекты могут либо поляризовать, либо деполяризовать освещающую волну, и этот эффект может приводить к важным последствиям при его голографировании. Существуют объекты, которые изменяют состояние поляризации волн, прошедших через них. Если такие объекты нужно исследовать голографическими методами, то при восстановлении необходимо сохранять состояние поляризации объектной волны.

5.4.2. Влияние поляризации опорной волны на голографическую запись

Прежде всего необходимо напомнить, что для того, чтобы имела место интерференция, а следовательно, и голографическая запись, электрические векторы интерферирующих волн должны быть согласованы по поляризации. Если, например, одна из волн поляризована случайно, что имеет место при отражении от диффузного объекта, то на голограмме запишутся только те составляющие электрического вектора, которые параллельны электрическому вектору опорной волны. Все остальные составляющие объектной волны лишь приведут к увеличению фоновой экспозиции на голограмме. Это обстоятельство необходимо учитывать при измерениях отношения энергий опорной и объектной волн, чтобы получать оптимальные характеристики голограмм. Если обе волны поляризованы, но их поляризации различны, то будут интерферировать только те их компоненты, направления поляризации которых одинаковы.

Рис. 1. Векторы поляризации и угол между объектной и опорной волнами.

Экспериментатор не должен уделять все внимание направлению электрического вектора в плоскости, перпендикулярной оси распространения. Обратимся к рис. 1, на котором показаны направления распространения объектной и опорной волн. Если бы электрические векторы обеих волн были перпендикулярны плоскости рисунка, то они оказались бы согласованными и максимумы интерференции наблюдались бы независимо от величины угла Однако в случае, когда электрические векторы ориентированы так, как показано

на рис. 1, допустимая интерференция уменьшается на величину Если угол то электрические векторы взаимно перпендикулярны и интерференции вообще не происходит. Следовательно, даже если обе волны поляризованы линейно, то и в этом случае интерференционный член в уравнении голограммы может быть уменьшен на величину косинуса угла между направлениями распространения интерферирующих волн.

Другая проблема, с которой приходится сталкиваться на практике и которая связана с поляризацией, состоит в том, что пучки с различными состояниями поляризации могут по-разному делиться расщепителями пучка. Это необходимо иметь в виду при проведении экспериментов.

5.4.3. Полная запись объектной волны

Выше было показано, что, если мы хотим записать голограмму с определенным состоянием, скажем линейной поляризации объектной волны, нам нужно только обеспечить опорную волну с требуемой поляризацией. Рассмотрим теперь проблему записи всей волны. Если требование полной записи состоит только в том, чтобы рассматриваемое невооруженным глазом восстановленное изображение было бы неотличимо от объекта, то единственно, что нам нужно,— это то, чтобы опорная волна имела два взаимно ортогональных состояния поляризации. В этом случае можно сделать две последовательные экспозиции: первую с одним состоянием линейной поляризации опорной волны, в вторую при повороте плоскости поляризации на 90°. Голограмму с полной записанной на ней информацией о состоянии поляризации объектной волны можно также получить, используя лазер, работающий в режиме с двумя ортогонально-поляризованными модами. Однако следует заметить, что в зависимости от конструкции лазера мощность каждой моды может изменяться во времени. Это также необходимо учитывать, как и то, что пучки с различными поляризациями волны могут расщепляться по-разному.

Полученная таким образом суммарная голограмма будет формировать изображение, которое имеет такое же распределение энергии, как если бы объект наблюдался непосредственно. Две голограммы, каждая для взаимноортогональной поляризации, будут восстанавливать все характерные черты объекта, такие, например, как зеркальные отражения или блики разрезанных поверхностей. Однако поляризация восстановленного изображения будет совпадать с освещающей голограмму волной. Распределение энергии в восстановленном изображении такое же, как если бы имелась вся информация о поляризации, однако каких-либо выводов о состоянии поляризации объектной волны мы сделать не можем.

5.4.4. Сохранение поляризации в голографическом процессе

Мультиплексные голограммы (см. § 5.2) позволяют сохранить поляризацию объектной волны в голографическом процессе. При этом записываются две голограммы, по одной для каждого состояния поляризации опорной волны. Например, опорные волны могут вводиться под разными углами, так чтобы можно было использовать освещение голограммы с помощью двух волн, по одной для каждого состояния поляризации. Этот процесс аналогичен тому, который используется при записи и восстановлении двухцветных голограмм (см. § 5.3). Каждая освещающая волна взаимодействует с двумя голограммами, так что при этом воспроизводится полная картина из четырех изображений [7]. Два из этих изображений оказываются наложенными друг на друга и формируют восстановленное изображение с такой же поляризацией, как и у объектной волны. Достоинством такого изображения является то, что при этом полностью сохраняются свойства объектной волны. Например, свойства объектов, проявляющих поляризационные эффекты, можно изучать с помощью поляризатора по восстановленным с голограммы их изображениям в отсутствие самого объекта [1, 2, 3, 4, 5].

Осуществить голографию с полным восстановлением поляризации объектной волны значительно труднее, чем цветную голографию. Это связано с одним немаловажным фактором. Дело в том, что относительный сдвиг по фазе между опорными волнами при записи должен быть равен относительному фазовому сдвигу двух волн, освещающих голограмму при восстановлении. При несоблюдении указанных фазовых соотношений получаются ошибочные результаты. Так, например, фазовый сдвиг всего на четверть длины волны превратил бы волну с круговой поляризацией в линейно-поляризованную. Еще меньшие фазовые сдвиги превращают круговую поляризацию в эллиптическую. Выполнение таких жестких условий оказывается делом довольно трудным.

С целью поддержания требуемого соотношения фаз нашли применение два способа, оказавшиеся наиболее полезными. Первый, предложенный Куртцем состоите использовании кодированных опорных волн. В опорный пучок можно поместить рассеиватель; он будет по-разному влиять на две волны с ортогональной поляризацией. В результате образуются две опорные волны, каждая из которых характеризуется определенной поляризацией. Последовательно записываются две голограммы, по одной для каждой поляризации. При освещении полученных голограмм светом, прошедшим через тот же самый рассеиватель, они восстанавливаются волнами с обеими поляризациями. При взаимодействии волны только с одной голограммой, записанной для данной поляризации, формируется единственное изображение, при этом «неправильная» голограмма создает лишь фоновое рассеяние. Если голограмму с целью проявления

необходимо было переносить в другое место, то при ее рассмотрении она должна быть установлена точно на то же место, в котором она располагалась до проявления, чтобы относительная фаза освещающих волн была той же самой, что и фаза опорных волн.

Рис. 2. Формирование двух опорных пучков с ортогональными по отношению друг к другу плоскостями поляризации (0 и 90°) из одного опорного пучка, линейно-поляризованного под углом 45°. поляризатор, обеспечивающий линейную поляризацию под углом 0°, а поляризатор, обеспечивающий линейную поляризацию под углом 90°.

При другом способе 13] используется единственная опорная волна, поляризованная под углом 45°, которая затем расщепляется на две с помощью бипризмы (рис. 2). На задней стороне бипризмы устанавливаются поляризаторы с углами поляризации и 90°. В результате образуются две опорные волны, которые проходят почти одинаковые пути; это нужно для того, чтобы можно было поддерживать постоянным их относительный фазовый сдвиг, когда голограмма освещается одними и теми же волнами. Недостаток этого способа состоит в том, что вблизи от правильного изображения располагается нежелательный фон.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)