ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРИМЕНЕНИЯ ГОЛОГРАФИИ

(Обзор)

1. Введение

Интерес к голографии не исчерпывается только тем, что она дала возможность ввести в оптику третье измерение. Голография вторглась почти во все традиционные области прикладной оптики, заставив пересмотреть сложившиеся ранее границы между ними. Голографический принцип позволил по-новому осмыслить некоторые области ИК-техники, СВЧ-техники, акустики, рентгеновской и электронной микроскопии, короче говоря, все те направления, где играет роль интерференция волн.

Однако, рассматривая современное состояние голографии, удобно классифицировать ее приложения по используемым свойствам голограмм, а не по видам излучений, применяемым для их получения. Предлагаемая классификация применений голографии (см. таблицу) не претендует на универсальность, но позволяет привести в систему свыше 100 работ, вышедших в основном после опубликования монографии Строука. Был использован также ряд более ранних работ, поскольку в книге Строука вопросы применения описаны очень бегло. Следуя этому принципу, можно выделить десять основных направлений, которые и будут рассмотрены ниже.

Наиболее очевидным применением голографии является трехмерная фотография. В ней используется сочетание фотографических и локаторных свойств голограммы, позволяющих не только регистрировать изображение, но также и определять расстояние до каждой его точки. Сюда можно отнести и такие процессы, как звуко-, радио- и ИК-видение, у которых сходен первый этап — запись голограммы. Для перевода изображения в видимый диапазон используется еще одно свойство голограмм: меняя масштаб интерференционной картины пропорционально изменению длины волны, при восстановлении изображения в видимом свете можно сохранить его трехмерность.

Распознавание образов — одно из наиболее интересных и многообещающих применений голографии. Оно опирается на

(кликните для просмотра скана)

способность голограммы выделять из группы предметов только те, «изображения» которых на ней записаны. Чем обусловлена высокая способность голограмм к распознаванию, приближающая их к идеальным согласованным фильтрам? Рассмотрим наиболее общую схему голографирования (рис. 1). Пусть когерентно излучающие объекты, в частности ими могут быть любые предметы, освещенные достаточно когерентным лазером. Если излучение способно создать в некоторой плоскости интерференционную картину — систему стоячих волн, то можно установить здесь фотопластинку и получить голограмму. Облучая голограмму идеальной копией исходного волнового фронта одного предмета (например, предмета В), получим совершенный волновой фронт другого предмета.

Рис. 1. Наиболее общая схема голографирования.

Голограмма пропустит лишь ту часть пространственного спектра, которая близка к записанному на ней спектру. Другими словами, она «откликнется» только на изображение одного из «своих» предметов при условии, что он установлен в соответствующей позиции. Если, например, предмет В — это комбинация точечных источников, составляющая код буквы, то голограмма облученная букой сформирует код В. При использовании записи под разными углами на одной голограмме удается записать много букв. Здесь открывается новый канал связи человека с электронной вычислительной машиной, который позволит освободить оператора от ручного ввода данных. Кроме того, этим путем, вероятно, можно будет решить очень острую проблему вычислительной техники — распознавание многомерных образов.

Голографическая память вызвала большой интерес ввиду ее исключительно высокой емкости (теоретический предел

бит/см), а также ассоциативных свойств, благодаря которым она напоминает память человека. Механизм голографической памяти связан с интерференционной записью информации в светочувствительном объеме. В этом направлении пока еще выполнено слишком мало исследований, чтобы уверенно говорить о перспективах такой памяти. Задержка в основном за разработкой объемных светочувствительных материалов высокого оптического качества и чувствительности.

Можно ожидать, что вскоре промышленность получит новый метод неразрушающего контроля поверхностей, основанный на использовании голограмм. Это применение голографии является частным случаем дифференциальной интерферометрии. Точно так же, как голограмма «распознает» записанные на ней объекты, она реагирует на малейшие изменения их оптических свойств. Обычно количественные показатели, характеризующие эти изменения, извлекаются из структуры и плотности интерференционных полос, образованных при наложении волн от самого предмета и волн от того же предмета, восстановленных с помошью голограммы. В перспективе это направление обеспечит бесконтактный контроль сложных необработанных поверхностей (их вибраций, деформаций, трещин и изменений отражательных свойств). Факторы, тормозящие разработку этого метода, носят в основном технический, а не принципиальный характер. Например, требуется обеспечить совершенное крепление и устойчивость оптических элементов, дающих интерференционную картину.

Технологические приложения голографии — использование действительного изображения для обработки — лишь начинают развиваться, но у них большое будущее. Преимущества голографической обработки материалов перед обычной лазерной связаны с возможностью бесконтактного нанесения сложнейших узоров и отверстий на поверхности сложной формы, а также с отсутствием линз. С помощью голограммы можно получить в пределах поля примерно на порядок больше разрешенных элементов, чем с помощью наилучшей линзы. Это связано с тем, что линза близка к идеальной лишь вблизи оси, а по краям поля разрешение падает. У голограммы разрешение распределено по полю более равномерно. Необычные качества голографическая технология может приобрести при комбинированном использовании фокусирующих, распознавательных и интроскопических свойств голограмм. Развитие этого направления требует повышения мощности и когерентности излучения лазеров.

Голографическая интроскопия (внутривидение) не только расширяет кривую чувствительности человеческого глаза на все лазерные частоты, но и открывает возможность трехмерного на

блюдения за объектами, находящимися за светонепроницаемыми стенками произвольной формы, а также в неоднородных и рассеивающих средах. В этом случае голограмма регистрируется в ИК- или УФ-лучах лазера. Перевод трехмерного изображения в видимый диапазон осуществляется так же, как в звуковидении и микроскопии, при помощи масщтабвых переходов, т. е. уменьшений или увеличений интерференционной картины (голограммы) пропорционально изменению длины волны. «Устранение» стенки происходит путем ее компенсации при восстановлении действительного изображения. Здесь развитие применений сдерживается главным образом из-за отсутствия многоэлементных ИК-приемников высокого разрешения.

Создание безлинзового голографического микроскопа позволит биологам и медикам наблюдать трехмерные изображения живых тканей и микроорганизмов. При использовании рентгеновского излучения возникает возможность больших увеличений с сохранением разрешающей способности. Принцип действия микроскопов, хорошо описанный в книге Строука, основан на масштабных переходах и геометрическом увеличении в расходящихся пучках. Трудности осуществления микроскопии высокого разрешения связаны с отсутствием рентгеновских лазеров. Для микроскопии живой клетки нужно улучшить когерентность и мощность существующих ультрафиолетовых лазеров.

Голографическое кино дает возможность проектирования и наблюдения трехмерных динамических изображений. Одна из возможных реализаций объемного кино может быть следующей. На голограмму под разными углами записываются различные моменты сцены. восстановлении голограмма (или освещающий пучок) поворачивается, создавая эффект движения. Зритель смотрит на голограмму, как в окно, за которым развертываются события. Однако пока не ясно, как изготовить большие голограммы размером с экран кинотеатра, через которые могли бы наблюдать десятки людей. Нет пока и способов увеличения трехмерных изображений — простое проектирование здесь не подходит. Все это ограничивает ближайшее будущее голографического кино лишь демонстрационными или специальными применениями (например, бортовое устройство отображения для слепой посадки самолета).

Трехмерное телевидение на основе голографии в настоящее время может быть реализовано лишь в простейшем варианте. Его создание тормозит отсутствие динамических (стирающихся) голограмм, а также и то, что еще не разработаны способы считывания таких голограмм и, кроме того, передачи большого объема информации. Несомненно, квантовая оптика и лазерная

техника движутся в направлении, отвечающем интересам трехмерного телевидения. Голография так или иначе использует разрабатываемые для других целей системы сверхщирокополосной оптической связи, модуляции и сканирования световых пучков. Уже сейчас голографический принцип, возможно, сыграет положительную роль в обычном телевидении, обеспечит повышение надежности передачи и сможет быть использован для кодирования изображений.

Наконец, голограмма явится серьезным конкурентом линзе. Обладая не худшим разрешением в фокальном пятне, голограммы в отличие от линз не нарушают трехмерности изображений. Вместе с тем они проще в изготовлении и легки. Так, голограммы точки — зонные пластинки Френеля — можно применить для фокусировки широких пучков — до 10 м в диаметре, тогда как делать линзы или зеркала такого размера просто неразумно. Применение голограмм в сочетании с линзами позволит создавать несложные безаберрационные системы.