7. Голографический метод в интроскопии

Передача изображения через прозрачные стенки (например, через ребристые стекла) неправильной формы обычно вызывает астигматические искажения изображения. Изображения, переданные через неоднородную или рассеивающую среду (например, среду со случайными или турбулентными флуктуациями показателя преломления), теряют резкость и размываются.

Уникальную возможность избежать этих искажений предоставляет [70] голографический метод записи и восстановления

волнового фронта. Какое свойство голограмм обеспечивает такую возможность? Предположим, что на голограмму записано изображение предмета совместно с «изображением» стенки (или рассеивающей среды) (рис. 8, а). Если при восстановлении просто облучать голограмму лазерным пучком, то возникающее при этом изображение будет совершенно лишено смысла (рис. 8,б).

Рис. 8. (см. скан) Голографическое наблюдение через стенки неправильной формы. При восстановлении без компенсации изображение размыто. а — запись; б - восстановление без компенсангии; в — восстановление с компенсацией. 1 — лазерный свет; 2 — стенка неправильной формы; 3 — предмет; 4 — голограмма; 5 — размытое (нескомпенсированиое) изображение; 6 — скомпенсированное изображение.

Стоит, однако, на пути лучей действительного изображения поместить прежнюю стенку, сохранив ее положение относительно голограммы, как возникнет неискаженное действительное изображение предмета (рис. 8, е). Поскольку действительное изображение непревычно для визуального наблюдения, его можно «вывернуть наизнанку» и получить более приятное для глаза изображение [107].

Для этого запишем действительное изображение на вторую голограмму. Тогда при рассматривании последней в лазерном свете (рис. 9) наблюдатель увидит висящее между ним и

голограммой трехмерное действительное изображение, ничем не отличающееся от исходного предмета. Стенку удалось устранить так, будто ее и не было.

Следует заметить, что операции «выворачивания наизнанку» не потребовалось бы совсем, если бы удалось сразу же скомпенсировать мнимое изображение. Однако для мнимого изображения это, по-видимому, неосуществимо. Механизм компенсации состоит в том, что все сдвиги фаз, приобретенные на прямом пути, компенсируются противоположными по знаку сдвигами фаз на обратном пути.

Рис. 9. Схема «выворачивания наизнанку» действительного изображения. а — действительное изображение, восстановленное с голограммы 2, записывается на другую голограмму б - при освещении последней наблюдатель видит копию изображения исходного предмета, висящую в воздухе между ним и голограммой. 1 — лазерный свет; 2 — голограмма; 3 — действительное изображение; 4 — голограмма; 5 — копия нсходиого предмета; 6 — наблюдатель.

Другими словами, если в прямом направлении распространяется волна то в обратном должна распространяться волна комплексно-сопряженная волна, т. е. можно компенсировать только действительное изображение.

Теоретическое обоснование этого замечательного свойства голограмм — передавать неискаженные изображения через неоднородные среды — опирается на теорему взаимности. Последняя вытекает из основного свойства функции Грина — перестановочности источника возмущения и точки наблюдения. В общем виде это свойство формулируется так: пусть антенна А, находящаяся в точке является излучателем, а антенна В, расположенная в точке приемником. Пусть теперь излучает антенна В, создавая такое же поле, как в предыдущем случае, из точки Тогда, согласно свойству перестановочности, у антенны А будет то же поле, что и у антенны В в первом случае, независимо от свойств среды и формы антенн. Важно, что справедливость этой теоремы не зависит от неоднородностей среды.

Для простоты рассматривается среда без поглощения, показатель преломления которой меняется вдоль пути по определенному или случайному закону. Распространение световой волны в такой среде описывается волновым уравнением

где волновое число в свободном пространстве; и — компонента электрического вектора. Будем считать, что размеры неоднородности гораздо больше длины волны излучения.

Волна, распространяющаяся приблизительно в прямом направлении, описывается следующим решением уравнения:

где - функция, медленно меняющаяся с Однако это уравнение имеет и другое решение

описывающее волиу, распространяющуюся в обратном направлении.

Рис. 10. Голографическая передача неискаженных изображений через возмущающий слой без компенсации. 1 — голограмма; 2 — волновые фронты опорной и предметной волн в возмущающем слое; 3 — источник; 4 — предмет.

Таким образом, чтобы восстановить изображение, «разрушенное» нерегулярностью среды, требуется выполнить три условия: 1) ход показателя преломления вдоль обратного пути должен повторять по шести координатам, определяющим положение и ориентацию неоднородности в пространстве; 2) в обратном направлении должна распространяться волна, комплексно-сопряженная с прямой волной; 3) расходимость пучка, освещающего голограмму при восстановлении, должна равняться расходимости опорного пучка при записи, чтобы увеличение изображения стенки (среды) равнялось единице.

Дальнейшие исследования показали, что в ряде случаев .ложно обойтись без компенсации [47], например в случае «тонкой» возмущающей среды (слоя). Надо лишь расположить (рис. 10) предмет и опорный источник достаточно близко друг к другу так, чтобы расстояние между ними

где расстояние предмет — голограмма; расстояние стенка — голограмма; размер неоднородности.

При этом условии предметная и опорная волны испытают почти одинаковую задержку по фазе, благодаря чему на голограмме запишется та же интерференционная картина, что и при отсутствии возмущающего слоя. Следовательно, при восстаиовлении копии слоя не потребуется. Особенно легко сохранить разрешение, если располагать голограмму вплотную к слою Тогда предмет и источник могут находиться на любом расстоянии или же среда может иметь форму толстого слоя.

Рис. 11. Схема голографической передачи изображений из-за пределов земной тропосферы. 1 — лазер; 2 — космический корабль; 3 — приемник; 4 — турбулентная атмосфера; 5 — преобразователь; 6 — изображение.

Недостаток метода связан с тем, что когерентный источник требуется располагать рядом со «спрятанным» предметом.

Предполагают, что система, построенная на этих принципах, позволит передавать неискаженные изображения со спутников, находящихся на орбите [58, 82, 83, 109]. При обычном наблюдении с помощью телескопа изображение космонавта, выщедщего из космического корабля, искажается из-за турбулентности атмосферы в приземном слое. Мощный наземный лазер (рис. 11) освещает спутник. Отраженное от двух частей спутника излучение регистрируется наземным приемником. Принятая голограмма преобразуется (как именно, не сообщается) в видимое изображение. Влияние турбулентности на качество голограммы устраняется благодаря тому, что волновые фронты от двух

частей спутника проходят ддинаковые пути и разность фаз между ними сохраняется.

Однако, на наш взгляд, к практической реализации такой системы следует отнестись с осторожностью: слишком велики требуемый диаметр телескопа и необходимая мощность лазера.

Во многих практических случаях стенка имеет правильные поверхности (рис. 8), что облегчает ее установку. Правильные поверхности можно создавать искусственно, помещая испытуемый материал в кювету с иммерсионной жидкостью.

Любопытно, что компенсационный метод позволяет получать неискаженные изображения через прозрачные поверхности неправильной формы, например через матовые стекла и волнистую водную поверхность; как известно, наблюдать через такие иоверхности с помощью обычной оптики или невооруженным глазом практически невозможно.

Широкие возможности в голографической интроскопии открываются при использовании принципа визуализации невидимых изображений, рассмотренного Лейтом и Упатниексом [85] и осуществленного Дулеем [31]. Для перевода изображения в видимый диапазон предложены масштабные переходы — увеличение и уменьшение голограмм. Сочетание масштабных переходов с компенсационным методом [14] в принципе позволяет наблюдать неискаженные трехмерные объекты за светонепроницаемыми стенками произвольной формы. Для реализации этой возможности потребуется преодолеть многочисленные технические трудности. Нужны источники достаточно когерентного и мощного излучения. Здесь интерес представляет лазер на с длиной волны

Кроме интроскоини оптических деталей и минералов, компенсационный метод найдет применение для кодирования секретных документов и для изучения распространения волн в неоднородных средах. Возможно, удастся осуществить лазерную связь в турбулентной атмосфере, которой не будут страшны хаотические флуктуации показателя преломления воздуха.

Вместо компенсации стенки можно записать ее изображение на отдельную голограмму [116]. Если затем освещать обе голограммы одновременно, то удается восстановить изображение предмета, находящегося за стенкой.