Фізичні принципи голографії
На основі явищ інтерференції і дифракції можна отримати об’ємне зображення предмета за допомогою спеціального методу – голографії. Цей метод запропонований Габором ще в 1947 р, але реалізувати ідеї Габора вдалося тільки після створення лазерів. Перше голографічне зображення з усіма ефектами об’ємності було отримано в 1963 р Лейте і Упатнієкс.
Звичайна фотографія являє собою плоске зображення предмета. Ніякого відчуття об’ємності при розгляданні фотознімку не виникає. Причина цього полягає в тому, що фотографічне зображення зберігає інформацію тільки про амплітуду світлових хвиль, що йдуть від різних ділянок фотографується.
Чому ж пропадає інформація про об’ємності предмета? Причина криється в самій фотоплатівці, яка як приймач світлового випромінювання не може дозволити в часі коливання зі світловими частотами. Як і інші приймачі світла, вона реагує тільки на усереднену у часі інтенсивність світлових коливань, розсіяних предметом. Ця інтенсивність пропорційна квадрату амплітуди світлових коливань. Значить, фотопластинка реєструє тільки інформацію про амплітуду падаючої хвилі і нечутлива до того, в якій фазі підійшла до неї світлова хвиля. Тому інформація про фазу світлової хвилі, розсіяною об’єктом фотографування, безповоротно втрачається.
Для того щоб отримати якісне зображення просторового предмета, треба можливо більш точно відтворити розсіяні їм електромагнітні хвилі. Хвиля, відбита предметом, несе інформацію про нього у вигляді певного розподілу амплітуд і фаз світлових коливань.
Фотопластинка з відображеною на ній структурою світлових хвиль називається голограмою, а процес її отримання – голографирования. Голограма принципово відрізняється від звичайної фотографії тим, що на ній фіксовані не тільки амплітуди, але і фази світлових хвиль, що йдуть від об’єкта.
В даний час розроблено декілька методів голографирования. Всі вони засновані на одному і тому ж принципі (рис. 3.34). Світло лазера розділяється на два пучки. Один пучок утворюється при відображенні світла від об’єкта, який голографіруется. Цей пучок називається предметною. Інший пучок, який називають опорним, створюється за допомогою звичайного плоского дзеркала і на об’єкт не потрапляє. У тому місці, де відбувається накладення предметного і опорного пучків, міститься звичайна фотопластинка. Так як джерелом світла є лазер, то предметний і опорний пучки є когерентним. Тому вони інтерферують. Фотопластинка і фіксує цю интерференционную картину.
Таким чином, голограма – це фотографія інтерференції предметного і опорного пучків. Вся інформація про амплітудах і фазах хвилі закодована на голограмі шляхом зміни контрасту інтерференційних смуг і відстаней між ними. При звичайному освітленні неозброєний око не може відрізнити голограму від звичайного зіпсованого негативу, і, тим не менш, голограма містить набагато більш повну інформацію про предмет, ніж сама хороша фотографія.
Щоб відновити цікаву для нас предметну хвилю (зображення предмета), голограма поміщається туди ж, де знаходилася при експонуванні фотопластинка, і висвітлюється одним тільки опорним пучком. Для цього ту частину лазерного випромінювання, яка при голографирования розвіювався предметом, перекривають за допомогою непрозорою заслінки. На стадії відновлення зображення голограма грає роль дифракційної решітки з плавним переходом від прозорих ділянок до непрозорим. Дифракція опорного пучка на голограмі призводить до виникнення світлових хвиль, що збігаються з тими, які предмет розсіював при голографирования. Тому на голограмі під кутом до висвітлює пучку спостерігач бачить вихідний об’ємний предмет. При цьому все виглядає так, як ніби ми дивимося у вікно на реальний об’єкт. Зміщуючи очей, можна бачити предмет у різних ракурсах. Тобто, зображення, яке виходить за допомогою голографії, нічим не відрізняється від тієї реальної картини, яка голографіровалась.
Якщо голограму розбити на кілька частин, то кожна з них при просвічуванні дасть ту ж картину, що й ціла голограма. Воно буде менш якісним, точно так само, як і дифракційна картина від однієї щілини виходить менш яскравою і чіткою, ніж від дифракційної решітки. Пояснюється це тим, що при голографирования хвиля, розсіює кожною точкою предмета, потрапляє на всю поверхню пластинки. Тому кожна точка фотопластинки піддається дії світлових хвиль, які розсіюються усіма ділянками об’єкта, і кожна ділянка голограми містить всю інформацію про предметну хвилі. Тому зображення записується на кожній ділянці голограми.
На одній і тій же фотоплатівці можна послідовно записати кілька зображень так, що вони не будуть заважати один одному при відновленні. Для цього достатньо здійснити ряд знімків, послідовно змінюючи напрямок опорного пучка. У кожному випадку буде своя інтерференційна картина. При просвічуванні такої голограми кожне зображення буде виходити під своїм кутом зору.
Перспективи застосування голографії великі. Голографія вже використовується для отримання об’ємного зображення предметів. Причому предмети можуть рухатися з досить великими швидкостями. У цьому випадку залучаються імпульсні лазери, які протягом дуже короткого проміжку часу створюють світло досить великої інтенсивності. При цьому навіть дуже швидко летять частинки застигають як нерухомі. Голографічні методи застосовуються для виявлення мізерно малих деформацій і вібрацій об’єктів, до яких нічим, окрім як світлом, торкатися не можна – наприклад, до живих клітин. Знімаючи голограми в певній часовій послідовності, а потім у тій же послідовності їх розглядаючи, можна побачити об’ємні предмети в русі.
Традиційне застосування об’ємного голографічного зображення високої якості відноситься до сфери культури, освіти для створення макетів пам’ятників культури і мистецтва. Інша сфера застосування об’ємного голографічного зображення високої якості – тренажери для навчання пілотування літаків, космічних кораблів і оволодіння навичками роботи в складних умовах.
Голографія розширює можливості мікроскопічних досліджень. Якщо голограму, записану за допомогою плоскої хвилі, висвітлити сферичної хвилею, то зображення об’єкта виходить збільшеним. Понад те, воно може бути додатково збільшено, якщо на стадії відновлення зображення використовувати світло з довжиною хвилі більше тієї, якою володіло випромінювання, використане при експозиції.
На практиці широко використовуються голографічні дифракційні грати. Використання голограми в якості дифракційної решітки очевидно, оскільки голограма по суті є дифракційними гратами. Голографічні решітки прості у виготовленні, дешевше звичайних і не мають дефектів, пов’язаних з технологією нарізання.
У техніці голографія широко використовується для інтерферометричної контролю виробів. Його суть полягає в наступному. Деталь, яку потрібно виготовити з високою точністю, висвітлюють лазерним пучком. Розсіяний деталлю світло пропускають крізь голограму шаблону. Відхилення від шаблону проявляються у виникненні інтерференційних смуг, по яких можна судити про ступінь відмінності деталі від шаблону.
Вже з’явилися голографічні диски, на один квадратний сантиметр яких можна записати 80 гігабіт даних, в перспективі їх ємність буде збільшена до декількох терабайт. Голографічна технологія якісно відрізняється від тих, на яких засновано більшість сучасних носіїв – CD, DVD. Носій голограми зберігає відомості про фазу електромагнітних хвиль, які використовувалися для його “пропалювання”. Навпаки, одинична осередок на компакт-диску, як і темна точка на фотоплівці, несе інформацію тільки про те, що вона була породжена світлом достатньої інтенсивності.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)