Голограмма. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Голограмма (от греч. holos - весь, полный и gramma - черта, буква, написание) - запись волнового поля на чувствит. материале в виде интерференционной картины, образованной смешением этого волнового поля с опорной волной (см. Голография ).Г. отображает практически все характеристики волновых полей - амплитуду, фазу, спектральный состав, состояние поляризации, изменение волновых полей во времени, а также свойства волновых полей и сред, с к-рыми эти поля взаимодействуют.

Объёмная Г. представляет собой фрагмент V пространств. интерференц. картины - стоячей волны, заполняющей всё окружающее объект пространство. Поверхности пучностей этой волны изображены на рис. 1 в виде заполненных точками полос. В случае эл--магн. волн пространств. фотографич. модель такой стоячей волны, повторяющая в виде вариаций коэф. отражения или поглощения либо в виде вариации диэлектрич. проницаемости

распределение интенсивности этой волны, является оптич. эквивалентом объекта. В частности, если на Г. направить излучение точечного источника S со сплошным спектром, то она выберет из спектра именно ту монохроматич. составляющую, к-рая использовалась при съёмке, и преобразует её в волну, по форме и распределению амплитуды точно совпадающую с волной излучения, рассеянного объектом. Наблюдатель не может отличить её от волны излучения, рассеянного самим объектом; он увидит изображение объекта, неотличимое от оригинала [1].

Рис. 1.Формирование объемной (V) и двумерной (F) голограмм.

Свойство "делимости". Двумерная голограмма. Точное преобразование волны излучения восстанавливающего источника в волну, рассеянную объектом, осуществляется, если на Г. записана вся трёхмерная стоячая волна. Однако не только вся картина, но и каждый её фрагмент обладает свойством воспроизводить записанное излучение. При этом чем больше размер фрагмента, тем выше точность воспроизведения. Ограничение Г. по площади приводит к уменьшению разрешения мелких деталей, а ограничение по глубине снижает точность цветового воспроизведения.

Способность Г. воспроизводить записанные на ней волновые поля сохраняется и тогда, когда Г. становится двумерной, т. е. записывается в тонком слое светочувствит. среды F (рис. 1). Однако плоская запись неоднозначно воспроизводит распределение фаз волнового поля, о чём свидетельствует появление т. н. сопряжённого изображения О', а также не обладает спектральной селективностью, в результате чего её можно восстанавливать только монохроматич. излучением.

Изображение всего объекта несёт и каждый из фрагментов плоского сечения картины стоячих волн, т. е. через каждый её кусок

всё равно будет видно целое изображение объекта, т. к. каждая точка объекта рассеивает излучение во всех направлениях. В результате при записи на каждый участок

попадает излучение от всех точек объекта. Напр., лучи l₁, l₂, l₃... записывают на участке

изображения точек объекта P₁, Р₂, P₃... При реконструкции эти лучи восстанавливаются. Голограмма движущегося объекта. На Г. можно записать волновые поля излучения, рассеянного движущимися объектами (в т. ч. и движущимися нестационарно [3]). Отображающими свойствами обладают не только стоячие, но и бегущие волны интенсивности, возникающие при интерференции волновых полей, различных частот. Такие волны интенсивности возникают, напр., при регистрации Г. движущегося объекта О, к-рый рассеивает излучение неподвижного когерентного источника 5 (рис. 2). Рассеянное излучение, сдвинутое по частоте вследствие эффекта Доплера относительно падающего, складывается с ним, образуя систему бегущих волн интенсивности. Вся эта система перемещается в направлении движения объекта. Если окружающее объект пространство (объём V)заполнено нелинейной средой, у к-рой е пропорциональна интенсивности света (см. Нелинейная оптика ),то в результате нелинейного взаимодействия поля со средой в объёме V возникает система бегущих зеркальных поверхностей с френелевским коэф. отражения. Форма зеркальных поверхностей повторяет форму поверхности изофазных слоев волны интенсивности. Такая движущаяся система полностью имеет осн. свойства Г.: волна источника S, отражаясь от системы перемещающихся зеркал, преобразуется в объектную волну, т. е. лучевой вектор l_s преобразуется в лучевой вектор l₀. Расстояние между зеркалами обеспечивает такое сложение отражённых волн, что усиливается излучение только той длины волны, к-рая экспонировала Г. Таким образом Г. воспроизводит спектр. состав записывающего излучения. При этом, в отличие от обычной Г., в данном случае благодаря движению зеркал воспроизводится не только распределение фаз и амплитуд объектной волны, но сдвиг частоты объектной волны, обусловленный перемещением объекта.

Рис. 2. Голограмма движущегося объекта; d₁, d₂, d₃ - слои максимальной интенсивности,

- минимальной.

Поляризационная голограмма. Г. способна регистрировать и воспроизводить состояние поляризации объектной волны [2]. При записи поляризац. Г. поляризация объектной и опорной волн может быть различной, в предельном случае взаимно ортогональной. Картина интерференции в этом случае характеризуется не изменением интенсивности поля, а модуляцией состояния поляризации: слои с линейной поляризацией соседствуют со слоями, в к-рых поляризация циркулярна, а те, в свою очередь, со слоями, где она снова линейна, но теперь уже в ортогональном направлении (рис. 2, справа). Глаз не различает эти состояния, и наблюдателю кажется, что поле интерференции освещено равномерно. Однако если такую картину зарегистрировать на материале, к-рый реагирует на состояние поляризации падающего излучения анизотропией коэф. поглощения (эффект Вейгерта), то образуется Г., на к-рой одновременно записаны две сдвинутые на

периода интерференционной картины периодич. структуры, соответствующие взаимно ортогональным линейным состояниям поляризации. Это как бы две Г., записанные на одной пластинке. Соответственно при реконструкции восстановятся две объектные волны, к-рые сдвинуты по фазе на

периода и поляризованы под прямым углом друг к другу и под углом 45° по отношению к опорной волне. Анализ показывает, что при сложении таких сдвинутых по фазе компонент плоскость поляризации поворачивается на 90° относительно восстанавливающей волны, и т. о. точно восстанавливается состояние поляризации объектной волны.

Эхо-голограмма. Для того чтобы зарегистрировать на Г. нестационарные поля и процессы, необходимо использовать резонансную среду, у к-рой длина волны

линии поглощения (с нижнего основного состояния) совпадает с

излучения, экспонирующего Г. [3]. Такие Г., объединяющие свойства голографии и фотонного эха, наз. эхо-Г. Метод их записи сводится к следующему: в исходный момент t=0 на резонансную среду направляется импульс объектной волны I₀, к-рый переводит часть атомов среды из основного состояния с энергией

в верхнее возбуждённое состояние

(рис. 3). В состоянии

фаза колебаний атомов в течение нек-рого времени, наз. временем поперечной релаксации, остаётся такой же, что и фаза объектной волны при t=0. Опорная волна подаётся в виде импульса I_R в момент времени

. Этот импульс обращает на 180° фазы колебаний всех атомов среды, после чего колебания начинают развиваться в обратном направлении. В результате по прошествии времени

среда испустит импульс "эха" I_е. Волновой фронт этого импульса совпадает с фронтом объектной волны либо обращён (см. Обращение волнового фронта)в зависимости от того, в какой последовательности на среду воздействуют импульсы I_е и I_R. B случае эхо-Г. пространств. память объединена с временной памятью, что позволяет воспроизводить процессы, связанные с изменением во времени и пространстве.

Другие свойства Г. Помимо способности воспроизводить записанные на ней волновые поля, Г. способна формировать обращённую волну, что связано с возможностью компенсации искажений изображения, вносимых оптически неоднородными средами. Восстановленное изображение мало чувствительно к характеру отклика светочувствит. среды, с чем связана возможность записи амплитудных, фазовых и отражательных Г. Двумерные Г. позволяют трансформировать масштаб и положение восстановленного изображения при изменении положения и длины волны

источника, с помощью к-рого восстанавливается Г.

Голографическая память. Трёхмерные Г. имеют большую информац. ёмкость и ассоциативный характер памяти [5]. В основе этого лежит селективность трёхмерной записи, т. е. способность Г. взаимодействовать только с теми компонентами восстанавливающего излучения, к-рые присутствовали на этапе их записи. Вчастности, большая ёмкость записи достигается за счёт того, что на один и тот же участок фотоматериала V можно последовательно впечатать Г. разл. объектов (O₁; O₂...) при разных направлениях опорной волны (

) и длинах волн записывающего излучения (

рис. 4). Каждая из записанных Г. может быть считана затем независимо, если её восстановить волной, совпадающей по

с опорной волной, использованной на этапе записи.

При таком способе записи информации элементами, в к-рых она хранится, являются трёхмерные гармоники

изменения показателя преломления (поглощения), каждая из к-рых заполняет весь объём Г.

Кол-во таких независимых элементов равно числу пространственно-локализованных ячеек с размерами (

), к-рое можно поместить в объёме V. Напр., при записи в видимом диапазоне (

=5 мкм) в 1 см³ помещается 10¹³ независимых гармоник (см. Запоминающие голографические устройства)[4].

Безопорная запись. При регистрации объекта O₁ на объёмной Г. V излучение каждой из точек объекта можно рассматривать как опорное по отношению ко всем остальным его точкам. Если полученную таким способом Г. восстановить излучением части точек зарегистрированного на ней объекта (напр., излучением острия стрелки O₁), то это излучение восстановит изображение всех точек объекта, по отношению к к-рым оно являлось опорным, т. е. изображение объекта в целом. К--л. ложных и дополнит. изображений при этом не возникнет, т. к. в силу селективности трёхмерной Г. излучение каждой из точек объекта, освещающих Г., будет взаимодействовать только с теми гармониками структуры Г., в записи к-рых оно участвовало. T. о. трёхмерная Г., к-рой предъявлен фрагмент записанного на ней изображения, способна "вспомнить по ассоциации" весь объект в целом (см. Голографическое распознавание образов).

Анизотропные Г. Если трёхмерная Г. записывается в анизотропной среде, напр. в кристалле LiNbO₃, то структура Г. характеризуется не изменениями скалярного показателя преломления, а вариациями тензора диэлектрич. проницаемости. Важное свойство анизотропных трёхмерных Г.- их способность изменять состояние поляризации падающей на них волны. Используя это явление, можно считывать трёхмерные Г. излучением с

, отличающимися от тех

, к-рые использовались на этапе записи.

Динамические голограммы формируются в нелинейной светочувствит. среде непосредственно в момент, когда на неё воздействует волновое поле (см. Динамическая голография).

Литература по голограммам

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.