Голография. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Голография (от греч. holos - весь, полный и graphо - пишу, черчу, рисую) - фотографический метод точной записи, воспроизведения и преобразования волновых полей. Был предложен в 1948 Д. Табором (D. Gabоr). Им же был введён термин голограмма .Используя методы Г., можно записывать и воспроизводить волновые поля разл. физ. природы, в т. ч. электромагнитные (видимого, ИК-, радио- и др. диапазонов), акустические, электронные и др. Поскольку волновые поля возникают только под действием материальных тел, отражая при этом их строение, Г. можно рассматривать и как способ полной всесторонней записи волновых полей, и как способ полной всесторонней записи информации об объектах.

Рис. 1. Общая схема: а - записи голограммы; б - восстановления изображения.

Общая схема записи голограммы приведена на рис. 1,а. Волна W₀, отражённая объектом О (объектная волна), смешивается с т.н. опорной волной W_S, испущенной точечным источником S. Опорная волна должна иметь простую форму (волновой фронт сферический или плоский) и быть когерентной по отношению к объектной волне. В результате наложения волн W₀ и W_S возникает пространственная интерференц. картина (стоячая волна ),представляющая собой систему поверхностей пучностей d₁, d₂, d₃,..., на к-рых интенсивность волнового поля максимальна, перемежающихся узловыми поверхностями, где интенсивность становится минимальной (пунктир). Интер-ференц. картина записывается в прозрачной светочувствительной среде, занимающей объём V. После экспозиции и последующей хим. обработки в толще свето-чувствит. материала образуется фотогр. изображение (напр., из Ag), распределение плотности к-рого моделирует распределение интенсивности в стоячей волне. Полученная т. о. фотогр. структура и наз. голограммой.

Процесс реконструкции (восстановления) объектной волны с помощью голограммы изображён на рис. 1, б. На голограмму H направляется волна W_S того же точечного источника S, к-рый использовался при записи голограммы. Оказывается, что структура голограммы именно такова, что в результате взаимодействия с нею восстанавливающая волна W_S трансформируется в волну W₀, точно совпадающую с объектной волной W₀, записанной на голограмме.

Запись и воспроизведение волнового поля с помощью голограммы можно объяснить след. образом: при записи голограммы поверхности пучностей интерференц. картины d₁, d₂, d₃, ... образуются именно там, где фазы объектной и опорной волн совпадают. В точках пространства, принадлежащих этим поверхностям, волны W₀ и W_S отличаются только направлением распространения. После экспозиции и проявления на месте поверхностей пучностей образуются своеобразные металлич. или диэлектрич. кривые зеркала сложной формы

. Когда на голограмму снова падает волна W_S, эти зеркала изменяют направление восстанавливающей волны именно в тех точках, где её фазы совпадают с фазами объектной волны W₀. После этого волны W_S и W₀ перестают отличаться также и по направлению, т. е. волна W_S полностью трансформируется в волну W₀. Наблюдатель п, регистрирующий восстановленную голограммой волну W₀, не может отличить её от истинной волны W₀, отражённой объектом, и соответственно видит изображение этого объекта 0', неотличимое от оригинала. Восстановленное голограммой изображение объёмно, при смещении точки зрения предмет можно увидеть с разных сторон и даже то, что за ним находится. Свойства голограмм весьма разносторонни и отнюдь не сводятся к одной только способности записывать и восстанавливать волновые поля (см. ниже).

Классификация голограмм. Внутри Г. определился ряд разл. направлений её развития, каждое из к-рых соответствует определённой разновидности голограмм и её свойствам. В свою очередь, свойства голограмм существенно зависят от конфигурации и физ. свойств светочувствительной среды, в к-рой осуществляется запись; от взаимного расположения голограммы, объекта, опорного источника; от длины волны

излучения при записи и восстановлении голограммы; от физ. природы волнового поля, записываемого на голограмме.

В зависимости от геометрич. конфигурации светочувствительной среды, в к-рой зарегистрирована интерференц. картина, различают двумерные и трёхмерные голограммы. Запись в двумерных средах относится к тому случаю, когда толщина фотоматериала h много меньше пространств. периода

регистрируемой интерференц. картины (рис. 1, а). Отображающие свойства двумерной голограммы ограниченны. В частности, она неоднозначно восстанавливает волновое поле излучения объекта: кроме истинной объектной волны Wo и соответствующего ей истинного изображения объекта О' в этом случае восстанавливается ложная, т. н. сопряжённая, волна W'' и соответствующее ей ложное сопряжённое изображение О'' (рис. 1, б).

Источник S, с помощью к-рого восстанавливается двумерная голограмма, должен быть строго монохроматичным, поскольку (в силу отсутствия селективных свойств) двумерная голограмма восстановит все соответствующие разным

изображения, и, как следствие этого, результирующее изображение будет сильно размазано. Двумерные голограммы используются при решении задач радио-, акустической и цифровой Г., при голографическом распознавании образов, а также в нек-рых др. случаях (см. Голография акустическая).

Трёхмерная голограмма, у к-рой толщина h много больше

(рис. 1, а), представляет собою наиб. общий случай голографич. записи. Она однозначно восстанавливает волновое поле объекта - сопряжённая волна W'' и соответствующее ей сопряжённое изображение О'' отсутствуют. Особенностью трёхмерной голограммы является также способность воспроизводить не только фазу и амплитуду записанного на ней излучения, но и его спектральный состав. Оказывается, что если такую голограмму восстановить источником излучения со сплошным спектром (напр., лампой накаливания), то она сама выберет из сплошного спектра те составляющие, к-рые участвовали в её записи. Свойство спектральной селективности трёхмерной голограммы обусловлено интерференцией волн, отражённых последовательностью пучностей, зарегистрированной на голограмме стоячей волны (поверхности d₁, d₂, d₃ , ... , рис. 1, б). Эти волны складываются синфазно и взаимно усиливают друг друга только для одной монохроматич. составляющей - той, к-рой экспонировалась голограмма при её записи. T. к. любая светочувствительная среда имеет конечную толщину, то все голограммы фактически трёхмерны. Трёхмерность голографич. записи особенно выявляется в оптич. диапазоне спектра, когда длина волны регистрируемого на голограмме излучения, как правило, намного превосходит толщину светочувствительного материала.

Наиб. сильно свойства голограммы определяются физ. характером светочувствительной среды, в к-рой осуществляется её запись. По этому признаку Г. можно разделить на две основные области - статич. и динамич. Г.

Регистрирующие среды. Статич. голограммы записывают в светочувствит. средах, к-рые в момент записи образуют т. н. скрытое изображение, выявляющееся только после спец. последующей обработки (проявления) фотоматериала. В Г. используют разнообразные светочувствит. среды. Наиб. высокочувствительные из них - галогенидо-серебряные. Разрешающая способность выполненных на их основе фотопластинок достигает неск. тыс. линий на 1 мм при чувствительности порядка тысячной доли Дж на 1 см². Фотопластинки с такой высокой разрешающей способностью используются в осн. для записи трёхмерных отражат. голограмм. Для задач оптической обработки информации, а также радио- и акустич. Г. обычно применяются фотопластинки со значительно меньшим разрешением и соответственно более высокой светочувствительностью.

Для записи отражательных трёхмерных голограмм используются также слои бихромированной желатины. Голограммы, полученные на таких слоях, создают очень яркие изображения и, как правило, прозрачны во всех диапазонах спектра кроме той длины волны, на к-рой они были записаны. Это удобно при создании оптич. голограммных элементов, к-рые фокусируют излучение в заданном участке спектра и прозрачны для остальных длин волн.

Ряд применений Г. основан на способности голограммы записывать волновые поля посредством создания спец. фазового рельефа на поверхности светочувствит. слоя. Одна из наиболее распространённых светочувст. вит. сред такого рода - фоторезисты .При хим. обработке засвеченные участки слоя фоторезиста вымываются, образуя на его поверхности определённый рельеф. Запись голограммы посредством создания рельефа характерна также и для фототермопластических сред, в к-рых при воздействии света возникает электростатич. поле, распределение потенциала к-рого по поверхности повторяет распределение интенсивности света в интер-ференц. картине, записываемой на голограмме. При последующем нагреве пластичной среды она размягчается и, деформируясь под действием электростатич. сил, приобретает соответствующий рельеф (см. Фазовая рельефография ).Фототермопластики широко используются в тех случаях, когда необходимо получить голограмму практически сразу после экспозиции, напр. при заводском контроле деталей методами голографической интерферометрии.

Для записи статич. голограмм существует также множество др. способов, к-рые используются в спец. случаях. К ним относятся фотополимеры, фотохромные среды, магнитооптич. среды, халькогенидные среды. Разработан ряд эффективных голографич. материалов, напр. поляризационные среды, с помощью к-рых на голограмме можно записать не только амплитуду и фазу, но и состояние поляризации волнового поля (см. Голограмма ).Фотоматериал "реоксан" основан на сенсибилизированной реакции фотоокисления и позволяет записывать голограммы на глубину порядка неск. мм. Для записи голограмм в реальном масштабе времени применяется обратимый фотоматериал "фтирос", использующий светоиндуциров. фазовые переходы в солях V.

Для записи динамич. голограммы используются нелинейные светочувствит. среды. Такие среды реагируют на свет непосредственно в процессе экспозиции, и поэтому запись и считывание голограммы осуществляются одновременно в момент, когда на неё воздействует волновое поле. Закономерности динамич. Г. существенно отличаются от статич. случая благодаря тому, что возникшая динамич. голограмма сама активно воздействует на падающую на неё волну, трансформируя её определённым образом.

Динамич. голограммы записывают в средах, обладающих разнообразными типами нелинейности: тепловым, когда среда изменяет показатель преломления п под влиянием нагрева, созданного падающей волной (инертные газы, ацетон, хлороформ); электрострикционным, когда плотность среды меняется под действием элек-трич. поля падающей волны (Cs, CCl₄, Xe, N); комбинационным, когда среда способна к комбинационному рассеянию света (бензол, водород); резонансным, когда длина волны падающего излучения совпадает с резонансной длиной волны поглощения среды (пары Na, кристаллы рубина) и др. (см. Динамическая голография).

Преобразования волновых полей. Динамич. голограммы в отличие от статических, как правило, не обладают долговременной памятью и поэтому используются не для воспроизведения волновых полей, а для осуществления разл. преобразований этих полей. В частности, свойственная динамич. Г. перекачка энергии между двумя попутными световыми пучками применяется при коррекции излучения лазеров для перекачки энергии сильной волны "неправильной" формы в слабую "правильную" волну. В задачах коррекции излучения лазеров широко используется способность осуществлять обращение фронта объектной волны в самый момент её существования. Обращение фронта свойственно также и статическим голограммам. Обращённая волна

, совпадающая по форме с объектной волной W₀, но идущая в обратном направлении, т. е. к объекту О, а не от него, возникает в том случае, когда голограмма H восстанавливается волной

, обращённой по отношению к опорной волне W_S, т. е. сходящейся к источнику S, а не расходящейся от него (рис. 1, б). Наиб. важное свойство обращённой волны заключается в том, что при распространении в оптически неоднородных средах она претерпевает фазовые искажения, обратные по отношению к тем, к-рые испытала объектная волна. В результате такая волна образует неискажённые изображения предметов, информация о форме к-рых была бы потеряна при распространении света через оптически неоднородную среду - матовое стекло, турбулентную атмосферу, дефектный оптич. элемент и др. (см. Обращение волнового фронта).

Схемы записи голограмм. В зависимости от взаимного расположения фотопластинки, объекта и опорного источника различают след. схемы записи голограмм: схему во встречных пучках, схему в попутных пучках (осевая и внеосевая схемы), схему голограммы Фурье. В случае схемы в попутных пучках объект О и опорный источник S расположены по одну сторону от голограммы. При этом осевой схемой, или схемой Габора, наз. частный случай, когда при регистрации голограммы объект О, фотопластинка F и опорный источник S расположены на одной оси (рис. 2, а). Эта схема предъявляет наименьшие требования к разрешающей способности фотоматериала, т. к. период интерференционной картины

на голограмме в этом случае максимален. К сожалению, поле, восстановленное полученной по этой схеме голограммой H, сильно искажено благодаря наложению истинного и сопряжённого изображений О' и О'' (рис. 2, б). Этот недостаток устранён во внеосевой схеме (схеме Лейта), где угол между объектным и опорным лучами в точках их падения на голограмму отличен от 0. Схема Фурье относится к случаю, когда объект О и опорный источник S расположены на одинаковом расстоянии от голограммы (рис. 3, а). Особенностью этой схемы является простота и ясность математич. аппарата, описывающего процессы записи и реконструкции голограммы.

Рис. 2. Осевая голограмма: а - схема записи голограммы в попутных пучках (схема Габора), б - восстановление изображения.

В схеме во встречных пучках (схема Денисюка) О и S находятся по разные стороны от голограммы (рис. 4). Период интерференц. картины

в этом случае минимален, а требования к разрешающей способности фотоматериала соответственно максимальны. Преимущества голограмм во встречных пучках заключаются в том, что сопряжённое изображение О'' в этом случае отсутствует и для восстановления изображения необязателен когерентный источник - такую голограмму можно реконструировать источником естеств. света, напр. лампой накаливания.

Структура Г. В зависимости от

падающего на голограмму излучения и природы этого излучения различают оптическую Г., когда на голограмме регистрируется излучение видимого диапазона электромагн. спектра, и разл. виды неоптич. Г. К последним относят: радиоголографию, рентгеновскую Т., ИК-Г., УФ-Г., голографию акустическую и сейсмическую Г. Основная особенность радио-, УЗ- и сейсмич. Г.- внеш. источник опорного излучения не обязателен, а опорное колебание, с к-рым сравнивается предметная волна, может вырабатываться местным генератором.

Рис. 3. Схема Фурье, а - запись; б - восстановление изображения.

Рис. 4. Схема Денисюка: а - запись голограммы во встречных пучках, б - восстановление изображения.

Если длительность воздействия экспонирующего голограмму излучения очень мала, говорят об импульсной голографии. Этот метод позволяет регистрировать движущиеся объекты и исследовать нестационарные процессы. Закономерности записи голограмм в этом случае специфичны, т. к. при импульсных "засветках" поведение светочувствит. сред, как правило, сильно изменяется.

Голограмму можно получить и без помощи к--л. волновых полей, рассчитав её структуру на ЭВМ и представив результаты расчёта в виде чёрно-белого транспоранта, наз. цифровой голограммой. Цифровая Г. находит широкое применение в диапазоне радиоволн и в акустике для оптимизации процесса считывания голограмм, при голографич. распознавании образов для синтеза голографич. фильтров, в устройствах голографич. памяти для синтеза голограмм, считывание к-рых впоследствии осуществляется оптич. способом и др. (см. Цифровая голография).

Промежуточное положение между цифровой и обычной голограммой занимает композиционная, или многоракурсная, голограмма. В этом случае объект фотографируется обычным способом с разл. точек зрения, и затем полученные таким способом фотографии (ракурсы) впечатываются на смежные участки фотопластинки. При наблюдении такой "голограммы" зрителю кажется, что она рассматривает объект с разных сторон, и соответственно возникает иллюзия объёмности изображения.

Свойства голограмм разносторонни и служат основой для разл. применений Г. Нек-рые из этих свойств, напр. способность голограммы формировать обращённую волну, спектральная селективность трёхмерных голограмм, рассмотрены выше. Из др. свойств необходимо отметить способность восстановленного голограммой изображения изменять свой масштаб и расположение при изменении положения и длины волны восстанавливающего источника, а также при изменении масштаба голограммы. Такими трансформац. свойствами обладают в осн. двумерные голограммы; трёхмерные голограммы изменений геометрии при считывании, как правило, не допускают.

Способность трансформировать в "полезное" восстановленное изображение ту или иную часть энергии падающей на неё волны характеризуется т. н. дифракционной эффективностью голограммы. Под этой величиной имеется в виду отношение мощности светового потока, идущего в восстановленное голограммой изображение, к мощности светового потока восстанавливающей волны.

Существенным свойством голограммы является также малая чувствительность восстановленного голограммой изображения к характеру реакции светочувствит. материала. В зависимости от того, каким способом голограмма модулирует падающий на неё световой поток, различают: амплитудные голограммы, модулирующие световой поток за счёт изменений коэф. пропускания среды; фазовые голограммы, к-рые модулируют только фазу восстанавливающей волны, при этом модуляция фазы может осуществляться либо за счёт создания спец. рельефа на поверхности светочувствит. среды (см. выше), либо за счёт модуляции её коэф. преломления п. В поляризац. голограммах модулируются анизотропные свойства среды. Во всех перечисленных случаях записи конфигурация восстановленного изображения остаётся одной и той же, изменяются только дифракц. эффективность и отношение сигнал/шум голограммы, характеризующее яркость случайного светового фона, накладывающегося на восстановленное изображение. Значения дифракц. эффективности колеблются от 100% для фазовых трёхмерных голограмм до единиц % (и меньше) у амплитудных и поляризац. голограмм.

Практические приложения Г. представляют собою общий метод записи и обработки информации. В соответствии с этим Г. с равным успехом применяется в разнообразных областях человеческой деятельности: в машиностроении, при исследовании плазмы, в медицине и т. п. Метод голографической интерферометрии позволяет измерять очень малые деформации деталей машин, поверхности человеческой кожи и т. д. В оптич. приборостроении широкое распространение получают голограммные оптические элементы .В авиации такие элементы используются для введения в поле зрения пилота показаний разл. приборов. Пилот смотрит на местность через голограмму, к-рая прозрачна во всём видимом диапазоне спектра кроме одной длины волны, где она обладает фокусирующими свойствами подобно линзе Именно на этой длине волны в поле зрения пилота фокусируются изображения шкал разл. приборов.

В случае голограммных дифракц. решёток на голограмме также записывается точка, а в качестве светочувствит. среды используется очень тонкий слой фоторезиста. Образующаяся при этом голограмма двумерна, и в ней полностью исключена спектральная селективность, свойственная трёхмерной голограмме. В соответствии с этим при реконструкции голограммы точечным источником, обладающим сложным спектральным составом, изображения точек на всех длинах волн восстанавливаются одновременно так, что результирующее изображение размазывается в спектр. Голограммные решётки по сравнению с нарезными дифракционными решётками обладают значительно меньшим уровнем рассеянного света, у них отсутствуют ошибки шага и соответственно не возникают т. н. "духи". Используя при записи волновой фронт сложной формы, у таких решёток можно скорректировать аберрации сформированного ими изображения спектра.

Метод голографического распознавания образов и их идентификации основан на том, что если голограмму восстанавливать излучением зарегистрированного на ней объекта, то они в нек-ром приближении восстановят изображение точечного опорного источника (полной обратимостью двумерная голограмма не обладает). T. к. незарегистрированные на голограмме объекты не восстановят изображения опорного источника, то появление точки является сигналом того, что перед голограммой находится именно данный объект.

Изобразительные голограммы воспроизводят объёмные изображения разл. предметов искусства (бронзовых скульптур, художеств. изделий из фарфора и т. д.). Основное требование - возможность восстановления изображения обычным некогерентным источником излучения (напр., лампой накаливания). Поэтому для изобразительной Г. используются либо трёхмерные отражат. голограммы, либо т. н. радужные голограммы, предложенные С. А. Бентоном (S. A. Benton).

Г. используется также при создании запоминающих голографических устройств, систем микрофильмирования, для впечатывания спец. шифрующих рисунков в денежные знаки и кредитные карточки, для получения изображений местности сквозь туман и облака методами радиоголографии и др.

Литература по голографии

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.