28)Понятие о голографии.

Голографией называют метод записи и последующего восстановления структуры световых волн, основанный на явлениях интерференции и дифракции когерентных источников света. Как и фотография, она обеспечивает возможность записи, хранения и воспроизведения зрительных образов предметов.

В отличие от фотографии голография позволяет записать и восстановить не двумерное распределение освещенности в плоскости снимка, а рассеянные предметом световые волны со всеми их характеристиками – направлением распространения, амплитудой, фазой, длиной волны. Восстановленные голограммой световые волны создают практически полную иллюзию реальности наблюдаемых объектов.

Это становится возможным благодаря тому, что на голограмме регистрируется не оптическое изображение объекта, а интерференционная картина, возникающая при наложении световой волны, рассеянной объектом и когерентной с ней опорной волны. Эта интерференционная картина фиксирует информацию о распределении амплитуд и фаз в предметной волне. Освещение голограммы восстанавливающей волной, идентичной с той, что служила опорной при регистрации, вызывает появление дифрагировавших волн, одна из которых представляет собой более или менее точную копию волны, рассеянной предметом. Попадая в глаз наблюдателя, она создает такие же ощущения, как и при непосредственном рассматривании объекта.

Способ регистрации и последующего восстановления изображения объекта основан на интерференции двух волн: исследуемой волны, отраженной или прошедшей через объект, и когерентной с ней опорной волны с известным распределением фаз. Образовавшаяся интерференционная картина регистрируется на фотопластинке. Проявленная фотопластинка с зарегистрированной интерференционной картиной называется голограммой. Для восстановления исследуемого, объемного изображения на голограмму необходимо направить волну, совпадающую с опорной волной при записи. Восстановленное изображение, являющееся точной копией исследуемого объекта, обладает всеми свойствами, которые присущи оригиналу, например параллаксом и перспективой.

На рис. 5.8 представлена наиболее употребительная схема записи и восстановления голограмм.

По геометрии падения волн на фотопластинку (либо другой регистратор) голографические схемы можно подразделить на однолучевые (схема Габора), двухлучевые (схема Лейта и Упатниекса, рис. 5.8) и схемы со встречными волнами (схема Денисюка).

Рис. 5.8. Двухлучевая схема регистрации голограмм непро­зрачных объектов – а и схема восстановления изображения – б: 1 – источник излучения; 2 – светоделитель; 3 – объективы; 4 – отражатели; 5 –исследуемый объект; 6 – фотопластинка; 7 – голограмма; 8 – мнимое изображение объекта; 9 – действительное изображение объекта; 10 – наблюдатель

В однолучевой схеме опорная волна формируется из волны, не претерпевшей рассеяние при прохождении через объект. В двухлучевой схеме и в схеме со встречными волнами сигнальные и опорные волны разделены в пространстве и падают на регистратор под разными углами.  В двухлучевой схеме мнимое и действительное изображения, а также нулевой порядок изображения, возни­кающие при восстановлении голограмм, разделены в пространстве и не создают взаимных помех, как в однолучевой схеме.

Рассмотрим процесс записи и восстановления светового поля в голограмме.

Обозначим комплексную амплитуду предметной волны  , а опорной – волны  . Выделяя действительные амплитуды и фазы этих волн и считая опорную волну плоской, можем записать:

                                                                        (5.4)

Комплексная амплитуда поля в плоскости голограммы:

,                                                                                                         (5.5)

Распределение интенсивности в плоскости голограммы:

).                                                                (5.6)

Это распределение фиксируется на фотопластинке. Важно, что в этом выражении есть слагаемые, содержащие информацию о фазе предметной волны. Для восстановления поля голограмму освещают опорной волной. При этом возникает несколько световых волн, одна из которых в точности повторяет поле предметной волны.

При освещении голограммы пробной волной на ее задней поверхности образуется поле с комплексной амплитудой:

                                                                                                       (5.7)

где Т(х, у) – коэффициент пропускания света голограммой. Запишем эту ве­личину в виде:

где   – функция, пропорциональная распределению интенсивности излучения при экспонировании фотопластинки. Коэффициент   зависит от чувствительности пластинки. Подставив (5.4)–(5.6) в (5.7), получим:

,                                                                   (5.8)

где  =  с/8 .

Формула (5.8) обосновывает высказанное выше утверждение. Согласно этой формуле одна из волн, возникающих при дифракции опорной волны на голограмме, а именно волна с амплитудой, пропорциональной  , точно повторяет волновое поле, исходившее от объекта съемки при экспонировании голограммы. Эта волна несет мнимое изображение объекта.  Наблюдение мнимого изображения создает полную иллюзию наблюдения реального объекта, который кажется находящимся за голограммой. В частности, меняя положение глаз относительно голограммы можно осмотреть «объект» с разных сторон и даже немного заглянуть за него – точно так же, как если бы мы наблюдали не голографическое изображение, а сам реальный объект.

Другая волна, амплитуда которой пропорциональна  , создает действительное изображение объекта, которое можно наблюдать на экране. Кроме того, как видно из формулы (5.8), при дифракции опорной волны на голограмме возникают и другие волны, в частности проходящая в прямом направлении опорная волна. Эти волны создают помехи при наблюдении. На практике, однако, удается построить схемы записи и восстановления светового поля таким образом, что помехи не играют существенной роли.

В зависимости от геометрической конфигурации светочувствительной среды, в которой зарегистрирована интерференционная картина, различают двумерные и трехмерные голограммы. Запись в двумерных средах относится к тому случаю, когда толщина фотоматериала много меньше пространственного периода регистрируемой интерференционной картины. Отображающие свойства двумерной голограммы ограниченны. В частности, она неоднозначно восстанавливает волновое поле излучения объекта: кроме истинной объектной волны и соответствующего ей истинного изображения объекта в этом случае восстанавливается ложная, так называемая сопряженная волна и соответствующее ей ложное сопряженное изображение. Источник излучения, с помощью которого восстанавливается двумерная голограмма, должен быть строго монохроматичным, поскольку (в силу отсутствия селективных свойств) двумерная голограмма восстановит все соответствующие разным длинам волн изображения, и, как следствие этого, результирующее изображение будет сильно размазано.

Трехмерная голограмма, у которой толщина много больше периода интерференционной картины, представляет собой наиболее общий случай голографической записи. Она однозначно восстанавливает волновое поле объекта – сопряжённая волна и соответствующее ей сопряжённое изображение отсутствуют. Особенностью трехмерной 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, которые участвовали в ее записи. Свойство спектральной селективности трехмерной голограммы обусловлено интерференцией волн, отраженных последовательностью пучностей, зарегистрированной на голограмме стоячей волны. Эти волны складываются синфазно и взаимно усиливают друг друга только для одной монохроматичной составляющей – той, которой экспонировалась голограмма при ее записи. Так как любая светочувствительная среда имеет конечную толщину, то все голограммы фактически трехмерны. Трехмерность голографической записи особенно выявляется в оптическом диапазоне спектра, когда длина волны регистрируемого на голограмме излучения, как правило, намного превосходит толщину светочувствительного материала.

Статические голограммы записывают в светочувствительных средах, которые в момент записи образуют так называемое скрытое изображение, выявляющееся только после специально последующей обработки (проявления) фотоматериала. В голографии используют разнообразные светочувствительные среды. Наиболее высокочувствительные из них – галогенидо-серебряные. Разрешающая способность выполненных на их основе фотопластинок достигает нескольких тыс. линий на 1 мм при чувствительности порядка тысячной доли Дж на 1 см². Фотопластинки с такой высокой разрешающей способностью используются в основном для записи трехмерных отражательных голограмм. Для задач оптической обработки информации, а также радио- и акустической голографии обычно применяются фотопластинки со значительно меньшим разрешением и соответственно более высокой светочувствительностью.

Для записи отражательных трехмерных 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 которой они были записаны. Это удобно при создании оптических голограммных элементов, которые фокусируют излучение в заданном участке спектра и прозрачны для остальных длин волн.

Ряд применений голографии основан на способности голограммы записывать волновые поля посредством создания специального фазового рельефа на поверхности светочувствительного слоя. Одна из наиболее распространённых светочувствительных сред такого рода – фоторезисты. При химической обработке засвеченные участки слоя фоторезиста вымываются, образуя на его поверхности определенный рельеф. Запись голограммы посредством создания рельефа характерна также и для фототермопластических сред, в которых при воздействии света возникает электростатическое поле, распределение потенциала которого по поверхности повторяет распределение интенсивности света в интерференционной картине, записываемой на голограмме. При последующем нагреве пластичной среды она размягчается и, деформируясь под действием электростатических сил, приобретает соответствующий рельеф. Фототермопластики широко используются в тех случаях, когда необходимо получить голограмму практически сразу после экспозиции, например, при заводском контроле деталей методами голографической интерферометрии.

Для записи статических голограмм существует также множество других способов, которые используются в специальных случаях. К ним относятся фотополимеры, фотохромные среды, магнитооптические среды, халькогенидные среды. Разработан ряд эффективных голографических материалов, например поляризационные среды, с помощью которых на голограмме можно записать не только амплитуду и фазу, но и состояние поляризации волнового поля (поляризационные голограммы).

При голографировании стационарных объектов регистрируется неподвижная интерференционная картина, что позволяет использовать лазеры непрерывного действия. В этом случае время экспозиции, определяемое мощностью лазера и чувствительностью фотопластинки, может быть достаточно длительным. При голографировании нестационарных объектов интерференционная картина перемещается по регистратору и относительно неподвижную интерференционную картину можно получить, применяя импульсные лазеры, что позволяет сократить время экспозиции.

Одно из перспективных направлений развития современной нелинейной оптики – динамическая голография. В классической статической голографии запись голографической решетки (голограммы) в регистрирующей среде и восстановление записанной волны (изображения) считывающим излучением совершаются поэтапно. В случае динамической голографии эти процессы могут происходить одновременно – «в реальном времени». Это отличие значительно расширяет возможности применения голографии для управления пространственно-временной структурой излучения. Хотя основные принципы динамической голографии сформулированы относительно недавно, быстрое ее развитие уже привело к значительным результатам в таких, например областях, как оптическая обработка информации, оптическая связь, управление световыми потоками.

Для записи динамических голограмм используются нелинейные светочувствительные среды. Такие среды реагируют на свет непосредственно в процессе экспозиции, поэтому запись и считывание голограммы осуществляется одновременно в момент, когда на нее воздействует волновое поле. Закономерности динамической голографии существенно отличаются от статического случая благодаря тому, что возникшая динамическая голограмма сама активно воздействует на падающую на нее волну, трансформируя ее определенным образом.

Динамические голограммы записывают в средах, обладающих разнообразными типами нелинейности: тепловым, когда среда изменяет показатель преломления n под влиянием нагрева, созданного падающей волной; электрострикционным, когда плотность среды меняется под действием электрического поля падающей волны; комбинационным, когда среда способна к комбинационному рассеянию света резонансным, когда длина волны падающего излучения совпадает с резонансной длиной волны поглощения среды и др.

На основе динамических голографических преобразователей создаются логические элементы ЭВМ с быстродействием до 10^–12 с, системы оперативной памяти, управляемые транспаранты, оптические переключатели, ответвители и другие устройства оптоэлектроники, оптические корреляторы, служащие для голографического распознавания образов и т. д.

Важнейшее применение методы динамической голографии нашли в такой области, как обращение волнового фронта (ОВФ) излучения. Замечательное свойство волны с обращенным по отношению к падающей первичной волне волновым фронтом (фазово-сопряженной) состоит в том, что такая волна идет в обратном направлении точно по пути исходной волны (в неоднородной непоглощающей среде). Таким образом, например, волна с плоским волновым фронтом, пройдя через случайно-неоднородную среду, после отражения от ОВФ-зеркала и обратного прохода через рассеивающую среду восстанавливает плоский волновой фронт. Операцию обращения волнового фронта излучения с произвольной пространственно-временной структурой можно осуществить только методами нелинейной оптики. Применение ОВФ-зеркал позволяет эффективно решать целый ряд актуальных задач современной квантовой электроники, связанных с передачей информации через неоднородные среды, получением лазерных пучков дифракционного качества в оптически несовершенных активных средах, автофокусировкой излучения и др.