Голография: основные принципы и применение

Голография: основные принципы и применение

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЮЖНО- УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ.

Реферат

По курсу “Общая физика”

На тему: “Голография: основные принципы и применение”

Выполнил: студент Пинкус К.О.

группа ЭиУ-202

Проверил: Ивашкова З.А.

Челябинск 2003г.

СОДЕРЖАНИЕ.

1 ВВЕДЕНИЕ 3

2 СУТЬ ЯВЛЕНИЯ ГОЛОГРАФИИ. 6

2.1 Голографирование. Восстановление изображения предмета. 8

3 КЛАССИФИКАЦИЯ ГОЛОГРАММ. 9

3.1 Регистрирующие среды и их применение 9

3.1.1 Толщина среды 10

3.1.2 Отражение и пропускание 10

3.1.3 Синтез голограмм на ЭВМ 10

3.2 Регистрируемые параметры объектной волны 10

3.3 Модулируемые параметры 11

3.3.1 Амплитудная модуляция 12

3.3.2 Фазовая модуляция 12

3.3.3 Фазовая и амплитудная модуляция 13

3.4 Конфигурация 13

3.4.1 Свойства объектной волны 13

3.4.2 Свойства опорной волны 14

3.5 Регистрирующий материал и конфигурация 14

3.6 СВОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ 16

3.6.1 Когерентность 16

3.6.2 Поляризация 17

3.6.3 Длина волны света 17

3.7 Описание голограммы 18

4 НЕКОТОРЫЕ ВИДЫ ГОЛОГРАММ. 18

4.1 Мультикомплексные голограммы. 18

4.1.1 Пространственное мультиплексирование 18

4.1.2 Составные изображения 19

4.1.3 Голограммы, записанные с помощью сканирующего источника света

19

4.2 Цветные голограммы 20

4.2.1 Голограммы, восстанавливаемые в белом свете 20

5 ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ 21

5.1 Голографический портрет. 22

5.1.1 Лазер 22

5.1.2 Экспериментальные установки 23

5.1.3 Восстановление изображений 24

6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25

7 Литература 26

ВВЕДЕНИЕ

Фотографический способ основан на том, что он позволяет получить так

называемое оптическое изображение, как говорят оптики, сформировать

изображение. Роль формирующей системы при этом поручается объективу

фотоаппарата. С его помощью на светочувствительной поверхности

фотопластинки (фотопленки) создается сфокусированное изображение.

За счет чего же получается сходство фотографического изображения с

оригиналом? Прежде всего за счет того, что каждая точка предмета передается

в виде некоторого кружка рассеяния. Между всеми точками предмета и

изображения сохраняется пропорциональность. Процесс получения изображения

по аналогии с процессом наблюдения можно представить так: предмет —

волновое поле, рассеянное предметом,— фотообъектив — изображение предмета

на фотопластинке.

Куда же пропадает информация об объемности предмета, создающая

дифракционную картину? Этот вопрос долгое время волновал оптиков.

Оказалось, что информация о предмете никуда не исчезает, порок кроется

в самой фотопластинке, которая как приемник светового излучения инерционна.

Она не может разрешить во времени колебания со световыми частотами. Кроме

того, она, как и другие фотоматериалы, реагирует только на усреднённую во

времени Интенсивность световых колебании, рассеянных предметом. Эта

интенсивность пропорциональная квадрату амплитуды световых колебаний.

Значит, фотопластинка регистрирует только амплитудную информацию.

Но фотопластинка совершенно нечувствительна к тому, в какой фазе

подошла к ней световая волна. Поэтому информация о фазе рассеянной световой

волны безвозвратно теряется. Следовательно, фотопластинка регистрирует

только половину информации, принесенной рассеянной световой волной. А это

приводит к неполному, лишенному объемности отображению трехмерного образа.

Итак, мы выяснили, что основная причина получения плоского изображения

вместо объемного при обычном фотографировании заключается в невозможности

зарегистрировать на фотопластинке фазовую информацию об оптическом

изображении, приносимую световой волной.

И вот, наконец, способ, позволяющий фотографическим путем

зарегистрировать фазу световой, волны, был найден. Оказалось, что для этого

нужна среда, в которой должен происходить независимый от регистрируемой

волны колебательный процесс, создающий эталонную волну, причем частота

эталонной волны обязательно должна быть одинаковой с частотой

регистрируемой волны. Кроме того, должно быть известно распределение фазы

эталонной волны. Если в качестве приемника света взять фотопластинку, то на

ней можно сравнить фазы регистрируемой волны с фазой эталонной волны в

каждой точке.

Что же взять в качестве эталона? Для этой роли подходит только свет. В

технике хорошо известны методы регистрации фазы электромагнитных волн, в

которых свет используется в качестве эталона. Они основаны на явлении

интерференции. При эталонном сравнении двух пучков света возникает

интерференционная картина Важное условие ее неподвижности —применение

когерентного света. Итак, решение задачи регистрации фазовой информации

оказалось совсем простым. Способ регистрировать фазу в световой волне на

фотопластинке был найден. Теперь на фотопластинку можно было записывать как

амплитудную, так и фазовую информацию, т. е; регистрировать световую волну

со всеми ее характеристиками. Это полностью решало проблему записи

волнового поля пространственного предмета. Должны были возникнуть новые

принципы формирования изображения на фотопластинке и последующего его

воспроизведения. Конечно, сам способ такого фотографирования должен

существенно отличаться от обычного. Формулируя свое изобретение, Габор

рассуждал примерно так. Для того чтобы получить качественное изображение

пространственного предмета, надо возможно более точно воспроизвести

рассеянное им волновое поле. Чем с большими подробностями оно будет

воспроизведено, тем больше гарантия, что глаз наблюдателя увидит

изображение предмета, ничем не отличающееся от оригинала. Для этого нужно

каким-то образом записать волновое поле, образованное световыми волнами,

рассеянными освещенным или светящимся предметом, а затем нужно воссоздать

изображение предмета при помощи обычного видимого света.

Вместо изображений пространственного предмета Габор предложил

регистрировать пространственную структуру световой волны. Сложный узор

волнового фронта, который содержит всю информацию о предмете, надо было как-

то записать, т. е. «заморозить», а потом, когда захочешь снова увидеть

предмет, «разморозить» световую волну, 'восстановить волновой фронт.

Свой метод Габор и назвал методом восстановления волнового фронта.

Практическое воплощение он получил только в 1964 г

СУТЬ ЯВЛЕНИЯ ГОЛОГРАФИИ.

Согласно принципу Гюйгенса — Френеля, можно восстановить картину

волнового поля, образованного электромагнитной волной, в любой момент

времени и в любой точке пространства. Для этого надо записать распределение

амплитуд и фаз волн (в данном случае световых) на произвольной поверхности

или ее части, охватывающей источник волн. Иными словами, чтобы «заморозить»

электромагнитные волны во всем пространстве, достаточно «заморозить» их

только на некоторой поверхности.

Как восстановить в пространстве световую волну, т. е. «разморозить»

ее? Для этого надо задать параметры, характеризующие среду. Предположим,

нужно восстановить плоскую волну. Для этого мы должны задать для любой

плоскости равномерно распределенные источники колебаний с определенной

начальной фазой. Элементарные источники колебаний должны находиться на

поверхности, перпендикулярной направлению распространения волн. Но это те

обязательно. Все будет зависеть от типа волн. Возьмем для примера

сферические волны, излучаемые точечным источником. Зададим в качестве

поверхности, на которой «замораживаются» волны, сферу с центром в

источнике. Амплитуды и фазы элементарных источников волн будут одинаковыми

для всей поверхности. В случае с круговыми волнами при «замораживании»

световых волн надо расположить элементарные источники колебаний с

одинаковой фазой и амплитудой на концентрических окружностях.

Иными словами, мы должны зарегистрировать на некоторой поверхности

мгновенные картины линий постоянной фазы в виде чередующихся прозрачных и

непрозрачных областей. В этом нам помогает интерференция: мы получаем

интерференционную картину, состоящую из светлых, (прозрачных) и темных

(непрозрачных) полос. Интерференция и есть способ сравнения

пространственной структуры двух пучков света. Вначале происходит их

сравнение, а затем — регистрация их на фотопластинку.

Откуда возникли оба эти пучка и что они собой представляли в опытах

Габора? Один пучок отражался от освещенного предмета и падал на

фотопластинку. Он являл собой определенную комбинацию волн, конфигурация

которых зависела от формы предмета. Она могла быть как очень простой, так и

очень сложной. Другой пучок имел простую конфигурацию. Чаще всего он

состоял из плоских волн. Создавался он когерентным источником света и

назывался опорной волной. Второй пучок служил в качестве эталона. Он также

падал на фотопластинку.

Оба световых пучка пересекались вблизи этой пластинки. При пересечении

они интерферировали между собой, образуя области усиления или ослабления,

чередующиеся по определенному закону во времени и пространстве. В

результате интерференции получалась интерферограмма в виде чередующихся

светлых и темных полос— неподвижная интерференционная картина.

Неподвижность интерференционной картины в пространстве обеспечивалась

опорной (эталонной) волной. Это она «останавливала» («замораживала»)

световую волну.

Чтобы восстановить изображение предмета, достаточно осветить

голограмму только опорным пучком, используемым при записи. Этот способ

регистрации волнового поля ценен тем, что допускает простое восстановление

исходной волны. Как только мы направляем на голограмму опорную волну,

использованную при записи, за голограммой восстанавливается

(«размораживается») исходное волновое поле предмета. Согласно принципу

Гюйгенса — Френеля, восстановлением мы обязаны эквивалентным источникам,

образованным светлыми местами интерференционной картины. По этой причине

волны «размораживаются», и наблюдатель видит пространственное изображение

предмета.

Итак, можно сделать вывод о том, что голография— это фотографический

метод. Но он существенно отличается от метода классической фотографии. Это

радикально иной, двухступенчатый метод. В отличие от обычной фотографии

изображения, которые получаются при восстановлении записанного на

голограмме, полностью неотличимы от изображений реального предмета.

Голография позволяет воспроизвести в пространстве действительную картину

электромагнитных волн, т. е. волновую картину предмета тогда, когда .самого

предмета уже нет.

1 Голографирование. Восстановление изображения предмета.

Уширенный с помощью простого оптического устройства пучок лазера

(рис.1) одновременно направляется на исследуемый объект и на зеркало.

Отраженная от зеркала опорная волна и рассеянная объектом световая волна

падают на обычную фотопластинку, где происходит регистрация возникшей

сложной интерференционной картины. После соответствующей экспозиции

фотопластинку проявляют, в результате чего получается так называемая

голограмма — зарегистрированная на фотопластинке интерференционная картина,

полученная при наложении опорной и предметной волн. Голограмма внешне

похожа на равномерно засвеченную пластинку, если не обращать внимания на

отдельные кольца и пятна, возникшие вследствие дифракции света на пылинках

и не имеющие отношения к информации об объекте.

Для восстановления волнового поля предмета, тем самым для получения

его объемного изображения, голограмму помещают в то место, где была

расположена фотопластинка при фотографировании, и затем освещают голограмму

световым пучком того же лазера под тем же углом, под которым было

осуществлено экспонирование. При этом происходит дифракция опорной волны на

голограмме и мы видим объемное со всеми присущими самому объекту свойствами

(в нем сохраняется также распределение освещенности, как и в объекте)

«мнимое» изображение. Оно кажется нам настолько реальным, что даже иной раз

появляется желание потрогать предмет. Разумеется, это невозможно, так как в

данном случае изображение образовано голографической копией волны,

рассеянной предметом во время записи голограммы.

От голограммы в глаз попадает точно такая же волна, какая попала бы от

самого предмета. Кроме мнимого изображения получается также действительное

изображение объекта, имеющее рельеф, противоположный рельефу самого

объекта, (рис. 1, а), если наблюдение ведется справа от голограммы, как

показано на рис. 1, б. В этом случае трудно наблюдать действительное

изображение невооруженным глазом. Если осветить голограмму с обратной

стороны обращенным опорным пучком так, чтобы все лучи пучка были направлены

противоположно лучам первоначального опорного пучка, то в месте

первоначального расположения предмета возникает действительное изображение,

доступное наблюдению невооруженным глазом. Его можно зарегистрировать на

фотопластинку без применения линз.

[pic]

Рис.1

КЛАССИФИКАЦИЯ ГОЛОГРАММ.

1 Регистрирующие среды и их применение

В этом разделе мы рассмотрим общие характеристики материалов,

применимые почти к любой среде, а не конкретные голографические среды Во-

первых, мы отметим важную роль, которую играет в голографической среде,

глубина записи. Во-вторых, рассмотрим два класса голограмм, на которые они

делятся по способу освещения обработанной голограммы, отражательные и

пропускающие. И наконец, отметим тот факт, что некоторые голограммы не

регистрируются а синтезируются с помощью ЭВМ.

1 Толщина среды

Если при регистрации интерференционных полос используется только

поверхность регистрирующей среды, то получаются тонкие плоские или

поверхностные голограммы Важным моментом является не сама величина толщины

регистрирующей среды, а влияние, которое она оказывает; даже если среда

толстая, но запись по глубине не используется, результат оказывается таким

же, как от тонкой среды. Мы имеем толстую, или объемную, голограмму в том

случае, когда трехмерная интерференционная картина регистрируется и

используется по всей глубине слоя среды. Именно использование объема

регистрирующей среды позволяет нам восстанавливать только одно изображение

вместо основного и сопряженного ему изображений.

2 Отражение и пропускание

Между отражением и пропусканием имеется относительно простое различие.

В одном случае свет, используемый для освещения голограммы при

восстановлении волнового фронта, отражается от среды в виде волнового

фронта изображения, а в другом свет проходит через голограмму. В случае

работы на отражение теряется обычно меньше света

3 Синтез голограмм на ЭВМ

В этом случае в ЭВМ вводятся параметры, описывающие объект, и она

вычисляет объектную волну. Опорная волна может складываться с объектной

математически, и результат, получаемый на графопостроителе, должен быть

аналогом оптической записи. В общем случае этого не делается, но

голограмма, синтезированная на ЭВМ, будучи воспроизведенной на

графопостроителе, представляет собой систему прозрачных апертур,

закодированную таким образом, чтобы дать искомую волну изображения.

2 Регистрируемые параметры объектной волны

Амплитуда и относительная фаза световой волны, идущей от объекта,

изменяются определенным образом. Эту волну можно записать в виде:

[pic]

Где функция а(х, у) описывает изменения амплитуды в плоскости

голограммы, а ?(x, у) — изменения относительной фазы. Параметры ? и ?

представляют собой соответственно оптическую частоту и постоянную

распространения. Естественно, что и амплитуда, и фаза объектной волны

сохраняются в голограмме. Однако, если фазовая или амплитудная информация

устраняются, мы имеем то, что называют соответственно голограммой

амплитудной информации или голограммой фазовой информации. Можно также

употреблять термин чистофазовая голограмма, когда в голограмме сохраняется

только фазовая информация ?(x, у). Голограмма амплитудной информации

используется довольно редко, поскольку она дает плохое качество

изображения. В случае когда объект является диффузно отражающим, большая

часть информации заключается в фазе. В некоторых случаях, таких, как

акустическая голография или голограммы, синтезированные на ЭВМ, при записи

или вычислении волнового фронта объектной волны амплитудная информация

вообще не учитывается.

3 Модулируемые параметры

Голограмма может изменять либо амплитуду, либо фазу освещающей

(восстанавливающей) волны, либо одновременно и тот и другой параметр. Тем,

кто знаком с теорией связи, поможет аналогия с амплитудной модуляцией (АМ)

и фазовой модуляцией (ФМ) временного сигнала. Распределение энергии в

плоскости регистрации голограммы, обусловленное интерференцией объектной и

опорной волн, дается выражением

[pic](1)

где а(x,y) и а(x,y) -изменения амплитуд объектной и опорной волн, а

?0(x, у) и ?г(x, у) — изменения фаз объектной и опорной волн

соответственно. Параметры ?0 и ?г определяются как

[pic] (2)

[pic] (3)

где ? — длина волны света, а ?о и ?r — углы падения объектной и

опорной волн на плоскость голограммы. Выражение (1) описывает

поверхностную, или тонкую, голограмму.

1 Амплитудная модуляция

Голограмму называют амплитудной тогда, когда восстанавливающая волна

модулируется таким образом, что после прохождения через голограмму ее

амплитуда становится пропорциональна величине, описываемой выражением (1).

Эта волна после прохождения некоторого расстояния вызывает появление волн,

идущих ,в трех направлениях. Одна из этих волн пропорциональна исходной

волне от объекта. Амплитудную модуляцию можно получить либо за счет

поглощения части волны, либо в случае отражательной голограммы за счет

коэффициента отражения, который изменяется по x и y.

2 Фазовая модуляция

Фазовой называют голограмму, которая модулирует фазу восстанавливающей

волны таким образом, что результирующая волна имеет относительный сдвиг

фазы, пропорциональный величине, описываемой выражением (1); иными словами,

волну можно представить в виде функции ?(x, y), записываемой как

[pic] (4)

где

[pic] (5)

Параметр р — коэффициент фазовой модуляции. Прошедшая через голограмму

волна приводит к образованию многих волн, одна из которых пропорциональна

волне, идущей от объекта. Если величина р мала, то объектная волна

восстанавливается с минимумом шума. Если же р не мал, то некоторые из

остальных волн, образованных волной, описываемой выражением (4), могут

стать источником шума в восстановленной объектной волне [1]. Фазовую

модуляцию можно получить, заставляя коэффициент преломления или толщину

голограммы меняться в зависимости от х и у пли меняя профиль голограммы и

используя ее как отражатель.

3 Фазовая и амплитудная модуляция

Многие голографические регистрирующие материалы, такие, как

фотоэмульсия, вызывают амплитудную и фазовую модуляцию освещающей волны;

при этом амплитуда модулированной волны Пропорциональна I (х, у), а фаза —

величине ?Н(x, у). Как амплитуда, так и фаза волны содержат всю записанную

информацию в соответствии с выражением (1). Этот эффект имеет место в

случае, когда применяют тонкую фотоэмульсию. Однако он еще не изучен

достаточно хорошо, и мы его здесь рассматривать не будем. Очень полезным

является случай амплитудной и фазовой модуляции, когда желаемое изменение

амплитуды волны создается; амплитудной модуляцией, а изменение фазы —

фазовой модуляцией. Этого можно достичь с помощью толстых (объемных)

голограмм.

4 Конфигурация

Под конфигурацией мы понимаем все то, что связано с положением

объекта, применением линз для формирования изображения или выполнения

преобразования Фурье над объектной волной, структурой опорной волны, с

формой поверхности и способами экспонирования голографического материала.

1 Свойства объектной волны

В общем случае, если объект расположен близко к голографическому

записывающему устройству, регистрируется то, что называется голограммой

Френеля. Если объект мал и находится всего лишь в нескольких сантиметрах от

голограммы, мы все же получим то, что называется голограммой Фраунгофера.

Если объект располагается очень близко к голограмме или изображение объекта

формируется в непосредственной близости голографическому записывающему

устройству, мы получаем голограмму сфокусированного изображения. Поскольку

в этом случае восстановленное изображение располагается вблизи от

голограммы, лучи света разных длин волн не смогут разойтись на большой

угол, прежде чем будет сформировано изображение. Это означает, что для

освещения голограммы можно применять источник, имеющий широкий спектр

излучения. Это свойство делает голограмму сфокусированного изображения

особенно полезной при использовании в дисплеях

Если, для того чтобы в плоскости регистрации голограммы получить

двумерный пространственный Фурье-образ распределения амплитуд и фаз

Страницы: 1, 2