Сделай Сам Свою Работу на 5

Физические принципы голографии





На основе явлений интерференции и дифракции можно получить объемное изображение предмета с помощью специального метода – голографии. Этот метод предложен Габором еще в 1947 г., но реализовать идеи Габора удалось только после создания лазеров. Первое голографическое изображение со всеми эффектами объемности было получено в 1963 г. Лейтом и Упатниексом.

Обычная фотография представляет собой плоское изображение предмета. Никакого ощущения объемности при разглядывании фотоснимка не возникает. Причина этого заключается в том, что фотографическое изображение сохраняет информацию только об амплитуде световых волн, идущих от разных участков фотографируемого объекта.

Почему же пропадает информация об объемности предмета? Причина кроется в самой фотопластинке, которая как приемник светового излучения не может разрешить во времени колебания со световыми частотами. Как и другие приемники света, она реагирует только на усреднённую во времени интенсивность световых колебаний, рассеянных предметом. Эта интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды световых колебаний. Значит, фотопластинка регистрирует только информацию об амплитуде падающей волны и нечувствительна к тому, в какой фазе подошла к ней световая волна. Поэтому информация о фазе световой волны, рассеянной объектом фотографирования, безвозвратно теряется.



Для того чтобы получить качественное изображение пространственного предмета, надо возможно более точно воспроизвести рассеянные им электромагнитные волны. Волна, отраженная предметом, несет информацию о нем в виде определенного распределения амплитуд и фаз световых колебаний.

Фотопластинка с запечатленной на ней структурой световых волн называется голограммой, а процесс ее получения – голографированием. Голограмма принципиально отличается от обычной фотографии тем, что на ней фиксированы не только амплитуды, но и фазы световых волн, идущих от объекта.

В настоящее время разработано несколько методов голографирования. Все они основаны на одном и том же принципе (рис. 3.34). Свет лазера разделяется на два пучка. Один пучок образуется при отражении света от объекта, который голографируется. Этот пучок называется предметным. Другой пучок, который называют опорным, создается с помощью обычного плоского зеркала и на объект не попадает. В том месте, где происходит наложение предметного и опорного пучков, помещается обычная фотопластинка. Так как источником света является лазер, то предметный и опорный пучки являются когерентными. Поэтому они интерферируют. Фотопластинка и фиксирует эту интерференционную картину.



Таким образом, голограмма – это фотография интерференции предметного и опорного пучков. Вся информация об амплитудах и фазах волны закодирована на голограмме путем изменения контраста интерференционных полос и расстояний между ними. При обычном освещении невооруженный глаз не может отличить голограмму от обычного испорченного негатива, и, тем не менее, голограмма содержит гораздо более полную информацию о предмете, чем самая хорошая фотография.

Чтобы восстановить интересующую нас предметную волну (изображение предмета), голограмма помещается туда же, где находилась при экспонировании фотопластинка, и освещается одним только опорным пучком. Для этого ту часть лазерного излучения, которая при голографировании рассеивалась предметом, перекрывают с помощью непрозрачной заслонки. На стадии восстановления изображения голограмма играет роль дифракционной решетки с плавным переходом от прозрачных участков к непрозрачным. Дифракция опорного пучка на голограмме приводит к возникновению световых волн, совпадающих с теми, которые предмет рассеивал при голографировании. Поэтому на голограмме под углом к освещающему пучку наблюдатель видит исходный объемный предмет. При этом все выглядит так, как будто мы смотрим в окно на реальный объект. Смещая глаз, можно видеть предмет в разных ракурсах. То есть, изображение, которое получается с помощью голографии, ничем не отличается от той реальной картины, которая голографировалась.



Если голограмму разбить на несколько частей, то каждая из них при просвечивании даст ту же картину, что и целая голограмма. Оно будет менее качественным, точно так же, как и дифракционная картина от одной щели получается менее яркой и четкой, чем от дифракционной решетки. Объясняется это тем, что при голографировании волна, рассеиваемая каждой точкой предмета, попадает на всю поверхность пластинки. Поэтому каждая точка фотопластинки подвергается действию световых волн, которые рассеиваются всеми участками объекта, и каждый участок голограммы содержит всю информацию о предметной волне. Поэтому изображение записывается на каждом участке голограммы.

На одной и той же фотопластинке можно последовательно записать несколько изображений так, что они не будут мешать друг другу при восстановлении. Для этого достаточно осуществить ряд снимков, последовательно изменяя направление опорного пучка. В каждом случае будет получаться своя интерференционная картина. При просвечивании такой голограммы каждое изображение будет получаться под своим углом зрения.

Перспективы применения голографии обширны. Голография уже используется для получения объемного изображения предметов. Причем предметы могут двигаться с достаточно большими скоростями. В этом случае привлекаются импульсные лазеры, которые в течение очень короткого промежутка времени создают свет достаточно большой интенсивности. При этом даже очень быстро летящие частицы застывают как неподвижные. Голографические методы применяются для обнаружения ничтожно малых деформаций и вибраций объектов, к которым ничем, кроме как светом, прикасаться нельзя – например, к живым клеткам. Снимая голограммы в определенной временной последовательности, а затем в той же последовательности их рассматривая, можно увидеть объемные предметы в движении.

Традиционное применение объемного голографического изображения высокого качества относится к сфере культуры, образования для создания макетов памятников культуры и искусства. Другая сфера применения объемного голографического изображения высокого качества – тренажёры для обучения пилотирования самолётов, космических кораблей и овладения навыками работы в сложных условиях.

Голография расширяет возможности микроскопических исследований. Если голограмму, записанную с помощью плоской волны, осветить сферической волной, то изображение объекта получается увеличенным. Сверх того, оно может быть дополнительно увеличено, если на стадии восстановления изображения использовать свет с длиной волны больше той, какой обладало излучение, использованное при экспозиции.

На практике широко используются голографические дифракционные решётки. Использование голограммы в качестве дифракционной решётки очевидно, поскольку голограмма по существу является дифракционной решёткой. Голографические решётки просты в изготовлении, дешевле обычных и не имеют дефектов, связанных с технологией нарезания.

В технике голография широко используется для интерферометрического контроля изделий. Его суть состоит в следующем. Деталь, которую нужно изготовить с высокой точностью, освещают лазерным пучком. Рассеянный деталью свет пропускают сквозь голограмму шаблона. Отступления от шаблона проявляются в возникновении интерференционных полос, по которым можно судить о степени отличия детали от шаблона.

Уже появились голографические диски, на один квадратный сантиметр которых можно записать 80 гигабит данных, в перспективе их емкость будет увеличена до нескольких терабайт. Голографическая технология качественно отличается от тех, на которых основано большинство современных носителей – CD, DVD. Носитель голограммы сохраняет сведения о фазе электромагнитных волн, которые использовались для его «прожига». Напротив, единичная ячейка на компакт-диске, как и темная точка на фотопленке, несет информацию только о том, что она была порождена светом достаточной интенсивности.

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.