От греческого слова icon

От греческого слова




Скачати 310.71 Kb.
НазваОт греческого слова
Дата29.07.2012
Розмір310.71 Kb.
ТипДокументи

ВВЕДЕНИЕ


Год рождения голографии — 1947. В этом году англий­ский физик Дэннис Габор предложил свой метод записи и восстановления волнового фронта, который назвал голографией, от греческого слова голос, что означает весь.

Главной трудностью применения этого метода в тече­ние последующих 15 лет было отсутствие подходящих источников света. Эти источники должны обладать особыми свойствами — быть когерентными. Только после появле­ния в 1960 г. лазеров, обладающих такими свойствами, оказались возможными успехи, которых голография до­стигла к сегодняшнему дню.

Первыми получили лазерные голограммы американские физики Эммет Лейт и Юрис Упатниекс в 1963 г. За два года до этого они предложили свою «двухлучевую» схему, значительно усовершенствовавшую исходную схему Габора. Первая советская работа по голографии вышла в 1962 г. Ее автор Ю. Н. Денисюк предложил и осуществил оригинальный метод записи голограмм на толстослойную эмульсию. Этот метод, с которым мы познакомимся ниже, обладает рядом удивительных свойств.


^ КАК ПОЛУЧАЮТ ОПТИЧЕСКИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ.

Поместим перед экраном какой-нибудь предмет и осветим его. Световые лучи, отраженные от каждой точки предмета, будут попадать на всю площадь экрана; произойдет взаимное «перепутывание» лучей от разных точек предмета. В итоге на экране будет наблю­даться ровная освещенность. Чтобы полу­чить изображение предмета, необходимо каким-либо обра­зом «распутать» световые лучи, как-то «упорядочить» картину распространения лучей от разных точек предмета до экрана.

Камера-обскура. Для упорядочения хода лучей доста­точно поместить между объектом и экраном ширму с ма­леньким отверстием. Именно так в свое время была скон­струирована камера-обскура, представляющая собой тем­ный ящик с маленьким отверстием в одной из стенок (название происходит от латинского слова «обскуру-с» — темный). Экраном в камере-обскуре служила внутренняя стенка ящика, находящаяся напротив отверстия.

От любой точки объекта через отверстие проходит лишь узкий световой пучок, который и создает на экране изображение этой точки. В результате на экране возника­ет перевернутое изображение объекта (рис. 1).

Чтобы изображение было четким, отверстие должно быть достаточно малым — диаметром от 0,5 до 0,1 мм. Од­нако, чем меньше, размеры отверстия, тем, очевидно, мень­ше освещенность изображения. Именно поэтому прихо­дится прибегать к темному ящику и, кроме того, старать­ся сильнее освещать сам объект.




Лишь весьма незначительная доля светового потока, отраженного объектом, используется в камере-обскуре для создания изображения. По этой причине камеры-обскуры не нашли широкого применения.

Рис.1


^ ЗАПИСЬ И СЧИТЫВАНИЕ ГОЛОГРАММЫ.

Упомянутый выше «негатив» называют голограммой объекта. На голограмме фиксируется интерференционная картина, возникающая в результате сложения двух когерентных световых волн: отраженной от объекта (объектная, или сигнальная, волна) и вспомогательной (опорная волна). По самой своей сути метод голографии является интерференционным методом; именно поэтому для его осуществления требуются свето­вые волны с высокой степенью когерентности. Чтобы зафиксиро­вать интерференцион­ную картину, материал фото­детектора должен обладать достаточно высоким прост­ранственным разрешением. Пространственное разрешение материала измеряют максимальным числом парал­лельных линий на единице длины, обычно на одном мил­лиметре, которое позволяет различить данный материал. Голограмма хранит информацию об .объекте в виде ин­терференционной картины(рис.2).



Рис.2


При освещении голограммы когерентной световой волной, тождественной опорной (считывающая волна), происходит дифракция этой волны на своеобразной дифракционной решетке, которую пред­ставляет собой зафиксированная на голограмме система интерференционных полос. В результате такой дифракции восстанавливается (становится наблюдаемым) записанное на голограмме изображение объекта. Заметим, что требование тождественности считывающей и опорной световых волн не относится к длине волны. Длины волн, используемых при записи и считывании го­лограммы, могут быть разными. Изменение длины волны влияет на размеры изображения, восстанавливаемого с голограммы.

Голографический метод является двух­ступенчатым (двухэтапным). На первом этапе с объек­та «снимают» голограмму (этап записи голограммы); на втором этапе с голограммы восстанавливают наблюдаемое изображение объекта (этап считывания голограммы). Получение (запись) голограммы основыва­ется на явлении интерференции световых волн, а считыва­ние голограммы — на явлении дифракции световых волн.


^ ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ

Как мы видим предметы и как мы видим их изображения

Известно, что глаз представляет собой оптическую систему с переменным фокусным расстоянием и светочув­ствительной фокальной поверхностью (сетчаткой). Све­тящиеся (или освещенные посторонними источниками света) предметы испускают световые волны, которые пре­ломляются в хрусталике глаза и образуют на сетчатке изображение. Это изображение двухмерно в отличие от самих предметов, которые, конечно, обладают тремя из­мерениями — высотой, шириной и глубиной. Тем не менее мы получаем впечатление об объемности предметов за счет подвижности глаз, возможности зрения двумя глазами и вследствие напряжения аккомодации. Смещая точку зрения, мы изменяем взаимное расположение предметов на двухмерной их проекции — это явление называется параллаксом. Вследствие параллакса возникает также отличие изображений на сетчатках правого и левого глаза (если сцена не очень удалена), что приводит к ощущению объемности, глубины пространства. Фиксируя глаз на точках, удаленных на разные расстояния, мы изменяем, фокусное расстояние хрусталика напряжением глазной мышцы, которое также воспринимается нами как мера глубины пространства.

Разглядывая обычный двухмерный фотоснимок той же сцены, мы лишены этих эффектов. Как бы мы ни меняли при этом положение головы, мы видим одно и то же, параллакс совершенно отсутствует. Переводя глаз с пред­мета на предмет, мы не меняем аккомодационного на­пряжения. Изображение выглядит плоским, объемность отсутствует, пропадает «эффект присутствия». Особенно резко выражены эти явления, когда мы рассматриваем двухмерный фотоснимок при косом его расположении (например, в кино из крайнего места первого ряда). В этом случае продольные и поперечные масштабы изображения искажаются, чем еще сильнее подчерки­вается «плоскостность» фотоснимка. Таким образом, фотография обладает лишь ограниченными изобразительными возможностями.

В отличие от обычной фотографии, голография позво­ляет записать и восстановить не двухмерное распределе­ние яркости, а световую волну, исходящую от предмета, со всеми ее подробностями.

Как получают голограммы и восстанавливают волны.

Существует ряд способов получения голограмм и восста­новления волн. В принципе они мало отличаются друг от друга, и мы здесь рассмотрим один из них, предложенный Лейтом и Упатниексом.



Рис.1 а, б

Объект, голограмму ко­торого нужно получить, освещают светом от лазе­ра. Рассеянная световая волна попадает на фото­пластинку. На эту же пла­стинку падает опорный пу­чок — часть света от того же лазера, отраженная от зеркала. Экспонированную таким образом фотопла­стинку после проявления и фиксирования называют голограммой. На ней и за­писана информация о све­товой волне, рассеянной объектом. Внешне голо­грамма не отличается от равномерно засвеченной фотопластинки. Часто на голо­грамме видны кольца и полосы (рис.1а), но они обуслов­лены дифракцией света на пылинках, попавших на зеркала и объективы, и ничего общего не имеют с той микроструктурой, которая несет в себе запись световой волны, рассеянной объектом.

Для того чтобы восстановить эту волну, объект уби­рают, а голограмму помещают на то же место, где она находилась при съемке. Если включить после этого лазер и досмотреть через голограмму как через окошко, то мы увидим объект на прежнем месте, как будто он вовсе и не был убран. Видимый предмет кажется совер­шенно реальным: мы сможем, меняя положение головы обнаружить параллакс; разглядывая ближние и дальние его части, мы должны будем по-разному аккомодировать глаз, а если захотим сфотографировать его, то нам при­дется так же как и при обычной фотосъемке, выбрать такую диафрагму, которая бы обеспечила достаточную глу­бину резкости. Если этого не сделать, одни части предмета получатся на снимке резко, а другие — размыто.

Кроме этого изображения предмета, которое можно рассматривать глазом (его называют мнимым изображе­нием), существует и другое, действительное изображение предмета. Оно располагается по другую сторону от голо­граммы. Обычно увидеть действительное изо­бражение невооруженным глазом трудно, но если поместить в плоскость, где оно образуется, фотопластинку или матовое стекло, то можно получить его двухмерную проек­цию.

Действительное изображение обладает рядом особых свойств. Самое интересное из них — псевдоскопичность — заключается в том, что действительное изображение имеет рельеф, обратный исходному предмету: выпуклые места заменены вогнутыми — изображение «вывернуто наиз­нанку».

^ СХЕМЫ ГОЛОГРАФИИ

При восстановлении лучи, образующие действительное и мнимое изображения, а также нулевой порядок, распространяются в одном и том же направле­нии и создают взаимные помехи. Это одна из причин низкого качества восстановленных изображений.

Лейт и Упатниекс в 1961 г. предложили свою двухлучевую схему голографирования (иначе ее называют схемой с опорным пучком). Ее можно рассматривать как некоторое видоизменение схемы Габора: в схеме Лейта и Упатниекса (Рис.3) используется лишь периферическая часть габоровой голограммы и, что наиболее важно, пред­мет освещается отдельным когерентным пучком света. Это позволило им получать голограммы непрозрачных трехмерных объектов. Как видно из рис. 2, голограммы, полученные по схеме Лейта и Упатниекса, свободны oт взаимных помех мнимого и действительного изображений. В настоящее время обычно применяют двухлучевые схемы голографирования.



Рис.3

Получение голограммы и вос­становление волнового фронта по Га-бору (а, б) и по Лейту и Упатниексу (в, г).

Разным голографическим схемам соответствует раз­личная форма интерференционных полос, образующих голограмму точки. Для всех расположений, при которых плоскость голограммы нормальна к линии, соединяющей опорный источник и предмет-точку, интерференционные; полосы — кольца, составляющие зонную решетку Фре­неля. Если плоскость голограммы параллельна этой линии, то полосы представляют собой семейство гипербол.

Рассмотрим интерференцию двух когерентных парал­лельных пучков световых лучей, сходящихся на фотопластинке под углом друг к другу. Пусть угол падения одного из них ух, другого — φ1

Если точки А и В соответствуют положениям двух соседних полос (а - расстояние между ними) то раз­ность хода пучков 1 и 2 при переходе от точки А к точке В изменяется на одну длину волны φ. Другими словами, и, поскольку а


(7)



Полученную таким образом голограмму — дифрак­ционную решетку с постоянной а — осветим одним из пучков света, принимав­ших участие в ее образо­вании, например, пучком 1, убрав пучок 2. Ди­фракционная решетка об­разует минимум первого порядка под таким углом, а к своей нормали, кото­рый связан с углом паде­ния β соотношением






Образование голографической дифракционной решетки.

B
нашем случае угол па­дения β=φ1 и постоянная решетки а определяется формулой . Отсюда

т.е.


Таким образом, если мы сохраним пучок 1, то восста­новится пучок 2. Если же осветим голограмму пучком 2, го восстановится пучок 1, т. е. опорный и предметный паучки обладают свойствами взаимной обратимости.

Световую волну, распространяющуюся от точечного предмета, можно представить в виде совокупности тонких параллельных пучков света, каждому из которых соответ­ствует свой малый участок голограммы.

^ НЕКОТОРЫЕ ВАЖНЫЕ СВОЙСТВА ГОЛОГРАМЫ

Снимем контактный отпечаток с голограммы и вос­становим волновой фронт с помощью полученной таким образом копии, являющейся негативом исходной голо­граммы.

1.Каждый участок голограммы способен восстановить изображение всего объекта. Действительно, как мы уже видели, любой участок зонной решетки Френеля восстанавливает изображение точки; естественно, что этим же свойством обладает и голограмма более сложного пред­мета. Конечно, меньший участок голограммы восстановит соответственно меньший участок волнового фронта. Если этот участок будет очень мал, то качество восстановлен­ного изображения ухудшится, пропадут мелкие детали, возникнет характерная зернистая структура.



Что происходит с восстановленным изображе­нием при уменьшении площади голограммы.


2.Голограмму сложного предмета можно рассматри­вать как интерференционное (когерентное) наложение голограмм от отдельных точек или более сложных частей этого предмета. При таком наложении происходит сумми­рование амплитуд световых волн с учетом фазовых со­отношений между ними.

Можно представить себе также и голограмму, являю­щуюся некогерентным наложением голограмм различных предметов или частей одного и того же предмета. При этом фотопластинка суммирует создаваемые ими освещенности. Если число таких последовательных наложений не слиш­ком велико, то такая голограмма без существенных иска­жений одновременно восстанавливает несколько последо­вательно зарегистрированных световых волн. Это свойство голограмм находит применение для последовательной регистрации на одной голограмме волн от нескольких предметов или нескольких состояний одного и того же предмета. Пользуются им также при получении голо­грамм без лазеров.


^ ГОЛОГРАФИЯ НА ПРОСТЫХ ПРИМЕРАХ

Первый пример. Рисунок а иллюстрирует процесс записи голограммы (1 — голограмма; 2 — опорная свето­вая 'волна; 3 — объектная волна). Обе световые волны являются здесь плоскими монохроматическими волнами






Рис. 4


с одинаковой частотой, причем опорная волна рас­пространяется перпенди­кулярно к плоскости голо­граммы, а объектная — под некоторым углом а. Интерференция двух плоских монохроматиче­ских волн, распространя­ющихся под углом а друг к другу. Воспользовавшись полученными там результатами, заключаем, что на голограмме будет зафиксирована интерференционная картина в виде системы параллельных прямых полос, отстоящих друг от друга на расстояние,



После соответствующей фотообработки голограммы (проявления, закрепления, промывания) будем иметь пла­стину с чередующимися прозрачными и непрозрачными параллельными прямыми полосами.

Полученная голограмма соответствует объекту, отражающему плоскую волну. Таким объектом может служить плоское зеркало достаточно больших размеров. Поэтому можно сказать, что в дан­ном примере мы имеем дело с голограммой плоского зеркала.

Рисунок поясняет процесс считывания голограм­мы (1 — голограмма; ^ 2 — считывающая световая волна; 3 и 4 — световые волны, возникающие в результате ди­фракции считывающей волны; 5 — часть считывающей волны, прошедшая сквозь голограмму без дифракции). Дифракция волны на дифракционной решетке описывает­ся формулой:



где k = 0, 1, 2,...; d — период решетки; φk— углы, образуе­мые перпендикуляром к плоскости решетки и направления ми на так называемые главные дифракционные максимумы (направления, в которых распространяются дифрагированные волны). Значению k=0 соответствует недифрагированная волна (волна 5 на рисунке); значению к=1 соответст­вуют основные дифрагированные волны (волны 3 и 4). Остальными дифрагированными волнами (для k≥2) бу­дем пренебрегать ввиду их малой интенсивности. Согласно для основных дифрагированных волн имеет место соотношение:




^ УГОЛ ДИФРАКЦИИ РАВЕН УГЛУ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ.

Голограмма точечного объекта. Ри­сунок 4, а иллюстрирует процесс записи голограммы (2— голограмма; 2 — опорная плоская волна, распространяю­щаяся перпендикулярно к плоскости голограммы; 3 — объект в вида светящейся точки; 4 — объектная сфериче­ская волна). На рисунке, б показан процесс считывания голограммы (1 — голограмма; 2 — считывающая волна; 3 и 4 — основные дифрагированные волны; 5 — мнимое



изображение объекта; ^ 6 — действительное изображение объекта). б ил­люстрирует установленное выше правило: в каждой точ­ке голограммы угол дифрак­ции равен углу интерферен­ции. На рисунке выбраны две точки А и Б; для них

и

Как видно на рисунке, при считывании голограммы восстанавливаются два изоб­ражения: мнимое и действи­тельное. Мнимое изображе­ние наблюдатель видит по отношению к голограмме в том же самом месте, в каком находился объект при запи­си голограммы. Действитель­ное изображение располага­ется в данном случае симметрично мнимому.

Рис. 5

^ Голограмма восстанавливает не изображение объекта, а объектную волну

Мы уже отмечали, что при считывании голограммы про­исходит восстановление не просто изображения, но и са­мой объектной волны. В это надо вдуматься.

Вот от объекта распространяется световая волна — пусть это будет волна 4 на рисунке а. Если она попа­дет в глаз, то наблюдатель увидит объект. Уберем объект, предварительно записав его на голограмму. При освещении этой голограммы считывающей световой волной возникнет несколько волн и среди них та самая объектная волна 4. И хотя объекта теперь нет, световая волна, отраженная этим объектом, существует. А поэтому наблюдатель будет воспринимать изображение объекта точно

таким, каким он ранее воспринимал сам объект.



^ Две схемы считывания голограммы.

Разумеется, переход от точечного объекта к трехмерному можно выполнить «по всем правилам», сопоставляя с трехмерным объектом совокупность нескольких (напри­мер, трех) точек. При этом мы, естествен­но, убедимся в объемности наблюдаемого при считывании голограммы изображения. Кроме того, мы обнаружим, что всеми зерного луча рассматриваемый участок пленки, охлажда­ясь, возвратится в ферромагнитное состояние, при этом он снова намагнитится под влиянием соседних участков пленки (которые не подвергались освещению). Существенно, что направление намагничивания
рассматриваемого участка будет противоположным направлению намагничи­вания неосвещенных участков. Чтобы понять, почему так происходит, достаточно смодели­ровать следующую ситуацию: два прямоугольных магнита ле­жат на скользкой горизонталь­ной поверхности. Эта система будет устойчиво равновесной не тогда, когда магниты соприка­саются одноименными полюса­ми (а), а в том случае, когда они соприкасаются разно­именными полюсами (б), поскольку именно в этом случае линии магнитного поля оказываются замкнутыми.

Итак, освещая намагничен­ную пленку светом, мы полу­чаем в участках с достаточной освещенностью перенамаг­ничивание в обратном направлении. Таким путем можно записать на пленку некий рисунок и, в частности, картину, интерференционных полос.

Чтобы стереть изображение, записанное на пленку, до­статочно включить внешнее магнитное поле и перемагни­тить всю пленку в каком-то одном направлении. После это­го на пленку можно записывать новую голограмму.

Скорость получения голограммы на фотоматериале оп­ределяется временем, которое надо затратить на фотообра­ботку (проявление и закрепление изображения). Скорость же получения голограммы на магнитной пленке определя­ется временем, требуемым для нагревания и перемагничивания. Это время может быть очень малым — меньше, чем 10-7 с.

Понятно, что для записи голограммы удобны магнитные пленки с относительно низкой температурой Кюри. Так, например, используется марганцево-висмутовая плен­ка с температурой Кюри 180°С (пространственное раз­решение 1000 мм"1, светочувствительность 10-2 Дж/см2).



при знаками реального объекта обладает только мнимое изображение; что же касается действительного изображения, то оно выглядит как бы «вывернутым наизнанку» — те точки объекта, которые находят­ся дальше от наблюдателя, представляются расположенными бли­же. Такое изображение называют псевдоскопичным.

Если изменить схему считывания голограммы, посылая считы­вающую волну в направлении, обратном направлению опорной вол­ны, то в этом случае действительное изображение будет в точности воспроизводить объект; зато теперь мнимое изображение станет псевдоскопичным.

Таким образом, возможны две разные схемы считывания го­лограммы: 1) считывающая волна тождественна с опорной (эта схема использовалась во всех рассмотренных выше примерах); 2) считывающая волна является обращенной по отношению к опорной волне. В первом случае работают с мнимым изображени­ем, а во втором случае — с действительным. На рисунке 6 пока­заны: а — схема записи голограммы; б — нормальная схема считы­вания; в — обращенная схема считывания (1 — голограмма; 2 — объект; 3 — опорная волна; 4 — считывающая волна; 5 — мнимое изображение; 6 — действительное изображение).


^ ТОЛСТОСЛОЙНЫЕ ГОЛОГРАМЫ

До сих пор мы рассматривали фотопластинку как среду, обладающую двумя измерениями. Это верно лишь до тех пор, п.ока толщина светочувствительного слоя срав­нима с расстоянием между соседними интерференцион­ными полосами. Если слой много толще, то проявляются особые свойства фотопластинки как трехмерной среды, впервые отмеченные Липпманом и использованные им для цветной фотографии. Ю. Н. Денисюк предложил использовать трехмерные среды для регистрации голо­грамм.

Если два интерферирующих пучка направлены на­встречу друг другу (под углом α=180°), то, как известно, в пространстве возникают стоячие волны — системы пло­скостей узлов и плоскостей пучностей, расстояние между которыми равно λ/2. Если, в более общем случае, , то нетрудно видеть, что расстояние между пучностями (или узлами) возрастает в 1/sin a/2 раз и становится рав­ным λ/2sin a/2. Плоскости узлов и пучностей световых волн



Образование стоячих световых волн встречными пучками (а) и пучками, сходящимися под углом (б); в — восстановление световой волны с помощью трехмерной голограммы.

будут, как видно из рис., направлены по биссектрисе угла а.

Если ввести в зону пересечения световых пучков свето­чувствительную фотографическую эмульсию, то система узлов и пучностей будет в ней зафиксирована в виде полу­прозрачных отражающих слоев металлического серебра.( Нами здесь для упрощения рассуждений допущена неточ­ность. Так как показатель преломления светочувствительной эмуль­сии отличен от показателя преломления внешней среды, то и на­правление пучков, и расположение пучностей в ней будут несколько иными. Учет этого обстоятельства не изменит наших выводов, а только усложнит их. Поскольку длина световой волны в эмульсии в n раз меньше, чем в воздухе, поскольку и пучности будут востолько же раз чаще.)

Такая трехмерная дифракцонная решетка будет обладать следующими свойствами: 1) свет, зеркально отраженный от слоев, будет восстанавливать волну от предмета Действительно, отражающие слои, как уже было сказано направлены по биссектрисе угла, который составляю интерферирующие лучи, что и обеспечивает указанное свойство голограмм; 2) нулевой порядок



Рис. 7 Схемы получения голограмм на толстослойных эмульсиях во встречных пучках.


а также действительное изображение не будут созда­ваться; 3) пучки, отраженные от разных слоев, будут усиливать друг друга только в случае, если они синфазный (условие Липпмана—Брэгга). Это приведет к избирательности голограммы по отношению к длине волны источника, в свете которого происходит восстановление волнового фронта. Условие синфазности выполнится лишь для той длины волны, в свете которой происходило образование голограммы. Поэтому появляется возможность восстанавливать изображение с помощью источника сплошного спектра (лампы накаливания, солнца). Если голограмма экспонировалась в свете нескольких спектральных линий (например, синей, зеленой, красной), то каждая длинам волны образует свою систему поверхностей. Соответствую­щие длины волн будут выделяться из сплошного спектра при восстановлении изображения, что и приведет к восста­новлению не только структуры, но и спектрального со­става световой волны, т. е. к получению цветного изобра­жения. Все это справедливо, если обработка эмульсии не изменяет взаимного расположения отражающих пло­скостей. Иногда вследствие усадки эмульсии длина волны восстановленного изображения смещается в «синюю» (коротковолновую) сторону.

На рис. 7 представлены обычно используемые схемы получения голограмм на толстослойных эмульсиях.

Взаимное расположение опорного источника, голо­граммы и предмета может быть любым, т. е. голограмму можно поместить в любое место на схемах . Однако для возникновения у голограммы трехмерных свойств необходимо, чтобы на толщине эмульсии укладывалось по крайней мере несколько отражающих слоев. При за­данной толщине эмульсии это требование определяет зоны, в которых голограмму можно считать «трехмер­ной».

При заданном положении голограммы наи­меньшей «трехмерностью» будет обладать голограмма, ориентированная перпендикулярно преимущественному направлению поверхностей узлов и пучностей. Такое расположение наиболее выгодно только в том случае, если необходимо получить действительное изображение при восстановлении волнового фронта с помощью несмещен­ного опорного источника. Безоговорочное требование такой ориентации, выдвигаемое в некоторых работах, по-видимому, не обосновано. Наоборот, если нужно по­лучить максимальную «трехмерность», наиболее выгодно ориентировать голограмму вдоль отражающих слоев (рис. 7). При этом яркость действительного изображения и нулевого порядка будет минимальной.

Толщина голографических фотоэмульсий — порядка нескольких микрон. Чтобы проявлялись трехмерные свойства голограммы, надо, чтобы отражающие слои рас­полагались на расстояниях, в несколько раз меньших.


^ ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ФОТОМАТЕРИАЛЫ.

Как уже отмечалось, используемые для записи голограммы фотоматериалы должны разрешать не менее чем 1000 линий на одном миллиметре метре, т. е. должны обладать весьма высоким простран­ственным разрешением.

Напомним, что фотоэмульсия состоит из мелких зерен бромистого серебра, вкрапленных в прозрачную желати­новую массу. Поэтому проявленное изображение дискрет­но — оно состоит из отдельных «пятен» (своеобразных «кирпичиков»). Если детали изображения меньше разме­ров этих «пятен», то такие детали оказываются неразличи­мыми. Отсюда ясно, что для повышения разрешения надо изготавливать фотоматериалы с более мелкой зернистой структурой. При этом следует помнить, что уменьшение зе­рен всегда связано с ухудшением светочувствительности фотоматериала (ведь поглощаемый фотоэмульсией фотон воздействует на Данное зерно как на целое: чем крупнее зерна, тем меньшее число фотонов требуется для получе­ния всего изображения). Создание необходимых для голографии фотоматериалов, обладающих высоким разрешени­ем при достаточной светочувствительности, является Серьезной технической проблемой.В настоящее время в голографии широко используют фотопленки с разрешением 1500—2000 мм"1 и светочувст­вительностью порядка 10-2 Дж/см2. Применяют также фоторезисты — органические фотоматериалы, позволяющие при светочувствительности 10-2 Дж/см2 реализовать разре­шение 3000 мм1. Существуют экспериментальные фото­пластинки с особо мелкой структурой, дающие разрешение до 5000 мм.

^ Можно ли стереть записанную голограмму? Все фотома­териалы имеют общий недостаток — Они относятся к ма­териалам однократного действия. Нельзя стереть записан­ную на данной фотопластинке голограмму и затем запи­сать на этой пластинке новую голограмму. В связи с этим фотоматериалы относят к так называемым необрати­мым регистрирующим средам.

Существуют ли обратимые регистрирующие сре­ды, допускающие стирание и повторную запись голограмм? Да, такие среды существуют. Рассмотрим примеры.



^ Голограммы на магнитных пленках. Пусть на какой-то участок намагниченной ферромагнитной пленки падает ла­зерный луч и нагревает этот участок выше температуры Кюри. В результате пленка на освещенном участке перей­дет из ферромагнитного в парамагнитное состояние и поте­ряет намагниченность. После прекращения действия лазерного луча рассматриваемый участок пленки, охлажда­ясь, возвратится в ферромагнитное состояние, при этом он снова намагнитится под влиянием соседних участков пленки (которые не подвергались освещению). Существенно, что направление намагничивания рассматриваемого участка будет противоположным направлению намагничи­вания неосвещенных участков. Чтобы понять, почему так происходит, достаточно смодели­ровать следующую ситуацию: два прямоугольных магнита ле­жат на скользкой горизонталь­ной поверхности. Эта система будет устойчиво равновесной пе тогда, когда магниты соприка­саются одноименными полюса­ми (рис. 8, а), а в том случае, когда они соприкасаются разно­именными полюсами (рис. 8, б), поскольку именно в этом случае линии магнитного поля оказываются замкнутыми.

Итак, освещая намагничен­ную пленку светом, мы полу­чаем в участках с достаточной освещенностью перенамаг­ничивание в обратном направлении. Таким путем можно записать на пленку некий рисунок и, в частности, картину, интерференционных полос.

Ч
Рис.8
тобы стереть изображение, записанное на пленку, до­статочно включить внешнее магнитное поле и перемагни­тить всю пленку в каком-то одном направлении. После это­го на пленку можно записывать новую голограмму.

Скорость получения голограммы на фотоматериале оп­ределяется временем, которое надо затратить на фотообра­ботку (проявление и закрепление изображения). Скорость же получения голограммы на магнитной пленке определя­ется временем, требуемым для нагревания и перемагничивания. Это время может быть очень малым — меньше, чем 10-7 с.

Понятно, что для записи голограммы удобны магнит­ные пленки с относительно низкой температурой Кюри. Так, например, используется марганцево-висмутовая плен­ка с температурой Кюри 180°С (пространственное раз­решение 1000 мм"1, светочувствительность 10-2 Дж/см2).




Рис. 9

^ Голограммы на термопластиках. Термопластики — это специфические прозрачные диэлектрики, размягчающиеся при относительно невысоких температурах (например, при 50сС). Голограмма может быть зафиксирована на термо­пластике в виде определенной картины рельефа его поверх­ности. Такая голограмма отдаленно напоминает грамплас­тинку.

Чтобы использовать тер­мопластик для записи голо­граммы, его наносят на спе­циальную подложку, состоя­щую из двух слоев — полу­проводника и прозрачного проводника. Чередование сло­ев показано на рисунке: 1 — слой термопластика; 2 — слой полупроводника; 3 — прозрачный проводящий слой; 4 — прозрачная основа из стекла. Запись голограммы производится следующим об­разом.

Сначала в темноте при помощи коронного разряда в воздухе поверхность термо­пластика равномерно заряжа­ют; возникает своеобразный конденсатор, «пластинами» которого служат заряженная поверхность термопластика и проводящий слой (рис. 9, а). Затем термопластик осве­щают опорной и объектной световыми волнами. В местах, где образуются интерферен­ционные максимумы, прово­димость полупроводника рез­ко возрастает (явление фотопроводимости); в результате расстояние между «пластинами» конденсатора в этих уча­стках уменьшается (рис. 9, б). Заметим, что напряжен­ность поля внутри конденсатора в данном случае не меня­ется (она определяется лишь плотностью поверхностных зарядов). Уменьшение же расстояния между пластинами конденсатора при неизменной напряженности поля приво­дит к понижению разности потенциалов. Следовательно, по­тенциал освещенных участков термопластика понижается.

Далее повторно заряжают поверхность термопластика, в результате чего ее потенциал везде принимает первона­чальное значение. При этом на освещенных участках по­верхности термопластика концентрируются дополнитель­ные1 заряды.

Наконец, термопластик нагревают; он размягчается. При этом под действием кулоновских сил отталкивания формируется определенный рельеф поверхности термоплас­тика в соответствии с распределением поверхностных за­рядов. После охлаждения рельеф закрепляется.

Для получения голограммы на термопластике требует­ся, Очевидно, большее время, чем для получения голограм­мы на магнитной пленке. Если в случае магнитной пленки скорость записи характеризовалась временем порядка 10-7 с, то в случае термопластика это время доходит до 10-1 с. Пространственное разрешение достигает 1000 мм-1.

Для стирания записанного рельефа термопластик до­статочно снова нагреть. После этого на нем можно запи­сывать новую голограмму.

^ Голограммы на фотохромных материалах. Фотохромные мате­риалы— это стекла со специальными примесями или органические полимеры, обладающие способностью изменять свою окраску или прозрачность под действием светового облучения в определенном диапазоне частот (обычно ультрафиолетовом и коротковолновой части видимого диапазона). Это связано с происходящими в ре­зультате поглощения излучения переходами электронов от одних примесных атомов к другим.

Для возвращения материала в прежнее состояние надо либо нагреть его, либо облучить светом с более низкими частотами. Обычно фотохромные материалы темнеют при облучении видимым светом и «отбеливаются» при облучении инфракрасным светом.

Фотохромные материалы интересны своим высоким простран­ственным разрешением — до 3000 мм-1.


«Голография» означает «полная запись».

Световая вол­на может рассматриваться как некий носитель (перенос­чик) информации, которая «записана» в параметрах вол­ны. Удобно различать информацию, «записанную» (содержащуюся) в амплитуде световой волны, и информа­цию, содержащуюся в фазе волны (в форме ее фронта). Соответственно говорят об 'амплитудной и фазовой инфор­мации.

Обсудим вопрос об извлечении из световой- волны и записи в некоторой среде той информации, которую эта волна несет в себе.

Прежде всего подчеркнем, что любой фотодетектор регистрирует интенсивность падающей на него световой волны, т. е. величину, пропорциональную квадрату ампли­туды волны. Таким образом, фотодетектор извлекает из волны -и фиксирует только амплитудную информацию; фазовая же информация при этом утрачивается.

Чтобы извлечь из волны и зафиксировать на фотоде­текторе не только амплитудную, но также и фазовую информацию, надо «схитрить» — заставить данную свето­вую волну проинтерферировать с некой вспомогательной световой волной. «Хитрость» состоит в том, что амплитуда результирующей световой волны будет, в частности, за­висеть от соотношений фаз исходной и вспомогательной волн. Следовательно, фиксируя интенсивность результи­рующей волны, фотодетектор тем самым зафиксирует не только амплитудную, но и фазовую информацию, содер­жавшуюся в исходной световой волне. Именно на этой «хитрости» и основан метод гологра­фии. Используя интерференцию волн, мы можем изъять из объектной волны и записать на фотодетектор практи­чески всю информацию об объекте: и амплитудную, и фазовую. Недаром термин «голография» в переводе озна­чает «полная запись».

Подчеркнем, что восстановление с голограммы реаль­ной объектной волны было бы принципиально невозмож­но, если бы на голограмме не была зафиксирована прак­тически вся информация, которую содержала в себе первоначальная объектная волна. Поистине акт восста­новления с голограммы объектной волны выглядит как акт своеобразного «размораживания» световой волны.


^ Надежность хранения информации на голограмме.

Как видно, информация об объекте-точке записывается по всей площади голограм­мы. Это же справедливо, очевидно, и в отношении любой из точек реального объекта — каждая из них фиксирует­ся не в определенной точке голограммы (как это имеет место при фотографировании), а на всей площади голо­граммы.

Отсюда следует, что уничтожение части площади го­лограммы не приводит к исчезновению каких-либо деталей в считываемом с голограммы изображении объекта. Как показывает практика, можно сравнительно безболезненно уничтожить до 9/10 площади обычной голограммы; при этом лишь ухудшится разрешение (контрастность) счи­тываемого изображения.

Во всем этом фактически нет ничего удивительного, если вспомнить, что голограмма восстанавливает не про­сто изображение объекта, а реальную объектную волну. Величина работающей площади голограммы будет при этом определять величину площади восстанавливаемого волнового фронта. Сокращение площади голограммы эк­вивалентно сокращению площади волнового фронта (при­мерно как. если бы мы смотрели на некую удаленную сцену через постепенно суживающееся окошко). Сравни­тельно небольшие сокращения площади волнового фронта вообще не отразятся на качестве считываемого изображе­ния; более существенные сокращения приведут к ухуд­шению разрешения.

Таким образом, запись на голограмму оказывается весьма надежным способом хранения информации. Воз­можно, что в будущем человечество будет хранить особо ценную информацию именно в виде голограмм.

На голограмме информация записана в виде интерфе­ренционной картины, т. е. в зашифрованном виде, и рас­шифровать ее способна лишь когерентная световая волна с точно таким же фронтом, какой был у опорной световой волны. Следовательно, форма фронта опорной волны и есть тот ключ, без которого невозможно прочитать голограмму. Если форма фронта опорной волны неиз­вестна (а ведь эта форма может быть достаточно своеоб­разной), то даже самые опытные дешифровалыцики не смогут расшифровать голограмму.

Информационная емкость голограммы. Можно ли на од­ну и ту же фотопластинку записать несколько фотографи­ческих изображений? В принципе, конечно, можно; одна­ко вряд ли кто захочет пользоваться фотографией, где несколько изображений наложены одно на другое. Точно так же бессмысленно пробовать совмещать друг с другом несколько страниц текста. В этом проявляется ограни­ченность фотографического способа хранения информа­ции.

Голография снимает эти ограничения, внося тем самым очередную поправку в наши устоявшиеся представления. На одну и ту же голограмму можно записать много сцен (много интерференционных картин) и считывать их затем независимо друг от друга. Действительно, для восстанов­ления изображения с голограммы необходимо пользовать­ся считывающей волной, которая по структуре своего (фронта была бы тождественна опорной волне и точно таким же образом, как опорная волна, падала на голо­грамму.

Пусть, для простоты, опорная волна является плоской. Будем записывать на одну и ту же голограмму разные сцены, меняя всякий раз углы, под которыми опорная волна падает на голограмму (для этого можно, например, менять ориентацию голограммы в опорном световом пуч­ке). Очевидно, что для последующего считывания той или иной сцены надо лишь обеспечить соответствующую ори­ентацию голограммы относительно плоской считывающей волны. Допустимое количество записей на одну и ту же голограмму существенно возрастает, если учесть возмож­ность изменения не только ориентации голограммы отно­сительно опорной волны, но также изменения формы фронта опорной волны.

Оценки позволяют утверждать, что на одной голограм­ме, имеющей площадь около 100 см2, можно записать (при условии последующего уверенного считывания) по край­ней мере целый том Большой Советской Энциклопедии! Это говорит об исключительно высокой информационной емкости голограммы.

Если принять во внимание как высокую информацион­ную емкость голограммы, так и отмечавшуюся выше высо­кую надежность хранения информации на голограмме, то можно предсказать, что в будущем книгохранилища, воз­можно, уступят место хранилищам голограмм. Вместо громоздких томов, которые к тому же весьма подвержены порче, будут применяться компактные кассеты с голо­граммами.

Мы видим, что в отличие от фотографии голограмма, «останавливая мгновение», позволяет получить значительно более полную информацию об объекте в данный момент времени. Голограмма фиксирует и непрерывно воспроиз­водит структуру оптических полей, в действительности имевшую место лишь для какого-то момента времени. Тем самым голография дает уникальную возможность произ­водить разностороннюю обработку оптической информа­ции уже после того, как действительные оптические по­ля, подлежащие наблюдению, сменились другими (после-опытная обработка информации).


^ Голография и обработка информации.

Оптическая го­лография существует фактически лишь немногим более 10 лет. Рассмотрим некоторые из применений го­лографии, связанных с обработкой информации.

^ Распознавание образов. Распознавание образов — важ­ная проблема, рассматриваемая в кибернетике. Как рас­познать нужную букву в тексте?

Пусть требуется распознать букву «Т». Чтобы решить эту задачу, надо изготовить голограмму размером, отве­чающим одной букве текста; в качестве опорной исполь­зуется волна, отраженная от буквы «Т», а в качестве объектной — волна от яркого источника. Специальное устройство позволяет перемещать голограмму по строч­кам текста. Всякий раз, когда голограмма будет находить­ся напротив искомой буквы «Т», будет наблюдаться яркая вспышка — волна, отраженная от буквы «Т», восстанав­ливает изображение яркого источника.

^ Ассоциативный поиск информации. Ассоциативный поиск — это один из принципов работы человеческой памяти: сначала вспоминается какая-то «деталь», какой-то характерный «признак» (ассоциативный признак), а уже затем из памяти «выплывает» нечто цельное. Иначе говоря, ассоциативный поиск — это восстановление цело­го по отдельному признаку.

Метод голографии оказывается весьма подходящим для реализации техническими средствами ассоциативно­го поиска информации.

Предположим, что при записи голограммы опорная све­товая волна отсутствует; есть только объектная волна. Можно ли в этом случае восстановить с голограммы изо­бражение объекта?

Не надо спешить с отрицательным ответом. Ведь мож­но же полагать (так оно и есть на самом деле),' что. фиксируемая в данном случае интерференционная карти­на получается в результате сложения световых волн, от­раженных от разных частей, разных деталей объекта. Будем рассматривать световую волну, отраженную от некоторой детали объекта (назовем ее «характерной де­талью»), как опорную волну, тогда как совокупность волн, отраженных от остальных деталей объекта, будем рас­сматривать в качестве объектной волны. Так, на рисунке можно в качестве опорной волны рассматривать волну 2, отраженную от детали 1 объекта. Ясно, что для восста­новления изображения объекта с голограммы достаточно осветить ее волной, отраженной от «характерной детали». Это означает, что для восстановления целого изображения достаточно «предъявить» некоторую деталь объекта. Иначе говоря, целое восстанавливается здесь по детали, по от­дельному признаку. Налицо ассоциативный поиск: ведь если на голограмме хранятся различные изображения, то восстановится только то из них, которое имеет предъяв­ленный на этапе считывания ассоциативный признак.



Мы убеждаемся, таким об­разом, в том, что во-пер­вых, возможна работа с го­лограммами, снятыми без использования специальной опорной волны, и, во-вто­рых, голография как нельзя лучше подходит для осущест­вления ассоциативного поис­ка информации, для создания ассоциативной памяти.

^ Кодирование и декодирование информации. Напомним, что на голограмме информация хранится в кодированном (зашифро­ванном) виде. Запись голограммы есть кодирование, а считыва­ние — декодирование информации. Поэтому голография может успешно применяться для кодирования и декодирования инфор­мации.

Чтобы закодировать информацию, содержащуюся в когерент­ной световой волне, достаточно пропустить эту волну через специ­альную пластинку, которая бы как-то изменила амплитуду или фронт волны. Такие пластинки называют кодирующими масками.

Существуют два способа кодирования. В первом кодирую­щая маска помещается на пути опорной световой волны, во-втотром — на пути объектной волны. При первом способе декодиро­вание производят по схеме считывания, показанной на рисунке 6, б (в считывающем световом пучке помещают ту же самую маску, которая использовалась при кодировании; при этом маска должна быть расположена точно так же, как 'при кодировании). При втором способе декодирование производят по схеме считыва­ния, показанной на рисунке 6, в. Напомним, что в этом случае восстанавливается неискаженное действительное изображение.


^ Общее представление о трехмерной голографии.

До сих пор предполагалось, что фотодетектор, используемый для записи голограммы, представляет собой двумерную среду. Это верно лишь постольку, поскольку толщина светочув­ствительного слоя сравнима с расстоянием между соседними интерференционными полосами. Если же толщина слоя много больше, то проявляются специфические свой­ства фотодетектора как трёхмерной среды. В связи с этим различают обычную, или двумерную, голографию (пло­ские голограммы) и трехмерную голографию (объем­ные голограммы). Метод трехмерной голографии пред­ложен советским уче­ным Денисюком. Если в области пе­ресечения объектного и опорного световых пучков находится светочувствительная плоскость, то фикси­руется система интер­ференционных полос; если же в указанной области находится светочувствительный объем, то фикси­руется система интерференционных поверхностей. В пер­вом случае получаем плоскую голограмму, а во вто­ром — объемную.

Система интерференционных поверхностей объемной голограммы способна отражать световые волны, что и наблюдается на этапе считывания голограммы. Волны, отраженные от этих поверхностей, будут усиливать друг друга лишь при условии соответствующей согласованно­сти фаз. Отсюда следует, что объемная голограмма будет обнаруживать избирательность по отношению к длине волны считывающего светового пучка: условие согласования фаз будет выполнено, очевидно, лишь для той длины волны, которая использовалась при записи го­лограммы. Таким образом, возможно восстановление изображения с объемной голограммы в белом свете (сол­нечный свет или свет обычной лампы накаливания) — голограмма сама «выберет» из сплошного спектра ту длину волны, которая сможет восстановить записанное на голограмме изображение.

Если на этапе записи голограммы использовалось несколько определенных длин волн (от нескольких лазе­ров), то при считывании объемной голограммы в белом свете в восстановленном изображении будут присутство­вать соответствующие длины волн. Это дает возможность получать цветные изображения.

Голография вокруг нас. Как уже отмечалось, в быту, в повседневной жизни голография вряд ли .вытеснит фото­графический метод получения изображений; основные применения голографии будут иметь место в научно-тех­нической сфере деятельности человека. Это, однако, не означает, что человек, далекий от науки и техники, не будет приобщен к топографическим «чудесам».

Объемные голографические изображения с полным или почти полным обзором уже сегодня используются для создания эффектных реклам. Можно предвидеть, что эти изображения будут широко применяться на театральной сцене, на цирковой арене. Экспериментально доказана принципиальная возможность создания голографического кино. Возможно, в недалеком будущем появятся кино­театры, в которых перед зрителем будут выступать ожив­шие объемные голографические образы — совершенно «реальные» (как на театральной сцене) люди среди со­вершенно «реальной» (более реальной, чем на сцене театра) обстановки. Вполне вероятно, что мы станем свидетелями изобретения голографического телевидения.

Иными словами, надо ожидать в недалеком будущем вторжения голографии в нашу повседневную жизнь, в наш быт, наш досуг.

Схожі:

От греческого слова iconТема Сущность экономической организации Термин «организация»
Термин «организация» происходит от греческого слова «ор­ганон», что означает устройство, сочетание, объединение чего-либо или кого-либо...
От греческого слова iconОфіційна транслітерація українського алфавіту латиницею Відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України від 27 січня 2010 р. №55
Бб–Bb, Вв–Vv, Гг передається латинською Hh, Ґґ–Gg, Дд–Dd, Ее–Eе, Єє–Ye (на початку слова), ie (в інших позиціях), Жж–сполученням...
От греческого слова iconОфіційна транслітерація українського алфавіту латиницею Відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України від 27 січня 2010 р. №55
Бб–Bb, Вв–Vv, Гг передається латинською Hh, Ґґ–Gg, Дд–Dd, Ее–Eе, Єє–Ye (на початку слова), ie (в інших позиціях), Жж–сполученням...
От греческого слова iconЗміни та доповнення до колективного договору
У останньому реченні п 10 слова «Керівник секції…» замінити на слова «Керівник комісії…»
От греческого слова iconЗміни та доповнення до колективного договору
У останньому реченні п 10 слова «Керівник секції…» замінити на слова «Керівник комісії…»
От греческого слова iconUdc 255: 29. 1 Title of the paper
Ключові слова: should not exceed five words. Collocation «Ключові слова» in bold
От греческого слова iconКрасный переулок 16-20, 65026 Одесса, Украина
Апреля в 17. 00 в Выставочном зале Одесского филиала Греческого Фонда Культуры состоится открытая презентация Европейские образовательные...
От греческого слова iconИванова В. В
Аннотация и ключевые слова приводятся на трех языках (украинском, русском и английском). Аннотацию и ключевые слова на языке публикуемого...
От греческого слова iconЗнз з румунською мовою навчання 2011/2012 н р. ІІІ етап українська мова
А. Підмет стоїть перед присудком, означення – після означуваного слова, а додаток – після слова, з яким він пов'язаний
От греческого слова iconIshchenko V. L. Effective teaching strategies of business english: experience of poltava university of economics and trade ключевые слова
Ключевые слова: стратегия «Учимся вместе», учебные материалы, метод кейсов, презентация, деловая корреспонденция
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи