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,
