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
