Политех в Сети

Сайт для Учебы

6.3. Запись и восстановление светового поля

Рейтинг пользователей: / 0
ХудшийЛучший 

В обычной фотографии на фотопластинке фиксируется только часть информации о световом поле, а именно пространственное распределение интенсивности света. Весьма важная для оптики информация о пространственном распределении фазы поля полностью теряется. Возникает вопрос: нельзя ли так построить процесс записи светового поля, чтобы сохранить информацию и об амплитуде и о фазе? Оказывается, такая возможность существует. Соответствующий способ записи волновых полей получил название голография.

Основная идея голографии весьма проста. Она заключается в том, чтобы фотографировать не само световое поле, идущее от объекта, а картину интерференции этого поля с когерентной опорной волной. Картина интерференции предметной и опорной волн, записанная на фотопластинку, называется голограммой. Так как вид интерференционной картины зависит не только от амплитуд, но и от фаз интерферирующих полей, на голограмме оказывается записанной вся информация о предметной волне - и амплитуда, и фаза поля. Для восстановления предметной волны достаточно просветить голограмму опорной волной.

Из сказанного ясно, что для голографии существенная когерентность опорной волны, а также волны, освещающей объект, именно поэтому первые хорошие голограммы были получены лишь после создания лазера (Э. Лейт, Ю. Упатниеке, 1964), хотя основные идеи голографии были высказаны значительно раньше (Д. Габор, 1948).

Схема записи и восстановления светового поля в голографии показана на рис. 1.

Рис. 1- отсутствует??

Для получения голограммы когерентный лазерный пучок делится на две части. Один пучок ("сигнальный") освещает объект, а другой пучок ("опорный") падает непосредственно на фотопластинку. Свет, отраженный объектом, образует "объектный" пучок, который также направляется на фотопластинку, где интерферирует с опорной волной. Картина интерференции записывается на фотопластинку, и после проявления образует голограмму. Для восстановления светового поля, испускаемого объектом, голограмму просвечивают опорным пучком. Пучок дифрагирует на голограмме, в результате чего возникают дифрагированные волны, одна из которых точно повторяет по своей структуре объектную волну. Так происходит восстановление светового поля. Покажем теперь с помощью формул, как в голографии записываются и восстанавливаются световые поля.

Запись светового поля.

Обозначим комплексную амплитуду предметной волны eN, а опорной волны e0. Выделяя действительные амплитуды и фазы этих волн и считая опорную волну плоской, можно написать:

(1)

Комплексная амплитуда поля в плоскости голограммы есть:

, (2)

А распределение интенсивности:

(3)

Это распределение фиксируется на фотопластинке. Важно, что в этом выражении есть слагаемые, содержащие информацию о фазе предметной волны.

Восстановление поля.

Для восстановления поля голограмму освещают опорной волной. При этом возникает несколько световых волн, одна из которых в точности повторяет поле предметной волны. Покажем это.

При освещении голограммы пробной волной на ее задней поверхности образуется поле с комплексной амплитудой.

(4)

Где T(X,Y) - коэффициент пропускания света голограммой. Запишем эту величину в виде

(5)

Где

(6)

D(X,Y) - функция, пропорциональная распределению интенсивности излучения при экспонировании фотопластинки. Коэффициент A зависит от чувствительности пластинки. Подставив (3), (5), (6) в (4) получим:

, (7)

Где .

Формула (7) обосновывает высказанное выше утверждение. Согласно этой формуле, одна из волн, возникающих при дифракции опорной волны на голограмме, а именно волна с амплитудой, пропорциональной eN точно повторяет волновое поле, исходившее от объекта съемки при экспонировании голограммы. Эта волна несет мнимое изображение объекта. Наблюдение мнимого изображения, как показано на рис. 1, создает полную иллюзию наблюдения реального объекта, который кажется находящимся за голограммой. В частности, меняя положение глаз относительно голограммы можно осмотреть "объект" с разных сторон и даже немного заглянуть за него - точно так же, как если бы мы наблюдали не голографическое изображение, а сам реальный объект.

Другая волна, амплитуда которой пропорциональна , создаёт действительное изображение объекта, которое можно наблюдать на экране. Кроме того, как видно из формулы (7), при дифракции опорной волны на голограмме возникают и другие волны, в частности происходящая в прямом направлении опорная волна. Эти волны создают помехи при наблюдении. На практике, однако, удается построить схемы записи и восстановления светового поля таким образом, что помехи не играют существенной роли.

Обратим внимание на то, что вид голограммы не имеет ничего общего с изображением снятого на ней объекта. При обычном некогерентном освещении голограмма выглядит как почти однотонная мутноватая пластинка. Однако в ней скрыто прекрасное голографическое изображение некоторого объекта. Это изображение проявляется при освещении голограммы когерентным лазерным пучком.