Политех в Сети

Сайт для Учебы

6.4. Голография

Рейтинг пользователей: / 0
ХудшийЛучший 

Как уже отмечалось, голография — это запись волнового поля на чувствительном материале в виде интерференционной картины, образованной смешением этого волнового поля с опорной волной. Картина интерференции, записанная на фотопластинку, называется голограммой (ГМ).

Классификация голограмм

Голограмма отображает практически все характеристики волновых полей — амплитуду, фазу, спектральный состав, состояние поляризации, изменение волновых полей во времени, а также свойства волновых полей и сред, с которыми эти поля взаимодействуют.

Внутри голографии определился ряд различных направлений ее развития, каждая из которых соответствует определенной разновидности голограмм и её свойствам.

Свойства голограмм весьма разносторонни и вовсе не сводятся к одной только способности записывать и восстанавливать волновые поля.

В зависимости от геометрической конфигурации светочувствительной среды, в которой зарегистрирована интерференционная картина, различают двумерные и трехмерные голограммы (объёмные). В первом случае толщина фотоматериала H много меньше пространственного периода D регистрируемой интерференционной картины. Отображающие свойства двумерной голограммы ограничены. В частности, она неоднозначно восстанавливает волновое поле излучения объекта: кроме истинной объектной волны и соответствующего ей истинного изображения объекта в этом случае восстанавливается ложная, так называемая сопряженная волна и соответствующее ей ложное сопряженное изображение. Источник света, с помощью которого восстанавливается двумерная голограмма, должен быть строго монохроматичным, поскольку (в силу отсутствия селективных свойств) двумерная голограмма восстановит все соответствующие разным l изображения, и, как следствие этого, результирующее изображение будет сильно размыто. Двумерные голограммы используются при решении задач радио-, акустической и цифровой голографии, при голографическом распознавании образцов, а также в некоторых других случаях.

Трехмерная голограмма, у которой толщина H много больше D, представляет собой наиболее общий случай голографической записи. Она однозначно восстанавливает волновое поле объекта. Особенностью такой голограммы является также способность воспроизводить не только фазу и амплитуду записанного на ней излучения, но и его спектральный состав. Если такую голограмму восстановить источником излучения со сплошным спектром, то она сама выберет из сплошного спектра те составляющие, которые участвовали в ее записи. Трехмерность записи особенно выявляется в оптическом диапазоне спектра, когда длина волны регистрируемого на голограмме излучения, как правило, намного меньше толщины светочувствительного материала.

Чтобы показать, как геометрия получения голограммы влияет на её дифракционные свойства, рассмотрим интерференцию сферической волны, исходящей из точечного источника S, находящегося на определенном расстоянии от регистрирующей среды, и опорной плоской волны, распространяющейся сверху вниз, как показано на рис. 1. Точечный источник представляет собой элементарный объект, а сферическая волна, исходящая из него, — предметную волну. Заметим попутно, что более сложный объект можно рассматривать как совокупность элементарных точечных источников, свет от каждого из них интерферирует с опорной волной.

На рис. 1 представлено одно из поперечных сечений семейства поверхностей максимальной интенсивности, образующихся при интерференции плоской опорной волны и предметной волны от точечного источника. В нашем случае следами поверхностей являются параболы.

На рисунке обозначены некоторые характерные положения пластинки при регистрации голограммы. Габор, не имевший в своем распоряжении лазера и вынужденный максимально использовать свет от источников с низкой когерентностью при получении своих голограмм помещал пластинку в положение 1. Здесь направление света от точки S и направление опорной волны почти коллинеарны, поэтому полученные таким образом голограммы были названы голограммами с осевым опорным пучком, или осевыми голограммами. Разность хода предметной и опорной волн в этом случае минимальна, это позволяет использовать источники с низкой когерентностью. Относительно большое расстояние между соседними поверхностями максимумов снижает требования к разрешающей способности регистрирующей среды.

Лейт и Упатниекс получили внеосевые голограммы с таким взаимным расположением пучков, которое эквивалентно помещению голо графической пластинки в положение 2.

Благодаря использованию лазерного света в их установке разность хода в предметном и опорном пучках могла иметь большую величину. Такое расположение позволяет преодолеть трудности, которые возникают при осевых голограммах, а большая когерентность лазерного света позволяет восстанавливать трехмерные изображения. Именно этот результат привлек внимание к голографии и способствовал ее возрождению.

В положении 2 среднее направление света от точечного источника образует острый угол с направлением опорной волны. Если толщина регистрирующей среды мала по сравнению с расстоянием между поверхностями максимумов, то голограмма, полученная в этом положении, действует как двумерная дифракционная решетка. Падающий луч может в этом случае взаимодействовать только с одной поверхностью при прохождении через среду. Следовательно, голограмма представляет собой систему линий на поверхности. То же самое справедливо и для габровских осевых голограмм.

Для голограмм получаемых в положении 3, угол между средним направлением света от точечного источника и направлением плоской волны составляет приблизительно 90° и расстояние между соседними поверхностями интерференционных максимумов имеет меньшую величину. Если толщина голограммы больше этого расстояния, то регистрирующую пластинку можно рассматривать как объемную дифракционную решетку. Такую решетку можно представить как ряд частично отражающих плоскостей, селективный отклик которых на падающий свет соответствует закону Брэгга. Голограммы, зарегистрированные в положении 3, получили название брэгговских. На рис. 2 показана (в разрезе) объемная дифракционная решетка, содержащая периодически расположенные рассеивающие (отражающие) плоскости, освещенные плоской волной.

Интенсивность имеет максимальную величину в том направлении, в котором происходит синфазное сложение световых волн, рассеянных последовательными плоскостями. Условие образования главного максимума дифрагированной плоской волны, которое имеет вид

(1)

Называется законом Брэгга по имени ученого, получившего его для случая дифракции рентгеновских лучей от атомных плоскостей в кристалле. Брэгг предположил, что дифракция в кристалле обусловлена отражением падающей волны от кристаллических плоскостей. Максимум дифракции возникает, когда углы, образованные падающим и отраженным лучами с кристаллической плоскостью равны, как показано на рис. 2, причем угол q удовлетворяет условию (1).

На рис. 3 представим в разрезе плоскую дифракционную решётку. Решётка может состоять из ряда периодически расположенных прозрачных и непрозрачных линий на экране. Для плоской волны, падающей на решетку, условие синфазности дифрагированных пучков, ведущей к их взаимному усилению, является уравнением решетки

, (2)

Где D — постоянная решётки, q — угол падения и j — угол дифракции. При выполнении условия (2) под углом j образуется главный максимум дифрагированной плоской волны.

Сравнение выражений (1) и (2) показывает, что условие (1) накладывает более жесткие условия на наблюдение максимума дифракции. Для объемной решетки выбор угла падения определяет и угол дифракции, и длину волны. Для плоских решеток это не так, поскольку уравнение (2) допускает произвольный выбор и угла падения и длины волны.

Селективные свойства брэгговской дифракции дали возможность получить первые голограммы, дающие многоцветное изображение.

В положении 4 плоская волна падает на голографическую пластинку с одной стороны, а сферическая — с другой. Период интерференционной картины составляет примерно l/2, и поверхности максимальной интенсивности почти параллельны поверхности голографической пластинки. Получение голограмм в этом положении впервые описал Денисюк. Если интерференционная картина регистрируется в галоидосеребряной эмульсии, то в ней образуется большое число близко расположенных частично отражающих серебряных плоскостей, которые действуют как отражательный интерференционный фильтр. Даже в эмульсии с толщиной лишь 12-15 мкм может образоваться около 50-100 серебряных слоев. Поскольку эти слои подобны слоям, образующимся в методе цветной фотографии Липмана, и, поскольку дифракция на них происходит в соответствии с законом Брэгга, такие голограммы называют голограммами Липпмана-Брэгга-Денисюка. Их еще называют отражательными. Селективность такой голограммы позволяет восстанавливать предметную волну в белом свете,

Заметим, что голограммы характеризуются не только углом, который составляет предметный и опорный пучки при их регистрации. Существуют голограммы Фурье, фраунгоферовские голограммы, голограммы сфокусированных изображений и другие разновидности голограмм.

Регистрирующие среды

Свойства голограмм сильно зависят от физических параметров светочувствительной среды, в которой осуществляется запись. По этому признаку голограммы можно разделить на две основные области — статические и динамические голограммы.

Статические голограммы записывают в светочувствительных средах, которые в момент записи образуют так называемое скрытое изображение, выявляющееся только после специальной последующей обработки (проявления) фотоматериала. Среди используемых фотоматериалов наиболее высокочувствительными являются галогенидо-серебряные. Разрешающая способность их достигает несколько тысяч линий на 1 мм при чувствительности порядка 10-3 Дж/см2. Фотопластинки с такой способностью используются в основном для записи трехмерных отражательных голограмм. Для задач оптической обработки информации применяют фотопластинки с меньшим разрешением, но с более высокой чувствительностью. Для записи отражательных трехмерных голограмм используются слои бихромированной желатины. В этом случае получаются очень яркие изображения. Такие голограммы, как правило, прозрачны во всех диапазонах спектра, кроме той длины волны, на которой они были записаны. Это удобно при создании оптических голограммных элементов, которые фокусируют излучение только в заданном участке спектра и прозрачны для остальных длин волн.

Ряд применений голографии основан на способности голограмм записывать волновые поля посредством создания специального фазового рельефа на поверхности светочувствительного слоя. Наиболее распространенными из таких сред являются фоторезисты на основе светочувствительных производных о-диазокетонов и пленкообразующих фенольных и других смол. При локальном экспонировании в фоторезисте идут физико-химические превращения с изменением размеров, структуры или полярности молекул, ведущие к возможности удаления при проявлении облученных или необлученных участков и образованию на его поверхности определенного рельефа.

Запись голограмм посредством создания рельефа характерна также и для фототермопластических сред, в которых при воздействии света возникает электростатическое поле, распределение потенциала которого по поверхности повторяет распределение интенсивности света в интерференционной картине, записываемой на голограмме. При последующем нагревании пластичной среды она размягчается и, деформируясь под действием электростатических сил, приобретает соответствующий рельеф. Фототермопластики используются обычно в тех случаях, когда необходимо получить голограмму практически сразу после экспозиции (например, при заводском контроле деталей методами голографической интерференции).

Для записи статических голограмм существует также множество других способов, которые используются в специальных случаях. К ним относятся фотополимеры, фотохромные среды, магнитооптические среды, халькогенидные среды. Разработан ряд эффективных голо графических материалов, например, поляризационные среды, с помощью которых на голограмму можно записать состояние поляризации волнового поля.

При записи поляризационной голограммы поляризация объектной и опорной волн может быть различной, в предельном случае взаимно ортогональной. Картина интерференции в этом случае характеризуется не изменением интенсивности поля, а модуляцией состояния поляризации: слои с линейной поляризацией соседствуют со слоями, в которых поляризация круговая, а те, в свою очередь, со слоями, где она снова линейна, но теперь уже в ортогональном направлении и т. д. Глаз не различает эти состояния, и наблюдателю кажется, что поле интерференции освещено равномерно. Однако если такую картину зарегистрировать на материале, который реагирует на состояние поляризации падающего излучения анизотропией коэффициента поглощения (эффект Вейгерта), то образуется голограмма, на которой одновременно записаны две сдвинутые на 1/2 периода интерференционной картины периодические структуры, соответствующие взаимно ортогональным линейным состояниям поляризации. Это как бы две голограммы, записанные на одной пластинке. При реконструкции восстанавливаются две объектные волны, которые сдвинуты по фазе на 1/2 периода и поляризованы под прямым углом друг к другу и под 45° по отношению к опорной волне. Анализ показывает, что при сложении таких сдвинутых по фазе компонент плоскость поляризации поворачивается на 90° относительно восстанавливающей волны, и таким образом восстанавливается состояние поляризации объектной волны.

Для записи динамической голограммы используются нелинейные светочувствительные среды. Такие среды реагируют на свет непосредственно в процессе экспозиции, и поэтому запись и считывание голограммы осуществляются одновременно, в момент, когда на нее воздействует световое поле. Возникшая динамическая голограмма сама активно воздействует на падающую на нее волну, трансформируя ее определенным образом.

В обычной (статической) голографии процесс записи, как уже говорилось, приводит к возникновению в регистрирующей среде скрытого изображения, не влияющего на записывающие пучки. Лишь после проявления среда приобретает свойства голограммы, изменяющие параметры проходящего через нее считывающего пучка. Это позволяет восстанавливать записанные изображения неподвижных стационарных объектов. В динамической голограмме в качестве регистрирующих сред используются вещества, в которых запись изображения (т. е. изменение показателя преломления N, и (или) коэффициента поглощения c в соответствии с распределением интенсивности интерференционной картины I) происходит непосредственно под воздействием записываемого пучка без проявления. Поэтому записывающие пучки испытывают изменения, вызванные создаваемой (записываемой) ими же голограммой (обратная связь). Процессы записи и считывания происходят одновременно и взаимосвязано, что обусловливает преобразование первичных волн — таково основное содержание динамической голограммы. Использование различных регистрирующих сред и схем записи позволяет реализовать разнообразные преобразования волн.

Характер преобразования зависит от реверсивных свойств среды (способности возвращаться в исходное состояние). Времена спонтанной релаксации записываемого изображения tр в различных средах изменяются в широких пределах — от практически безинерционной релаксации (tр порядка периода световой волны 10–15) до измеряемой годами.

Процессы, лежащие в основе динамической голограммы, можно разделить на 2 типа. Один тип определяется нелинейной поляризуемостью атомов и молекул среды в поле световой волны, проявляющейся практически во всех материалах при достаточно высокой интенсивности светового поля. В этом случае прохождение неоднородного пучка через однородную среду проявляется зависимостью N от амплитуды волны. Инерционность процесса, определяемая временем релаксации поляризации атомов и молекул среды, мала (tр £ 10–12 c. )

Второй тип процессов связан с поглощением света, которое приводит к образованию в среде различных элементарных возбуждений (квазичастиц) — возбужденных состояний атомов, электронов проводимости и дырок, экситонов (в металлических кристаллах) — мигрирующее электронное возбуждение, не связанное с переносом электрического заряда и массы, когда возбужденное состояние атома передается от одного атома к другому, т. е. перенос квантового возбуждения на макроскопические расстояния, — фононов (квант колебаний атомов кристаллической решетки) и т. д.

Второй тип процессов обусловливает изменение N и c. Характер преобразования пучков в этом случае определяется свойствами квазичастиц, вид которых можно варьировать выбором частоты волн. Инерционность процессов записи и стирания определяется наименьшим из времен жизни квазичастиц и их диффузионно-дрейфовым перемещением на расстояния порядка периода интерференционной картины. Если элементарные возбуждения, возникающие под действием света, — электроны и дырки, то неоднородное освещение вызывает их неравномерную в пространстве гене рацию, а диффузия обусловливает перераспределение электрического заряда в среде. Вследствие этого возникает электрическое поле , изменяющееся в пространстве в соответствии с распределением интенсивности света в интерференционной картине. В кристаллах без центра симметрии возникает изменение N пропорциональное полю E:

DNE (линейный электрооптический эффект).

При неоднородном освещении среды может возникнуть неоднородное поле упругих напряжений, вызывающее изменение N. Упругие напряжения могут быть обусловлены воздействием электрического поля (пьезоэлектрический эффект) или — при высоких интенсивностях света — непосредственно деформацией среды под действием света (пьезооптический эффект, явление фотоупругости).

Неоднородное освещение среды может приводить так же к неоднородной генерации фононов, т. е. неоднородному нагреву, а вследствие этого из-за зависимости N от температуры к записи так называемой тепловой голограммы. В пироэлектриках неравномерный нагрев вызывает возникновение неоднородного электрического поля, которое приводит к записи голограммы.

Как отмечалось, динамические голограммы, в отличие от статических, как правило, не обладают долговременной памятью и поэтому используются не для воспроизведения волновых полей, а для осуществления различных преобразований этих полей. В частности, свойственная динамической голографии перекачка энергии между двумя попутными световыми пучками применяется при коррекции излучения лазеров для перекачки энергии сильной волны «неправильной» формы в слабую «правильную» волну. В этих задачах используется способность осуществлять обращение фронта объектной волны в самый момент её существования. Обращенная волна, совпадающая по форме с объектной волной, но идущая в обратном направлении, т. е. к объекту, а не от него, возникает в том случае, когда голограмма восстанавливается волной, обращенной по отношению к опорной волне, т. е. сходящейся к источнику, а не расходящаяся от него. Наиболее важное свойство обращенной волны заключается в том, что при распространении в оптически неоднородной среде она претерпевает фазовые искажения, обратные по отношению к тем, которые испытала объектная волна. В результате такая волна образует неискаженное преображение предметов, информация о которых была бы потеряна при распространении света через оптически неоднородную среду — матовое стекло, турбулентную атмосферу, дефектный оптический элемент и т. д.

Практические приложения Голографии

На основе динамических голо графических преобразований создаются логические элементы ЭВМ с быстродействием до 10–12 с, системы оперативной памяти, управляемые транспаранты, оптические реле, ответвители и другие устройства оптоэлектроники и интегральной оптики, так называемые голографические лазеры (квантовые усилители и генераторы, использующие накачку на частоте генерации), различные системы оптических корреляторов, служащих для голографического распознавания образов, приборы для исследования быстропеременных процессов и т. д.

Метод голографического распознавания образов и их идентификация основан на том, что если голограмму восстанавливать излучением зарегистрированного на ней объекта, то они в некотором приближении восстановят изображение точечного опорного источника. Так как незарегистрированные на голограмме объекты не восстановят изображения опорного источника, то появление точки

Является сигналом того, что перед голограммой находится именно данный объект.

Заметим, что поскольку Г. представляет собой общий метод записи и обработки информации, то практические приложения Г. очень разнообразны: с равным успехом она применяется в машиностроении, при исследовании плазмы, в медицине и т. п. Метод голографической интерферометрии позволяет измерять очень малые деформации деталей машин, поверхности человеческой кожи и т. д. В оптическом приборостроении широкое распространение получают голограммные оптические элементы (линзы, решетки и т. д.).

В случае голограммных дифракционных решеток, например, на голограмме так же записывается точка, а в качестве светочувствительной среды используется очень тонкий слой фоторезиста. Образующаяся при этом голограмма двумерна и в ней полностью отсутствует спектральная селективность. При реконструкции голограммы точечным источником, обладающим сложным спектральным составом изображения точек на всех длинах волн восстанавливаются одновременно так, что результирующее изображение размазывается в спектр. Такие решетки по сравнению с нарезными обладают значительно меньшим уровнем рассеянного света, у них отсутствуют ошибки шага и поэтому не возникают так называемые «духи». Используя при записи волновой фронт сложной формы, у таких решеток можно скорректировать аберрации сформированного ими изображения спектра.

Следует упомянуть также об изобразительных голограммах, которые воспроизводят объемные изображения различных предметов искусств. Основное требование — возможность восстановления изображения обычным некогерентным источником излучения (например, лампой накаливания). Поэтому для изобразительной голограммы используются либо трехмерные отражательные либо так называемые радужные голограммы.

Голография используется для впечатывания специальных шифрующих рисунков в денежные знаки и кредитные карточки, для получения изображений местности сквозь туман и облака методами радиоголографии и т. д.

Свойства голограмм

Некоторые свойства голограмм, например, способность голограмм формировать обращенную волну, спектральная селективность трехмерных голограмм уже упоминались. Можно еще отметить способность восстановленного голограммой изображения изменять свой масштаб и расположение при изменении положения и длины волны восстанавливающего источника, а так же при изменении масштаба голограмм. Этим свойством обладают в основном двумерные голограммы.

Способность трансформировать в «полезное» восстановленное изображение ту или иную часть энергии падающей на нее волны характеризуется так называемой дифракционной эффективностью голограммы — отношение мощности светового потока» идущего в восстановленное голограмме изображение, к мощности светового потока восстанавливающей волны. Значение этого параметра колеблется от 100% для фазовых трехмерных голограмм до единиц % у амплитудных и поляризационных.

Любой фрагмент голограммы обладает свойством воспроизводить всю картину. При этом, чем больше размер фрагмента, тем выше точность воспроизведения. Ограничения голограммы по площади приводит к уменьшению разрешения мелких деталей, а ограничение по глубине снижает точность цветового воспроизведения. При регистрации объекта на объемной голограмме излучение каждой из точек объекта можно рассматривать как опорное по отношению ко всем остальным его точкам. Если полученную таким способом голограмму восстановить излучением части точек зарегистрированного на ней объекта, то это излучение восстановит изображение всех точек объекта, по отношению к которым оно являлось опорным, т. е. изображение объекта в целом. Таким образом, трехмерная голограмма, которой предъявлен фрагмент записанного на ней изображения способна «вспомнить» по ассоциации» весь объект в целом.