Факультативний курс - Сучасна оптика
Цілі:продовжити знайомство з основними голографічними схемами.
Схема Упатнієкса.
Опорна та висвітлює об'єкт хвилі можуть формуватися в результаті поділу розширеного хвильового фронту лазерного випромінювання на дві частини (рис. 11а, 12а). Одна частина фронту відбивається від дзеркала, іншу - розсіюється об'єктом спостереження. Обидва хвильові поля досягають фотопластинки Р, на якій реєструється результуюча інтерференційна картина - голограма об'єкта.
 |  |
| мал. 11 | мал. 12 |
Зображення формуються в результаті просвічування голограми лазерним світловим пучком (рис. 11а, 12а) та дифракції світла на неоднорідностях її почорніння. Справжнє зображення об'єкта формується хвильовим полем, яке розповсюджується в цьому напрямку, без допомоги об'єктива. Уявне зображення формується хвильовим полем, розсіяним об'єктом спостереження, як це показано на рис. 11б, 12б . Таке поле можна використовувати, переміщуючи в ньому об'єктив або око, для формування різних зображень об'єкта, видимих під різними кутами різних точок простору, як при безпосередніх спостереженнях об'єкта. Взаємне паралактичне зміщення деталей зображення, що досягається при цьому, показано нарис. 13, 14. Те саме можна спостерігати і для дійсних зображень, просвічуючи різні ділянки голограми. Крім розглянутих хвильових полів за голограмою поширюються також ослаблений вихідний світловий пучок і світловий пучок, що трохи розходиться (на малюнку не показані). Ці пучки не мають інформації про об'єкт спостереження.
 |
| мал. 13 |
 |
| мал. 14 |
Об'ємні голограми (метод Денисюка).
Інтерференційне поле, що утворюється в області перекриття опорної та предметної хвиль, звичайно, не локалізовано на поверхні фотопластинки. Як і в будь-якому досвіді з когерентними хвилями, місця підвищених і знижених значень амплітуди сумарного коливання розподілені в усьому просторі за тим чи іншим законом, що залежить від виду хвильових фронтів. Тому в шарі фоточутливої емульсії, який завжди має деяку товщину, утворюється тривимірна структура почорнінь, а не двовимірна, як приблизно передбачалося нами раніше. Водночас закони дифракції світла на тривимірних структурах мають свої особливості, які знаходять цікаві застосування у голографії.
Розглянемо спочатку найпростіший випадок голограми плоскої хвилі, коли опорна хвиля також плоска. У цих умовах шари почорніння фотоемульсії, що відповідають точкам синфазного складання світлових коливань, розташовуються паралельно бісектрисі кута між хвильовими векторами k0 і k опорної та предметної хвиль, причому відстань між сусідніми шарами дорівнює d=λ/2sin½θ. На рис. 15а шари почорнінь умовно позначені суцільними лініями і зображені сильно збільшеному масштабі.
 |
| мал. 15 |
Для хвилі, що просвічує, така голограма служить періодичною тривимірною структурою, і, відповідно до закону Вульфа - Брегга, повинна спостерігатися дифрагована хвиля в напрямку, що відповідає дзеркальному відображенню від шарів почорніння (див.рис. 15б). Але саме у цьому напрямі поширювалася предметна хвиля. Таким чином, об'ємність структури голограми не перешкоджає відновленню хвильового фронту.
Досвід показує, що за досить великої товщиниголограми при її просвічуванні спостерігаються лише хвилі порядків m = 0 і -1 (хвильові вектори k0 і k), а хвиля першого порядку не утворюється. Така справа лише за умови, що товщина шару h значно перевищує період структури d. В іншому випадку тривимірна структура виявляється еквівалентною решітці Релея і в ній формується і хвиля першого порядку, показана на рис. 15б пунктирною стрілкою.
Нехай, наприклад, вектор k0 перпендикулярний до площини голограми. При цій умові хвилі першого порядку, що зароджуються в послідовних шарах фотоемульсії, взаємно гасять один одного, якщо виконується нерівність h > λ/[2sin 1 /2θ] 2 (*)
Якщо λ = 0,63 мкм, 6 = 10 0 , то λ/[2sin 1 /2θ] 2 = 21 мкм, що перевищує товщини фотоматеріалів, що зазвичай використовуються (6 -15 мкм) і ця нерівність не виконується. Тому в розташуваннях, що характеризуються порівняно невеликими кутами між опорною та предметною хвилями, об'ємність голограми виявляється несуттєвою та спостерігається як головне, так і додаткове зображення. Зворотна картина має місце при інтерференції зустрічних або майже зустрічних хвиль (θ
180 0 ), коли λ/[2sin 1 /2θ] 2
λ/4 та умова (*) виконується з великим запасом. У таких розташуваннях хвиля, що дифрагувала, відповідає бреггівському відображенню і слід очікувати утворення тільки одного голографічного зображення.
На рис. 16а показана схема голографічного досвіду такого роду. Об'єкт S висвітлюється лазерним випромінюванням через фотопластинку, і відбиті хвилі поширюються назад до шару спеціальної фотоемульсії ФЕ, практично прозорою до прояву. Літерою С позначено скло фотопластинки. Лазерна хвиля відіграє роль опорної, утворюючи разом з предметною хвилею інтерференційне поле,що передає всі особливості хвильового фронту, що йде від об'єкта, і тому має дуже складну структуру. Як показує досвід, при просвічуванні отриманої в такий спосіб голограми відновлюється лише уявне (головне) зображення об'єкта (рис. 16б), що й має бути, згідно з наведеними вище міркуваннями.
 |  |
| мал. 16 | мал. 17 |
Описаний метод голографії, в якому використовується бреггівське відображення хвилі, що просвічує, від тривимірної структури голограми, був запропонований і здійснений Ю. Н. Денисюком (1962 р.) і носить його ім'я.
Чудова особливість методу Денисюка полягає в тому, що як просвічує випромінювання можна використовувати пучок білого світла, що розходиться, проте зображення предмета відновлюється (рис. 17а). Це зумовлено особливостями дифракції світла на тривимірній структурі: ефективне відображення світла відбувається лише для тих довжин хвиль і для тих напрямів його поширення, які пов'язані співвідношенням Вульфа - Брегга (2dsinθ = nλ). Решта випромінювання проходить голограму і бере участі у освіті зображення.
Якщо висвітлити голограму зі зворотного боку (рис. 17б), то головне зображення відсутнє, але утворюється додаткове, яке буде дзеркальним по відношенню до об'єкта.
Цей метод дозволяє також отримувати кольорові зображення з цілком задовільною якістю передачі кольору. Для з'ясування принципу кольорової голографії слід пам'ятати, що кольоровий зір пов'язані з існуванням у сітківці очі трьох типів приймачів світла, реагують на червоне, зелене і синє випромінювання. Можна сказати, що зображення предмета на сітківці ока представляєсобою як би три суміщені зображення, що розглядаються в трьох зазначених інтервалах довжин хвиль. Подібний принцип суміщення зображень застосовується і в кольоровій репродукції, де в залежності від необхідної якості передачі кольору поєднують від трьох до 10 - 15 зображень в різних фарбах.
Аналогічні міркування лежать основу кольорової голографії. Для здійснення кольорового зображення за методом Денісюк можна зареєструвати голограму, використовуючи освітлення об'єкта (одночасно або послідовно) випромінюванням, що має у своєму спектрі три лінії (червону, зелену та синю). Тоді в товщі фотоемульсії утворюються три системи стоячих хвиль і три системи просторових структур. При відновленні зображення за допомогою білого світла кожна із зазначених систем формуватиме своє зображення об'єкта у світлі відповідної спектральної ділянки, застосованої під час експонування. Оскільки положення зображення не залежить від довжини хвилі, ми отримаємо три суміщені зображення в трьох ділянках спектра, а цього вже достатньо відновлення кольорового зображення.
Об'ємна дифракційна решітка, утворена кількома десятками шарів почорнінь, має порівняно невелику спектральну роздільну здатність. Тому кожне зі складених зображень не настільки "монохроматично", як лазерне випромінювання, застосоване на першому етапі голографування. Ця обставина до певної міри сприяє "м'якості" передачі кольору.
Одна із труднощів кольорової голографії пов'язана із зміною товщини фотоемульсії, що відбувається при її фотообробці. Практика показує, що обробка призводить до "усадки" фотоемульсії, внаслідок чого зменшується період тривимірної структури. В результаті умова Вульфа - Брегга виконується для більшкороткохвильового випромінювання, ніж опорне. Цим пояснюється деяке спотворення кольорових кольорових голографічних зображень.