Основы  голографии - Материалы для подготовки к экзамену по физике. Оптика.

В 1948 г. английский  физик Габор предложил метод получения объемных изображений различных предметов, получивший название голографии, заключающийся в точной записи, воспроизведении и преобразовании волновых полей. В этом методе учитываются при записи голограммы не только амплитуды, но и фазы рассеянных   предметом интерферируемых волн. Голография происходит от греческих слов “holos” - весь, полный и “grapho” - пишу, рисую. Используя методы голографии, можно записывать и воспроизводить волновые поля различной физической природы, в том числе электромагнитные (видимого, ИК-, радио- и других диапазонов), акустические, электронные и пр.

Голограмма - запись на чувствительном материале интерференционной картины, возникающей в результате взаимодействия волнового поля с опорной волной. Голограмма отражает почти 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.

Общая схема записи голограммы приведена на рис. 3.9.

Волна V0, отраженная предметом П, складывается с опорной волной Vs от источника лазерного излучения. Опорная волна должна иметь простую форму (волновой фронт плоский или сферический) и быть когерентной по отношению к предметной волне.

В результате наложения волн V0 и Vs возникает пространственная интерференционная картина (стоячая волна), представляющая собой систему поверхностей пучностей, на которых интенсивность волнового поля максимальна с чередующимися  узловыми поверхностями, где интенсивность становится минимальной (на рис. 3.9 - волнистые пунктирные линии).

Интерференционная картина записывается в прозрачной светочувствительной среде объемом V. После экспозиции  и химической обработки голограммы в толще светочувствительного материала формируется фотографическое изображение, распределение плотности которого моделирует распределение интенсивности в стоячей волне.

Запись и воспроизведение волнового поля с помощью голограммы можно объяснить следующим образом: при записи голограммы поверхности пучностей интерференционной картины d1, d2, d3, ... возникают именно там, где фазы предметной и опорной волн совпадают.

 В точках пространства, принадлежащим этим поверхностям, волны V0  и VS отличаются только направлением распространения.

После проявления на месте поверхностей  пучностей образуются своеобразные металлические или диэлектрические кривые зеркала сложной формы (рис. 3.10).

Когда на голограмму падает волна VS, эти зеркала  изменяют направление восстановленной волны именно в тех точках, где ее фазы совпадают с фазами предметной волны V0.

После этого волны V0  и VS не отличаются и по направлению, т.е. волна VS полностью преобразуется  в V0.

 Наблюдатель регистрируя восстановленную голограммой волну , не может отличить ее от истинной волны V0, отраженной предметом, и соответственно видит изображение этого предмета, неотличимое от самого предмета.

 Восстановленное голографическое изображение объемно, при изменении точки наблюдения изображение предмета можно увидеть с разных сторон  даже то, что находится за ним. Свойства голограмм весьма разнообразны.

Например, они способны формировать обращенную волну, наблюдать  спектральную избирательность (селективность) трехмерных голограмм, проявляют способность восстанавливать голографическое изображение, изменять свой масштаб и расположение при изменении положения и длины волны восстанавливающего источника и т.д.

С помощью методов голографии можно получать голограммы: двумерные, движущихся тел, поляризационные, эхо-голограммы, объемные и т.д.

Рассмотрим формирование эхо- голограммы. Голограммы, которые объединяют свойства голографии и фотонного “эха”, называют эхо- голограммами.

Если в начальный момент времени t=0 на резонансную среду направить импульс предметной волны V0, то часть атомов среды перейдет из основного состояния с энергией W1 в возбужденное состояние W2 (рис. 3.11).

В течение времени, называемого временем поперечной релаксации, в состоянии W2 фаза колебаний атомов остается такой же, как и фаза предметной волны при t=0. В момент времени t=t опорная волна излучается в виде импульса IR.

Этот импульс обращает на 1800 фазы колебаний всех атомов среды, после чего колебания начинают излучаться в обратном направлении.

По истечении времени t=2t cреда излучает импульс “эха” Ie. Волновой фронт этого импульса совпадает с фронтом предметной волны либо обращен в зависимости от того, в какой последовательности на среду воздействуют импульсы Ie и IR. В случае эхо-голограммы пространственная память объединена с временной памятью, что позволяет воспроизводить процессы, связанные с изменениями во времени и пространстве.