Физически основи на холографията
Основният закон на холографията.Ако светлочувствителен материал, върху който е записан интерференчен модел от няколко светлинни вълни, се постави в позицията, в която е бил по време на процеса на запис, и се освети отново с някои от тези вълни, тогава останалите ще бъдат възстановени. Тази особеност се обяснява с факта, че холограмата записва не само интензитета, както на обикновена фотографска плака, но и фазата на светлината, излъчвана от обекта. Информацията за фазата на вълната е необходима за формирането на триизмерно пространство по време на реставрацията, а не двуизмерното пространство, дадено от обикновената фотография. Така холографията се основава нареконструкция на вълновия фронт.
Холографският процес се състои отдва етапа— писане и възстановяване. Вълната от обекта интерферира с "референтната" вълна и получената картина се записва.Вторият етап е образуване на нов вълнов фронт и получаване на изображение на оригиналния обект. Записването на информация за фазата на вълна, идваща от обект, може да се извърши само от светлинен източник със стабилни фазови характеристики.лазеръте идеален за тази цел - източник на кохерентна светлина с висок интензитет и висока монохроматичност.
Принципът на суперпозицията.Всекидневният опит показва, че осветеността, произведена от два или повече конвенционални некохерентни източника на светлина, е просто сумата от осветеността, произведена от всеки един от тях поотделно. Това явление се наричапринцип на суперпозиция. ДориХюйгенсв своя"Трактат"пише: "Едно от най-прекрасните свойства на светлината е, че когато идва от различни посоки, нейните лъчи произвеждат ефект, преминавайки един през друг без никаква намеса." Причината за това е, че всекиизточник, състоящ се от много атоми и молекули, излъчва едновременно огромен брой вълни, които не са свързани във фаза. Фазовата разлика се променя бързо и произволно и въпреки факта, че има интерференция между някои вълни, интерферентните модели се променят с такава честота, че окото няма време да забележи промени в осветеността. Следователно, интензитетът на полученото трептене се възприема като сума от компонентите на първоначалните трептения, а излъчването на източника е"бяла" светлина, т.е. не е монохроматична, а се състои от различни дължини на вълната. По същата причина тази светлина е неполяризирана, но естествена, тоест няма предпочитана равнина на трептене.
Кохерентни трептения.При специални условия принципът на суперпозиция не се спазва. Това се наблюдава, когато фазовата разлика на светлинните вълни остане постоянна за време, достатъчно дълго за наблюдение. Вълните сякаш „звучат в ритъм“. Такива вибрации се наричат кохерентни. Основният признак на кохерентност е възможността за интерференция. Това означава, че когато две вълни се срещнат, те взаимодействат, образувайки общо нова вълна. В резултат на това взаимодействие полученият интензитет ще се различава от сумата на интензитетите на отделните трептения - в зависимост от фазовата разлика се образува или по-тъмно или по-светло поле, или вместо еднородно поле редуващи се ивици с различен интензитет са интерферентни ивици.
Монохроматичните вълни винаги са кохерентни.Но филтрите, често наричани монохроматични, в действителност никога не дават строго монохроматично излъчване, а само стесняват спектралния диапазон и, разбира се, не превръщат обикновеното излъчване в кохерентно.
Получаване на кохерентно излъчване.Преди бешеизвестен само един начин за получаване на кохерентно излъчване - с помощта на специално устройство -интерферометър. Излъчването на обикновен светлинен източник беше разделено на два лъча, кохерентни един с друг. Тези лъчи могат да пречат. Вече е известен друг метод, използващ стимулирано излъчване. На този принцип се основават лазерите.
Лазерът като източник на кохерентно лъчение.Терминът"лазер"се образува от началните букви на английските думи"light amplification by stimulated emission of radiation"- "усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация". Използва се и терминът OKG, съставен от първите букви на думите"оптичен квантов генератор". Лазерите се различават фундаментално от другите източници на светлина по свойствата на светлинния поток: кохерентност, монохроматичност, строга насоченост (ниска дивергенция). Работата на лазерите се основава на принципа на стимулирано излъчване в атоми и молекули. Това означава, че излъчването на атомите на активната среда става едновременно, в резултат на което общото излъчване има идеална закономерност в пространството и времето. Като активна среда в лазерите могат да се използват твърди, течни и газообразни вещества. Лазерите в твърдо състояние използват кристални или аморфни диелектрици, докато течните лазери използват разтвори на различни вещества. Общото за лазерите е оптичното изпомпване, което се извършва с помощта на лампи.
Основната характеристика на лазерите, която ги прави незаменими в редица случаи, е възможността за създаване на огромни енергийни плътности в малки площи. Това свойство направи възможно използването им в офталмологията за коагулация на ретината и други тъкани на окото. Лазерните фотокоагулатори се използват широко в очната хирургия. В тази работа обаче лазерът не се разглежда.като хирургически инструмент, за който основно качество е високата енергийна плътност. Ние се интересуваме от използването на лазер за прижизнени изследвания на очните структури, като енергийната плътност трябва да бъде много ограничена и да не надвишава праговата стойност, която причинява необратими промени в тъканите.За тази цел кохерентността на лазерното лъчение, която е в основата на холографията, е основната. Наскоро бяха проведени интересни изследвания за използването на кохерентно лъчение за диагностика на очни заболявания, например за определяне на регионалната зрителна острота, лазерна скиаскопия и рефрактометрия.
Дифракция в холографията.Основният физичен феномен, на който се основава холографията, едифракцията- отклонение от първоначалната си посока на светлината, преминаваща близо до краищата на непрозрачни тела или през тесни процепи. Ако екранът има не един, а няколко процепа, тогава възниква интерференчен модел, състоящ се от поредица от редуващи се светли и тъмни ивици, по-ярки и по-тесни, отколкото при един процеп. В средата е най-ярката лента от "нулев порядък", от двете й страни - ленти с постепенно намаляващ интензитет от първи, втори и други порядъци. С увеличаването на броя на прорезите на екрана ивиците стават по-тесни и по-ярки. Екран с голям брой тънки успоредни процепи, често до 10 000, се нарича дифракционна решетка.
Холограмата като дифракционна решетка.Решетката, която е холограма, се характеризира главно с факта, че дифракцията се извършва не върху процеп, а върху кръг. Дифракционната фигура от кръгъл непрозрачен обект е ярък централен кръг, заобиколен от постепенно отслабващи пръстени. Ако вместо непрозрачен диск наАко пътят на вълната е да постави диска с пръстените около него, тогава кръгът в изображението ще стане по-ярък и ивиците по-бледи. Ако прозрачността от тъмна към светла зона не се променя на скокове, а постепенно, според синусоидален закон, тогава такава решетка образува ленти само от нулев и първи ред и не се появява намеса под формата на ленти от по-високи редове. Това свойство е много важно при запис на холограма. Ако преходът от тъмен пръстен към светъл се извършва стриктно по синусоидален закон, тогава пръстените в изображението ще изчезнат и изображението ще бъде малък светъл кръг, почти точка. По този начин кръгла синусоидална решетка ще образува от паралелен сноп лъчи (плоска вълна) същото изображение като събирателна леща.
Такава решетка, нареченазонова решетка, пластинаSoré, пластинаFresnel, понякога се използва вместо леща. Например, той се използва в очила, заменяйки тежките лещи за очила с високо пречупване. Получаването на зонови решетки е възможно по различни начини, както механични, така и оптични, смущения. Използването на тези решетки, получени чрез интерференция, е в основата на холографията.
Запис на холограма.За да се запише холограма на сложен несветещ обект, той се осветява с лазерно лъчение. Кохерентна референтна вълна се насочва върху същата плоча, върху която пада разсеяната светлина, отразена от обекта. Тази вълна се отделя от лазерното лъчение с помощта на огледала.
Светлината, отразена от всяка точка на обекта, се намесва в референтната вълна и образува холограма на тази точка. Тъй като всеки обект е колекция от точки, които разпръскват светлина, върху фотографската плака се наслагват множество елементарни холограми, т.е. точки, които заедно ще дадатсложна интерферентна картина на обекта.
Възстановяване на холограмата на сложни обекти.Проявената холограма се поставя на мястото, където е била по време на записа, и се включва лазерът. Точно както при възстановяването на холограма на точка, когато холограмата се осветява от лъч светлина от лазер, който е участвал в записа, се възстановяват светлинните вълни, излъчвани от обекта по време на записа. Там, където е бил обектът по време на записа, се вижда виртуално изображение. Действителното изображение, свързано с него, се формира от другата страна на холограмата, от страната на наблюдателя. Обикновено е незабележимо, но за разлика от въображаемото, може да се получи на екрана.
Реконструкция на изображение с помощта на некохерентен източник на светлина.Ю. Н. Денисюк (1962)разработи метод, при който се използват триизмерни среди вместо тънкослойна емулсия за запис на холограма. В такава дебела холограма възникват стоящи вълни, което значително разширява възможностите на метода. Триизмерната дифракционна решетка, в допълнение към описаните по-горе свойства на холограмата, има редица важни характеристики. Най-интересна е възможността за възстановяване на изображение с помощта на конвенционален източник с непрекъснат спектър - лампа с нажежаема жичка, слънце и други излъчватели. Освен това в триизмерната холограма липсват вълни от нулев порядък и реално изображение и следователно шумът е намален.