Избираем курс - Съвременна оптика

Цели:Продължете да изучавате основните холографски схеми.

Схема на Upatnieks.

Референтните и осветяващите обектни вълни могат да се образуват в резултат на разделянето на разширения вълнов фронт на лазерното лъчение на две части (Фиг. 11a, 12a). Една част от фронта се отразява от огледалото, а другата част се разпръсква от обекта на наблюдение. И двете вълнови полета достигат до фотоплака P, върху която се записва получената интерферентна картина – холограмата на обекта.

Фиг. 11	Фиг. 12

Изображенията се формират в резултат на трансилюминация на холограмата от лазерен светлинен лъч (фиг. 11а, 12а) и дифракция на светлината върху нехомогенностите на нейното почерняване. Действителното изображение на обект се формира от вълново поле, разпространяващо се в дадена посока без помощта на леща. Въображаемото изображение се формира от вълновото поле, разпръснато от обекта на наблюдение, както е показано нафиг. 11b, 12b. Такова поле може да се използва чрез преместване на обектива или окото в него, за да се формират различни изображения на обекта, видими под различни ъгли от различни точки в пространството, както при директни наблюдения на обекта. Взаимното паралактично изместване на детайлите на изображението, постигнато в този случай, е показано нафиг. 13, 14. Същото може да се наблюдава и при реални изображения чрез светене през различни секции на холограмата. В допълнение към разглежданите вълнови полета, отслабен начален светлинен лъч и леко разминаващ се светлинен лъч също се разпространяват зад холограмата (не са показани на фигурата). Тези лъчи не носят информация за обекта на наблюдение.

Фиг. 13

Фиг. 14

Обемни холограми (метод на Денисюк).

Интерферентното поле, образувано в областта на припокриване на еталонната и обектната вълни, разбира се, не е локализирано върху повърхността на фотографската плака. Както във всеки експеримент с кохерентни вълни, местата на повишени и намалени стойности на амплитудата на общото трептене се разпределят в пространството според един или друг закон, в зависимост от вида на вълновите фронтове. Следователно в слой от фоточувствителна емулсия, който винаги има определена дебелина, се образува триизмерна почерняваща структура, а не двуизмерна, както приблизително предположихме по-рано. В същото време законите на дифракцията на светлината от триизмерни структури имат свои собствени особености, които намират интересни приложения в холографията.

Нека първо разгледаме най-простия случай на холограма с плоска вълна, когато референтната вълна също е плоска. При тези условия почерняващите слоеве на фотографската емулсия, съответстващи на точките на синфазно добавяне на светлинни вибрации, са разположени успоредно на ъглополовящата на ъгъла между вълновите вектори k0 и k на еталонните и обектните вълни, а разстоянието между съседните слоеве е d=λ/2sin½θ. Нафиг. 15апочерняващите слоеве са условно обозначени с плътни линии и са показани в силно увеличен мащаб.

Фиг. 15

За полупрозрачна вълна такава холограма служи като периодична триизмерна структура и, в съответствие със закона на Wulf-Bragg, трябва да се наблюдава дифрактирана вълна в посока, съответстваща на огледално отражение от почерняващи слоеве (вижтеФиг. 15b). Но именно в тази посока се разпространява вълната на обекта. Така обемната структура на холограмата не пречи на възстановяването на фронта на вълната.

Опитът показва, че при достатъчно голяма дебелинаПри предаване на холограмата през него се наблюдават само вълни от порядъка m = 0 и -1 (вълнови вектори k0 и k), докато вълна от първи ред не се образува. Това е така само при условие, че дебелината на слоя h значително надвишава структурния период d. В противен случай триизмерната структура се оказва еквивалентна на решетката на Релей и в нея също се формира вълна от първи ред, показана нафиг. 15bпунктирана стрелка.

Нека например векторът k0 е перпендикулярен на равнината на холограмата. При това условие вълните от първи ред, възникващи в последователни слоеве на фотографската емулсия, се компенсират взаимно, ако неравенството h>gt; λ/[2sin 1 /2θ] 2 (*)

Ако λ = 0,63 µm, 6 = 10 0, тогава λ/[2sin 1 /2θ] 2 = 21 µm, което надвишава дебелината на често използваните фотографски материали (6 -15 µm) и това неравенство не е изпълнено. Следователно, в подредби, характеризиращи се с относително малки ъгли между еталонните и обектните вълни, обемът на холограмата се оказва незначителен и се наблюдават както основните, така и допълнителните изображения. Обратната картина се получава в случай на интерференция на насрещно разпространяващи се или почти насрещно разпространяващи се вълни (θ

180 0 ), когато λ/[2sin 1 /2θ] 2

λ/4 и условието (*) е изпълнено с голяма граница. При такива подредби дифрактираната вълна съответства на отражението на Брег и трябва да се очаква само едно холографско изображение.

Нафиг. 16апоказва диаграма на холографски опит от този вид. Обектът S се осветява от лазерно лъчение през фотографска плака и отразените вълни се разпространяват обратно към слой от специална фотоволтаична емулсия, която е практически прозрачна преди проявяване. Буквата С обозначава стъклото на фотографската плака. Лазерната вълна също играе ролята на референтна вълна, образувайки заедно с обектната вълна интерферентно поле,който предава всички характеристики на вълновия фронт, идващ от обекта, и следователно има много сложна структура. Както показва опитът, когато холограмата, получена по този начин, бъде осветена, се възстановява само виртуалното (основното) изображение на обекта (Фиг. 16b), което би трябвало да бъде, съгласно горните съображения.

Фиг. 16	Фиг. 17

Описаният метод на холография, който използва бреговото отражение на полупрозрачна вълна от триизмерната структура на холограма, е предложен и внедрен от Ю. Н. Денисюк (1962) и носи неговото име.

Забележителна характеристика на метода на Денисюк е, че като предавателно лъчение може да се използва разнопосочен лъч бяла светлина и въпреки това изображението на обекта се възстановява (Фиг. 17a). Това се дължи на особеностите на дифракцията на светлината върху триизмерна структура: ефективно отражение на светлината възниква само за тези дължини на вълните и за онези посоки на нейното разпространение, които са свързани с връзката Wulff-Bragg (2dsinθ = nλ). Останалата част от радиацията преминава през холограмата и не участва във формирането на изображението.

Ако холограмата е осветена от обратната страна (фиг. 17b), тогава основното изображение отсъства, но се формира допълнително изображение, което ще бъде огледално спрямо обекта.

Този метод също така дава възможност за получаване на цветни изображения с доста задоволително качество на възпроизвеждане на цветовете. За да се разбере принципът на цветната холография, трябва да се има предвид, че цветното зрение е свързано със съществуването в ретината на окото на три вида светлинни приемници, които реагират на червено, зелено и синьо излъчване. Можем да кажем, че изображението на обект върху ретината представляваТова е като три насложени изображения, гледани в трите посочени интервала на дължина на вълната. Подобен принцип на комбиниране на изображения се използва и при цветопредаване, където в зависимост от необходимото качество на цветопредаване се комбинират от три до 10 - 15 изображения в различни цветове.

Подобни съображения са в основата на цветната холография. За да се реализира цветно изображение по метода на Денисюк, холограмата може да бъде регистрирана чрез осветяване на обект (едновременно или последователно) с радиация, която има три линии в спектъра си (червена, зелена и синя). След това в дебелината на фотографската емулсия се формират три системи от стоящи вълни и съответно три системи от пространствени структури. Когато се възстановява изображение с помощта на бяла светлина, всяка от тези системи ще формира свой собствен образ на обекта в светлината на съответния спектрален участък, приложен по време на експозицията. Тъй като позицията на изображението не зависи от дължината на вълната, ще получим три комбинирани изображения в три области на спектъра и това вече е достатъчно, за да възстановим цветното изображение.

Обемна дифракционна решетка, образувана от няколко десетки почерняващи слоя, има сравнително малка спектрална разделителна способност. Следователно всяко от съставните изображения не е толкова "монохроматично", колкото лазерното лъчение, използвано в първия етап на холографията. Това обстоятелство до известна степен допринася за "мекотата" на цветопредаване.

Една от трудностите на цветната холография е свързана с промяната в дебелината на фотографската емулсия, която възниква по време на нейната фотообработка. Практиката показва, че обработката води до "свиване" на фотографската емулсия, в резултат на което периодът на триизмерната структура също намалява. В резултат на това условието на Wulf-Bragg е изпълнено за повече откъсовълнова радиация от референтната. Това обяснява известно изкривяване на оцветяването на цветните холографски изображения.

---