Голография, ее применение, условия получения голографических изображений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ

 

Голография, ее применение, условия получения голографических  изображений.

 

 

 

 

 

 

                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2012

Содержание

 

1. Физические принципы голографии.
2. Применение голографии.
3. Голографические оптические элементы.
• Голограмма-линза
• Голографические дифракционные решетки
• Голографические мультипликаторы
• Голографический микроскоп

 

     4. Воспроизведение  голограмм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Физические  принципы голографии.

 

Голография – метод получения объемного изображения объекта, путем

регистрации и последующего восстановления волн изобретенный английским

физиком венгерского происхождения  Д. Габором в 1948 г.

Волны могут быть при этом любые  – световые, рентгеновские,

корпускулярные, акустические и т.д.

Слово «голография» происходит от греческого слова, которое означает «весь»,

«целый». Этим изобретатель хотел  подчеркнуть, что в голографии

регистрируется полная информация о волне – как амплитудная, так и фазовая.

В обычной фотографии регистрируется лишь распределение амплитуды (точнее ее

квадрата) в двумерной проекции объекта на плоскость фотоснимка. Поэтому,

рассматривая фотографию под разными  углами, мы не получаем новых ракурсов,

не можем, например, увидеть, что  делается за предметами, расположенных на

переднем плане.

Голограмма же восстанавливает  не двумерное изображение предмета, а после

рассеянной им волны. Смещая точку  наблюдения в пределах этого волнового

поля, мы видим предмет под разными  углами, ощущая его объемность и

реальность.

Физическая основа голографии – учение о волнах, их интерференции и

дифракции, зародившееся еще в XVII веке при Гюйгенсе. Уже в начале XIX века

Юнг, Френель и Фраунгофер располагали  достаточными познаниями, чтобы

сформулировать основные принципы голографии. Этого, однако, не случилось

вплоть до работ Габора, хотя многие ученые во второй половине XIX и начале

XX века – Кирхгоф, Рэлей, Аббе, Вольфке, Бе6рш, и Брэгг – подходили  к

принципам голографии достаточно близко. Можно было объяснить это тем  что

они не имели технических средств для реализации голографии. Однако это не

так: Габор в 1947 году также не имел лазера и делал свои первые опыты  со

ртутной лампой в качестве источника  света. И тем не менее Габор  смог с

полной определенностью сформулировать идею восстановления волнового фронта

и указать метод ее осуществления. Не смотря на это, трудности связанные  с

получением голограмм, оставались столь существенными и развитие голографии

шло так медленно, что к 1963 году Габор «почти забыл о ней».в

1963годуамемреканцы Э. Лейт и Ю. Упатниекс впервые получили лезерные

голограммы. За год до этого они  предложили свою «двулучевую схему»,

значительно усовершенствовав исходную схему Габора.

В соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля  действие исходной, первичной,

волны в произвольной точке А можно заменить действием виртуальных

источников, расположенных на достаточно обширной, удаленной от точки А

поверхности. Эти источники должны колебаться с той же амплитудой

рассеянной каким-либо предметом. и той фазой, которые заданы дошедшей до

них первичной волной, рассеянной каким-либо предметом (Рис1.) Элементарные

сферические волны, испускаемые вторичными источниками, интерферируя,

восстановят за поверхностью копию  первичного волнового поля. Глаз или  любой

другой приемник не сможет отличить эту копию от поля волны, рассеянной

самим предметом, и наблюдатель, таким  образом, увидит мнимое изображение

этого предмета, хотя он уже убран.

 

 

 

2. Применение голографии.

 

 

   В ряде  технологических процессов можно  использовать образуемые голограммами  действительные изображения. При просвечивании голограмм мощным лазером можно наносить на обрабатываемые поверхности сложные узоры. В частности, голограммы уже применялись для бесконтактного нанесения микроэлектронных схем. Основные преимущества голографических методов перед обычными – контактными или проекционными – достижение практически безаберрационного изображения на большом поле. Предел разрешения голограммы может достигать долей длины световой волны. На изображение практически не влияют пылинки, осевшие на голограмму, царапины и другие дефекты, в то время как для контактных или проекционных фотошаблонов это приводит к браку.           

 Другое применение голограммы  в технологии – использование  ее в качестве линзы. Фокусирующие  свойства зонных решеток известны давно. Однако применение решеток ограничивалось трудностями их изготовления. Голографические зонные решетки – голограммы точечного источника – просты в изготовлении и несомненно будут полезны в лазерной технологии. Например, с помощью голографических линз получали отверстия диаметром до 14 мкм в танталовой пленке, нанесенной на стекло. Голографические решетки совсем не имеют ошибок, свойственных обычным решеткам, нарезанным на делительной машине.

 

Голографическими методами можно  распознавать образы, т.е. искать объекты, идентичные заданному, среди множества других, похожих на него. Такими объектами могут быть геометрические фигуры, фотографии людей, буквы или слова, отпечатки пальцев и т.д. На пути лазерного луча устанавливают сначала кадр, на котором может находиться искомый объект, а за ним – голограмму этого объекта. Появление яркого пятна на выходе говорит, что объект в кадре присутствует. Такая оптическая фильтрация может производиться автоматически и с большой скоростью.

Методами акустической голографии удается получать объемные изображения предметов в мутной воде, где обычная оптика бессильна.

Голограммы музейных редкостей  уже сделались довольно обычной  вещью: они не только экспонируются  на выставках, но и продаются в  сувенирных ларьках. Начинают появляться, хотя и очень редко, объемные книжные иллюстрации. А голографическое кино и телевидение, несмотря на многолетние исследования и экспериментальные съемки, возникнет, видимо, нескоро.

 

Голография — это метод записи волнового фронта, рассеянного объектом на

некотором регистраторе (например, на плоской фотопластинке), и последующего

восстановления записанного волнового  фронта. Она позволяет получать с

помощью одного измерительного прибора, одновременно очень большую и, как

правило, непрерывную информацию об объекте измерения. В отличие от обычной

фотографии на фотопластинке (голограмме) записывается не изображение объекта,

а волновая картина рассеянного  объектом света. Голограмма получается в

результате интерференции разделенного на две части монохроматического потока

электромагнитного (или акустического) излучения: рассеянного телеграфируемым

объектом и прямого (опорного) пучка, падающего на голограмму, минуя объект.

Интерференционная картина, зарегистрированная на проявленной фотопластинке в

результате сложения волновых фронтов, отображается на ней в виде

совокупности интерференционных полос с различной плотностью почернения.

Наибольшая плотность почернения соответствует волновым фронтам, пришедшим  в

фазе (где поля складываются), а  наименьшая - волновым фронтам, пришедшим в

противофазе. Таким образом, отображаемая на голограмме картина волновых

фронтов в общем случае не имеет  сходства с реальным объектом и тем не менее

содержит информацию об объекте.

При восстановлении записанного на фотопластинке волнового поля голограмма

просвечивается только опорным  лучом. В результате возникают два видимых

объемных изображения голографируемого объекта — мнимое и действительное. При

фотографировании мнимого изображения фотоаппарат можно фокусировать на

отдельные детали объекта, расположенные на различных расстояниях от

плоскости голограммы. Действительное изображение в различных его  сечениях

может регистрироваться непосредственно  на фотопластинку без применения

фотоаппарата.

 

Голограммы обладают рядом  интересных свойств. Так, например, волна от каждой

точки диффузно отражающего объекта (либо прозрачного объекта, освещенного

через диффузный рассеиватель) распределяется по всей голограмме. Если такую

голограмму разбить на куски, то по любому из них можно восстановить

изображение всего объекта. Интересным свойством восстановленных

голографических изображений является возможность их взаимодействия с

реальными объектами, освещенными  тем же источником, что и голограмма, либо с

другими голографичёскими изображениями. На этом свойстве основаны

голографическая интерферометрия, пространственная фильтрация и распознавание

образов . Не менее интересной является возможность регистрации ряда голограмм

на одну фотопластинку при помощи нескольких опорных пучков, падающих на нее

под различными углами. Вращая такую  фотопластинку при восстановлении, можно

наблюдать десятки кадров быстро протекающих процессов.

Благодаря возможностям, свойственным голографии, голографический метод

находит многочисленные практические применения. Большинство этих применений

относится к технике измерений различных стационарных и динамических

объектов. Из практических применений голографии в оптическом диапазоне  частот

в первую очередь следует отметить объёмные измерения при помощи

стереоскопических и интерферометрических методов.

Стереоскопические методы позволяют  определять, так же как это делается в

фотограмметрии, форму объекта  по его объёмному голографическому изображению и

координаты характерных точек  объекта. Такие измерения можно  производить

методом «реальной марки», то есть с помощью фотодатчика, автоматически

перемещающегося в области действительного  изображения объекта. Для увеличения

точности и удобства измерения  на поверхности объёмного изображения  создают

систему линий путем последовательной записи на одной и той же пластинке двух

голограмм с незначительным различием  в длине волны источника излучения  либо с

двумя близкими по углу с сигнальными лучами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема записи Лейта-Упатниекса

 

В этой схеме записи  луч лазера делится специальным устройством, делителем (в простейшем случае в роли делителя может выступать любой кусок стекла), на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и регистрирующую среду (например, фотопластинку). Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале — лазера.

 

 

Схема записи Денисюка

 

В 1962 г. советский физик Юрий Николаевич Денисюк предложил перспективный метод голографии с записью в трехмерной среде. В этой схеме луч лазера расширяется линзой и направляется зеркалом на фотопластинку. Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну. Как видно, объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон (т. н. схема на встречных пучках). В этой схеме записывается отражающая голограмма, которая самостоятельно вырезает из сплошного спектра узкий участок (участки) и отражает только его (т.о. выполняя роль светофильтра). Благодаря этому изображение голограммы видно в обычном белом свете солнца или лампы (см. иллюстрацию в начале статьи). Изначально голограмма вырезает ту длину волны, на которой её записывали (однако в процессе обработки и при хранении голограммы эмульсия может менять свою толщину, при этом меняется и длина волны), что позволяет записать на одну пластинку три голограммы одного объекта красным, зеленым и синим лазерами, получив в итоге одну цветную голограмму, которую практически невозможно отличить от самого объекта.

Эта схема отличается предельной простотой  и в случае применения полупроводникового лазера(имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применения линз) сводится к одному лишь лазеру и некоторой основы, на которой закрепляется лазер, пластинка и объект. Именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

 

 

 

 

3.Голографические  оптические элементы.

 

Голографические (или голограммные) оптические элементы (ГОЭ) представляют

собой голограммы, на которых записаны волновые фронты специальной формы.

Голографические оптические элементы можно сконструировать для

преобразования любого входного волнового  фронта в любой другой выходной

фронт независимо от параметров материала  подложки, например от кривизны или

показателя преломления. С их помощью  возможна коррекция аберрации

оптических систем, в таком случае ГОЭ выступают как составные  элементы

сложных оптических приборов. ГОЭ используют и как самостоятельные

оптические элементы в качестве линз, зеркал, дифракционных решеток,

мультипликаторов и др.

Далее рассмотрим некоторые случаи применения ГОЭ в оптике и оптическом

приборостроении.

 

 

 Голограмма-линза.

 

Голограмму можно рассматривать не только как результат записи волнового поля, но также как изображающий оптический элемент. Известно, что свойства линзы проявляют зонные пластинки (решетки). Под этим термином обычно понимают зонную пластинку Френеля, состоящую из чередующихся светлых и темных колец, которые ограничены окружностями с радиусами ρп = √nλzf , где п - целое число, λ - длина волны света с плоским волновым фронтом, которая, падая на пластину, фокусируется на расстояние zf от нее.