Оптические квантовые генераторы

Для того, чтобы осуществить этот метод в световом диапазоне, необходимо иметь излучение с достаточно высокой степенью когерентности. Такое излучение можно получить при помощи лазера. Поэтому только после создания лазеров, дающих излучение с высокой степенью когерентности, удалось практически осуществить голографию.

Идея голографии была выдвинута еще в 1920 году польским физиком М. Вольфке (1883-1947), но была забыта. В 1947 году независимо от Вольфке идею голографии предложил и обосновал английский физик Д. Габор, удостоенный за это в 1971 году Нобелевской премии.[3]

3.2 Способы голографирования

 

Говоря о процессе создания голографического изображения, необходимо выделить этапы голографирования:

1. Регистрация как амплитудных, так и фазовых характеристик волнового поля, отраженного объектом наблюдения. Эта регистрация происходит на фотопластинках, которые называют голограммами.
2. Извлечение из голограммы информации об объекте, которая на ней зарегистрирована. Для этого голограмму просвечивают световым пучком.

Для осуществления этих этапов на практике существует несколько способов. Наиболее распространенные из них - метод плоской волны и метод встречных пучков.

 

Запись голограммы с помощью плоской волны.

 

 

                       2

 

 

       2              2

 

          4

  3                     3

 

          1

                 3

                      4

                 П

  1             4       1

 

         МИ                           ДИ

                              а                                                                                        б

                           

Рис. 7. Схема записи голограммы методом плоской волны

а - запись голограммы (1 - объект наблюдения; 2- волновой фронт (плоская волна); 3 - зеркало; 4 - фотопластинка); б - восстановление изображения (П - фотопластинка; ДИ - действительное изображение; МИ - мнимое изображение)

Стандартная интерференционная картина получается при интерференции когерентных световых волн. Таким образом для регистрации фазовых соотношений в волновом поле, которое получается в результате отражения волны объектом наблюдения, необходимо, чтобы объект был освещен монохроматическим и когерентным в пространстве излучением. Тогда и поле, рассеянное объектом в пространстве, будет обладать этими свойствами.

Если добавить к исследуемому полю, создаваемому объектом, вспомогательное поле той же частоты, например, плоскую волну (её обычно называют опорной волной), то на всём пространстве, где обе волны пересекаются, образуется сложное, но стационарное распределение областей взаимного усиления и ослабления волн, то есть стационарная интерференционная картина, которую уже можно зафиксировать на фотопластинке.

Принципиальная схема установки для голографирования по данному методу приведена на рис.7(а)

 

Восстановление голограммы, записанной методом плоской  волны.

 

Для того, чтобы восстановить голографическое изображение, уже записанное на голограмму, последнюю необходимо осветить тем же лучом лазера, который был использован при записи. Восстановление проводится по приведенной выше схеме (рис. 7(б))

Изображение объекта формируется в результате дифракции света на неоднородных почернениях голограммы. В направлении 1-1 распространяется волновое поле, формирующее без помощи объектива действительное изображение объекта (ДИ). В направлении 2-2 восстанавливается волновое поле, рассеянное объектом. Это поле соответствует мнимому изображению объекта (МИ)

Световой пучок 3-3 и немного расходящийся пучок 4-4 не несут информации об объекте наблюдения, и, следовательно, не участвуют в восстановлении голографического изображения.

 

Голографирование методом встречных световых пучков.

 

В 1962 году советским ученым Ю. Н. Денисюком был предложен метод получения голографических изображений, являющийся развитием практически уже тогда не применявшегося способа цветной голографии Липпмана.

Голографиравание по методу встречных световых пучков проходит по схеме, изображенной на  рис. 8 Объект наблюдения 1 освещается сквозь фотопластинку (она вполне прозрачна для света даже в непроявленном состоянии). Стеклянная подложка фотопластинки 2 покрыта фотоэмульсией 3 с толщиной слоя около 15 - 20 мкм.

Отраженное от объекта волновое поле распространяется назад по направлению к слою фотоэмульсии. Идущий навстречу этой волне исходный световой пучок от лазера 4 выполняет роль опорной волны. Именно поэтому данный метод получил название метода встречных пучков.

Интерференция волн, возникающая в толще фотоэмульсии вызывает ее слоистое почернение, которое регистрирует распределение как амплитуд, так и фаз волнового поля, рассеянного объектом наблюдения. На рис. 8  слои почернения показаны в виде системы дуг.

На голографии по методу встречных световых пучков основана цветная голография. Чтобы уяснить принцип действия цветной голографии нужно напомнить, в каких случаях человеческий глаз воспринимает изображение цветным, а не черно-белым.

 

 

 

 

4

 

 

           2

                3

 

 

 

 

        1

 

Рис. 8. Голографирование по методу Денисюка

Опыты по физиологии зрения показали, что человек видит изображение цветным или более менее близким к натуральной окраске объекта, если оно воспроизводится минимум в трех цветах, например, в синем, красном и зеленом. Совмещение этих цветов осуществляется при самой примитивной цветной репродукции, выполняемой методом литографии (для высокохудожественных репродукций используется 10 - 15 красочная печать)

Учитывая особенности человеческого восприятия, чтобы восстановить цветное изображение объекта, необходимо сам объект осветить при записи голограммы одновременно или последовательно лазерным излучением трех спектральных линий, отстоящих по длинам волн достаточно далеко друг от друга. Тогда в толще фотоэмульсии образуется три системы стоячих волн и, соответственно, три системы пространственных решеток с различным распределением почернения.

Каждая из этих систем будет формировать изображение объекта в своем спектральном участке белого цвета, используемого при восстановлении изображения. Благодаря этому в отраженном от обработанной голограммы расходящемся пучке белого света получится цветное изображение объекта, как результат суперпозиции трех участков спектра, что соответствует минимальным физиологическим требованиям зрения человека.

Голографирование по методу Денисюка широко используется для получения высококачественных объемных копий различных предметов, например, уникальных произведений искусства.[4]

3.3 Применение голографии.

 

Как уже было указано, первоначальная задача голографии заключалась в получении объёмного изображения. С развитием голографии на толстослойных пластинах возникла возможность создания объёмных цветных фотографий. На этой базе исследуются пути реализации голографического кино, телевидения и т. д.

Один из методов прикладной голографии, именуемый голографической интерферометрией, нашел очень широкое распространение. Суть метода в следующем. На одну фотопластинку последовательно регистрируются две интерференционные картины, соответствующие двум разным, но мало отличающимся состояниям объекта, например, при деформации. При просвечивании такой “двойной” голограммы образуются, очевидно, два изображения объекта, измененные относительно друг друга в той же мере, что и объект в двух его состояниях. Восстановленные волны, формирующие эти два изображения, когерентны, интерферируют, и на новом изображении наблюдаются интерференционные полосы, которые и характеризуют изменение состояния объекта.

В другом варианте голограмма изготавливается для какого-то определенного состояния объекта. При просвечивании ее объект не удаляется и производится его повторное освещение, как на первом этапе голографирования. Тогда опять получается две волны, одна формирует голографическое изображение, а другая распространяется от самого объекта. Если теперь происходят какие-то изменения в состоянии объекта (в двух последовательных волнами возникает разность сравнении с тем, что было во время экспонирования голограммы), то между указанными хода, и изображение покрывается интерференционными полосами.

Описанный способ применяется для исследования деформаций предметов, их вибраций, поступательного движения и вращений, неоднородности прозрачных объектов и т. п. На рис.9  приведена фотография изображения шарикового подшипника, сжатого в патроне токарного станка. Интерференционная картина наглядно свидетельствует о различии деформаций при двух значениях силы сжатия, о чем говорят два положения стрелки тензометра (левая часть рисунка), зарегистрированные во время экспозиций. напряжений в теле, крутильные моменты, распределение температур и т. д. Голография может применяться для обеспечения точности обработки деталей.

Интересно применение голографии в качестве носителя информации. Часто необходимо получить объемное изображение предмета, которого еще не существует, и следовательно, нельзя получить голограмму такого предмета оптическими методами. В этом случае голограмма рассчитывается на ЭВМ (цифровая голограмма) и результаты расчета соответствующим образом переносятся на фотопластинку. С полученной таким способом машинной голограммы объемное изображение предмета восстанавливается обычным оптическим способам. Поверхность предмета, полученного по машинной голограмме, используется как эталон, с которым методами голографической интерференции производится сравнение поверхности реального предмета, изготовляемого соответствующими инструментами. Голографическая интерферометрия позволяет произвести сравнение поверхности изготовленного предмета и эталона с чрезвычайно большой точностью до долей длины волны. Это дает возможность изготовлять с такой же большой точностью очень сложные поверхности, которые было бы невозможно изготовить без применения цифровой голографии и методов голографической интерферометрии. Само собой разумеется, что для сравнения эталонной поверхности с изготовляемой не обязательно восстанавливать оптическим способом машинную голограмму. Можно снять голограмму предмета, перевести ее на цифровой язык ЭВМ и сравнить с цифровой голограммой. Оба эти пути в принципе эквивалентны.

Особенности голограмм как носителей информации делают весьма перспективными разработки по созданию голографической памяти, которая характеризуется большим объемом, надежностью, быстротой считывания и т. д.[3]

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Лазеры решительно и притом широким фронтом вторгаются в нашу действительность. Они необычайно расширили наши возможности в самых различных областях - обработке металлов, медицине, измерении, контроле, физических, химических и биологических исследованиях. Уже сегодня лазерный луч овладел множеством полезных и интересных профессий. Во многих случаях использование лазерного луча позволяет получить уникальные результаты. Можно не сомневаться, что в будущем луч лазера подарит нам новые возможности, представляющиеся сегодня фантастическими.

Мы уже начали привыкать, что “лазер все может”. Подчас это мешает трезво оценить реальные возможности лазерной техники на современном этапе ее развития. Неудивительно, что чрезмерные восторги по поводу возможностей лазера иногда сменяются некоторым охлаждением к нему. Все это, однако, не может замаскировать основной факт - с изобретением лазера человечество получило в свое распоряжение качественно новый, в высокой степени универсальный, очень эффективный инструмент для повседневной, производственной и научной  деятельности. С годами этот инструмент будет все более совершенствоваться, а вместе с этим будет непрерывно расширяться и область применения лазеров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Айден К. Аппаратные средства PC: перевод с нем. - Санкт-Петербург.: BHV - СПб, 1996. - 544 с.
2. Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра. - М.: Наука, 1982 - 208 с.
3. Ландсберг  Г. С.  Оптика. - М.: Наука, 1976. - 928 с.
4. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. - М.: Наука, 1986. - Т.3. - 656 с.
5. Матвеев А. Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. - 351 с.
6. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика. - М.: Просвещение, 1998. - 254 с.
7. Сивухин В. А. Общий курс физики. Оптика. - М.: Наука, 1980. - 752 с.
8. Тарасов Л. В. Лазеры. Действительность и надежды. - М. Наука, 1985. - 176 с.

Автор Kurt Hectic