Принципы голографической записи изображений. Схемы записи и восстановления голограмм.

Голографией называют метод записи и последующего восстановления прочной структуры световых волн, основанный на явлениях интерференции и дифракции когерентных пучков света. Она обеспечивает возможность записи, хранения и воспроизведения зрительных образов предметов. Фотопластинка, на которой записана эта инф., называется голограммой. Однако обычная фотография дает лишь плоское изображение объемной картины, видимое из определенной точки. В отличие от фотографии голография позволяет записать и восстановить не двухмерное распределение освещенности в плоскости снимка, а рассеянные предметом световые волны со всеми их хар-ми – направлением распространения, амплитудой, фазой, длиной волны. Восстановленные голограммой световые волны создают полную иллюзию реальности наблюдаемых предметов.

На голограмме регистрируется не опт.изображение объекта, а инт-ная картина, возникающая при наложении световой волны, рассеянной объектом (предметной волны), и когерентной с ней опорной (или референтной) волны.

Идея голографии изначально была выдвинута в 1920 г. М.Вольфке. Рассмотрим двулучевую схему голографии. Иссл. объект освещают расширенным с помощью телескопа пучком света лазера. Рассеянная объектом свет.волна, а также опорная, отраж. от зеркала, попадают на фотопластинку, на которой регистрируется возникающая инт-ная картина. Дальше пластинка проявляется обычным способом. Получающуюся на голограмме упорядоченную инт-ную стр. можно рас-ть с микроскопом

Для восстановления волны убирают исследуемый объект и помещают голограмму на место, где находилась фотопластинка. Освещая ее светом однотипного лазера, наблюдают через голограмму изображение объекта, которое получается там же, где находился объект. Наблюдатель видит “мнимое” изображение предмета как сквозь дымчатое стекло. Причем объект воспринимается объемно. Кроме “мнимого”, есть и “действительное изображение”, имеющее обратный рельеф наблюдаемой поверхности.

Пусть требуется зарегистрировать плоский вол-ой фронт с вол-ым вектором k ₁, норм.к оси X и напр. под углом j к оси Z (рис.2). Поместим в пл-ть XOY фотопластинку. В этой пл-тираспр-ние поля имеет вид:

Если зафиксировать на фотопластинке соот-щую инт-ть, то мы получим обычное фотограф. “изображение” плоской волны – пластинка будет равномерно засвечена. Сохранить же инф. о фазе волны позволяет добавление опорной волны. Пусть плоская опорная волна E ₂направлена вдоль Z. Тогда распр-ие инт-ти на пластинке примет вид:

После проявки фотопластинки получается плоская дифр. решетка с синусоидальным законом амплитудного пропускания. Это и есть голограмма исх. плоской волны. Освещение такой решетки плоской волной, тожд. опорной волне, приводит к появлению двух дифрагированных плоских волн поуглами±j₁ к оси Z (т.е. дифр.макс-в)

Т.о., освещение тонкослойной голограммы только опорной волной приводит к появлению паразитной волны, симметричной исходной. Рассм-ые далее толстослойные голограммы этим недостатком не обладают.

Аналогично можно вместо плоской волны рассмотреть получение голограммы сферич. волны. При плоском опорном фронте мы получим голограмму в виде синус-ой зонной пластинки, которая при облуч. плоской волной дает изоб-ие точки – ист.сферич.волны

В 1962 г. советский ученый Ю.Н. Денисюк осуществил метод записи и воспр-ия голограммы в трехмер. среде. В этом методе используются толстослойные (порядка нескольких десятков мкметров) фотопластинки. Схема записи такой голограммы при встречных пучках (опорной и предметной волны) за счет образования в толще фотоэмульсии стоячей волны показана на рис.8.3.

После экспозиции при облучении монохроматическим светом в результате дальнейшей химической обработки в фотоэмульсии получается трехмерная дифракционная решетка с полупрозрачными отражающими слоями серебра (так называемыми слоями Липпмана). Если затем полученную голограмму осветить опорной волной, то частично отраженные от слоев Липпмана когерентные световые волны, интерферируя, дадут изображение предмета в исходном положении. Интерференционное усиление происходит в том случае, когда отраженные от слоев волны синфазны, т.е. удовлетворяют так называемому условию Вульфа-Брэгга:

, где d – расстояние между слоями Липпмана, a – угол скольжения отраженной брэгговской волны, m – целые числа.

Выполнение этого условия приводит к избирательности голограммы по отношению к длине восстанавливающей опорной волны. Т.к. трехмерная решетка пропустит (точнее, отразит) излучение только той длины волны монохроматического света, под действием которого она записывалась (то же самое можно отметить и о направлении a), то можно восстанавливать изображение, используя источник сплошного спектра. Если исходные опорная и предметная волны содержали несколько длин волн, то с фотоэмульсии возникнет несколько пространственных решеток. При освещении таким образом записанной голограммы источником сплошного света (например, солнечного или от лампы накаливания) можно получить объемное цветное изображение.

Основные области применения голографии:

1. Запись и хранение информации, в т.ч. и визуальной (оптическая голографическая память).

2. Оптическая обработка информации и системы распознавания образов (распознавание знаков, языка, отпечатков пальцев, изображений).

3. Голографическая интерферометрия. Этот метод позволяет исследовать изменения (например, деформацию), происшедшие в наблюдаемом объекте под каким-либо внешним воздействием.