Оптические голографические приборы - Морозов А.М.
ISBN 5-217-00074-0
Скачать (прямая ссылка):
Такой двухступенчатый процесс записи и восстановления волнового фронта, несущего информацию о предмете, и называется голографией, а зафиксированная на какой-либо регистрирующей среде пространственная структура световой волны — голограммой.
Заслуга английского ученого Д. Габора заключается в том, что он изобрел способ, позволяющий практически осуществить запоминание световой волны.
9 Дело в том, что технические средства не в состоянии прямым путем измерить фазу столь высокочастотных колебаний, какими являются световые сигналы, поскольку реакция любого приемника света (фотоумножителя, фотодиода, фототранзистора и даже человеческого глаза) определяется значением средней интенсивности света. Однако решение этой задачи оказалось неожиданно очень простым. Д. Габор предложил использовать для получения голограммы интерференцию двух когерентных пучков света, называемых обычно объектным и опорным, а для восстановления изображения с голограммы — явление дифракции света.
Отсюда более развернутым и полным представляется следующее определение голографии. Голография — направление в физике, в основе которого лежат специальные методы получения, восстаноиления и, преобразования волн. Совокупность таких методов называется голографинеским процессом.
2. Образование голографического изображения
Физические основы голографии. Голография обязана своим возникновением основным законам волновой оптики — законам интерференции и дифракции.
Свое знакомство с принципами голографии начнем с рассмотрения взаимодействия двух волновых фронтов.
В предыдущем параграфе мы рассмотрели, какой будет волновая картина при наличии одного источника сферических волн. Предположим теперь, что на некотором расстоянии от этого источника находится второй источник, испускающий сферические волны с той же частотой и амплитудой.
В этом случае волны от двух источников в любой точке пространства будут накладываться друг на друга, причем в некоторых местах, где фазы волн совпадают, произойдет удвоение амплитуд, а в некоторых, где фазы волн противоположны, амплитуда окажется равной нулю. Интерференцией называется явление наложения волн, в результате которого образуются устойчивые области усиления и ослабления амплитуды колебаний. Это показано на рис. 1, где сплошными линиями обозначены области, имеющие удвоенную амплитуду колебаний, штриховыми — области, где амплитуда колебаний равна нулю. В любой другой точке амплитуды будут иметь промежуточные значения. Такая картина распределения амплитуд колебаний называется интерференционной. 10 Явление интерференции имеет место для всех видов волн, так что интерференционную картину можно получить от любых двух источников колебаний, но наиболее четко выраженные усиления и ослабления результирующих колебаний наблюдаются в том случае, когда источники обладают своего рода определенной синхронностью излучения, называемой когерентностью. Когерентными считаются колебания одной частоты, разность фаз которых не меняется в течение рассматриваемого промежутка времени.
В основном различают два типа когерентности — пространственную и временную. Чтобы свет обладал временной когерентностью, он должен состоять из волн одной строго определенной длины; иными словами, это должен быть строго монохроматический свет. Пространственная когерентность характеризует регулярность фазы световой волны ~по ее фронту (временная когерентность, как мы видели, связана с регулярностью фазы световой волны вдоль направления ее распространения). Свет с высокой степенью временной когерентности Можно описать, считая, что все гребни волн должны распространяться в пространстве на строго определенных одинаковых расстояниях друг от друга. Если гребни какой-либо плоской световой волны неожиданно «собьются с шага» так, что интервал между последующими гребнями увеличится, то это будет равносильно внезапному изменению разности фаз между этой и другой, интерферирующей с ней волной. В таком случае интерференционная картина смещается на экране влево или вправо. В излучении, не обладающем временной когерентностью, интервалы между гребнями волн случайны и нерегулярны, поэтому интерференционная картина смещается очень быстро и хаотически. В результате мы видим равномерно освещенный экран.
Среднее расстояние, в пределах которого гребни волны сохраняют «шаг», определяется длиной когерентности источника, излучающего эту волну. Чем больше длина когерентности, тем монохроматичнее источник света и тем легче получить интерференционную картину с помощью излучаемых им волн. Источник света с большой длиной когерентности обладает высокой степенью временнбй когерентности.
Самые совершенные источники монохроматического света (нелазерного типа) обычно имеют длину когерентности менее 1 мм, тогда как длина когерентности лазера может достигать 1 км.
н Любой точечный источник света создает пространственно когерентные колебания. И сферические, и плоские волны обладают пространственной когерентностью. Сферические волны пространственно когерентны именно потому, что они как раз и представляют собой колебания, которые создаются точечным источником света. Пространственная когерентность плоских волн объясняется тем, что любой строго параллельный пучок плоских волн можно рассматривать как исходящий из бесконечно удаленного точечного источника. С помощью линзы пучок нетрудно сфокусировать в точку, а будучи сфокусированными таким способом в точку, волны затем распространяются в виде конусообразного пучка света; волновые фронты в этом пучке искривляются подобно поверхности сферы, т. е. образуется уже известная расходящаяся сферическая волна (или пучок). В описанном явлении скрыта одна из причин непригодности обычной электрической лампы накаливания для получения интерференционных картин: по размерам ее явно нельзя отнести к точечным источникам света.
