Энциклопедия Кольера - голография

См. также Лазер.

Суть метода голографии. Пучок света, создаваемый лазером, отличается от света, испускаемого обычными источниками, например электролампой, в двух отношениях. Во-первых, он монохроматичен, т.е. характеризуется только одной длиной волны. Во-вторых, он когерентен, т.е. гребни и впадины каждой его волны согласуются с гребнями и впадинами каждой другой волны. Если рассматривать пучок света как последовательность волновых фронтов, лазерный луч представляет собой такой луч, в котором все точки волнового фронта согласованы по фазе. При взаимном наложении двух когерентных волновых фронтов (в месте пересечения двух когерентных пучков) происходит т.н. интерференция: волновые фронты усиливают друг друга, если совпадают по фазе, и ослабляют, если не согласуются по фазе. На интерференции и основана голография. Одна из возможных схем регистрации голограмм трехмерных объектов представлена на рисунке. Здесь когерентный свет лазера разделяется на два пучка. Одним пучком освещается объект, который необходимо зарегистрировать; свет, отражающийся от объекта, падает на фотографическую пластинку или другую фоточувствительную регистрирующую среду. Другой пучок, называемый опорным, направляется зеркалом под некоторым углом на ту же фотографическую пластинку, где его волновой фронт налагается на волновой фронт, пришедший от объекта. В результате взаимного наложения двух когерентных волновых фронтов возникает интерференционная картина, которая и регистрируется на фотографической пластинке как изменения плотности почернения увеличение плотности почернения в тех местах, где волновые фронты совпадают по фазе, и уменьшение плотности почернения там, где они пришли не в фазе. Эта запись интерференционной картины и называется голограммой.

ГОЛОГРАФИЯ с лазерным освещением. Вверху: часть света, отражающаяся от объекта, падает на фотографическую пластинку. Остальная часть света, называемая опорным пучком, отбрасывается на ту же пластинку зеркалом. Два волновых фронта интерферируют; интерференционная картина, зарегистрированная на пластинке, представляет собой голограмму. Внизу: при восстановлении изображения на голограмму направляют лазерный пучок, аналогичный опорному. Часть света (распространяющаяся справа вверх налево) имеет такой же волновой фронт, как и шедший от объекта при записи. Наблюдатель увидит в этом направлении виртуальное (мнимое) изображение трехмерное изображение исходного объекта. Другая часть света создает действительное трехмерное изображение, которое, если его сфотографировать, будет выглядеть как обычный двумерный фотоснимок.Обычно голограмма не обнаруживает никакого сходства с зарегистрированным объектом; это просто какой-то набор темных и светлых пятен, в которых не угадывается никакого смысла. Но, будучи интерференционной картиной, голограмма содержит информацию весьма особого свойства: это запись не только амплитудных, но и фазовых характеристик волнового фронта, отразившегося от объекта. (Амплитуда равна половине разности высот гребня и впадины волны. Чем больше амплитуда, тем интенсивнее свет.) Если теперь объект удалить, а на голограмму направить опорный пучок (т.е. такой же пучок света, как и тот, которым она была записана), то она сформирует волновой фронт, несущий всю ту информацию, которую нес первоначальный волновой фронт. Таким образом, голограмма воссоздает волновые фронты, исходившие от объекта, хотя самого объекта в этом месте уже нет.

Применение голографии. Основные особенности голографии, отличающие ее от фотографии, таковы: 1) это запись интерференционной картины, содержащая не только амплитудную, но и фазовую информацию, тогда как обычная фотография это запись только интенсивностей света, не содержащая фазовой информации; 2) при регистрации голограммы нет необходимости в фокусировке, голограмма чаще всего не имеет сходства с объектом; 3) голограмма способна восстанавливать точную копию волнового фронта, идущего от объекта (если объект трехмерный, она восстанавливает трехмерное изображение); 4) изменяя угол между опорным пучком и волновым фронтом, идущим от объекта, можно на одном участке фотографической пластинки записать более одной голограммы; 5) в большинстве случаев для восстановления изображения достаточно любой малой части голограммы; если голограмма повреждена или частично уничтожена, она все равно восстановит изображение. Эти и некоторые другие важные особенности голограмм привлекли внимание многих исследователей, стремившихся довести голографию до практического применения. На "объемных голограммах", полученных с регистрацией интерференционной картины по толщине фотоэмульсионного слоя на фотопластинке, была продемонстрирована возможность восстановления многоцветных трехмерных изображений при освещении белым светом. Весьма перспективным представляется применение голографии в микроскопии. Благодаря возможности спокойно исследовать трехмерный объект, после того как записана его голограмма, устраняются некоторые трудности, связанные с визуальным исследованием объектов при большом увеличении. То, что вместо самого объекта рассматривается его восстановленное голографическое изображение, не мешает исследователю использовать метод фазового контраста и другие методы микроскопии. Более того, этим могут быть существенно уменьшены трудности, связанные с подготовкой образца, в ходе которой объект может оказаться деформированным. В данной области ведутся интенсивные разработки. Голография привнесла много нового в интерферометрию область прецизионной измерительной техники, основанной на применении интерференции. Был создан ряд голографических методов, позволяющих получать восстановленное изображение объекта вместе с волновым фронтом от того же самого объекта после какой-либо его деформации, столь малой, что ее невозможно обнаружить другими методами. На интерференционной картине, возникающей при взаимном наложении двух волновых фронтов, выявляются деформационные искажения порядка длины волны света. Голографическими методами можно исследовать с интерферометрической точностью любые объекты; не требуется, чтобы их поверхности были оптического или близкого к оптическому качества. Поиски возможностей применения голографии продолжаются. В области т.н. оптической фильтрации и оптической обработки данных удалось достичь некоторого успеха при использовании специальных голограмм для распознавания особенностей рельефа на аэрофотоснимках. Голографические методы облегчают обработку радиолокационной информации; они нашли применение при расшифровке данных бортовых самолетных РЛС. Ряд научных организаций работает над устранением еще имеющихся трудностей. Методами, аналогичными оптическим, были получены акустические голограммы записи картин интерференции звуковых волн. Были сделаны голограммы объектов, находящихся под водой; в ряде лабораторий ведутся исследования возможностей применения голографических методов при ультразвуковом просвечивании человеческого тела. Результаты такого просвечивания можно представить в виде оптического изображения. Методами, аналогичными методам оптической и акустической голографии, можно получать голограммы в сверхвысокочастотном излучении. Специальные СВЧ-голограммы, зарегистрированные с борта самолета, позволяют получать изображения местности с высоким разрешением рельефа.

Историческая справка. Основные принципы голографии сформулировал в 1947 Д. Габор из Королевского научно-технического колледжа в Лондоне. Однако метод не находил практического применения до начала 1960-х годов, когда появился лазер. Применив лазер и усовершенствовав первоначальный голографический метод, Э.Лейт и Ю.Упатниекс из университета штата Мичиган получили голограммы, которые давали необычайно похожие на реальность трехмерные изображения. В 1962 Лейт и Упаниекс представили свой метод лазерной голографии. После этого метод голографии начал быстро развиваться. Были разработаны голограммы, позволяющие восстанавливать изображение в белом свете; активно ведутся исследования в направлении применения голографии для обработки данных.

ЛИТЕРАТУРА

Вьено Ж.-Ш., Смигильский П., Руайе А. Оптическая голография. М., 1973 Применения голографии. М., 1973 Физические основы голографии. Л., 1981 Клименко И.С. Голография сфокусированных изображений и спекл-интерферометрия. М., 1985