Глава IV. Изобразительная голография

Дополнительные сведения по волновым процессам света

Известно, что окружающие нас предметы становятся видными благодаря тому, что они отражают падающий на них свет. Этот свет попадает в наши глаза, а затем, после соответствующего преобразования, сигналы поступают в мозг, вызывая зрительное ощущение.

Законы отражения света от реального объемного предмета весьма сложны, поэтому для уточнения понятий возьмем наиболее простой предмет - точку.

На рис. 36, а показана схема видения точки, где световая волна 1 с плоским фронтом¹ падает на точку 2, как мы говорим, - освещает ее. В поле падающей световой волны точка сама превращается в осциллятор, излучающий вторичную волну во все стороны, т. е. отраженные волны расходятся от точки в виде серии концентрических сферических оболочек 3. Если в одном из направлений находится глаз 4, эти волны им улавливаются и человек видит точку. Если в подобном волновом аспекте рассмотреть процесс видения более сложного, чем точка, предмета, то будет очевидна неимоверная сложность происходящего процесса.

¹ (Волновой фронт - поверхность, на которой фаза волны одинакова. Плоская волна - параллельный пучок лучей)

На рис. 36, б изображен довольно простой предмет - пирамида. В поле падающей на нее плоской световой волны каждая точка ее поверхности является центром излучения сферических волн, причем все они излучают независимо друг от друга. На этом рисунке изображены волны, расходящиеся от трех произвольно избранных точек, причем можно видеть, что картина отраженных волн весьма сложна. Даже простенькая пирамида может рассматриваться как огромное число точек, определяемое длиной волны света и размерами пирамиды. Отраженные световые волны взаимодействуют между собой, и наши глаза улавливают суммарную световую волну очень сложной формы, по которой мы узнаем предмет, находящийся перед нами. Эту суммарную световую волну и называют волновым фронтом.

Рис. 36. Обобщенная схема видения предметов в аспекте волновой природы света: а - наблюдение одной точки посредством рассеянного ею света; б - наблюдение предмета сложной формы как совокупности точек, каждая из которых автономно рассеивает излучение внешнего источника света

Это уже не плоский волновой фронт, аналогичный параллельному пучку лучей, а очень сложная поверхность, отображающая конфигурацию предмета, создавшего такой волновой фронт.

Изобретатель голографии Габор впервые доказал [17], что такой волновой фронт можно создать не только с помощью самого предмета, но и при отсутствии предмета, если заменить его системой непрозрачных элементов на фотопластинке. Он так и назвал свой метод - "Метод восстановления волнового фронта". Чтобы понять суть этого метода, необходимо дополнительно вспомнить некоторые понятия, кроме уже рассмотренных.

Когерентность и некогерентность светового излучения. Волны на поверхности воды являются идеальным примером когерентной волны (см. рис. 29). Слово когерентность (лат. coharentia) в переводе означает сцепление, связь. В оптике под этим подразумевают такую связь колебаний, при которой между ними имеется постоянное соотношение фаз. В целом, если амплитуда, частота, фаза и направление распространения световой волны постоянны или изменяются не хаотически, а по определенному закону, - такая волна когерентна.

Как легко получить когерентную волну, бросив камень в воду, и насколько труднее получить когерентную световую волну.

Во всяком теле, излучающем свет, фаза излучаемых колебаний непрерывно меняется. Излучение тел слагается из излучений многих отдельных атомов. Последние, как установлено опытом, излучают световую энергию в течение весьма малого промежутка времени (порядка 10^-8с). Благодаря этому начальная фаза результирующих электромагнитных колебаний, излучаемых светящимся телом, быстро и хаотично меняется. При наложении волн от двух различных источников света, например двух электролампочек, разность фаз колебаний быстро и беспорядочно меняется от совпадающего значения до противоположного. Поскольку нет возможности как-либо зарегистрировать такие сверхкороткие состояния, мы наблюдаем усредненное значение энергии за относительно большой промежуток времени, при этом интерференция наблюдаться не будет и такое световое излучение называют некогерентным. Все мы с момента рождения наблюдаем именно такой некогерентный свет. И горящая спичка, и электрическая лампочка, и солнце излучают некогерентный свет, поскольку природа излучения у них одинакова. Фотография, существующая более ста лет, тоже основана на использовании некогерентного света.

В классической оптике известны также способы получения когерентных волн от источника некогерентного излучения, но эти способы практически неприемлемы для голографии.

Источником когерентного излучения, давшим путевку в жизнь голографии, являются лазеры, по которым имеется обширная литература, поэтому здесь мы не рассматриваем их устройство и принцип действия. Для понимания сути голографии не обязательно знать принцип действия лазера, но наиболее любознательному читателю можно рекомендовать небольшую книгу [18], где в популярной форме описан принцип действия лазера. Можно более подробно ознакомиться с лазером в [19, 20].

Читателю необходимо также знать понятия: временная когерентность и пространственная когерентность.

Если разность фаз двух колебаний в данной точке пространства меняется достаточно медленно, то говорят, что колебания остаются когерентными в течение некоторого времени, которое называют временем когерентности. Временная когерентность излучения полностью определяется спектральным составом. Если газовый лазер излучает только одну частоту в течение нескольких минут, то этого достаточно для получения голограммы, т. е. временная когерентность определяет конкретные возможности экспонирования в свете лазера.

Однако для голографии важен еще второй тип когерентности - пространственная когерентность, т. е. расстояние, на котором сохраняется постоянная разность фаз в фиксированный момент времени.

У излучения некоторых газовых лазеров длина когерентности достигает нескольких метров. На всей этой длине можно расположить предметы по глубине, и все они будут отображены на объемном голографическом изображении.

Дифракция света. Все мы хорошо помним, как прямолинейно распространяется свет на примере луча карманного фонарика или прожектора. Действительно, эти лучи прямолинейны, как и во всех других примерах распространения света, наблюдаемых нами. И все же прямолинейность распространения света не всегда соблюдается. В тех случаях, когда пучок света проходит вблизи непрозрачных тел или сквозь узкие щели, часть его отклоняется от первоначального направления движения. Аналогичное явление наблюдается в случае звуковых волн. Если, например, за углом не проницаемого для звука каменного строения находится источник звука, например шумит мотор трактора, то мы услышим этот звук, хотя трактор нам не виден. В этом случае звуковые волны огибают препятствие и становятся слышными для нас, причем здесь мы имеем в виду, что другие причины слышимости, например отражение от других зданий, отсутствуют. Явление дифракции можно наблюдать и в бассейне, установив на пути бегущей волны перегородку, частично перекрывающую путь волне. Схема такого опыта показана на рис. 37, где волна, образовавшаяся от брошенного в воду камня, встречаясь с препятствием, частично отклоняется от первоначального направления (стрелка А) и, пройдя мимо его края, начинает распространяться и в другом направлении (стрелка Б).

Рис. 37. Явление дифракции волн на краю предмета

Таким образом, все волновые процессы сопровождаются явлением дифракции у края непрозрачного экрана. Другой случай, когда волна с плоским фронтом проходит сквозь узкую щель, сопровождается отклонением направления распространения в двух направлениях, как показано на рис. 38, т. е. по стрелке Б и В.

Рис. 38. Явление дифракции волн на щели

Узкая щель может рассматриваться как два препятствия (рис. 37) с приближением друг к другу достаточно близко, т. е. дифракция на щели эквивалентна дифракции на двух краях прямолинейного непрозрачного экрана. Общность механизма дифракции для всех волновых процессов позволяет рассматривать схемы на рис. 37 и 38 как для случая волн на воде, так и для звуковых или световых волн.

Итак, дифракционное отклонение направления распространения световых волн позволяет из световой волны с плоским фронтом сделать любую сложную комбинацию сходящихся и расходящихся световых пучков только путем надлежащего расположения в плоскости дифракционных щелей.