Принцип голографии Габора - Лейта - Денисюка [1978 Власенко В.И.

Изобретатель голографии Габор назвал фотопластинку, на которой зарегистрирована оптическая информация о предмете, голограммой¹, так как на пластинке была записана вся информация - как амплитудная, так и фазовая².

² (На обычной фотопластинке регистрируется только амплитудная информация)

Голография как процесс состоит из двух этапов: а) записи голограммы на фотопластинке; б) восстановления волнового фронта при помощи этой голограммы.

Оба процесса удобно рассмотреть на примере голографирования простейшего предмета - точки. Если позади точки 2 (см. рис. 36, а) установить фотопластинку 5, изображенную пунктиром, то на каждую точку ее поверхности будет попадать энергия двух волн, а именно: плоской волны 1 и сферической 3. Если падающая плоская волна 1 когерентна, то отраженная от точки волна будет интерферировать с ней и в определенных точках пространства волны будут либо усиливаться, либо ослабляться. Результат интерференции в плоскости фотоэмульсии будет зарегистрирован в виде почернений или отсутствия таковых. Усиленные за счет интерференции волны дадут почернение, а места, где волны ослабились или вовсе уничтожились, дадут серые или совсем светлые места.

Нетрудно видеть по рис. 36, а, что геометрическое место точек, где условия интерференции будут одинаковыми, является окружностью, а по мере удаления от точки 2 условия интерференции будут периодически повторяться в соответствии с изменением разности хода лучей отраженной сферической волны 3 и падающей одинаково по всей площади пластинки волны 1.

Итак, голограмма точки - это система концентрических колец, зафиксированных на фотопластинке. Такая голограмма была известна задолго до изобретения голографии под названием зонной решетки Френеля. Ее общий вид можно наблюдать в любом учебнике по оптике.

Рассмотрим теперь процесс восстановления волнового фронта изображения точки (рис. 39). Пусть на пластинку 1, где на фотоэмульсии содержатся изображения концентрических колец, падает плоская волна 2 монохроматического и когерентного света. Отметим, что кольцевые щели на пластинке 1 по ширине соизмеримы с длиной волны падающего на пластинку света. В этом случае, в соответствии с приведенной ранее схемой на рис. 38, на краях щели будет происходить дифракция света и кроме первоначального направления А появятся два направления - Б и В. Поскольку щели на этой голограмме кольцевые, лучи света, идущие по направлению Б, будут расходиться позади пластинки, а лучи света, идущие по направлению В, сойдутся в одной точке В′ и после пересечения в ней будут вновь расходиться. Увидев эти расходящиеся лучи, мы воспримем светящуюся точку, расположенную на некотором расстоянии от плоскости голограммы. Эта точка и есть результат восстановления волнового фронта с помощью голограммы и лазера. Изображение в точке В′ называют действительным, поскольку точка В′ излучает свет точно так же, как и реальная точка, а поместив на место точки В′ фотопластинку, мы получим на ней почернение, как от действительного предмета. Лучи света Б, расходящиеся от голограммы 1, создают мнимое изображение той же точки. Если лучи Б рассматривать визуально, можно увидеть точку Б′, расположенную позади голограммы. Изображение Б′ называют мнимым, поскольку точка Б′ не испускает никаких лучей (направления на эту точку показаны условно пунктирными линиями), а лучи исходят только от плоскости голограммы. Кроме изображения точки можно видеть, что сквозь голограмму проходит прямой пучок света от лазера по направлению А. Очевидно, при попытке рассматривания действительного изображения он создает вредную засветку, чем ухудшает условия наблюдения.

Прежде чем перейти к описанию более сложных схем голографирования, назовем общепринятые термины, применяемые при описании таких схем.

Опорный пучок - не измененный пучок когерентного света от лазера, падающий непосредственно на фотопластинку. Он предназначен для обеспечения процесса интерференции с волной, идущей от объекта.

Предметный пучок - когерентное с опорным излучение, рассеянное предметом и достигающее фотопластинки. Предметный пучок всегда интерферирует с опорным.

Волновой фронт нулевого порядка - волна от лазера, проходящая сквозь голограмму в направлении его излучения (направление А на рис. 39).

Рис. 39. Схема восстановления изображения точки с помощью простейшей голограммы

Рассмотренный полный цикл голографирования и восстановления изображения точки не может, конечно, охватить всех особенностей процесса и приведен в качестве первого, наиболее простого пояснения сути голографии. Голограмму более сложного предмета (например, пирамиды на рис. 36, б) можно рассматривать как наложение голограмм от множества отдельных точек предмета. Изобразить графически процесс интерференции огромного количества сферических волн (как дано для трех точек на рис. 36, б) не представляется возможным. Читателю можно предложить только простую и наглядную модель, хотя неспособную достаточно строго отобразить процесс.

Бросим на зеркальную гладь пруда один камешек (см. рис. 29). Круговые концентрические волны от него будут отдаленно напоминать зонную решетку Френеля или голограмму, поскольку она создается одной точкой, и мы бросили только один камень. Бросим теперь горсть камней. Кольцевые волны пересекутся и их кругообразность станет менее заметной. Затем бросим в пруд ведро щебня, камешки которого одновременно вызовут множество круговых концентрических волн, но мы не видим ни одного круга. Поверхность воды будет на какое-то мгновение разбита на множество хаотически распределенных островков. Так, по мере увеличения количества источников сферических волн на глади воды пруда все меньше остается чистых концентрических круговых волн, вызываемых камешками.

В соответствии с приведенным примером на голограмме предмета, состоящего из множества точек, регистрируются уже не кольца, а огромные скопления черных точек, граничащих с прозрачными участками пластинки. Поскольку и точки и прозрачные щели между ними соизмеримы по величине с длиной волны света, их невозможно разглядеть невооруженным глазом. Голограмма на вид кажется обычной, серой, равномерно засвеченной и проявленной фотопластинкой, однако голограмма - это бесконечно сложная дифракционная решетка с миллионами щелей, расположенных в таком порядке и в такой ориентации, что световые лучи, отклоненные на этих щелях, создают оптическую копию исходного предмета, копию, сотканную из миллионов лучей света.

Схема голографирования, впервые испытанная Габором, показана на рис. 39. Существенным недостатком схемы была помеха от волнового фронта нулевого порядка.

Американские ученые Лейт и Упатниек изменили схему Габора, разделив по углам распространения предметный и опорный пучки света. Их схема изображена на рис. 40. Лазер 1 дает исходный пучок света. С помощью линз 2 и 3 пучок расширяют до величины, определяемой суммарным размером предмета съемки 4 и зеркала 5. При голографировании предметный пучок 6 и опорный пучок 7 направляются на фотопластинку 8, на которой и регистрируется голограмма.

Рис. 40. Схема получения голограммы объекта сложной формы

Восстановление изображения производят точно так же как это было сделано для одной точки. Направляют на голограмму пучок света от лазера в том же направлении, в котором шел опорный пучок при голографировании. Если посмотреть на схему рис. 41, то видно, что теперь уже волновой фронт нулевого порядка не мешает рассматривать или фотографировать восстановленные изображения, поскольку глаза наблюдателя находятся чуть сбоку и волновой фронт нулевого порядка ему не виден (позиции на рис. 41 совпадают с рис. 40).

Рис. 41. Схема восстановления голографического изображения объекта

Рассмотренные схемы Габора и Лейта были основаны на пропускании восстанавливаемого пучка сквозь голограмму при восстановлении изображения. Однако это не единственная возможность. Выше был изложен интерференционный способ цветной фотографии Липпмана. Этот способ указал новое направление в голографии, основанное на создании пространственных дифракционных решеток в слое относительно толстой светочувствительной эмульсии.

Советский ученый Денисюк первый в мире удачно сочетал метод Липпмана с особенностями современной голографии [15, 16]. Позднее аналогичные исследования были проведены Строуком и Лаберье [21].

Суть поиска заключалась в том, чтобы найти возможность восстанавливать волновой фронт в белом, некогерентном свете. Исключение лазера значительно упрощало процесс восстановления изображения.

Как известно из приведенного в предыдущей главе описания, толстослойная эмульсия, в которой в результате экспозиции и последующего проявления образовалась система этажерок из серебряных отражающих слоев, работает как монохроматор, выбирающий из сплошного спектра только одну длину волны и ее отражающий. Если, например неэкспонированную пластинку Липпмана засветить красным светом, то после проявления она будет отражать только красный свет, если освещать ее будут белым светом. Благодаря тому, что падающий белый световой пучок отражает около двухсот отражающих плоскостей, расположенных в виде этажерки по глубине толстой фотоэмульсии, отраженный световой пучок обладает очень высокой монохроматичностью, сравнимой даже с монохроматичностью газового лазера, хотя и лазер не обеспечивает идеальной монохроматичности.

На примерах восстановления голографического изображения (см. рис. 39 и 41) мы уже видели, что голограмму следует освещать когерентным и монохроматичным светом лазера.

Можно ли считать, что пластинка Липпмана эквивалентна лазеру и даже может заменить его? По этому вопросу существуют различные мнения. Одни ученые, занимающиеся голографией (см. Энциклопедию по квантовой электронике [11], стр. 90), утверждают, что "...строго монохроматическая волна всегда когерентна". Другие доказывают, что отождествление когерентности и монохроматичности оправдано лишь в простейших приложениях (см. Послесловие к [19]). Трудно сказать, является ли толстослойная отражательная голограмма Денисюка тем самым простейшим приложением, но принцип интерференционного монохроматора Липпмана позволяет восстановить объемное изображение вовсе без лазера. Достаточно обычного совсем не когерентного белого света от солнца или от лампы фонаря. Следовательно, толстослойная эмульсия каким- то образом заменяет лазер в процессе восстановления голографического изображения, как бы поддерживая точку зрения, согласно которой строго монохроматическая волна всегда когерентна.

На рис. 42, а показана схема записи голограммы по Денисюку. Опорный пучок 1, идущий от лазера, проходит сквозь фотопластинку 2 с толстым слоем эмульсии и, отразившись от предмета 3, создает предметный пучок. Два встречных пучка образуют в пространстве, где они пересекаются, стоячие волны, благодаря чему в светочувствительной эмульсии экспонируются участки, образующие системы полупрозрачных отражающих плоскостей, причем по глубине эмульсии эти плоскости образуют интерференционный монохроматор, а по площади эмульсии элементы плоскостей образуют голограмму данного предмета.

Рис. 42. Схема регистрации голограммы в толстослойной эмульсии по Денисюку и восстановление объемного изображения при освещении голограммы белым некогерентным светом

Для восстановления голографического изображения достаточно осветить фотопластинку обычным солнечным светом или лампочкой накаливания, как показано на рис. 42, б. Отраженные лучи будут по длине волны точно равны длине лучей лазера, который использован при голографировании, а монохроматические лучи, выделенные пластинкой из белого света, будут отражаться в соответствии со структурой голограммы и создадут мнимое объемное изображение. Это изображение будет видно наблюдателю, как сквозь окно. Замечательное свойство такой голограммы в том, что она не создает действительного изображения и не отражает пучок нулевого порядка.

Интересно, что Липпман был очень близок к схеме Денисюка, т. е. он был на пороге открытия голографии еще в 1891 году, но этого открытия он не сделал. Стоячие волны у Липимана были образованы (по современной терминологии) двумя направлениями одной и той же предметной волны, т. е. голограмма у него получиться не могла.