Физические принципы и основы голографии

Современная физика помогает людям творить чудеса. Одним из самых интересных открытий XX века стала голограмма.

Голографическое изображение позволяет видеть предмет в объеме. Но самое интересное и необычное заключается в том, что пластинка, обработанная специальным методом, сохраняет информацию в каждой своей части. Если пластинка расколется, то в каждом осколке будет целое изображение объемного предмета! То есть в любой части носителя хранится информация о целом.

Нам интересно это явление не только само по себе, но и в связи с тем, что в последние годы высказывались предположения об устройстве Вселенной по принципу голограммы. В каждой своей части Вселенная таит полную информацию обо всем.

Тема параллельных миров может быть раскрыта не только при изучении космических пространств, но и при исследованиях знакомого и близкого земного пространства. Изучать не только вширь, но и вглубь — этот принцип примиряет ученых разных специальностей и энтузиастов, приносящих порой странные сообщения в архив наблюдений. Но общими усилиями мы создаем картину мира. Итак, познакомимся с голографией.

Голография — метод получения объемного изображения объекта путем регистрации и последующего восстановления волн. Волны могут быть при этом любые — световые, рентгеновские, корпускулярные, акустические и т. д. Метод получения голограммы изобрел английский физик венгерского происхождения Д. Габор в 1948 году.

Слово голография в переводе с греческого означает весь., целый. Этим названием изобретатель хотел подчеркнуть, что в голографии регистрируется полная информация о волне — как амплитудная, так и фазовая.

В обычной фотографии регистрируется лишь распределение амплитуды (точнее, ее квадрата) в двухмерной проекции объекта на плоскость фотоснимка. Поэтому, рассматривая фотографию под разными углами, мы не получаем новых ракурсов, не можем, например, увидеть, что делается за предметами, расположенными на переднем плане.

Голограмма же восстанавливает не двухмерное изображение предмета, а поле рассеянной им волны. Смещая точку наблюдения в пределах этого волнового поля, мы видим предмет под разными углами, ощущая его объемность и реальность.

Физическая основа голографии — учение о волнах, их интерференции и дифракции, зародившееся еще в XVII веке при Гюйгенсе. Уже в начале XIX века Юнг, Френель и Фраунгофер располагали всеми научными возможностями, чтобы сформулировать основные принципы голографии. Многие ученые во второй половине XIX и начале XX века — Кирхгоф, Рэлей, Аббе, Вольфке, Брэгг — подходили к принципам голографии достаточно близко. Можно это объяснить тем, что они не имели технических средств для реализации голографии.

Правда, Габор в 1947 году также не имел лазера и делал свои первые опыты с ртутной лампой в качестве источника света. И тем не менее Габор смог с полной определенностью сформулировать идею восстановления волнового фронта и указать метод ее осуществления.

Но развитие голографии шло медленно. В 1963 году американцы Э. Лейт и Ю. Упатниекс впервые получили лазерные голограммы. За год до этого они предложили свою «двухлучевую схему», значительно усовершенствовав исходную схему Габора.

В соответствии с принципом Гюйгенса — Френеля действие исходной, первичной волны в произвольной точке А можно заменить действием виртуальных источников, расположенных на достаточно обширной, удаленной от точки А поверхности. Эти источники должны колебаться с теми же амплитудой и фазой, которые заданы дошедшей до них первичной волной, рассеянной каким-либо предметом. Элементарные сферические волны, испускаемые вторичными источниками, интерферируя, восстановят за поверхностью копию первичного волнового поля. Глаз или любой другой приемник не сможет отличить эту копию от поля волны, рассеянной самим предметом, и наблюдатель, таким образом, увидит мнимое изображение этого предмета, хотя он уже убран.

На чем основан принцип голограммы, понятно. Но остановимся подробнее на вопросах, касающихся природы света и его свойств. Это позволит ответить на вопрос, каким же образом волна может нести в себе информацию о предмете.

Процесс видения окружающих нас предметов осуществляется с помощью физического носителя, именуемого светом. По определению, слово свет означает оптическое излучение, видимое человеческим глазом. Свет представляет собой психофизическое понятие. Физическая природа света та же, что и радиоволн, — это распространяющиеся в пространстве электромагнитные колебания, разница в частотном диапазоне колебаний. Если в радиотехнике частотный диапазон простирается приблизительно до 100 миллионов герц (колебаний в секунду), то частотный диапазон световых волн примерно в 10 миллионов раз выше.

Изменение частоты световых колебаний воспринимается нашим глазом как изменение цвета. Так, наиболее медленно изменяющиеся из видимых глазом световых волн соответствуют красному цвету. Наиболее быстро изменяющиеся световые волны имеют примерно в 1,5 раза большую частоту и соответствуют фиолетовому цвету.

Как принято в современной физической картине мира, свет распространяется в пространстве с наивысшей возможной скоростью (с = 300 тыс. км/с). Быстрее света ничто не может двигаться. За время одного периода световых колебаний, соответствующих красному цвету, световая волна проходит путь от 770 до 620 нанометров. Этот путь представляет собой длину световой волны — расстояние в пространстве, на котором повторяются одинаковые фазы колебаний электромагнитного поля, например максимумы электрического поля.

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, восстановления и преобразования волн. Совокупность таких методов называется голографическим процессом.

ОБРАЗОВАНИЕ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Голография обязана своим возникновением основным законам волновой оптики — законам интерференции и дифракции. Для понимания принципов голографии рассмотрим взаимодействие двух волновых фронтов.

Предположим теперь, что на некотором расстоянии друг от друга находятся два источника, испускающие сферические волны одинаковой частоты и амплитуды. 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. 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 связана с регулярностью фазы световой волны вдоль направления ее распространения.

Все эти сложности можно трансформировать в простые примеры из привычной физической картины. Так, свет с высокой степенью временной когерентности можно описать, считая, что все гребни волн должны распространяться в пространстве на строго определенных, одинаковых друг от друга расстояниях. Если гребни какой-либо плоской световой волны неожиданно «собьются с шага» так, что интервал между последующими гребнями увеличится, 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 хаотично. 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 временной когерентности. Самые совершенные источники монохроматического света (нелазерного типа) обычно имеют длину когерентности менее одного миллиметра, тогда как длина когерентности лазера может достигать одного километра.