Голография как научный метод исследований

Голография (греч. Holos – весь, полный, grafo – запись, изображение. ) – фотографический метод точной записи, воспроизведения и преобразования волновых полей.

Впервые данный термин был введён Д. Габором в 1947, ему же принадлежит и первый метод получения голограмм.

Методы голографии позволяют записывать и воспроизводить волновые поля различной физической природы, в том числе электромагнитные (видимого, ИК-, радио- и других диапазонов), акустические, электронные и другие.

Поскольку волновые поля возникают только под действием материальных тел, отражая при этом их строение, голографию можно рассматривать как способ полной всесторонней записи волновых полей, различных физических явлений, так и как способ полной всесторонней записи информации об объектах.

Ввиду достаточной сложности и технологической ёмкости процесса записи голограмм, наибольшее распространение получили голографические изображения предметов, создающиеся путём применения когерентных источников света благодаря их наибольшей доступности.

Голограммы имеют большую практическую важность в изучении предметов: так, например, меняя точку наблюдения, можно заглянуть за предмет, увидеть объекты на заднем плане, ранее не доступные взгляду. Кроме того голографические изображения обладают следующими полезными свойствами:

1. Любой, самый маленький ее участок содержит зрительную информацию обо всем предмете. Голограмму можно разбить на несколько кусков, и каждый будет полностью воспроизводить первоначальное изображение.

2. Двумерное голографическое изображение можно увеличить на стадии восстановления.

3. На одну пластинку можно записать несколько голограмм различными способами:

-Используя источники света с разными, но не кратными длинами волн;

-Путём изменения угла между опорным пучком и волновым фронтом, идущим от объекта;

4. Можно получить цветное голографическое изображение предмета, если при изготовлении голограммы использовать 3 монохроматических лазера, излучающие разные длины волн (например, синий, жёлтый и красный лучи). Цветное изображение предмета наблюдается при одновременном освещении голограммы 3 опорными волнами, соответствующими указанным цветам;

В большинстве случаев для восстановления изображения достаточно любой малой части голограммы: если голограмма повреждена или частично уничтожена, она все равно восстановит изображение.

Голограмма летящей пули:

1. Из истории голографии.

Первая голограмма была получена в 1947 году Деннисом Габором в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно.

После создания в 1960 году красных рубинового и гелий-неонового лазеров, голография начала интенсивно развиваться.

В 1962 году была создана классическая схема записи голограмм Эмметта Лейта и Юриса Упатниекса из Мичиганского Технологического Института (голограммы Лейта-Упатниекса), в которой записываются пропускающие голограммы (при восстановлении голограммы свет пропускают через фотопластинку, хотя на практике некоторая часть света от неё отражается и также создаёт изображение, видимое с противоположной стороны).

В 1967 году рубиновым лазером был записан первый голографический портрет.

В результате длительной работы в 1968 году Юрий Николаевич Денисюк получил высококачественные (до этого времени отсутствие необходимых фотоматериалов мешало получению высокого качества) голограммы, которые восстанавливали изображение, отражая белый свет. Для этого им была разработана своя собственная схема записи голограмм. Эта схема называется схемой Денисюка, а полученные с её помощью голограммы называются голограммами Денисюка.

В 1977 году Ллойд Кросс создал так называемую мультиплексную голограмму. Она принципиально отличается от всех остальных голограмм тем, что состоит из множества (от десятков до сотен) отдельных плоских ракурсов, видимых под разными углами. Такая голограмма, естественно, не содержит полную информацию об объекте, кроме того, она, как правило, не имеет вертикального параллакса (т. е. нельзя посмотреть на объект сверху и снизу), но зато размеры записываемого объекта не ограничены длиной когерентности лазера (которая редко превышает несколько метров, а чаще всего составляет всего несколько десятков сантиметров) и размерами фотопластинки. Мало того, можно создать мультиплексную голограмму объекта, которого вовсе не существует! Например, нарисовав выдуманный объект с множества различных ракурсов. Мультиплексная голография превосходит по качеству все остальные способы создания объёмных изображений на основе отдельных ракурсов (например, линзовые растры), однако она всё равно далека от традиционных методов голографии по реалистичности.

2. Основные физические принципы голографии.

Основной принцип, на котором основывается голография, - это принцип интерференции – сложение в пространстве волн, частоты которых достаточно близки или же идентичны. Источником подобных волн является лазер. Если рассматривать пучок света как последовательность волновых фронтов, то лазерный луч представляет собой такой луч, в котором все точки волнового фронта согласованы по фазе.

При записывании голографического изображения предмета на фотографическую пластинку направляют 2 когерентных пучка света: один пучок - отражённый от записываемого объекта (предметный), другой – непосредственно от источника света (опорный). 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.

Впоследствии голографическое изображение восстанавливается путём повторного направления на него пучков света, идентичных использовавшимся при записи голограммы. При этом в пространстве возникнет трёхмерное изображение снятого предмета.

Это объясняется тем, что свет, проходя через картину интерференции, испытывает дифракцию и воспроизводит волновой фронт, исходивший от снятого предмета.

3. Методы записи голограмм.

3. 1Схема записи Лейта-Упатниекса.

В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством, делителем (в простейшем случае в роли делителя может выступать любой кусок стекла), на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и регистрирующую среду (например, фотопластинку). Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале — лазера.

3. 2Схема Денисюка.

В 1962 г. советский физик Юрий Николаевич Денисюк предложил перспективный метод голографии с записью в трехмерной среде. В этой схеме луч лазера расширяется линзой и направляется зеркалом на фотопластинку. Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну. Как видно, объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон (т. н. схема на встречных пучках). В этой схеме записывается отражающая голограмма, которая самостоятельно вырезает из сплошного спектра узкий участок (участки) и отражает только его (т. о. выполняя роль светофильтра). Благодаря этому изображение голограммы видно в обычном белом свете солнца или лампы. Изначально голограмма вырезает ту длину волны, на которой её записывали (однако в процессе обработки и при хранении голограммы эмульсия может менять свою толщину, при этом меняется и длина волны), что позволяет записать на одну пластинку три голограммы одного объекта красным, зелёным и синим лазерами, получив в итоге одну цветную голограмму, которую практически невозможно отличить от самого объекта.

Эта схема отличается предельной простотой и в случае применения полупроводникового лазера (имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применения линз) сводится к одному лишь лазеру и некоторой основы, на которой закрепляется лазер, пластинка и объект. Именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

Схема записи Денисюка:Схема записи Лейта-Упатниекса:

4. Применение голограмм.

Области применения голограмм очень обширны. Благодаря своим уникальным свойствам, они выводят исследования объектов на качественно новый уровень.

Так, например, 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. Более того, этим могут быть существенно уменьшены трудности, связанные с подготовкой образца, в ходе которой объект может оказаться деформированным. Для исследований подобного рода был разработан голографический микроскоп, принцип действия которого основан на освещении голограммы расходящейся сферической волной, что позволяет увеличивать размеры изображения.

Импульсная голография привнесла много нового в интерферометрию - область прецизионной измерительной техники, основанной на применении интерференции. Был создан ряд голографических методов, позволяющих изучать малые деформации предметов. Суть метода заключается в том, что на одной и той же фотопластинке в различные моменты времени записываются 2 голограммы исследуемого объекта.

При восстановлении обе волны, несущие информацию об объекте, накладываются друг на друга. Если за время между экспозициями с объектом произошли какие-либо изменения, то на восстановленном изображении появляется система интерференционных полос.

Расшифровывая полученную интерференционную картину, можно определить происшедшие изменения.

Этот метод позволяет измерять очень небольшие (порядка долей мкм) деформации объектов со сложной формой поверхности, обусловленные вибрацией, нагреванием и так далее. Его можно использовать также для неразрушающего контроля изделий, для исследования взрывов, ударных волн, образующихся, например, при полёте пули для изучения потоков газа в сверхзвуковом сопле, для исследования плазмы.

Благодаря импульсной же голограмме, учёные получили возможность фиксировать и анализировать быстро протекающие процессы.

Большой интерес, например, для ядерной физики и физики элементарных частиц представляет изучение следов (треков) частиц в трековых камерах. Для этой цели пока применяется стереоскопическая съёмка. Голографические методы оказываются здесь весьма эффективными, поскольку они позволяют зафиксировать информацию о всём объёме камеры. При восстановлении можно рассматривать изображение в различных сечениях камеры, что позволяет легко разделить треки, соответствующие разным частицам. Число частиц, регистрируемых на голограмме, может быть очень большим (порядка 1000). Аналогично можно изучать динамику распределения неоднородностей в туманах, жидкостях и других прозрачных средах.

Применение голографии открывает принципиальную возможность создания объёмного цветного телевидения. Действительно, голограмму объекта можно зафиксировать на светочувствительной поверхности передающей телевизионной трубки, а затем передать её по радио- или оптическому каналу. На приёмном конце голограмму можно восстановить, записав её, например, на светочувствительной плёнке. Это позволит наблюдать трёхмерное изображение объекта. Однако реализация такой системы даже для специальных применений пока связана с большими техническими трудностями.

В настоящее время уже созданы голографические принтеры, способные печатать созданные при помощи компьютерного ПО. Они записывают серии точек на регистрирующей среде при помощи зелёного, красного и синего лазеров. Каждая такая точка содержит информацию о всём объекте, полученную с конкретной перспективы.

Также голограммы часто применяются при массовом выпуске продукции для её защиты от подделывания. Так как они записаны с одной мастер-голограммы, то их подделывание требует больших материальных затрат и сложного оборудования.

Голографический метод применим также в случаях звуковых и ультразвуковых волн. Если на объект, помещенный в непрозрачную жидкость, воздействовать звуковым генератором, то на поверхности жидкости можно создать звуковую голограмму. Для этого необходим вспомогательный источник звука, создающий опорную волну. Если звуковую голограмму, образующуюся в результате интерференции звуковых волн (опорной и сигнальной), осветить лазером, то можно увидеть объёмное изображение предмета. Голографическое «звуковидение» важно, в частности, для исследований внутренних органов животных и людей.

Рассматриваются варианты создания систем памяти, а также вычислительных и кодирующих устройств, основанных на голографическом методе. Всё это благодаря тому, что оптический метод записи информации имеет своё определённый предел в плане объёма информации, достигнутый в дисках формата Blue-ray, В то время как голограммы, записанные на кристаллах или фотополимерах, позволяют хранить огромное количество информации.

Сейчас очень популярным становится использование голограмм в искусстве, в частности в США существуют школы подобного рода, а в Японии с помощью компьютера была смоделирована голографическая певица, движении которой очень похожи на человеческие.

Звуковая голография:

Заключение

В данной работе я хотел рассказать об основах голографии и голографического принципа, указать на его особенности и затронуть применение голографии в различных сферах.

Голография как метод исследования физических процессов и объектов имеет важное практическое значение для науки, выводя исследования в некоторых её областях на принципиально новый уровень. Всё это будет способствовать дальнейшему развитию и применению голографии.