Оптика - раздел физики, в котором изучаются оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света с веществом, - относится к числу наиболее старых и хорошо освоенных областей науки. Интерес к оптическим явлениям понятен. Около 80-85% информации об окружающем мире человек получает через зрение. Оптические явления воспринимаются совершенным оптическим прибором - человеческим глазом, являющимся основным орудием познания мира. Оптические явления всегда наглядны и поддаются количественному анализу. Очень многие основополагающие понятия, такие, как интерференция, дифракция, поляризация и др., пришли в физику из оптики и в настоящее время широко используются в областях, далеких от оптики, благодаря их предметной наглядности и отточенности теоретических представлений.
Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика как наука закончила развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли революционные изменения, связанные как с открытием новых закономерностей (принципы квантового усиления, лазеры), так и с развитием идей, основанных на классических и хорошо проверенных представлениях. Здесь прежде всего имеется в виду голография, которая значительно расширяет область практического использования волновых явлений и дает толчок теоретическим исследованиям.
Термин "голография" (от греч. holos - весь и grapho - пишу) был введен Денисом Габором для обозначения метода фотографической точной записи воспроизведения и преобразования волновых полей, предложенного им в 1948 году. Прежде чем излагать основные принципы голографии, рассмотрим подробнее, какие параметры электромагнитной волны ответственны за те самые 80-85% информации, которые воспринимаются зрением. Здесь и далее, за исключением специально оговоренных случаев, будем пользоваться некоторой идеализацией реального оптического излучения, которую будем называть монохроматической плоской электромагнитной волной (МПЭВ). Смысл МПЭВ поясним в процессе изложения.
Зависимость от координаты х и времени t напряженности электрического (магнитного) поля Е в такой волне описывается простым гармоническим законом
 . | (1) |
Здесь E0 - амплитуда электрического поля,  - циклическая частота, связанная с обычной частотой  , выраженной в герцах, соотношением
 . | (2) |
Волновой вектор K выражается через длину волны  :
 , | (3) |
частота , длина волны и скорость света С связаны соотношением
 .  - начальная фаза, которая определяется выбором начала отсчета времени.
Амплитуда электрического поля E0 определяет яркость (освещенность) рассматриваемого предмета. При этом
 , | (4) |
где I - интенсивность света, обозначающая мощность светового излучения, проходящего через единицу поверхности. Таким образом, E0 является первым параметром, который несет информацию о предмете. Вторым параметром МПЭВ, несущим информацию о предмете, является частота (цвет). Волна с определенным значением  называется монохроматичной (одноцветной).
Введенное соотношением (1) понятие монохроматичной плоской электромагнитной волны означает следующее. Напряженность электрического поля зависит только от одной пространственной координаты х. Во всех точках плоскости, перпендикулярной оси x, значение E одинаково. Это и есть плоская волна. Оптическая система глаза фокусирует излучение плоской волны в виде точки на сетчатке глаза. Если рассматривать предмет, то каждая точка этого предмета излучает волну, которую на достаточно большом удалении можно считать плоской. Таким образом, все точки предмета отображаются в виде точек на сетчатке глаза, что и дает его плоское изображение.
В реальной ситуации напряженность электрического поля зависит не только от х, но и от других пространственных координат у и z достаточно сложным образом. Эта зависимость определяется распределением излучающих свет источников. Кроме того, набор частот реальных источников света не ограничен одним значением, а захватывает некоторый частотный диапазон (немонохроматичность). Однако в большинстве реально встречающихся ситуаций для оптического излучения справедлив принцип суперпозиции, что позволяет разложить любые волновые поля на бесконечную сумму плоских монохроматических волн вида (1). Таким образом, принцип суперпозиции позволяет рассматривать отдельно любую из плоских монохроматических компонент в отдельности, а общее волновое поле получать путем сложения плоских волн.
Итак, глазом воспринимаются только три параметра: интенсивность  , цвет (), направление распространения МПЭВ.
Та часть информации, которая связана с членом Кх в (1), глазом не воспринимается. Поскольку в произведение входит координата х, то есть расстояние от точки предмета до глаза, то мы не можем воспринять разницу расстояний до двух разных точек предмета. Конечно, это относится только к двум точкам, которые удалены от глаза на не слишком большое расстояние. Кроме того, у нас есть два глаза и изображение предмета в каждом получается хоть и плоским, но воспринятым разнесенными в пространстве глазами. Это дает ощущение объемности предмета (стереоэффект). Подчеркнем, однако, что ощущение объемности скорее проявление аналитической способности нашего мозга, чем способности воспринять объем глазом как оптическим инструментом.
Парадоксально, но природа в процессе эволюции не выработала механизма, позволяющего фиксировать органами зрения фазу, в которой заключена огромная часть информации об объеме предмета и большую часть которой мы теряем. По-видимому, это целесообразно. Ведь длины волн видимого диапазона лежат в пределах от 0,4 до 0,7 мкм. Это означает, что любой фазочувствительный метод позволял бы различать расстояния с той же точностью. Такая точность просто не нужна для нормальной жизнедеятельности, и, кроме того, построить фазочувствительной аппарат непросто, хотя и возможно. Такие построенные на основе эффекта интерференции приборы называются интерферометрами.
Этот же эффект лежит и в основе голографии. Прежде всего вспомним само понятие интерференции. Под интерференцией волн понимается взаимное усиление или ослабление волн при их наложении друг на друга при одновременном распространении в пространстве.
Попробуем уяснить принципы голографии сначала на простейшем примере. Пусть у нас есть две МПЭВ, такие, что частоты их одинаковы, векторы электрических полей лежат в одной плоскости, а направления их распространения отличаются на угол Q'. В пространстве эти волны создадут интерференционную картину, при этом максимум интенсивности будет соответствовать поверхностям, на которых фазы обоих полей либо одинаковы, либо отличаются на  .
Рассмотрим простейший пример (рис. 1, а). Волна 1, которую будем называть предметной, распространяется под углом Q' к перпендикуляру, восстановленному к плоскости А. Волна 2 распространяется перпендикулярно этой поверхности и будет называться опорной. В результате интерференции этих волн на плоскости будет наблюдаться интерференционная картина, представляющая собой чередование равностоящих друг от друга параллельных полос с максимальной и минимальной интенсивностью. Пространственный период этой картины, или расстояние между максимумами (минимумами), определяется разностью хода между участками волнового фронта в волнах 1 и 2. Введем в плоскости А ось y, лежащую также и в плоскости рис. 1, а. Поверхность одинаковой фазы в волне 2 совпадает с плоскостью А. Сечение поверхности одинаковой фазы в волне 1 плоскостью рисунка совпадает с отрезком а. Тогда разность хода  в точке плоскости А с координатой у1 (см. рис. 1)
 |
| Рис. 1. Схема записи (а) и восстановления плоской волны (б): 1 - предметная волна, 2 - опорная волна, Q' - угол падения предметной волны, А - плоскость фотопластинки, d - расстояние между максимумами интерференционной картины, yn , yn-1 - координаты максимумов по оси y |
 . | (5) |
Максимум интенсивности интерференционной картины в плоскости А соответствует значениям  , где n - целое число. Расстояние d между максимумами
 . | (6) |
Поместим в плоскости А фотопластинку и засветим ее. При правильном выборе экспозиции и режима обработки (проявление и закрепление) мы получим на пластинке изображение интерференционных равностоящих полос с большим пропусканием света в минимумах картины и меньшим в максимумах. Полученный фотоснимок представляет собой дифракционную решетку с периодом d. Осветим эту решетку опорным излучением (волна 2 ) (см. рис. 1, б ). В результате дифракции опорного пучка на решетке с синусоидальным пропусканием возникают несколько волн. При этом нас интересует только одна волна, которая дифрагирует в направлении, соответствующем главному максимуму дифракции (m = 1). Ее направление определяется условием
 . | (7) |
Сравнение (7) с выражением (6) для периода дифракционной решетки дает Q' = Q. То есть свет на нашей решетке дифрагирует под углом Q', что аналогично восстановлению предметной волны. Таким образом, фотографическая запись интерференционной картины двух плоских волн при последующем освещении изображения опорной волной позволяет восстановить другую, предметную.
Проведенное рассмотрение на первый взгляд относится только к интерференции МПЭВ. В действительности все значительно сложнее, но может быть понято на основе рассмотренной нами идеализации МПЭВ.
Написать комментарий
|
