Голографичечские оптические элементы

Восстановление изображения голограммой происходит благодаря тому, что интерференция и дифракция инвариантны, эти два явления описываются практически одинаковыми уравнениями. Результат сложения интерференционных картин от множества точек материального тела будет обладать всеми вышеперечисленными свойствами. Голограмму протяженного объекта можно рассматривать как суперпозицию (сумму) элементарных голограмм множества геометрических точек, составляющих объект. Это и является принципом голографии, предложенным Денисом Габором.

Особенности голографической схемы Габора:

• впервые реализована идея «восстановления волн»;
• позволяет восстановить амплитуду и фазу объектной волны;
• низкая пространственная частота регистрируемой

интерференционной картины;

• при освещении голограммы наблюдаются два изображения,

накладывающиеся друг на друга;

• возможна регистрация только прозрачных объектов;
• использование источников монохроматического излучения при

считывании.

В настоящее время голограммы Габора применяются для

регистрации пространственных ансамблей частиц малых размеров, при

изготовлении осевых голограммных элементов. На рис.6 показана

возможность использования схемы Габора для получения

непрозрачных объектов.

Рис.6. Практическая реализация схемы Габора для получения

голограмм непрозрачных рассеивающих объектов.

 

3. РАБОТЫ ЮРИЯ ДЕНИСЮКА

Изучив опыт Габриэля Липпмана и теорию Дениса Габора, в 1961 году свои первые голограммы получил в Советском Союзе молодой ученый Юрий Николаевич Денисюк.

Голограммы Денисюка, так же, как у Габора, в силу низкой когерентности источников света были осевыми, но при их записи свет интерферировал во встречном направлении.

Рис.7. Схема записи и восстановления голограммы Денисюка.

В схеме Денисюка картина интерференции световых фронтов, бегущих навстречу друг другу позволяла фиксировать не только амплитуду и фазу (информацию о трехмерной сцене), но и частоту волны (цвет), как в методе Липпмана. Это открывало перспективу записи цветных голограмм и восстановления их источниками "белого" цвета.

Схема регистрации голограммы, когда фотопластина с прозрачной фотоэмульсией устанавливается между объектом и источником света, с тех пор называется "запись голограммы во встречных пучках" или схемой Денисюка. Результат тогда мало кого впечатлил, так как по причине низкой когерентности света, использованного при записи, объем в изображении только угадывался. В начале шестидесятых годов двадцатого века появились лазеры - удивительные источники излучения высокой когерентности.

Особенности схемы Денисюка:

• положила начало объемной голографии;
• позволяет восстановить амплитуду, фазу и спектральный состав

объектной волны;

• позволяет наблюдать изображение объекта при освещении

голограммы белым светом;

• нечувствительна к вибрациям элемента «объект-регистрирующая

среда»;

• требует высокой разрешающей способности регистрирующей

среды.

На рис.8 приведены примеры практической реализации схемы

Денисюка при получении голограмм.

Рис.8. Возможные практические реализации схемы Денисюка.

Для получения голограмм Денисюка используют прозрачные регистрирующие материалы с высоким разрешением (порядка 5000 мм-1) и методы постэкспозиционной обработки, пригодные для получения фазовых либо амплитудно-фазовых голограмм. Голограммы Денисюка широко используются для получения изобразительных голограмм и голограммных оптических элементов. Голограмма Денисюка, впервые полученная автором в 1962г на липпмановских прозрачных галоидосеребряных фотоматериалах с использованием в качестве источника излучения ртутной лампы, явилась экспериментальным обоснованием метода Денисюка.

 

2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГОЛОГРАФИИ
1. ГОЛОГРАММА-ЛИНЗА

Голограмму можно рассматривать не только как результат записи волнового поля, но также как изображающий оптический элемент. Известно, что свойства линзы проявляют зонные пластинки (решетки). Под термином зонная пластинка обычно понимают зонную пластинку Френеля, состоящую  из чередующихся светлых и темных колец, которые ограничены окружностями с радиусами

,                                                                                        (1)

где п – целое число, λ - длина волны света с плоским волновым фронтом, которая, падая на пластинку, фокусируется на расстоянии . Выражение (1) справедливо в предположении, что n λ очень мало по сравнению с расстоянием . Из соотношения (1) далее видно, что совокупность окружностей, которым соответствуют четные п можно рассматривать как зонную пластинку, которая имеет двойное фокусное расстояние 2, совокупность окружностей с n, кратными трем – как пластинку с утроенным r фокусным  расстоянием и т. д.

Вследствие симметрии перед зонной пластинкой также существует соответствующие фокусы, расположенные симметрично тем, которые расположены за пластинкой.

Такая пластинка Френеля с прямоугольным радиальным распределением почернения может выполнить функцию изображающего оптического элемента. Недостатком, однако, является возникновение большего числа изображений, расположенных на оси, совпадающей с главным лучом пучка нулевого порядка дифракции.

Косинусоидальное распределение почернения в зонной пластинке может быть получено при регистрации голограммы точки по схеме Габера в случае, если процесс регистрации и проявления будет линейным. При выполнении этих условий образуется только дифракционные порядки, а значит, и только два фокуса.

Рис. 9. Зонная пластинка Френеля.

Зонную пластинку с косинусоидальным распределением почернения можно получить в виде голограммы, на которой записан результат интерференции плоской и сферической волн по схеме Габора при условии линейности процесса регистрации. В этом случае образуются только ±1-с дифракционные порядки, т.е. только два фокуса. В случае схемы Лейта оба изображения пространственно разделены между собой и с пучком нулевого порядка.

Рис.10. Голограмма точки как оптический элемент.

На рис. 10 представлен пример построения изображения прозрачного предмета Т, помещенного в восстанавливающий пучок С.

При этом возникают основное изображение , которое является действительным, и вторичное изображение , которое является мнимым. Характер изображений изменится, если повернуть голограмму на вокруг оси, перпендикулярной к плоскости чертежа. Своеобразной формой зонной пластинки является так называемый киноформ. Это такая искусственно изготовленная зонная пластинка, которая дает только одно изображение. При этом почти вся энергия восстанавливающего излучения сосредоточена в этом изображении.

Киноформом также считают объемную голограмму, образующую единственное изображение и обладающую низкой угловой селективностью. Такими свойствами обладает отражающая фазовая объемная голограмма, которая должна быть достаточно толстой, чтобы большая часть энергии восстанавливающего пучка приняла участие в формировании изображения, а пучок нулевого порядка имел как можно меньшую интенсивность,

Настоящий киноформ, однако, является фазовой голограммой точки, ход изменения фазы которой таков, чтобы все излучение, при восстановлении дифрагировало в один из первых порядков.

Рис. 11. Профиль рельефа киноформа.

Поскольку тонкая фазовая голограмма обычно имеет некоторый рельеф, то в качестве регистрирующей среды для ее получения используется бихромированная желатина. Профиль ее рельефа очень сходен с зонной линзой Френеля, имеющей малую толщину (рис.11).

Необходимый профиль киноформа можно изготовить искусственно с помощью электронной вычислительной машины либо, посредством фотографирования ньютоновых полос равной толщины, когда во время экспозиции производят программированное, передвижение оптических деталей, которые образуют кольца Ньютона таким образом, чтобы получалась необходимая зависимость почернения.

При освещении голограммы-линзы плоской волной возникают две сферические волны: сходящаяся и расходящаяся. Голографическая линза одновременно выполняет функции двух линз - выпуклой (положительной) и вогнутой (отрицательной). Направления распространения образованных сферических волн зависят от направления восстанавливающей плоской волны.

Схема получения голографической линзы приведена на рис.12. С помощью линзы Л и микродиафрагмы Д создается точечный источник сферической волны. На заданном расстоянии от точечного источника устанавливают фотопластинку Ф, освещаемую также опорной плоской волной Р. Интерференционная картина регистрируется на фотопластине с последующей фотохимической обработкой, предусматривающей, как правило, отбеливание.

Рис.12. Схема получения голографической линзы (а) и построения изображения (б).

Голографическая линза - это оптический элемент с двумя фокусными расстояниями: для основного () и сопряженного () изображений. Положения двух изображений связаны формулой .

Как видим, это выражение не зависит от положения источника сферической волны при получении и определяется только положением предмета Т относительно голографической линзы.

 

2. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ

Наиболее распространенный вид голографических оптических элементов - именно голографические дифракционные решетки, представляющие собой зарегистрированную на светочувствительном материале картину интерференции двух световых пучков. Параметры голографических решеток можно изменять в широком диапазоне с помощью схемы записи и формы поверхности, на которой регистрируется решетка.

Так, при изготовлении голографической решетки ей можно придавать любые фокусирующие свойства, например, получать плоские голограммы, аналогичные по своему действию вогнутой решетке, но лишенные астигматизма последней. Голографический метод позволяет формировать дифракционные решетки с любым распределением эффективности по дифракционным порядкам. Для этой цели может быть использована оптическая схема пространственной фильтрации.

В случае падения на светочувствительный слой двух параллельных пучков под углами φ друг к другу расстояние между интерференционными полосами определяется как . При увеличении угла φ и уменьшении длины волны λ расстояние между штрихами уменьшается. В пределе при φ→π, d→. Есть сообщения о промышленном изготовлении дифракционные решетки с пространственной частотой до 6000 линий/мм.

Преимущество голографического метода еще и в том, что решетки могут быть изготовлены весьма больших размеров (до 600 × 400 мм).

Производство голографических решеток существенно дешевле, чем изготовление нарезных решеток, поскольку они изготавливаются как единое целое без использования сложных механических устройств. Также   дифракционные решетки превосходят обычные, нарезанные механическим способом, по таким параметрам, как максимальная пространственная частота и размеры, отношение сигнал/шум, возможность коррекции аберрации и др. Кроме того, голографические решетки не имеют дефектов, которые могут иметь место при нарезании отдельных штрихов.

Голографические дифракционные решетки, изготовленные на фотографическом материале, показали принципиальные возможности голографии при создании спектроскопических решеток. Однако их практическое использование до сих пор остается проблематичным, поскольку oни имеют относительно малую дифракционную эффективность и обладают большим светорассеянием.

Более пригодны в практическом отношении голографические решетки, полученные на бихромированной желатине, которая не имeeт зернистой структуры, что дает возможность регистрировать пространственные частоты более 4000 лин/мм. Кроме того, в этом случае дифракционная эффективность достигает величины 90%, т. е. получаются профилированные решетки с большим числом линий на миллиметр, которые практически невозможно изготовить классическими методами. Рассеяние излучения не должно превышать величины интенсивности сигнала.

Решетки могут изготавливаться с использованием материала разной толщины. При этом могут быть получены решетки, которые при фиксированном угле падения позволяют одновременно исследовать больший или меньший диапазон спектра. Посредством вращения решетки можно последовательно пройти более широкую спектральную область. Поэтому было бы весьма целесообразным применять объемные голографические решетки в монохроматорах. Работающие на пропускание решетки, зарегистрированные на бихромированной желатине, не очень удобны при работе в близкой инфракрасной области спектра, поскольку обладают поглощением в диапазоне от 2,6 до 5,8 мкм и от 5,8 до 8,5 мкм. Это поглощение в основном обусловлено наличием воды в слое.

Голографические решетки являются стабильными в отношении воздействия окружающей среды, кроме относительной влажности, превышающей 50%. Термическая обработка голографических решеток с целью исключения влияния влажности не приводит к изменению их свойств.

 

3. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ МУЛЬТИПЛИКАТОРЫ

Мультипликация (размножение) изображений занимает важное место в технологии производства интегральных схем для микроэлектроники. Мультиплицирование требуется при использовании группового метода изготовления изделий, в многоканальных системах обработки информации, а также в системах хранения и размножения информации и др.