Файл: Вьено, Ж. -Ш. Оптическая голография. Развитие и применение.pdf

скопа, на отверстии диаметром в несколько микрон и тщательное устранение паразитного света).

Все это приводит к заметным потерям энергии и иногда ставит под угрозу саму возможность получения голограммы. Собственно в связи с этим обстоятельством идеи Габора не могли быть осуще­ ствлены до 1963—64 гг., и именно поэтому голография начала затем очень быстро развиваться, когда открылась возможность систематического использования свойств лазерных пучков: их высокой интенсивности, монохроматичности и направленности.

Лазеры с непрерывным излучением. Такие лазеры дают тон­ кие пучки высоко когерентного света. В настоящее время спектр их мощностей простирается от нескольких десятков милливатт (вы­

или девять различных длин волн в красной, желтой, синей облас­ тях и даже за пределами видимой фиолетовой области спектра). Мощность в несколько милливатт, даваемая обычными моделями гелий-неонового лазера, позволяет регистрировать голограммы поверхностью около 500 см 2 при временах экспозиции меньше се­ кунды.

Импульсные лазеры. Энергия этих лазеров излучается в очень короткий промежуток времени: несколько десятков наносекунд — типичная продолжительность элементарного импульса. Частота повторения импульсов обычно невелика (несколько герц или де­ сятков герц), но для ограниченного числа импульсов она может быть увеличена. Когерентность этих лазеров, активной средой которых служит обычно кристалл или активированное стекло, часто меньше, чем когерентность «непрерывных» лазеров1 . Тем не менее краткость излучения делает их очень удобными для изучения быстро протекающих процессов, например в динамической голографии.

Голографирование неподвижных объектов достигло очень вы­ сокого совершенства, особенно в том, что касается восстановления изображения мелких деталей объекта и точного воспроизведения его рельефа, если регистрация производится, например, в красном

1 Существующие в настоящее время импульсные лазеры большой ко­ герентности очень маломощны, поэтому для голографирования крупных объ­ ектов требуется усиление.

цпонную картину 1 . Следовательно, дл я получения голограммы оп­ тические пути лучей от источника до пластинки, проходящих че­ рез объект и падающих на пластинку, должны отличаться между собой меньше, чем набщахДлина когерентности тем больше, чем меньше относительная ширина спектральной линии. Таким обра­ зом, мы пришли к выводу о практической важности монохроматич­ ности излучения.

1 а) Пусть источник излучает на двух длинах волн Яі н Яг,разделенных интервалом ДЯ. Колебания каждой длины волны, попадая в интерференцион­ ный прибор (например, щели Юнга), образуют свою систему интерферен­ ционных полос (Яі) или (Яг). На схеме видно, что смещение одной системы

W (h)

полос относительно другой возрастает с увеличением дифракционного по­ рядка р — (ô/Я). Если относительное смещение равно половине расстояния между полосами (с одной и с другой стороны от центра О), то картины взаим­ но гасят друг друга. То есть интенсивность результирующей картины равна нулю. Чтобы полосы были еще различимы, необходимо условие Др< 1. С дру­

представляет собой оценку временной когерентности и определяет длину когерентности, т. е. с экспериментальной точки зрения верхний предел разности хода. В голографии следует ограничиваться разностью хода, на­ много меньшей этого предельного значения.

Например, ширина полосы Дѵ высокостабильного излучателя, работаю­ щего на частоте 1 МГц, может быть порядка Ю - 3 Гц, что соответствует длине

менее высокая когерентность этого типа лазеров позволяет допускать боль­ шие разности хода, т. е. дает возможность голографировать крупные объекты и сцены глубиной порядка нескольких метров.

2. Степень пространственной когерентности соответствует сте­ пени взаимной корреляции интерферирующих колебаний, испус­ каемых различными точками источника1 .

Устойчивость установки

Смещение одного светового пучка относительно другого. Из ­ вестно, что голограмма регистрирует фазу, характеризующую разность оптических путей падающих пучков. Всякое смещение одного из пучков относительно другого влечет за собой изменение соответствующего оптического пути и, следовательно, фазы в плос­ кости голограммы. Следствием такого смещения во время экспози­ ции будет «непрерывное» наложение на голограмму систем интер­ ференционных полос, соответствующих каждому отдельному мо­ менту экспозиции, что приведет к появлению паразитных эффектов во время восстановления. Этой временной суперпозиции соответствует при восстановлении суперпозиция когерентных изображений, сдви­ нутых друг относительно друга по закону, который связывает их с положением объекта в каждый данный момент времени.

В результате изображение будет не только размытым, но и будет сопровождаться системой интерференционных полос, характери­ зующей смещение объекта (фиг. 37).

Являющееся помехой в большинстве случаев наложение интер­ ференционных полос становится очень ценным в методе интерферен­

голографии). Если относительное смещение пучков во время экс­ позиции слишком велико, то полосы на восстановленном изобра­ жении будут очень близко расположены, что сильно ухудшит ви­ димость изображения самого объекта. В пределе изображение объекта исчезнет совсем.

Смещение фотопластинки. Фаза, зарегистрированная на голо­ грамме, зависит также от положения фотоэмульсии по отношению к обоим световым пучкам. Всякое перемещение, всякая деформация фотопластинки влекут за собой изменение оптических путей. Эти изменения отличаются от рассмотренных выше, но тоже приводят к появлению интерференционных полос, локализованных в плос­ кости голограммы (фиг. 38). В некоторых случаях этот эффект мож­ но уменьшить. При достаточно большом расстоянии между поло­ сами изображение рассматривают сквозь светлую полосу. Если же полосы сжаты, то перед голограммой помещают объектив с большой

1 Можно показать, что степень взаимной когерентности для двух точек плоскостного отверстия, расположенного на большом расстоянии от источника, дается преобразованием Фурье распределения энергии на эффективном источ­ нике (теорема ван Циттерта — Цернике).

были незаметны. Тем не менее слишком сильное смещение пласти­ нок во время экспозиции делает восстановление изображения совер­ шенно невозможным.

Причины смещения и способы их устранения. Паразитные смещения и деформации могут быть вызваны двумя категориями явлений.

Тепловые явления. Обычно фотопластинку устанавливают неза­ долго до регистрации голограммы. Прикосновение пальцев экспери­ ментатора вызывает местное повышение температуры и деформацию желатина вследствие его расширения. Эта деформация постепенно исчезает при возвращении к тепловому равновесию. Следовательно, необходимо дождаться установления равновесия, чтобы перейти к собственно фотографированию. Такие же меры предосторожности должны быть приняты по отношению ко всем элементам, с которыми манипулируют перед началом эксперимента.

Турбулентность воздуха вызывает случайные локальные из­ менения показателя преломления, а значит, и дополнительные из­ менения фазы, если пути световых лучей в воздухе велики. Часто бывает, что основной причиной, вызывающей появление этих турбулентностей, является само присутствие экспериментатора около установки. Д л я устранения подобных возмущений удобно помес­ тить установку внутрь камеры, защищающей ее от внешних воз­ действий.

за счет установления механического равновесия. Следовательно, нужно т а к ж е ждать, пока наступит статическое равновесие всей установки. Внешние удары и вибрации (механические и акусти­ ческие, причиной которых может быть хлопанье дверей, работаю­ щие неподалеку механизмы, близость метро или уличного движе­ ния и т. д.) передаются рабочему столу через землю и д а ж е через воздух. Если нет возможности расположить лабораторию в дос­ таточно спокойном месте1 , нужно принять следующие меры предос-

1 Например, в термостатической и аэростатической лаборатории фа­ культета точных наук в Безансоне установки собраны на металлических опти­ ческих скамьях, покоящихся на прокладках из нескольких слоев различных материалов (дерево, резина разной консистенции, прессованные материалы). Все это установлено на гранитном столе, который опирается на амортизаторы н баки с песком. Каждая составная часть имеет под собой одну пли две плиты (эластичные соединения). Амплитуда колебаний на уровне объекта и пласти­ нок остается меньшей 0,1 мкм для частот возмущающих колебаний от 0 до нескольких десятков килогерц, несмотря на то что шум за дверью лаборато­ рии превышает 90 дБ (в лабораторию ведет единственный вход, за которым располагаются компрессоры, регулирующие давление). Конечно, столь бла­ гоприятная ситуация встречается чрезвычайно редко, и требования, которые необходимо выполнять для проведения даже довольно тонких эксперимен­ тов, не столь драконовские.