Файл: Применения лазеров..pdf

поля объекта, вследствие чего голографическая схема, предложенная Лейтом и Упатником [71], приобрела широ­ кую известность как голография Фурье [117].

г

t f

Голограмма

а

Ф и г . 4. Регистрация (а) и восстановление (б) фурье-голограмм. Метод приближенной регистрации фурье-голограмм (в).

Голограммы Фурье можно получить различными спо­ собами. При этом опорный пучок может проходить или не проходить через линзу и может иметь различную форму. На фиг. 4, а показана наиболее часто применяемая сис­ тема для формирования коллимированного опорного пучка.

Голограмма представляет собой интерференцию фурьеобраза объекта и опорного пучка. Если записать выраже-

риодическую интерференционную картину с гармони­ ческим распределением интенсивности, а голограмма представляет собой набор таких периодических картин. При освещении голограммы, например, коллимированным пучком каждая такая интерференционная картина обра­ зует один дифрагированный пучок нулевого и два пучка первого порядка. Таким образом с помощью линзы будут получены два действительных изображения по разные сто­ роны от изображения нулевого порядка (фиг. 4, б).

Другой способ регистрации голограмм Фурье демон­ стрируется на фиг. 4, в. Голограмма при этом регистрирует­ ся в дальнем поле. Приближенные формы этого метода ус­ пешно использовались в работах [115] и [117]. Достоин­ ство метода состоит в том, что при регистрации требуется значительно меньшее разрешение, поскольку опорный пу­ чок и дифрагированная объектом волна имеют примерно одинаковую кривизну фронта, и, следовательно, резуль­ тирующая интерференционная картина обладает относи­ тельно большим периодом [151].

В заключение отметим большую роль метода внеосевого опорного пучка в развитии голографии. Этот метод исполь­

Поскольку голография — это двухэтапный когерентный процесс получения изображений, не удивительно, что пер­ вым ее применением было формирование изображений.

В этой области существует ряд проблем, которые не могут быть удовлетворительно решены обычными методами. Поэ­ тому целесообразно было попытаться использовать голо­ графию для получения изображений, ранее недоступных или более высокого качества. Первое эффективное приме­ нение голографии, рассматриваемое здесь в качестве иллю­ страции, относится к этому типу. Рассмотрим проблему получения изображения большого числа малых под­ вижных объектов, положение которых не известно. В обыч­ ных методах можно сфокусировать оптическую систему лишь на небольшое количество объектов, которые окажутся в пределах глубины резкости оптической системы. Информа­ цию об остальных объектах в других плоскостях нельзя получить без перефокусировки системы. На голограмме же все эти объекты могут быть зарегистрированы за доста­ точно короткое время, когда их положения практически не меняются. При реконструкции голограммы образуется стационарное изображение объектов, которое может быть детально изучено (подробно это применение голографии обсуждено в разд. 3.2).

3.1. Микроскопия

Было изучено несколько подходов к созданию голографической микроскопии, которые бы давали разреше­ ние, сравнимое с разрешением обычных микроскопов. Преимуществами голографической микроскопии являются большее поле зрения при высоком разрешении и большая глубина изображения. Использование голографической ре­ гистрации позволяет создать безлинзовые микроскопы, поскольку сама голограмма обладает свойствами оптичес­ кого элемента. В таких микроскопах увеличение может быть получено за счет применения расходящихся пучков, и пучков с длиной волны, отличной от длины волны, ис­ пользуемой при регистрации. Исследование этой техники проводилось в работах [7, 30, 101]. Ряд работ посвящен изучению возникающих при этом аберраций [6, 77, 84, 101]. По этому методу была получена разрешающая способность вплоть до нескольких микрон [74].

Детальное обсуждение вопросов увеличения и аберраций безлинзовой голографической микроскопии не входит в

задачу данной работы. Читатель может обратиться к хоро­ шему обзору Смита [106]. Согласно Смиту, выражение для увеличения можно записать в следующем виде:

где z0— расстояние от объекта до плоскости голограммы; zT— расстояние от точечного опорного источника до голо­ граммы (фиг. 5); zc— расстояние от точечного восстанав-

Оптическая

Ф и г . 5. Схематическое изображение «безлинзового» гологра­ фического микроскопа (из работы [74]).

ливающего источника до голограммы; р — отношение длин волн излучения, использованного при записи и восстанов­ лении; т — линейное увеличение голограммы. Разреше­ ние получаемого изображения определяется эффективной апертурой голограммы и длиной волны излучения при за­ писи.

Однако дальнейшее развитие голографической микро­ скопии пошло по другому пути. В новом методе было ис­ пользовано видоизменение обычного микроскопа, так что процесс голографирования уже не был безлинзовым. Идея была предложена одновременно двумя группами исследо­ вателей [20, 21, 144, 147].

На фиг. 6, а показана схема, использованная Картером. Для получения опорного и объектного пучков в ней приме­ няется расщепитель пучка на дифракционной решетке. Ос­ вещающее объект излучение, так же как и излучение, дифра­ гированное объектом, проходит через обычный микроскоп,

Ф и г . 6. Схема голографической микроскопии: регистрация голо­ граммы (а) и получение изображения (б) (из работы [21]).

а опорный пучок отражается от зеркала и. фокусируется в точку. Голографическое изображение образуется в систе­ ме, показанной на фиг. 6, б. Шумовые компоненты на ста­ дии восстановления удаляются с помощью пространственного фильтра. Поле зрения в данной схеме не может превысить поля зрения при нормальном использовании микроскопа, однако в ней можно получить разрешение, равное предель­ ному разрешению микроскопа, и довольно большую глубину регистрируемого изображения. Глубина изображения огра­ ничивается когерентностью опорного пучка и разрешением фотоэмульсии голограммы.

На фиг. 7а представлено изображение миры из трех штрихов, полученное по данной схеме без диффузного рассеивателя. Разрешение составляет 1 мкм, однако общее качество изображения довольно невысокое. Использование

мелкозернистого рассеивателя из опалового стекла спо­ собствует удалению некоторых из наблюдаемых дефектов изображения (фиг. 7 б), однако при высоких разрешениях это приводит к ряду других проблем (не считая потерь в разрешении). Причиной шумов является когерентный ха­ рактер процесса формирования изображения.

К настоящему времени сделано много для решения этой проблемы, однако^до сих пор не удалось получить

Ф и г . 76. Изображение миры, полученное в голографическом микроскопе с диффузным рассеивателем.

сколько-нибудь удовлетворительного результата. Одним из решений при этом является использование апертуры, превышающей апертуру, требуемую для получения задан­ ного разрешения, одновременно с применением диффузного рассеивателя [69]. Этот метод, однако, не эффективен, если разрешение должно составлять несколько микрон. Можно ожидать, что эффективным окажется использование чисто фазового случайного рассеивателя в контакте с объектом

[140].

Работа [140] представляет собой лишь лабораторные исследования, ее результаты не были использованы для создания прибора. Ван Лигтен [144, 145] довел свою работу

лиз в светлом и темном полях и интерферометрию, можно использовать после завершения процесса регистрации, когда время изучения не ограничено.

3. 2. Микроскопия с использованием фраунгоферовской голографии

В микроскопических методах, рассмотренных в преды­ дущем разделе, использован внеосевой опорный пучок. Развитие другого направления в голографической микро­ скопии связано со специальным применением — опреде­ лением размеров движущихся частиц. Именно в процессе работ по применению голографии в этой области были выявлены характерные свойства фраунгоферовских голо­ грамм [94, 121]. Первоначально данный метод микроско­ пии был использован для регистрации изображений капель

Этому применению голографии посвящено большое чис­ ло публикаций [105, 129, 131]. Приведенное здесь обсуж­ дение в значительной мере следует работе [125].

Аэрозольная камера. Сконструирована и изготовлена голографическая камера (лазерный анализатор частиц тумана), которая представляет собой измерительное устрой­ ство для регистрации размеров и относительного положе­ ния капель с диаметром в диапазоне 5— 100 мкм. В устрой­ стве осуществляется метод голографии Фраунгофера. Оно содержит две основные подсистемы — систему регистрации и систему воспроизведения.

В системе регистрации рубиновый лазер, работающий в режиме модуляции добротности, освещает исследуемый объем, экспонируя голограмму. Малая длительность лазер­ ного импульса обеспечивает фактическую неподвижность частиц тумана и дает возможность одновременно зарегис­ трировать размер и относительное положение частиц в объеме с большим разрешением и большой глубиной поля зрения.