"Физика (углублённый уровень)", Кабардин О.Ф., Глазунов А.Т., Орлов В.А. и др. / Под ред. Пинского А.А., Кабардина О.Ф.
Голография — способ записать и восстановить полное световое поле, включая амплитуду и фазу волны. При записи лазерный свет разделяют на предметную и опорную волны, а их интерференцию фиксируют на фотопластинке. При освещении полученной голограммы возникает дифракция, восстанавливающая волну от объекта. Поэтому изображение выглядит объёмным, имеет параллакс, а каждый фрагмент голограммы содержит сведения обо всём объекте.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Голография — способ записи и воспроизведения полного светового поля, включая сведения об амплитуде и фазе волны. Амплитуда связана с интенсивностью, а фаза описывает положение колебаний во времени. Благодаря этому можно восстановить не просто яркость, а направление распространения света.
Голограмма — зарегистрированная на фотопластинке или другом носителе интерференционная картина, позволяющая восстановить изображение объекта. Она не является готовой объёмной картинкой: сначала на носителе фиксируется структура, а изображение возникает при освещении. Поэтому голограмму изучают вместе с процессом её восстановления.
Предметная волна — световая волна, рассеянная или отражённая объектом и несущая информацию о нём. Её форма зависит от формы объекта, расстояния до него и положения отдельных деталей. Именно эту волну требуется сохранить, чтобы затем воспроизвести вид объекта.
Опорная волна — часть когерентного света, направленная непосредственно на регистрирующий материал. Она сама обычно не взаимодействует с объектом, а служит сравнимой «мерой» для предметной волны. Их наложение создаёт картину, по которой впоследствии восстанавливается предметная волна.
Обычная фотография регистрирует интенсивность света в каждой точке фотоматериала. Фаза при прямом измерении не фиксируется, поскольку световые колебания очень быстры, а фотоматериал реагирует на усреднённую энергию. В голографии фазу переводят в видимые различия интенсивности: предметную волну складывают с известной опорной, и результат их интерференции зависит от разности фаз.
Лазерный пучок разделяют на два направления. Один пучок освещает объект и после отражения или рассеяния становится предметной волной, другой идёт непосредственно к фотопластинке как опорная волна. Для интерференции нужны когерентные волны, то есть волны с согласованными колебаниями и почти постоянной разностью фаз; лазер удобен также малой шириной спектра.
На пластинке встречаются предметная и опорная волны, поэтому в разных местах усиливают или ослабляют друг друга. Возникают чередующиеся области большей и меньшей экспозиции — интерференционная структура. Её рисунок определяется разностью хода волн, а значит, зависит от формы и положения объекта, хотя сам объект на пластинке непосредственно не изображён.
Установка должна быть механически устойчивой, потому что даже небольшая вибрация смещает полосы за время экспонирования. Если разность фаз меняется случайным образом, полосы накладываются в разных положениях и усредняются. При восстановлении на голограмму снова направляют опорную волну: дифракция на записанной структуре создаёт волну, распространяющуюся так же, как исходная предметная.
Наблюдатель воспринимает восстановленную волну как свет, пришедший от самого объекта, поэтому изображение может казаться расположенным в пространстве. При движении глаз меняются направления лучей и видимые части объекта — это параллакс. Поскольку каждая область пластинки участвует в восстановлении всего волнового фронта, отдельный фрагмент сохраняет весь объект, но пропускает меньше света и хуже передаёт мелкие детали.
| Признак | Обычная фотография | Голограмма |
|---|---|---|
| Что регистрируется | Распределение интенсивности света | Интерференционная картина, связанная с амплитудой и фазой волн |
| Как получают изображение | Непосредственное освещение фотоматериала светом от объекта | Запись предметной и опорной волн, затем восстановление волнового фронта |
| Роль когерентного источника | Обычно не является обязательной | Необходима для устойчивой интерференции |
| Объёмность изображения | Изображение в основном плоское | Возможно объёмное изображение с параллаксом |
| Повреждение части носителя | Повреждённая область изображения исчезает или искажается | Сохраняется всё изображение, но ухудшается его детализация |
Сначала определите, что сравнивается: запись света или восстановление волнового фронта. Затем обратите внимание на источник света, объёмность и последствия повреждения носителя.
Таблица показывает не то, что голограмма совсем не связана с яркостью, а то, что её интерференционная структура несёт дополнительную фазовую информацию. Именно эта информация делает возможными дифракционное восстановление и параллакс.
Два когерентных пучка с λ = 0,63 мкм падают на пластинку под углом α = 30°. Нужно найти расстояние d между соседними полосами. Для двух плоских волн используем d = λ/(2 sin(α/2)).
Ответ: расстояние между соседними полосами примерно 1,2 мкм. При меньшем угле между пучками полосы располагались бы дальше друг от друга.
Период голографической структуры d = 2,0 мкм, длина волны восстанавливающего света λ = 0,60 мкм. Первый максимум соответствует порядку m = 1. Голограмму рассматриваем как дифракционную решётку и применяем d sin θ = mλ.
Ответ: первый дифракционный максимум наблюдается под углом примерно 17,5° к нормали. Если порядок был бы выше, в формулу нужно было бы подставить соответствующее значение m.
Пусть закрыли половину голограммы. На всей её площади записаны сведения о всём объекте, поэтому оставшаяся половина всё ещё может восстановить полный волновой фронт. Однако доступно меньше участков, участвующих в дифракции.
Ответ: голограмма даст всё изображение, но с меньшей яркостью и детализацией. У обычной фотографии закрывание половины носителя убрало бы соответствующую часть снимка.
Ошибка: считать голограмму готовым объёмным изображением. Её часто путают с визуальным результатом, который видят после освещения. Проверка: спросите себя, есть ли на носителе изображение объекта или интерференционная структура.
Ошибка: путать предметную и опорную волны. Названия запоминают формально и переставляют их местами. Проверка: предметная волна взаимодействует с объектом, а опорная идёт прямо на материал.
Ошибка: полагать, что подойдёт любой источник света. Без когерентности и достаточной монохроматичности полосы нестабильны и усредняются. Проверка: ищите в условии или объяснении постоянную разность фаз и устойчивую интерференцию.
Ошибка: считать, что каждой точке голограммы соответствует одна точка объекта. Такая модель подходит для обычного снимка, но не для распределённой записи волнового фронта. Проверка: вспомните, что фрагмент голограммы сохраняет весь объект, хотя и менее детально.
Для понимания голографии нужны интерференция и дифракция света, разность хода и условия максимумов и минимумов. Полезно повторить когерентность, монохроматичность и принцип работы лазера. Голографические методы применяются в трёхмерной визуализации, защите документов и товаров, оптической записи информации, микроскопии и измерительной технике.
Чем голограмма принципиально отличается от обычной фотографии?
Фотография в основном фиксирует распределение интенсивности света, поэтому обычно даёт плоское изображение. Голограмма записывает интерференционную картину, связанную также с фазой волны, и при освещении восстанавливает объёмное световое поле объекта.
Почему для записи голограммы обычно используют лазер?
Лазер излучает почти монохроматический и когерентный свет. Поэтому разделённые предметная и опорная волны сохраняют постоянную разность фаз и создают устойчивую интерференционную картину.
Что произойдёт, если закрыть или повредить часть голограммы?
Изображение обычно не исчезнет полностью, потому что сведения обо всём объекте распределены по всей голограмме. Оно станет менее ярким, а при уменьшении доступной области снизится детализация.
Как из интерференционной картины снова получается изображение объекта?
На голограмму направляют опорную волну. Она дифрагирует на записанной структуре, и одна из возникших волн распространяется так же, как первоначальная волна, пришедшая от объекта.
Почему голографическое изображение кажется объёмным?
Восстановленная волна содержит сведения о направлениях распространения света от разных точек объекта. При перемещении наблюдателя меняется видимая сторона объекта, то есть проявляется параллакс.
§ 36*. Голография
