2. Определение периода голографической решетки

Голография (от греч. «полная запись») – особый способ записи и последующего восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины. Она обязана своим возникновением законам волновой оптики – законам интерференции и дифракции.

Этот принципиально новый способ фиксирования и воспроизведения пространственного изображения предметов изобретен английским физиком Денисом Габором в 1947 г. За это открытие он в1971 г. получил Нобелевскую премию. Экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка этого способа (Ю.Н. Денисюком в 1962 г. и американскими физиками Э.Лейтоном и Ю. Упатниексом в 1963 г.) стали возможными после появления в 1960 г. источников света высокой степени когерентности – лазеров.

Рассмотрим элементарные основы принципа голографии, т.е. регистрации и восстановления информации о предмете. Для регистрации и восстановления волны необходимо уметь регистрировать и восстанавливать амплитуду и фазу идущей от предмета волны. Учитывая, что интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды, распределение интенсивности в интерференционной картине определяется как амплитудой интерферирующих волн, так и разностью фаз. Поэтому для регистрации как фазовой, так и амплитудной информации, кроме волны, идущей от предмета (так называемой предметной волны), используют еще когерентную с ней волну, идущую от источника света (опорная волна). Идея голографирования состоит в том, что фотографируется распределение интенсивности в интерференционной картине, возникающей при суперпозиции волнового поля объекта и когерентной ему опорной волны известной фазы. Последующая дифракция света на зарегистрированном распределении почернения в фотослое восстанавливает волновое поле объекта и допускает получение этого поля при отсутствии объекта.

В 70-х г.г. была разработана технология изготовления решеток, основанная на интерференции лазерного излучения. В результате интерференции двух когерентных лазерных пучков создается периодическое распределение интенсивности света в пространстве, которое записывается на специальном фоточувствительном материале. Такого рода решетки, называемые голографическими, имеют высокое качество и изготавливаются для видимой и ультрафиолетовой областей с числом штрихов от 600 до 6000 на мм. Схема изготовления голографической дифракционной решетки показана на рис.2.

Рис. 2

Параллельные лазерные пучки 1 и 2 падают на светочувствительный слой фоторезистора (3), нанесенный на подложку (4). Распределение интенсивности света на фоторезисторе представляет собой периодическую систему параллельных полос с пространственным периодом . Получается плоская дифракционная решетка с периодическим законом амплитудного пропускания. Это и есть голограмма плоской волны, для такой решетки а = b. Покажем, что голографическая решетка дает спектры нулевого и первого порядков. Сравним номера последних наблюдаемых max для обычной прозрачной решетки и голографической, для чего используем условие главного max:

где с₁= 0,01 мм период обычной решетки,

с₂=0,001 мм период голографической решетки.

Для sinφ→1 получим:

откуда κ₂= т.е. с голографической решеткой наблюдается в 10 раз меньше количество максимумов, чем с обычной решеткой.

Из формулы (6) имеем:

;

Тогда, например, для зеленого света (λ = 5·10^-4мм),

Следовательно: голографическая решетка позволяет, в принципе наблюдать только два главных max. Однако при условии, что а = b, за счет основных min не будут наблюдаться max при κ = 2, т.е. в нашем случае второй max не будет наблюдаться. Все это приводит к тому, что голографическая решетка дает спектры только нулевого и первого порядка.

Для выполнения задания вместо дифракционной решетки, используемой в первом задании, поставьте в держатель голографическую решетку. Для получения яркого дифракционного спектра медленно поворачивайте держатель с голографической решеткой вокруг вертикальной оси.

Оптическая схема для данного эксперимента приведена на рис. 3.