§ 3.7. Голография

Голография – способ записи и воспроизведения объемного изображения объекта. Волны, отраженные разными точками объекта, имеют три характеристики: амплитуду, частоту и фазу. Амплитуда содержит информацию о яркости (отраженной энергии), частота – о цвете, фаза – о расстоянии до источника. Латинское слово «голос» означает «весь». Голограмма сохраняет и воспроизводит полную информацию о световых волнах, рассеянных объектом, поэтому изображение объекта выглядит точно так же, как сам объект. На фотографии сохраняется информация о яркостном контрасте различных участков объекта, а на цветной еще и их цвет. Фотографическое изображение плоское, в нем отсутствует информация о фазах волн, пришедших из разных точек объекта. Фаза сохраняется в интерференционной картине, она получается при сложении двух когерентных лучей. Голография требует когерентный источник света, им является лазер - достижение второй половины XX века. Именно тогда и появилась голография.

На рис. 3.10-а приведена схема записи голограммы. Лазерный пучок делится на два. Первый (опорный) отражается от зеркала З и падает на фотопластинку Ф. Второй пучок (предметный) рассеивается объектом П. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля каждая точка предмета, куда падает свет, является вторичным точечным источником, и испущенные им лучи попадают во все точки фотопластинки и там интерферируют с опорными лучами. Изображение объекта на фотопластинке представлено интерференционной картиной в виде микроскопических областей максимумов и минимумов После проявления фотопластинка становится голограммой, хранящей в себе полную информацию о том, как выглядит объект, однако ничего похожего на изображение объекта не ней не увидеть. Голограмма представляет собой совокупность дифракционных решеток с разнообразными неупорядоченно расположенными элементами. Схема воспроизведения изображена на рис. 3.9-б. Опорная волна, дифрагируя на голограмме, как бы вычитается из суммарной волны. Остается только ее предметная часть, которая интерферировала с опорной, и наблюдатель Н, глядя сквозь голограмму как через окно, видит ее. Изображение объекта в точности воспроизводит предмет. Смещая глаз, можно видеть предмет в разных ракурсах, как если бы он там был. Восстановленное изображение предмета является дифракционным максимумом первого порядка. Еще один симметричный этому максимум расположен по другую сторону от голограммы.

Два важных замечания: полное изображение объекта восстанавливается по любому кусочку голограммы, но при этом страдает качество (свойство дифракционной решетки); если при восстановлении использовать волны с другой длиной, нежели при записи, то пропорционально изменятся размеры изображения по сравнению с размерами объекта.

Самостоятельно найдите примеры применения голографии.

§ 3.8. Поляризация света.

С

Рис. 3.12

вет – поперечные электромагнитные волны, векторы напряженностей электрического Е и магнитного H полей колеблются поперек луча, и жестко связаны друг с другом. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать только Е, Понятно, что направлений колебаний может быть бесконечное множество. Если направления колебаний упорядочены каким-либо образом, волна называется поляризованной. В плоско (линейно) поляризованной волне колебания происходят в одной плоскости. Примером является гармоническая волна (см. рис.2.3). Если направления колебаний хаотически меняются, волна называется неполяризованной. Естественный свет, состоящий из суммы линейно поляризованных цугов, хаотически испущенных разными атомами источника, не поляризован. На рис .3.11 представлены два луча, идущие перпендикулярно плоскости рисунка (они изображены точками). В обоих лучах указаны только направления колебаний Е. У линейно поляризованного света (луч а) во всех его точках во все моменты времени Е колеблется в указанном стрелками направлении, у естественного света (луч б) эти направления изменяются хаотически. Для превращения естественного света в линейно поляризованный используют специальное устройство – поляризатор. Его принцип действия объясняет следующая механическая модель: упругий шнур пропустим через узкую щель и возбудим в нем поперечную волну (рис. 3.12). Щель беспрепятственно пропустит параллельные ей колебания (вдоль оси y) и полностью задержит перпендикулярные (вдоль оси x). При любом другом направлении поперечных колебаний щель пропустит только параллельную ей составляющую, в результате интенсивность колебаний за щелью станет меньше, чем перед ней. Разумеется, такое устройство не является поляризатором света.

Пусть поляризатор пропускает световые волны, в которых колебания Е происходят в определенном направлении. Назовем это направление осью поляризатора. Свет беспрепятственно проходит сквозь поляризатор, если в падающем луче плоскость колебаний Е совпадает с осью поляризатора, и полностью задерживается им, если плоскость колебаний перпендикулярна оси поляризатора. Пусть плоскость поляризации составляет угол φ с осью поляризатора. Разложим вектор Е на две составляющих, одна из них Е_ параллельна оси поляризатора, другая Е_ - перпендикулярна ей (рис. 3.13). Через поляризатор пройдет только свет с составляющей Е_=Еcosφ. Человеческий глаз не воспринимает направление колебаний Е, а реагирует на интенсивность света, пропорциональную квадрату амплитуды. Следовательно, интенсивность I прошедшего через поляризатор света уменьшится по сравнению с интенсивностью I₀ падающего на него света в соответствии с формулой:

I = I₀ cos²φ (3.6)

Эта формула выражает закон Малюса и может быть использована для определения, является ли падающий свет линейно поляризованным. Если вращать поляризатор вокруг луча линейно поляризованного света, то за один его оборот интенсивность прошедшего света будет изменяться, дважды достигая максимума и дважды обращаясь в ноль, как указано в формуле (3.6). Если на поляризатор падает естественный свет, то при вращении поляризатора интенсивность прошедшего света не будет изменяться и составит половину от интенсивности падающего естественного света. Получите этот результат самостоятельно, используя формулу (3.6) и соображения, отраженные на рис. 3.11 и 3.13. На рис 3.14 показано совместное действие двух поляризаторов, стоящих друг за другом. Первый превращает естественный свет в поляризованный, второй играет роль анализатора, отличающего поляризованный свет от неполяризованного с помощью закона Малюса.

.

Рис. 3.14