2.Запись тонкой голограммы

Несмотря на то что используемые при создании классических голограмм методы давно приобрели хрестоматийную известность, кратко остановимся на принципиальных моментах, связанных с голографической записью и восстановлением изображения. . Одна из возможных схем записи тонкой голограммы приведена на рисунке. Излучение лазера Л через полупрозрачное зеркало З направляется на фотопластинку Ф. Соответствующая ему волна носит название опорной и может приближенно считаться плоской монохроматической:

.

Отраженная полупрозрачным зеркалом часть излучения лазера используется для освещения голографируемого объекта. Рассеянный его атомами свет также оказывается монохроматическим и описывается предметной волной E, которая уже не может рассматриваться как плоская. Ее фронт и амплитуда могут иметь сложные пространственные конфигурации, в которых содержится полная информация о всех оптических свойствах голографируемого объекта. Очевидно, что для возникновения зрительного ощущения, тождественного создаваемым реальным объектом, достаточно с максимальной точностью воспроизвести электромагнитное поле предметной волны.

Идея голографического метода обращения волнового фронта: а - схема записи тонкой голограммы: Л - лазер, Р - расширитель светового пучка, З - полупрозрачное зеркало, Ф - фотопластинка, - опорная волна, - рассеянная объектом предметная волна; б - восстановление изображения при помощи тонкой голограммы: при освещении тонкой голограммы считывающей волной , тождественной опорной, в первом порядке дифракции (m = +1) возникает семейство плоских волн, формирующих мнимое изображение объекта; в - обращение волнового фронта предметной волны с помощью тонкой голограммы: при освещении плоской голограммы считывающей волной, обращенной по отношению к опорной, в результате дифракции возникает обращенная предметная волна

Для анализа голографического метода записи и восстановления предметной волны ее удобно представить в виде суперпозиции плоских волн

и рассмотреть процесс записи каждой пространственной гармоники в отдельности. Как видно из рисунка при сложении двух плоских монохроматических волн одинаковой частоты в пространстве возникает волна с периодически меняющейся амплитудой, бегущая вдоль биссектрисы образованной волновыми векторами и угла . При падении такой волны на фотопластинку (расположенную перпендикулярно волновому вектору опорной волны) на ней возникает стационарное во времени распределение интенсивности, представляющее собой чередующиеся параллельные светлые и темные полосы.

После обработки такой голограммы с записью одной плоской монохроматической волны она будет представлять собой пластинку, во многом подобную классической дифракционной решеткес периодом, даваемым соотношением (2). Более строгий расчет возникающейинтерференционной картиныпозволяет найти закон изменения интенсивности света на поверхности фотопластинки. Оказывается, что возникающая дифракционная решетка имеет существенное отличие от классической: ее функция пропускания изменяется не скачками в интервале между 0 и 1, а непрерывно по гармоническому закону. В случае же нескольких волн с различными векторами результирующая голограмма представляет собой достаточно сложный узор, являющийся простой суммой решеток с гармоническим пропусканием, создаваемых каждой из записываемых волн.

Голограмма плоской монохроматической волны: а - запись голограммы: интерференционная картина, возникающая при сложении двух плоских монохроматических волн , примерный вид фотопластинки после экспонирования и проявления и ее функция пропускания t(x); б - дифракция плоской монохроматической волны на классической дифракционной решетке. Возникающая картина может рассматриваться как сумма волн, возникающих при дифракции на множестве косинусоидальных решеток, составляющих классическую; в - считывание голограммы: при дифракции плоской монохроматической волны на решетке с гармоническим пропусканием возникают три плоские волны , одна из которых (при m = +1) в случае тождественна записываемой .

Технология получения изобразительных голограмм, восстанавливаемых в белом свете, разработана в середине 60-х годов, однако до настоящего времени голография по масштабам распространенности и объемам производства не приблизилась к традиционной фотографии (за исключением тисненных радужных голограмм). Это обусловлено целым рядом технических сложностей, присущих современной технологии съемки и тиражирования изобразительных голограмм. В частности, в настоящее время при записи мастер-голограмм в подавляющем большинстве случаев используются лазеры непрерывного излучения, что накладывает жесткие ограничения на условия съемки (необходимость повышенной виброизоляции, стабильность температуры и других параметров окружающей среды). Указанные сложности многократно возрастают при увеличении формата голограмм. Поэтому отражательные голограммы, особенно большого формата, до сих пор остаются уникальными изделиями и изготавливаются лишь в условиях специализированных лабораторий при участии специалистов высшей квалификации. Кроме того, при использовании лазеров непрерывного излучения оказывается принципиально невозможной голографическая съемка живых объектов, например, портретов человека. Для съемки мастер-голограмм живых объектов в настоящее время используются импульсные лазеры на рубине или неодимовом стекле с последующим интерференционным копированием. Однако монохроматичность таких голографических изображений при полной реалистичности деталей делает их "неживыми", "замороженными", что зачастую производит отталкивающее впечатление. При копировании таких голограмм с помощью лазеров непрерывного излучения возникают искажения масштаба, связанные с разницей длин волн лазеров, используемых при съемке оригиналов и их копировании.

2.3 Криминалистическая голография.

Голографические методы обработки информации, использующие интерференционную систему записи исходных данных, привлекают в настоящее время большое внимание, что связано с возможностью их использования для создания голографических запоминающих устройств большой емкости, кодировании информации, распознавания и сравнения изображений объектов и других задач. Возможность записи информации о различных объектах на один и тот же участок поверхности голограммы, а также во всем ее объеме позволяет обеспечить высокую плотность записи. Это открывает пути для создания компактных, в том числе и переносимых запоминающих устройств, причем виды записи могут быть самые разнообразные (графические, буквенные, цифровые, предметные и т.п.). Возможность голографического кодирования информации может быть широко использована в криминалистике. Например, как средство устраняющее возможность подделки документов, или как средство технической гарантии, препятствующее фальсификации объектов. Голографическое кодирование осуществляется с помощью специальных масок, которые в процессе фиксации интерференционной картины создают сложную форму волнового фронта Для восстановления записанной таким образом информации об объекте необходимо иметь точную копию использованной при записи маски, форма которой может быть самой разнообразной, вследствие чего подобрать ей подобную практически невозможно. Голографические методы могут быть использованы в криминалистике и как средства исследования. Они могут быть использованы при исследовании рельефа (в том числе и микрорельефа) поверхности объекта; для измерения поверхности объекта любой формы; изучения кратковременных явлений; сравнительных исследований и при решении ряда других задач криминалистических исследований.

Задачу сравнения объекта с большим количеством ему подобных, более эффективно можно решать с помощью голографического метода оптической согласованной фильтрации. Области применения названного метода могут быть самыми разнообразными: для кодирования информации, улучшения качества фотографического изображения, создания запоминающих устройств большой емкости, распознавания и сравнения изображений объектов, оперативного поиска информации в большом массиве. Проведенные экспериментальные исследования принципиально доказали возможность использования голографического метода для сравнительного исследования фотопортретов в целях идентификации личности, сравнение следов папиллярных узоров рук. Рассматриваемый метод применим для сравнения оттисков печатных форм и машинописных текстов, исполненных на новых аппаратах, не имеющих видимых дефектов шрифта.

2.4 Голография и оптические компьютеры.

Подобно тому, как транзисторпослужил отправной точкой для эпохи бурного развитияэлектроники, новое открытие исследователей из Университета шт. Калифорния в Лос-Анджелесе (UCLA) может привести к настоящему технологическому прорыву в областяхрадио,телевиденияи вычислительной техники. Сотрудники научной группы профессора Мигеля Гарсиа-Гарибай (Miguel Garcia-Garibay) нашли способ управлять межмолекулярными взаимодействиями в органических композитных материалах, обладающих свойствами каккристаллов, так ижидкостей. Это делает (пока гипотетически, но с каждым часом все более реально) возможным создание давно предсказанного фантастами реалистичное трехмерноеголографическоетелевидение (вспомните хотя бы блокбастер Джорджа Лукаса "Звездные Войны, эпизод IV: Новая надежда"), не говоря уже о сверхбыстрыхоптических компьютерах, способных в миллионы раз превзойти своих кремниевых собратьев как по быстродействию, так и по объему хранимой информации.

Перспективы, открываемые этим научным результатом, действительно захватывают дух: при просвечивании такого кристалла могут формироваться практически сколь угодно сложные изображения и их последовательности, причем смена "кадров" такого "фильма" может происходить очень быстро. Отдельные области в кристалле могут быть затемнены или, напротив, сделаны более прозрачными для излучения; можно будет почти мгновенно изменять спектры поглощенияипропускания"доменов" такого кристалла, соответственно меняяцветпроходящейсветовой волны. Потенциальное быстродействие такой системы, управляемойэлектрическимиимагнитнымиполями, может достигать наносекундных масштабов (порядка гигагерц).

Помимо трехмерного телевидения (можно предложить новый термин: тридивидение, 3DV вместо TV), молекулы такого кристалла представляют собой сверхбыстродействующие переключатели для оптических компьютеров. Кубик с линейным размером около дюйма, составленный из таких молекул-переключателей, может реализовать беспрецедентную плотность хранения информации, - возможно, во много миллиардов раз превышающую возможности современных устройств. Да и скорость доступа будет значительно выше, чем это позволяет сегодняшний уровень компьютерных технологий.

Что особенно важно, эти перспективные материалы могут производиться в виде объемных образцов. По мере накопления информации исследователи рассчитывают уменьшить стоимость их производства и получить стабильно высокий выход годных образцов. По словам руководителя проекта, группа делает большие успехи и, может быть, представит коммерческий продукт на основе этой технологии уже через несколько лет.

Заключение

Таким образом, согласованные усилия многих исследователей позволили накопить ряд сведений и фактов о свойствах трехмерных голограмм. За этими на первый взгляд разрозненными фактами достаточно отчетливо вырисовывается то единое явление природы, которое лежит в их основе. Оказывается, что материализованная объемная картина волн интенсивности способна воспроизводить волновое поле со всеми его параметрами — амплитудой, фазой, спектральным составом, состоянием поляризации и даже с изменениями этих параметров по времен.

Однако общая картина этого явления пока еще далека от завершения. И

дело здесь не только в том, что в ряде случаев мы не знаем полностью набор

отображающих свойств некоторых видов голограмм. Есть все основания считать, что будут открыты новые неожиданные оптические свойства голограмм. Вполне вероятно, Что ряд новых эффектов будет обнаружен при применении светочувствительных материалов, обладающих специфическими свойствами, подобно тому как применение резонансных и поляризационных сред открыло возможность записи временных и поляризационных характеристик волновых полей. И наконец, прецедент объединения голографии и нелинейной оптики в

динамическую голографию показывает, что внесение идей голографии в смежные с ней области знаний может привести к появлению совершенно новых направлений.

Значимость голографии не ограничивается областью ее практического приложения. Важнейшее значение голографии заключается в возникновении и развитии идей принципиально новых, в изучении явлений, которые в природе, как правило, не встречаются. Голография - это мир, от начала и до конца созданный человеческим разумом и яркое подтверждение его неограниченных возможностей.

Список литературы:

1. . Ландсберг Г. С «Общий курс физики: оптика.» - М: «Наука.»,1976 г.

2. Дзюбенко А.Г. «Применение голографии в технике.» - М: «Знание»,1976 г.

3. Островский Ю.И. «Голография и ее применение.» - М: «Наука»,1976 г.

4. Пирожников Л. Б. «Что такое голография.» - М: «Московский

рабочий»,1976 г.

5. Смородинский Я. А., Сороко Л. М. «Успехи голографии.(Интерференция,

голография, когерентность.)» - М: «Знание»,1970 г.

6. Введение в когерентную оптику и голографию: Учеб. пособие для физ.-

мат. фак. пед. ин-тов.-Минск: Выш. шк.,1985.-144 с. Шепелевич В. В.

7. Оптическая голография т.1 С.Б. Гуревич, Г. Колфилд.

8. Оптическая голография т.2 С.Б. Гуревич, Г. Колфилд.

9. Оптика. Учебное пособие для вузов. М., “Высшая школа”, 1977г.

Интернет:

А) «Голографическое телевидение» Подборка статей.

http://tvzone.city.tomsk.net/

Б) «Принципы голографии», В.В.Слабко, 1997г.

http://www.pereplet.ru/