ПРИКЛАДНАЯ ГОЛОГРАФИЯ Лекция 3 лектор О В Андреева

ПРИКЛАДНАЯ ГОЛОГРАФИЯ Лекция 3 лектор: О. В. Андреева

Контрольная работа 1. 1 1. Кем и в каком году была «изобретена» голография? Д. Габор, 1948 г. 2. Назовите основоположника трехмерной (объемной) голографии и год публикации его первых основных работ по голографии. Ю. Н. Денисюк, 1962 г. 3. Что такое голограмма? 4. Как называют волны, используемые для регистрации голограмм, и почему? 5. При каких условиях записи голограммы ее период (d) максимален, а при каких минимален? Max: Максимальная длина волны при соосном направлении интерферирующих волн Min: Минимальная длина волны при встречном направлении интерферирующих волн

Роль регистрирующей среды в жизни голограммы

Элементарная голограмма y а) I 1 q I 2 q x y б) T x I d в) x а) – направление распространения интерферирующих пучков б) – одномерная решетка с периодом d, полученная в регистрирующей среде с толщиной Т в) - распределение интенсивности излучения в интерференционной картине по оси «х» (в направлении вектора решетки)

Запись голограммы Регистрирующая среда Факторы, связанные с регистрирующей средой, которые определяют тип голограммы: • Форма образца • Толщина образца • Расположение образца относительно интерферирующих пучков

Пространственная частота, период и толщина голограммы q Пространственная частота голограммы – величина, обратно пропорциональная пространственному периоду изменения оптических параметров голограммы. q T d голограмма: d<>T – двумерная

Влияние толщины регистрирующей среды на свойства голограмм количество порядков селективность T

Голограмма пропускающая – голограмма, при регистрации которой объектная и опорная волны падают на регистрирующую среду (РС) с одной стороны.

Голограмма отражательная – голограмма, при регистрации которой объектная и опорная волны падают на регистрирующую среду (РС) с противоположных сторон.

ВИДЕОРЯД № 2 Регистрирующая среда и ее роль в формировании типа голограммы

Терминология • • Регистрирующая среда Период голограммы Толщина голограммы Пропускающая голограмма Отражательная голограмма Симметричная схема записи Несимметричная схема записи Соосное направление пучков

Типы регистрирующих сред кристалл фототермопленка фотопластинка a b T регистрирующая среда: объемная плоская имеющая определенные геометрические размеры

Положение РС относительно ИК К a РС T

Положение РС относительно ИК

Положение РС относительно ИК я

Регистрация пропускающих голограмм

Регистрация отражательных голограмм

Голограммы с максимальным периодом

Голограммы с минимальным периодом

Соосное направление интерферирующих пучков

Внимание важным параметрам: период и толщина голограммы • Свойства голограммы определяются соотношением между периодом голограммы и ее толщиной • В зависимости от толщины регистрирующей среды голограммы с одинаковым периодом могут быть и двумерными и трехмерными

Дифракция излучения на голограмме

Схематическое расположение голограммы, опорной и дифрагированной волн. – диэлектрическая проницаемость – проводимость

Дифракция излучения на решетке

Условие Брэгга • Условие Брэгга - условие Вульфа-Брэгга - определяет условия получения максимальной интенсивности дифрагированной волны при взаимодействии плоской монохроматической волны с одномерной решеткой, полученной в объемной среде 2 d. Sinθ = kλ • • • Это соотношение, установленное для дифракции рентгеновских лучей на атомных плоскостях в кристалле, известно в физике как закон Вульфа-Брэгга – по имени Г. В. Вульфа и У. Л. Брэгга (W. L. Bragg), одновременно и независимо получивших это выражение в 1913 г. В голографии условие Брэгга широко используется при рассмотрении дифракции излучения на объемной голограмме. При k = 1 условие Брэгга определяет для элементарной объемной голограммы условие образования главного максимума дифрагированной волны: выбор угла падения задает длину волны падающего на голограмму излучения, и наоборот.

дифракция излучения на классической нарезной решетке (прямоугольный профиль штриха). дифракция излучения на элементарной голограмме-решетке, полученной в линейной среде (синусоидальный профиль штриха).

Влияние толщины регистрирующей среды на свойства голограмм количество порядков селективность T

Объект – точка. Картина взаимодействия плоской и сферической волны. rk k + k O rk

Зонная пластинка Френеля

Геометрия образования голограмм P 2 5 P P 4 O O P O S P O 1 3

Голограмма осевая – пропускающая голограмма, при регистрации которой объектная и опорная волны являются соосными. Голограмма внеосевая – пропускающая голограмма, при регистрации которой используется угол между объектной и опорной волнами, который позволяет пространственно разделить дифрагированные и недифрагированную волны. Схема записи голограмм – симметричная и несимметричная

Формирование изображения объекта при считывании голограммы

Терминология • • Запись и считывание голограммы Физиологические аспекты зрения Объект для голографирования Изображение объекта: мнимое, действительное, ортоскопическое псевдоскопическое • Изображение – фантом • Сфокусированное изображение

Запись голограммы (регистрация голограммы) – процесс физического взаимодействия излучения с регистрирующей средой, в результате которого пространственное распределение интенсивности в регистрируемой интерференционной картине преобразуется в соответствующее распределение каких-либо параметров среды.

Считывание голограммы • Считывание голограммы – процесс освещения голограммы, сопровождающийся дифракцией излучения на ее структуре и приводящий к образованию дифрагированной волны, характеристики которой определяются параметрами голограммы и условиями ее освещения. • В настоящее время термин "Считывание голограммы" широко используется наряду с термином "Реконструкция голограммы" для описания процессов реконструкции (восстановления) и преобразования объектной волны при освещении голограммы.

Зрение • Способность человека воспринимать свет от разных объектов в виде особых ощущений яркости, цвета и формы. • Зрение – фрагментарно, объекты в поле зрения фиксируются не все сразу, а последовательным переводом взора с одного на другой. • Зрение двумя глазами – бинокулярное зрение – обеспечивает способность оценивать форму объектов, их расположение в пространстве и относительно друга.

Строение глаза

Сетчатка глаза • Изображение объектов формируется на сетчатке глаза • Сетчатка содержит два вида светочувствительных клеток: Колбочки обеспечивают «дневное» центальное цветное зрение (400 -750 нм) Палочки - сумеречное периферическое зрение (400 -650 нм), различают только оттенки серого

Изображение объекта • Основой зрительного восприятия объекта является его оптическое изображение, спроецированное на сетчатку глаза. • Оптические изображения разделяют на действительные и мнимые • В голографии рассматривают также оптические изображения ортоскопические и псевдоскопические

Объекты для голографирования Плоские-объемные (двумерные-трехмерные) рассеивающие прозрачные нерассеивающие зеркально отражающие непрозрачные диффузно отражающие неотражающие

Диффузное рассеяние • Распространение света по всем возможным направлениям (а также в соответствии с определенной индикатрисой рассеяния) при отражении или пропускании – диффузное рассеяние или диффузное пропускание. • Диффузор – оптический элемент, обеспечивающий диффузное пропускание или диффузное отражение падающего излучения независимо от его направления

Индикатриса рассеяния диффузного объекта прозрачный объект непрозрачный объект Индикатриса рассеяния – зависимость интенсивности рассеянного света от направления наблюдения (пунктир).

Практически реализуемые схемы голографирования прозрачных объектов – формирование интерференционной картины

Получение изображения непрозрачного объекта с помощью пропускающей голограммы запись голограммы оптическая система лазер зеркало считывание голограммы мнимое изображение голограмма действительное изображение объектная волна опорная волна объект РС мнимое изображение голограмма

Получение изображения непрозрачного объекта с помощью пропускающей голограммы Г наблюдение МИ МИ ДИ наблюдение ДИ

Мнимое изображение • Мнимое изображение – если лучи, выходящие из оптической системы, расходятся, но их можно мысленно продолжить в противоположную сторону и они пересекутся в одной точке, то такую точку называют мнимым изображением точки-объекта. • Такая точка (мнимое изображение) способна играть роль объекта по отношению к другой оптической системе (например, глазу), которая преобразует его в действительное. • При наблюдении мнимого изображения объекта при освещении голограммы оно является ортоскопическим.

Объект – точка Запись и восстановление сферической волны rk O + k k rk

Ортоскопическое изображение • Изображение, в котором распределение разности фаз на поверхности изображения объекта соответствует распределению разности фаз на поверхности объекта – ортоскопическое изображение. • Наблюдатель при этом видит «обычное» изображение объекта.

Получение изображения непрозрачного объекта с помощью пропускающей голограммы запись голограммы оптическая система лазер зеркало считывание голограммы мнимое изображение голограмма действительное изображение объектная волна опорная волна объект РС мнимое изображение голограмма

Действительное изображение • Изображение создается сходящимися пучками лучей в точках их пересечения. • Если в плоскости пересечения лучей поместить экран, то можно на нем наблюдать действительное изображение. • При наблюдении действительного изображения объекта с помощью объектной волны, восстановленной голограммой, оно является псевдоскопическим.

Псевдоскопическое изображение • Распределение разности фаз на поверхности изображения объекта имеет отрицательный знак по отношению к распределению разности фаз на поверхности объекта. • Наблюдатель при этом видит «необычное» изображение объекта, в котором, например, вместо выпуклостей – вогнутости, и наоборот. • Псевдоскопическое изображение можно наблюдать в голографическом эксперименте при обращении хода лучей через голограмму (явление обращения волнового фронта) и при наблюдении действительного изображения объекта, сформированного восстановленной голограммой волной.

Литература к лекции 1. Денисюк Ю. Н. Принципы голографии. - Л. : ГОИ. - 1978. - 125 с. 2. Островский Ю. И. Голография и ее применение. - Л. : Наука. - 1973. - 180 с. 3. Кольер Р. , Беркхарт К. , Лин Л. Оптическая голография. - М. : Мир. 1973, 686 с. 5. Оптическая голография. Под ред. Колфилда Г. - М. : Мир. 1982. - т. 1, т. 2. 6. Калитеевский Н. И. , Волновая оптика – СПб. : Лань, 2006. – 466 с. 7. Бутиков Е. И. Оптика. Высшая школа. М. 2003. 8. Денисюк Ю. Н. Сборник избранных статей по голографии. // Труды ГОИ. – 1988. - Т. 68. – Вып. 202. – 265 с. 9. Андреева О. В. Прикладная голография. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2008. -184 с.