Глава 2. Физические основы голографии

Основные понятия

Процесс видения окружающих нас предметов осуществляется с помощью физического носителя, именуемого светом. По определению слово свет означает оптическое излучение, видимое человеческим глазом. Свет представляет собой психофизическое понятие. Физическая природа света та же, что и радиоволн – это распространяющиеся в пространстве электромагнитные колебания.

Изменение частоты световых колебаний воспринимается нашим глазом как изменение цвета. Свет распространяется в пространстве с наивысшей возможной скоростью с=3*10⁸ м/с. Электромагнитная волна, колебания в которой происходят с одной строго постоянной частотой, называется монохроматической (одноцветной).

Световые волны возбуждают зрительные нервы нашего глаза, благодаря чему процесс видения оказывается возможным. Так что же физически представляет собой процесс видения? Для ответа на этот вопрос рассмотрим простейший случай – синусоидальную (монохроматическую) волну, распространяющуюся в одном направлении. Тогда в любой момент времени t картина волны будет иметь вид синусоиды с соответствующими данной волне параметрами n (частота излучения) и Т (период колебаний). Если же возьмем какую-либо фиксированную точку на пути распространения волны и рассмотрим изменение амплитуды волны в этой точке со временем, то увидим, что эта амплитуда изменяется также по синусоидальному закону, с тем же периодом колебаний Т. Для того чтобы описать волновой процесс одновременно во времени и пространстве, достаточно представить себе, что синусоидальная волна движется параллельно самой себе вдоль какой-либо оси. При этом достаточно рассматривать движение такой точки на кривой, которая будет характеризоваться двумя параметрами: амплитудой и фазой, их значения зависят от расстояния между выбранной точкой и источником излучения.

Предположим теперь, что в пространстве расположен точечный монохроматический источник, испускающий волны равномерно во всех направлениях. В этом случае в любом направлении от источника волновой процесс будет описываться одной и той же синусоидальной кривой. Чтобы охарактеризовать распространение этих волн в пространстве, необходимо рассмотреть движение уже не одной точки, а целого семейства точек, расположенных на одинаковом расстоянии от источника излучения, т. е. точек, в которых все волны имеют одну и ту же фазу. Поверхность, образуемая в пространстве этими точками, называется волновым фронтом. По форме волновых фронтов различают волны плоские (плоские волновые фронты), цилиндрические (цилиндрические волновые фронты) и сферические (сферические волновые фронты). Волновые фронты точечного источника, излучающего равномерно во все стороны, имеют форму концентрических сфер (в плоскости они будут выглядеть как концентрические окружности). Эти сферы распространяются от источника со скоростью света с и по мере удаления от источника их радиус увеличивается. Следовательно, определив в какой-либо точке пространства кривизну волнового фронта, мы в принципе можем определить расстояние до источника излучения.

Если на пути распространения световой волны оказывается какой-то предмет, волновой фронт искажается. Вследствие внесенного предметом рассеяния света волны, идущие от разных точек освещаемого предмета, будут иметь различные амплитуды и фазы. В этих амплитудных и фазовых искажениях волнового фронта и заключена информация о форме предмета, в том числе и его объемное изображение. Используя эти предпосылки, Д. Габор предложил вместо изображения предмета регистрировать пространственную структуру самой волны света, а именно несущий информацию о предмете волновой фронт, и затем по этой записи восстанавливать изображение предмета.

Такой двухступенчатый процесс записи и восстановления волнового фронта, несущего информацию о предмете, и называется голографией, а зафиксированная на какой-либо регистрирующей среде пространственная структура световой волны – голограммой.

Дело в том, что технические средства не в состоянии прямым путем измерить фазу столь высокочастотных колебаний, какими являются световые сигналы, поскольку реакция любого приемника света (фотоумножителя, фотодиода, фототранзистора и даже человеческого глаза) определяется значением средней интенсивности света. Однако решение этой задачи оказалось неожиданно очень простым: использовать для получения голограммы интерференцию двух когерентных пучков света, называемых обычно объектным и опорным, а для восстановления изображения с голограммы – явление дифракции света.

Отсюда более развернутым и полным представляется следующее определение голографии. Голография – направление в физике, в основе которого лежат специальные методы получения, восстановления и преобразования волн. Совокупность таких методов называется голографическим процессом.