Типы голограмм. Плоские и объемные голограммы

Структура голограммы зависит от способа формирования предметной и опорной волн и от способа записи интерференционной картины. Предмет освещается пучком когерентного света, рассеянная им световая волна, несущая информацию о предмете, падает на фотопластинку, освещаемую опорным пучком. В зависимости от взаимного расположения предмета и пластинки, а также от наличия оптических элементов между ними, связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскостях голограммы и предмета различна. Если предмет лежит в плоскости голограммы или сфокусирован на нее, то амплитудно-фазовое распределение на голограмме будет таким же, как и в плоскости предмета (голограмма сфокусированного изображения). Взаимное расположение элементов при таком способе голографирования показано на рисунке 15.3.

Когда предмет находится достаточно далеко от пластинки, либо в фокусе линзы Л (рисунок 15.4), то каждая точка предмета посылает на пластинку параллельный световой пучок. При этом связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскости голограммы и в плоскости предмета математически представляется в виде преобразования Фурье (комплексная амплитуда предметной волны на пластинке – так называемый фурье-образ предмета). Голограмма в этом случае называется голограммой Фраунгофера.

Если комплексные амплитуды предметной и опорной волн являются фурье-образами предметного и опорного источника, то голограмму называют голограммой Фурье (рисунок 15.5).

При записи голограммы Фурье предмет и опорный источник располагают обычно в фокусе линзы (рисунок 15.6).

В случае безлинзовой фурье-голограммы (рисунок 15.7) опорный источник располагают в плоскости предмета. При этом фронт опорной волны и фронты элементарных волн, рассеянных отдельными точками предмета, имеют одинаковую кривизну. В результате структура и свойства голограммы практически такие же, как у фурье-голограммы.

Голограммы Френеля образуются в том случае, когда каждая точка предмета посылает на пластинку сферическую волну. По мере увеличения расстояния между объектом и пластинкой голограммы Френеля переходят в голограммы Фраунгофера, а с уменьшением этого расстояния – в голограммы сфокусированных изображений.

При встрече опорной и предметной волн в пространстве образуется система стоячих волн. Их максимумы соответствуют зонам, в которых интерферирующие волны находятся в одной фазе, а минимумы – зонам, в которых интерферирующие волны находятся в противофазе. Для точечного опорного источника О₁ и точечного предмета О₂ поверхности максимумов и минимумов представляют собой систему гиперболоидов вращения. Пространственная частота интерференционной структуры (величина, обратная ее периоду) определяется углом , под которым сходятся в данной точке световые лучи, исходящие из опорного источника и предмета: , где − длина волны. Плоскости, касательные к поверхности узлов и пучностей в каждой точке пространства, делят пополам угол . В схеме Габора опорный источник и предмет расположены на оси голограммы, угол близок к нулю и пространственная частота интерференционной структуры минимальна. Осевые голограммы называют также однолучевыми, так как используется один пучок света, часть которого рассеивается предметом и образует предметную волну, а другая часть, прошедшая через объект без искажения, выполняет функции опорной волны.

В схеме Лейта и Упатниекса когерентный наклонный опорный пучок формируется отдельно (двулучевая голограмма). Для двулучевых голограмм пространственная частота интерференционной структуры больше, чем для однолучевых голограмм (требуются фотоматериалы с более высоким пространственным разрешением). Если опорный и предметный пучок падают на фоточувствительный слой с разных сторон (~ 180⁰), то пространственная частота интерференционной структуры максимальна и близка к 2/(голограммы во встречных пучках). Интерференционные максимумы располагаются вдоль поверхности материала в его толще. Эта схема была впервые предложена Денисюком. Так как при освещении такой голограммы опорным пучком восстановленная предметная волна распространяется навстречу освещающему пучку, такие голограммы иногда называют отражательными. Если толщина фоточувствительного слоя значительно больше расстояния между соседними поверхностями интерференционных максимумов, то голограмму следует рассматривать как объемную. Если же запись интерференционной структуры происходит на поверхности слоя, или если толщина слоя сравнима с расстоянием d между соседними элементами структуры, то голограммы называют плоскими. Критерий перехода от двухмерных голограмм к трехмерным выражается соотношением .

Объемные голограммы представляют собой трехмерные структуры, в которых поверхности узлов и пучностей зарегистрированы в виде вариаций показателя преломления или коэффициента отражения среды. Поверхности узлов и пучностей направлены по биссектрисе угла , который составляют предметный и опорный пучки. Такие многослойные структуры при освещении опорной волной действуют подобно трехмерным дифракционным решеткам. Свет, зеркально отраженный от слоев, восстанавливает предметную волну.

Пучки, отраженные от разных слоев усиливают друг друга, если они синфазны, то есть разность хода между ними равна (условие Липпмана – Брэгга). Условие автоматически выполняется только для той длины волны, в свете которой регистрировалась голограмма. Этим обусловлена селективность голограммы по отношению к длине волны источника, в свете которого происходит восстановление волнового фронта, и возможность восстанавливать изображение с использованием источника сплошного спектра (Солнце, лампа накаливания). Если экспонирование проводилось светом, содержащим несколько спектральных компонентов (красная, синяя, зеленая спектральные линии), то для каждой длины волны образуется своя трехмерная интерференционная структура. Соответствующие длины волн будут выделяться из сплошного спектра при освещении голограммы, что обусловит восстановление не только структуры волны, но и ее спектрального состава, то есть получение цветного изображения. Трехмерные голограммы одновременно образуют только одно изображение (мнимое или действительное) и не формируют волны нулевого порядка.