Применение голографии.

Цели: познакомить учащихся с некоторыми примерами практического использования голографии.

Сценарий занятия:

1. Организация учащихся.
2. Изучение нового материала.

   Основные особенности голографии, отличающие ее от фотографии, таковы:

   1. это запись интерференционной картины, содержащая не только амплитудную, но и фазовую информацию, тогда как обычная фотография – это запись только интенсивностей света, не содержащая фазовой информации;
   2. при регистрации голограммы нет необходимости в фокусировке, голограмма чаще всего не имеет сходства с объектом;
   3. голограмма способна восстанавливать точную копию волнового фронта, идущего от объекта (если объект трехмерный, она восстанавливает трехмерное изображение);
   4. изменяя угол между опорным пучком и волновым фронтом, идущим от объекта, можно на одном участке фотографической пластинки записать более одной голограммы;
   5. в большинстве случаев для восстановления изображения достаточно любой малой части голограммы; если голограмма повреждена или частично уничтожена, она все равно восстановит изображение.

   Эти и некоторые другие важные особенности голограмм привлекли внимание многих исследователей, стремившихся довести голографию до практического применения. На "объемных голограммах", полученных с регистрацией интерференционной картины по толщине фотоэмульсионного слоя на фотопластинке, была продемонстрирована возможность восстановления многоцветных трехмерных изображений при освещении белым светом.

   Весьма перспективным представляется применение голографии в микроскопии. Благодаря возможности спокойно исследовать трехмерный объект, после того как записана его голограмма, устраняются некоторые трудности, связанные с визуальным исследованием объектов при большом увеличении. То, что вместо самого объекта рассматривается его восстановленное голографическое изображение, не мешает исследователю использовать метод фазового контраста и другие методы микроскопии. Более того, этим могут быть существенно уменьшены трудности, связанные с подготовкой образца, в ходе которой объект может оказаться деформированным. В данной области ведутся интенсивные разработки.

   Голография привнесла много нового в интерферометрию – область прецизионной измерительной техники, основанной на применении интерференции. Был создан ряд голографических методов, позволяющих получать восстановленное изображение объекта вместе с волновым фронтом от того же самого объекта после какой-либо его деформации, столь малой, что ее невозможно обнаружить другими методами. На интерференционной картине, возникающей при взаимном наложении двух волновых фронтов, выявляются деформационные искажения порядка длины волны света. Голографическими методами можно исследовать с интерферометрической точностью любые объекты; не требуется, чтобы их поверхности были оптического или близкого к оптическому качества.

   Поиски возможностей применения голографии продолжаются. В области т.н. оптической фильтрации и оптической обработки данных удалось достичь некоторого успеха при использовании специальных голограмм для распознавания особенностей рельефа на аэрофотоснимках. Голографические методы облегчают обработку радиолокационной информации; они нашли применение при расшифровке данных бортовых самолетных РЛС. Ряд научных организаций работает над устранением еще имеющихся трудностей.

   Импульсная голография открывает возможность фиксировать и анализировать быстро, протекающие процессы. Большой интерес, например, для ядерной физики и физики элементарных частиц представляет изучение следов (треков) частиц в трековых камерах. Для этой цели пока применяется стереоскопическая съёмка. Голографические методы оказываются здесь весьма эффективными, поскольку они позволяют зафиксировать информацию обо всём объёме камеры. При восстановлении можно рассматривать изображение в различных сечениях камеры, что позволяет легко разделить треки, соответствующие разным частицам. Число частиц, регистрируемых на голограмме, может быть очень большим (порядка 1000). Аналогично можно изучать динамику распределения неоднородностей в туманах, жидкостях и других прозрачных средах. Перспективно применение импульсной голографии в интерферометрии. На одной и той же фотопластинке в различные моменты времени записываются 2 голограммы исследуемого объекта. При восстановлении обе волны, несущие информацию об объекте, накладываются друг на друга. Если за время между экспозициями с объектом произошли какие-либо изменения, то на восстановленном изображении появляется система интерференционных полос. Расшифровывая полученную интерференционную картину, можно определить происшедшие изменения. Этот метод позволяет измерять очень небольшие (порядка долей мкм) деформации объектов со сложной формой поверхности, обусловленные вибрацией, нагреванием и т. п. Его можно использовать также для неразрушающего контроля изделий, для исследования взрывов, ударных волн, образующихся, например, при полёте пули (рис. 18), для изучения потоков газа в сверхзвуковом сопле, для исследования плазмы и т. д.

   рис. 18

   Применение голографии открывает принципиальную возможность создания объёмного цветного телевидения. Действительно, голограмму объекта можно зафиксировать на светочувствительной поверхности передающей телевизионной трубки, а затем передать её по радио- или оптическому каналу. На приёмном конце голограмму можно восстановить, записав её, например, на светочувствительной плёнке. Это позволит наблюдать трёхмерное изображение объекта. Реализация такой системы даже для специальных применений пока связана с большими техническими трудностями (разрешающая способность телевизионных передающих трубок очень низка, что затрудняет восстановление объёмных изображений; отсутствуют достаточно мощные лазеры видимого диапазона, которые необходимы для получения голограмм реальных объектов, и т. п.).

   Методы голографии открывают возможность создания новых систем памяти, представляющих большой интерес для прогресса вычислительной техники. Голография позволяет реализовать плотность записи порядка 10⁷—10⁸ двоичных единиц информации на 1 см² светочувствительной поверхности, что на несколько порядков выше, чем у существующих систем памяти. Кроме того, голографическая запись характеризуется высокой надёжностью; выход из строя небольших участков голограммы приводит лишь к некоторому ухудшению качества воспроизведения (см. выше). Голографические устройства памяти с большой ёмкостью были предложены в 1966 А. Л. Микаэляном и В. И. Бобриневым (СССР). Они основаны на записи большого числа голограмм на одну и ту же поверхность (или объём) фотоматериала. Для того чтобы изображения не накладывались друг на друга, при записи каждого из них изменяют угол падения опорной волны на светочувствительный слой (рис. 19).

   рис. 19

   Опорный луч, прежде чем попасть на голограмму, проходит через отклоняющую систему, которая устанавливает направление опорного луча в соответствии с введённым в неё адресом. Каждому адресу соответствует своё направление опорного луча. Сигнальный луч делится на n каналов, в каждый из которых включен модулятор М. При наличии управляющего напряжения он пропускает луч лазера, а при отсутствии напряжения становится непрозрачным. На выходе модуляторов возникает комбинация n лучей, которые вместе с опорным лучом записываются в виде голограммы. При накоплении информации в запоминающем устройстве на адресный вход подаются поочерёдно все адреса, а на сигнальный — соответствующие числа.

   При считывании информации отклоняющая система устанавливает угол падения считывающего опорного луча, соответствующий заданному адресу, и голограмма формирует изображение в виде системы ярких точек, количество и взаимное расположение которых определяется комбинацией включенных при записи модуляторов. Это изображение проецируется на систему фотоприёмников, на выходе которых сигналы дают считанное число. Уже удалось записать последовательно до 1000 голограмм 32-разрядных чисел на участке поверхности с диаметром около 2 мм.

   Другой вариант голографического запоминающего устройства позволяет записывать большие количества чисел, которые предварительно преобразуются в матрицы-транспаранты (рис. 20). Каждая матрица записывается в виде голограммы на небольшом участке фотопластинки (порядка 1—2 мм). Переключение луча с одной голограммы на другую осуществляется двухкоординатной системой отклонения, причём при любых углах отклонения опорный и сигнальные лучи совмещены на голограмме. При считывании информации каждая голограмма освещается опорным лучом, восстанавливающим изображение соответствующей матрицы (рис. 20). Это изображение падает на мозаику фотодиодов, соединённых таким образом, чтобы можно было выбрать любое число из восстановленной матрицы. Время считывания произвольного числа определяется мощностью лазера и чувствительностью фотодиодов и может быть сделано очень малым (10^-7—10^-8 сек). Ёмкость голографических систем памяти при произвольной выборке информации с высокой скоростью может достигать 10⁹ двоичных единиц.

   рис. 20

   Перспективна возможность использования принципов голографии для создания специальных вычислительных устройств, в которых проводятся те или иные математические операции над информацией, записанной в виде голограммы. Наибольшее внимание при этом уделяется созданию устройств для поиска заданной информации и опознавания образов. Термин "опознавание" означает сравнение изображений 2 объектов и установление соответствия между ними. Такие устройства могут применяться для автоматического чтения информации, для классификации различных объектов, для дешифровки сложных изображений и т. д. Возможность опознавания образов основана на свойстве голограмм восстанавливать изображение объекта только в том случае, если считывающий пучок света совпадает по форме с опорным лучом, использовавшимся при съёмке. Пусть, например, имеется голограмма, на которой записана интерференция между светом точечного источника и светом, прошедшим через транспарант с буквой "Т" (рис. 21).

   рис. 21

   Если затем голограмму освещать светом, проходящим через транспарант, на котором записаны разные буквы, то только в случае той же буквы "Т" мы увидим изображение яркой точки. Такая голограмма является своеобразным фильтром, с помощью которого можно, например, установить наличие буквы "Т" в каком-либо сложном тексте и быстро определить число этих букв. Этот способ был, в частности, опробован для опознавания отпечатков пальцев. Для одного из восьми сходных отпечатков был изготовлен голографический фильтр, с помощью которого производилось опознавание в рассмотренной выше установке. Фотографические копии всех отпечатков последовательно вводились в схему, и наблюдалось изображение в плоскости опознавания. Оказалось, что яркая точка возникала только в одном случае, что говорит о высокой избирательности данного метода. Важно отметить, что достаточно уверенное опознавание происходит и в том случае, когда имеется лишь часть отпечатка. Например, при наличии половины отпечатка яркость изображения точки уменьшается всего на 10%. Экспериментально установлено, что опознавание естественных объектов сложной формы (например, отпечатков пальцев) происходит более надёжно, чем знаков, букв или простых фигур. Например, при опознавании букв возможны ошибки по сходности начертания (О и С, П и Е и др.).

   С применением голографии для опознавания образов тесно связано использование её для кодирования информации. В этом случае при съёмке голограммы в канале опорного луча устанавливается специальный элемент (например, диффузное стекло), создающий сложную форму волнового фронта. Чтобы наблюдать восстановленное изображение, необходимо использовать ту же самую опорную волну. Это оказывается возможным только при использовании того же экземпляра диффузного стекла, который применялся при съёмке голограммы. Высокая степень кодирования связана с тем, что опорный луч, прошедший через диффузное стекло, превращается в протяжённый монохроматический источник света, который является набором большого числа точечных излучателей, имеющих определённое соотношение амплитуд и фаз. Поэтому вероятность того, что различные экземпляры диффузных стекол будут одинаковыми в указанном смысле, чрезвычайно мала. Большой интерес представляет применение голографии для формирования заданных волновых фронтов. Известно, например, что оптические объективы не могут быть сделаны идеальными и всегда вносят искажения в формируемые ими изображения. Для каждого объектива можно изготовить голограмму, корректирующую эти искажения. С усовершенствованием техники голографии окажется возможной реализация специальных "голографических объективов", представляющих собой набор заранее изготовленных голограмм, заменяющих линзовые объективы и свободных от аберраций оптических систем.

   Голографический метод применим также в случаях звуковых и ультразвуковых волн. Если на объект, помещенный в непрозрачную жидкость, воздействовать звуковым генератором, то на поверхности жидкости можно создать звуковую голограмму (рис. 22). Для этого необходим вспомогательный источник звука, создающий опорную волну. Если звуковую голограмму, образующуюся в результате интерференции звуковых волн (опорной и сигнальной), осветить лазером, то можно увидеть объёмное изображение предмета. Голографическое "звуковидение" важно, в частности, для исследований внутренних органов животных и людей.

   рис. 22

^ наверх ^