Текст книги "Голография для любознательных. Книга для научных сотрудников школьного возраста"

Развитие трехмерной голографии Юрием Денисюком

Юрий Николаевич Денисюк (27.07.1927 – 14.05.2006)

Совершенно независимо, отталкиваясь от сюжета фантастического рассказа Ивана Ефремова «Тень минувшего», в конце 50-х годов прошлого столетия молодой аспирант Государственного оптического института им. С. И. Вавилова Юрий Николаевич Дениcюк предложил свой метод записи «волновых фотографий». Вот что писал Ю. Н. Денисюк в своей работе «Мой путь в голографию»:

«У меня возникла дерзкая мысль: нельзя ли создать такую фотографию средствами современной оптики? Или, если быть более точным, нельзя ли создать фотографии, воспроизводящие полную иллюзию реальности зарегистрированных на них сцен? Первые шаги в решении этой задачи были достаточно просты. Было очевидно, что полностью обмануть зрительный аппарат человека и создать у него иллюзию того, что он наблюдает истинный предмет, можно, если бы удалось воспроизвести волновое поле света, рассеянного этим объектом. Было также понятно, что задача воспроизведения волнового поля могла бы быть решена, если бы удалось найти метод регистрации и воспроизведения распределения фаз этого поля. Работа Д. Габора, в которой он излагал принципы голографии, была мне неизвестна, и в 1958 г. я начал самостоятельно решать эту проблему. Следуя приблизительно по тому же пути, что и Габор, я пришел к идее выявления фаз сложной объектной волны за счет ее смешения с референтной волной, обладающей достаточно простой формой. Исходя, так же как и Габор, из принципа Гюйгенса, я считал, что запись и воспроизведение волнового поля должны обязательно осуществляться на поверхности. Именно в этом пункте и возникла основная сложность в реализации моей идеи. Выход из тупика подсказала работа Г. Липпмана, который в конце 19 века показал, что фотография объемной картины плоской стоячей волны обладает свойствами воспроизводить спектральный состав зарегистрированного на ней излучения. Тогда у меня возникло предположение, что может быть, не имеет смысла ограничиваться случаем записи на поверхности? Возможно, сложные изгибы поверхностей пучностей зарегистрированной в объеме стоячей волны содержат информацию не только о спектральном составе, но и о фазе волновых полей? Несколько вариантов теории и эксперимент подтвердили справедливость этого предположения. Действительно, оказалось, что объемная фотографическая модель картины стоячей волны обладает воистину чудесными отображающими свойствами: она способна воспроизвести точные значения фазы, амплитуды и спектрального состава объектной волны. В то время, поскольку я не знал о методе Габора, и введенном им термине «голография», я присвоил этой модели мой собственный термин «волновая фотография». Трехмерная голограмма: это метод или явление? Когда стали открыты волшебные свойства трехмерной голограммы, возник следующий вопрос: является ли трехмерная голограмма новым методом изображения или новым явлением природы, т.е. новой научной истиной? Несмотря на то, что моей первоначальной целью являлось создание нового метода получения изображений, мне стало ясно, что в данном случае самым важным было новое, интересное физическое явление. Различие между терминами «метод» и «явление» является далеко не формальным. В то время как метод предоставляет только возможности, обеспечиваемые его изобретателем, явление существует в соответствии со своими собственными законами и иногда может оказаться значительно более широким, чем считалось первоначально. Решив, что я имею дело с явлением, я дал ему довольно сложное название: «явление отображения оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения».

По существу, он превратил фантастическую идею И. Ефремова – увидеть за плоскостью объёмное изображение, неотличимое от реальности – в научно обоснованный метод получения таких изображений, который сейчас носит название его имя: «Метод Денисюка». В основе этого метода лежит то обстоятельство, что высокоразрешающая фотоэмульсия голографических пластинок совершенно прозрачна для света. Прошедший через рассеивающую линзу свет лазера падает на пластинку и проникает сквозь нее, создавая, таким образом, опорный пучок, одновременно освещая предметы за пластинкой. На светочувствительную эмульсию пластинки падает часть света, отраженная от поверхности голографируемых предметов. Этот предметный волновой фронт, который взаимодействует со встречным опорным пучком и создает интерференционную картину. В результате регистрации интерференционной картины после проявления вы получаете отражательную голограмму.

Конечно, в своей научной работе он опирался на плечи «гигантов» – Ньютона, Гюйгенса, Юнга, Нобелевских лауреатов Липпмана и Брэгга, и не знал, что идеи голографии уже сформулированы Деннисом Габором. Свою первую голограмму Ю. Н. Денисюк получил 3 декабря 1959 года, т.е. ещё в «долазерную» эпоху. В качестве источника он, как и Габор, использовал зелёную линию из спектра ртути, а в качестве объекта использовал обычную линзу.

Установка, на которой Ю. Н. Денисюк получил свою первую голограмму в 1959 году

Восстановление изображения осуществлялось в белом свете. Выбор объекта, как сетовал впоследствии сам Юрий Николаевич, был неудачным, голограмма была маленькая и не очень яркая, поэтому она не впечатлила коллег. Однако, очень скоро появились лазеры и пришло мировое признание его открытия, зарегистрированного под №88 от 1 февраля 1962 г. «Явление отображения оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения (голография)». Первые голограммы Денисюка так же, как и у Габора, были осевыми в силу малой когерентности, но направление интерферирующих пучков у Юрия Николаевича было встречным. И это принципиально важно!

Интерференция когерентных лучей: 1 – в схеме Лейта; 2 – в схеме Денисюка

В схеме Денисюка картина интерференции световых фронтов, бегущих навстречу друг другу, отображает не только амплитуду и фазу (информацию о трехмерной сцене), но и частоту волны (цвет), зашифрованный в объеме дифракционных структур, как в методе Липпмана. Это позволяет использовать для восстановления изображения голограммы источники «белого света» и открывает перспективу записи цветных голограмм.

Схема регистрации голограммы, когда фотопластинка с прозрачной фотоэмульсией устанавливается между объектом и источником света, с тех пор носит имя Денисюка.

В 1962 г. было установлено, что двумерная голограмма – это лишь частный случай трехмерной и что запись в трехмерной среде обладает гораздо более полным комплексом отображающих свойств. Переход от плоскости к трехмерному пространству не только расширил сферу исследований, но и одновременно предопределил переход голографии из области инструментальной оптики в область физики. В своих работах Ю. Н. Денисюк открыл новые горизонты и возможности в голографии, чем навсегда прославил Российскую науку. Но главное событие, открывшее широкую дорогу голографии, неторопливо зрело в мире физиков. В начале шестидесятых годов двадцатого века появились лазеры – удивительные источники излучения высокой когерентности.

Глава 4. Лазеры

Как программист, вы, вероятно, без особого труда освоили бы умклайдет электронного уровня, так называемый УЭУ—17… Но квантовый умклайдет… Гиперполя… трансгрессивные воплощения… Обобщенный закон Ломоносова – Лавуазье…

А. Стругацкий, Б. Стругацкий. Понедельник начинается в субботу

Слово «ЛАЗЕР» является аббревиатурой английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» – «Усиление света в результате вынужденного излучения».

Лазер излучает когерентный (строго согласованный в пространстве и времени), монохроматичный и поляризованный луч. Принцип действия лазера можно описать только с помощью теории квантовой механики, но он достаточно прост и для популярного объяснения.

Чтобы понять, как работает лазер, обратимся к физике.

Свет – это электромагнитная волна. В отличие от звуковых, электромагнитные волны поперечные и имеют более сложную структуру. Они представляют собой синхронные гармонические колебания магнитного и электрического полей в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны со скоростью света (С)

У электромагнитной, как и у любой волны, есть количественные характеристики, такие, как амплитуда, частота, фаза и направление распространения. Поэтому физики привыкли описывать световую волну с помощью уравнений в векторной форме. Важно знать, что электромагнитные волны являются поперечными и имеют одновременно два взаимно перпендикулярных направления колебаний магнитной H и электрической E составляющих. Волны сохраняют ориентацию колебаний на всем пути распространения до момента взаимодействия с веществом. Так что, можно назвать еще один параметр электромагнитных волн – ориентацию плоскости поляризации. Теорию электромагнитных волн досконально разработал Джеймс Максвелл.

Исследуя спектры излучения нагретых тел, Макс Планк придумал формулу, которая идеально описывала это явление. Согласно этой формуле электромагнитное излучение обладало свойствами необычной частицы, у которой минимальная энергия равнялась произведению некоторой константы – постоянной Планка (h) на частоту электромагнитного колебания (ν).

Мельчайшую и неделимую частицу излучения ученые назвали квантом. Учитывая вышеприведенную формулу, можно сказать, что энергия красного кванта меньше зеленого, а зеленого меньше синего и так далее

Свет в теории Планка одновременно является и волной, и частицей с энергией кратной некоторому числу – постоянной Планка (h).

Ученые основательно призадумались. Что же тогда представляет собой свет? Частица или волна? Кто прав? Ньютон или Френель? Оказывается, правы все. Вот такая получается история.

Еще в 1916 году Альберт Эйнштейн предсказывает возможность возбуждения внешним электромагнитным полем излучения атомов, которое обладает исключительной монохроматичностью. Чтобы понять, в чем же скрыта суть этого явления, рассмотрим в упрощенной форме процесс взаимодействия кванта света с веществом.

1. Электромагнитная частица может взаимодействовать с электронными оболочками атомов вещества, переводя электроны на более высокий энергетический уровень, а атомы в возбужденное состояние.

2. В возбужденном квантами состоянии атомы могут оставаться, по меркам микромира, достаточно долго. В течение этого времени индуцирующие кванты «накачки» способны перевести в возбужденное состояние значительное количество атомов вещества.

3. Но что случится, если с атомом, находящимся в возбужденном состоянии, встретится квант, который имеет энергию точно такую же, как и энергия возбуждения электрона?

4. В этом случае сработает чудесный спусковой механизм, и атом покинут уже два кванта—близнеца, удаляющиеся в том же направлении. Электроны при этом с возбужденных уровней вернутся в исходное, устойчивое состояние. Таким образом, поток света увеличит свою энергию в два раза при сохранении частоты, поляризации и фазы.

Взаимодействие кванта с атомами вещества

И так может происходить многократно на пути распространяющейся лавины частиц, что равносильно усилению мощности излучения пропорционально количеству встретившихся на их пути возбужденных атомов.

– В 1939 году Валентин Фабрикант, сотрудник МЭИ, формулирует принцип усиления электромагнитного излучения в среде, в которой можно создать возрастающее количество возбужденных электронов.

– 1955—й год. Николай Басов и Александр Прохоров разрабатывают мазер, активной средой которого являлся аммиак.

– 1957—й год. Американские ученые Чарльз Таунс и Артур Шавлов начинают разработку принципов лазера.

– 1958—й год. Александр Прохоров использует для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

Принципиально конструкция лазера, как и все гениальное, предельно проста. Между двумя строго параллельными зеркалами располагается оптически активная среда, в которой с помощью лампы накачки или иного способа подвода энергии происходит накопление возбужденных атомов. Любой лазер состоит из рабочего тела, в котором происходит усиление излучения. Рабочими телами лазеров служат самые разнообразные вещества – твердые тела, жидкости и газы.

Для успешной работы лазера атомы рабочего вещества должны иметь особые, метастабильные энергетические электронные уровни (Е₂), изображенные на рисунке

Лазер «накачивают» ярким светом лампы или другого лазера, электрическим током, электронным пучком или химической реакцией. С помощью энергетической накачки электроны в веществе лазера перебрасываются с основного энергетического уровня (Е₃) на более высокий и неустойчивый (Е₁). Если энергия электрона вернется обратно в основное состояние, никакого эффекта не получится. Поэтому в активном веществе лазеров, чуть ниже верхнего уровня, должен находиться еще один, так называемый, «метастабильный» (Е₂) или «долгоживущий», на котором электроны задерживаются на короткое время. Во время действия накачки в лазере образуется инверсия населенностей, при которой электронов на метастабильном уровне накапливается больше, чем на основном.

В возбужденном состоянии атомы не могут находиться бесконечно долго. Спустя некоторое время избыточная энергия сбрасывается в виде излучения кванта с нормированной энергией (и если вспомнить формулу Планка, частотой).

Порожденные самопроизвольным переизлучением, кванты разлетаются в разных направлениях. Для того, чтобы создать лазер, нужна среда, работающая в режиме положительной обратной связи. В качестве положительной обратной связи в усиливающей свет среде ученые стали использовать интерферометр Фабри – Перо, который представляет собой два параллельных плоских зеркала с очень высоким коэффициентом отражения. Это устройство имеет еще одно название – «резонатор».

В таком резонаторе из огромного множества рожденных в результате усиления квантов всегда найдется хотя бы один, который будет двигаться вдоль оси резонатора (параллельно оси установленных зеркал). Такой квант имеет перед остальными огромное преимущество. Многократно отражаясь от параллельно установленных зеркал, он встретит на своем пути максимальное количество атомов активного вещества, находящихся в возбужденном состоянии. Представьте себе, какую лавину своих «клонов» этот единственный квант увлечет за собой, многократно пролетая от одного зеркала до другого!

Одно из зеркал резонатора полупрозрачно. Это означает, что некоторая часть квантов все – таки вырывается из плена зеркального резонатора

Одно из зеркал резонатора полупрозрачно. Это означает, что некоторая часть квантов все – таки вырывается из плена зеркального резонатора. Таким образом, из нашего замечательного устройства, называемого лазером, выходит узкий параллельный пучок квантов—близнецов. У каждого из них одна и та же частота, фаза и ориентация плоскости поляризации. Ни один другой источник света не может сравниться с лазером упорядоченностью испускаемого излучения.

А. М. Прохоров, Ч. Таунс и Н. Г. Басов (слева направо), 1965 год

Вскоре Чарльз Таунс и Артур Шавлов запатентовали конструкцию лазера. В принципе, все понятно и просто, но на самом деле лазеры – это продукты высоких технологий.

В 1960 году американский физик Теодор Мейман, сотрудник фирмы «Хьюз Эйркрафт», сконструировал на основе работ Басова, Прохорова и Таунса первый лазер на рубине (длина волны 0,69 мкм). 1 – рубиновый стержень; 2 – импульсная лампа накачки; 3 – зеркало 100% отражения; 4 – зеркало 95% отражения; 5 – отражатель квантрона; 6 – блок питания импульсной лампы.

Николай Басов в 1962 году предложил идею лазера на основе полупроводникового кристалла, а американцы Джаван, Беннет и Гарриот разработали газовый лазер. С появлением лазеров голография начала стремительно развиваться в самых неожиданных направлениях.

Свойства лазерного луча

Свет лазеров обладает исключительной монохроматичностью. Применяя дополнительные устройства для предотвращения одновременной генерации лазером нескольких частот, можно достичь длины когерентности в сотни метров, а ширины спектра излучения в несколько килогерц. Фронт лазерного луча имеет форму, близкую к идеальной плоскости. Поэтому угловая расходимость луча лазера составляет сотые доли градуса. С помощью фокусирующей линзы, лазерный луч можно собрать в пятно очень малого диаметра и получить исключительно высокую плотность энергии. Распределение интенсивности излучения в сечении лазерного луча стремится к закону Гаусса. Это обстоятельство определяет его геометрию в зоне фокусировки.

Фокусировка лазерного луча

Вблизи фокальной плоскости линзы пучок света имеет форму «перетяжки» с плоским фронтом в зоне фокуса. Чем короче фокус линзы (f) и больше диаметр лазерного пучка (A), тем будет меньше пятно фокусировки (d):

d = 4λf/πА; где d – диаметр идеального гауссова пучка в фокусе линзы; λ – длина волны излучения лазера; А – размер пучка на входе линзы; f – фокус линзы.

Благодаря перечисленным свойствам, существует возможность создания высоких плотностей излучения лазеров, которая используется для быстрого разогрева вещества, охлаждения или ускорения заряженных частиц. Луч лазера режет и сваривает тугоплавкие материалы, с его помощью измеряют расстояния, скорости и ускорения объектов, размеры и концентрации частиц в жидкостях и газах. Для лазеров инженеры нашли очень много полезных применений.

Новое поколение лазеров

Чуть более полувека прошло с тех пор, как появились первые твердотельные и газовые лазеры. Все это время наука не стояла на месте и сделала множество открытий в области полупроводниковых материалов, нелинейных оптических сред и искусственных кристаллов. В результате проведенного широкого фронта исследований было разработано новое поколение лазерных диодов и, так называемых, DPSS лазеров.

Аббревиатура DPSS (diode-pumped solid-state laser), означает – твердотельный лазер с диодной накачкой.

Накачка лазерного кристалла излучением лазерного диода позволяет получить высокую эффективность генерации и качество излучения при относительной простоте и компактности конструкции. Преимущество лазеров с диодной накачкой связано с тем, что излучение лазерных диодов спектрально хорошо согласуется с полосами поглощения активаторных ионов с метастабильными уровнями в генерирующем кристалле. Эффективность накачки при этом превышает 80%, а тепловая нагрузка сокращается до минимума.

DPSS лазеры при высокой мощности когерентного излучения компактны и очень экономичны

DPSS лазеры могут излучать в очень широком диапазоне частот

Простейший DPSS лазер устроен следующим образом. Когерентное излучение лазерного диода с длиной волны 808 нм фокусируется в кристалле Nd: YVO₄ и возбуждает в нем вынужденное излучение с длиной волны 1064 нм. Затем нелинейный кристалл КТР преобразует инфракрасный луч в зеленый с длиной волны 532 нм. Далее излучение коллимационными линзами преобразуется в узкий пучок. IR фильтр отделяет зеленый луч от достаточно мощного инфракрасного, который еще присутствует после преобразования в кристалле КТР.

Принципиальная схема DPSS «зеленого» лазера (532 нм.)

Для получения одночастотной генерации излучения с большой длиной когерентности DPSS лазеры имеют более сложную конструкцию с внешними резонаторами и устройствами селекции мод

Глава 5. Второе рождение голографии

Вот они, львы, в пятнадцати футах, такие правдоподобные – да—да, такие, до ужаса, до безумия правдоподобные, что ты чувствуешь, как твою кожу щекочет жесткий синтетический мех.

Рэй Брэдбери. Вельд

С появлением лазеров ранние опыты Д. Габора и Ю. Денисюка можно было повторить с большим эффектом. Результат не заставил себя долго ждать. И вот наступил день, когда фотография, как самый реалистический способ регистрации изображений, побледнела перед новым открытием. В 1962 году на одной из фотовыставок ученые Эммет Лейт и Юрис Упатниекс в присущей американцам манере устроили сенсацию. Они показали трехмерное изображение шахматной доски, записанное на плоской фотопластинке. Это была первая внеосевая голограмма. Но качество ее способно было потрясти видевших всякое. Так называемая длина когерентности лазеров в отличие от ртутной лампы в опытах Денниса Габора уже составляла не миллиметры, а десятки сантиметров, что позволило разделить направления падения на фотопластинку интерферирующих лучей: опорного источника и волнового фронта, отраженного от объекта и записывать очень глубокие сцены. При рассматривании голограмм Лейта – Упатниекса восстанавливающий источник в этом случае не попадает в поле зрения наблюдателя.

Голографический стол с оптической схемой записи голограммы Лейта и Упатниекса: 1 – лазер; 2 – объект; 3 – фотопластина; 4 – расширители луча; 5 – отклоняющие зеркала; 6 – светоделительное зеркало

Наблюдать трехмерную сцену голограммы Лейта и Упатниекса за куском прозрачного стекла (имейте в виду, что голограмма для большей ее яркости отбеливалась), было сверх границ традиционного сознания.

Одна из первых голограмм «Игрушечный паровозик» изготовлена Лейтом и Упатниексом в марте 1964 года

Люди пытались нащупать фантом, изображение которого ничем не отличалось от материального оригинала. Мало того, изображение, восстановленное с голограммы светом лазера, можно было записать на другую голограмму, при этом изменив не только положение объекта относительно фотопластинки, но и сам тип голограммы. Можно, например, сначала изготовить голограмму—оригинал по схеме Лейта — Упатниекса, а затем получить отражательную копию голографического изображения, записанную во встречных пучках по схеме Денисюка. Отражательные голограммы Денисюка позволяют использовать для восстановления трехмерного изображения не дорогостоящие и сложные в эксплуатации лазеры, а свет солнца или ламп накаливания.