Голографія - метод запису і відновлення хвильового поля, заснований на інтерференції і дифракції хвиль.
Ідея голографії була вперше висловлена Д. Табором в 1948 р проте її практичне використання виявилося можливим після появи лазерів.
Виклад основ голографії доречно почати порівнянням з фотографією. При фотографуванні на фотоплівці фіксується інтенсивність світлових хвиль, відбитих предметом. Зображення в цьому випадку є сукупністю темних і світлих точок. Фази розсіюються хвиль не реєструються, і таким чином втрачається значна частина інформації про предмет.
Голографія дозволяє реєструвати і відтворювати більш повну інформацію про об'єкт з урахуванням амплітуд і фаз хвиль, розсіяних предметом. Реєстрація фази можлива внаслідок інтерференції хвиль. З цією метою на светофіксірующую поверхню посилають дві когерентні хвилі: опорну, що йде безпосередньо від джерела світла або дзеркал, які використовують як допоміжні пристрої, і сигнальну, яка з'являється при розсіюванні (відображенні) частини опорної хвилі предметом і містить відповідну інформацію про нього.
Інтерференційну картину, утворену складанням сигнальної і опорної хвиль і зафіксовану на світлочутливої платівці, називають голограмою. Для відновлення зображення голограму висвітлюють тієї ж опорною хвилею.
Покажемо на деяких прикладах, як виходить голограма і відновлюється зображення.
Голограма плоскої хвилі. У цьому випадку на голограмі фіксується плоска сигнальна хвиля I. потрапляє під кутом a1 на фотопластинку Ф (рис. 19.23, а).
Опорна хвиля II падає нормально, тому у всіх точках фотопластинки одночасно її фаза однакова. Фази сигнальної хвилі внаслідок її похилого падіння різні в різних точках світлочутливого шару. З цього випливає, що різниця фаз між променями опорної і сигнальної хвиль залежить від місця зустрічі цих променів на фотопластинці і, згідно з умовами максимумів і мінімумів інтерференції, отримана голограма буде складатися з темних і світлих смуг.
Нехай АВ (рис. 19.23, б) відповідає відстані між центрами найближчих темних або світлих інтерференційних смуг. Це означає, що фази точок А і В у сигнальної хвилі відрізняються на 2p. Побудуємо нормаль АС до її променів (фронт хвилі). Очевидно, що фази точок А і С однакові. Різниця фаз точок В і С на 2p означає, що | ВС | = L. З прямокутного D АВС маємо
Так як сигнальна хвиля утворюється при відображенні частини опорної oт предмета, то зрозуміло, що в даному випадку предметом є плоске дзеркало або призма, т. Е. Такі пристрої, які перетворюють плоску опорну хвилю в плоску сигнальну (технічні подробиці на рис. 19.23, а не показані).
Направивши на голограму опорну хвилю II (рис. 19.24), здійснимо дифракцию (див. § 19.6). Згідно (19.29), перші головні максимуми (k = 1) відповідають напрямам
Підставивши в цей вираз АВ з (19.43) замість с, маємо
З (19.46) видно, що напрямок хвилі I ¢ (рис. 19.24), дифрагованим під кутом a1. відповідає сигнальної: так відновлюють хвилю, відображену (розсіяну) предметом. Хвиля I ¢¢ і хвилі інших головних максимумів (на малюнку не показані) також відтворюють інформацію, зафіксовану в голограмі.
Голограма точки. Одна частина опорної хвилі II потрапляє на точковий об'єкт А (рис. 19.25, а) і розсіюється від нього у вигляді сферичної сигнальної хвилі I. інша частина плоским дзеркалом 3 направляється на фотопластинку Ф, де ці хвилі і інтерферують. Джерелом випромінювання є лазер Л. На рис. 19.25, б схематично зображено отримана голограма.
Хоча в даному прикладі сигнальна хвиля є сферичної, можна з деяким наближенням застосувати формулу (19.43) і помітити, що в міру збільшення кута a1 (див. Рис. 19.23, а) зменшується відстань АВ між сусідніми смугами. Нижні дуги на голограмі (рис. 19.25, б) розташовані тісніше.
Якщо вирізати з голограми вузьку смужку, показану штриховими лініями на рис. 19.25, б, то вона буде подібна до вузької дифракційної решітці, постійна якої зменшується в напрямку осі X. На такий решітці відхилення вторинних хвиль, відповідних першому головному максимуму, зростає в міру збільшення координати X щілини [см. (19.29)]: з стає менше, | sin a | - більше.
Таким чином, при відновленні зображення плоскої опорної хвилею дифраговані хвилі вже не будуть плоскими. На рис. 19.26 показані хвиля I ¢, що формує уявне зображення А 'точки А, і хвиля I ¢¢, що створює дійсне зображення А ¢¢.
Будь-який предмет є сукупністю точок, тому міркування, наведені для однієї точки, можуть бути узагальнені і на голографирования будь-якого предмета. Голографічні зображення об'ємні, і їх зорове сприйняття нічим не відрізняється від сприйняття відповідних предметів: ясне бачення різних точок зображення здійснюється за допомогою акомодації ока (див. § 21.4); при зміні точки зору змінюється перспектива, одні деталі зображення можуть затуляти інші.
При відновленні зображення можна змінити довжину опорної хвилі. Так, наприклад, голограму, утворену невидимими електромагнітними хвилями (ультрафіолетовими, інфрачервоними і рентгенівськими), можна відновити видимим світлом. Так як умови відображення і поглинання електромагнітних хвиль тілами залежать, зокрема, від довжини хвилі, то ця особливість голографії дозволяє використовувати її як метод внутрівіденія, або интроскопии.
Особливо цікаві і важливі перспективи відкриваються у зв'язку з ультразвукової голографії. Отримавши голограму в ультразвуко-кових механічних хвилях, можна відновити її видимим світлом. Ультразвукова голографія в перспективі може бути використана в медицині для розглядання внутрішніх органів людини з діагностичною метою. З огляду на велику інформативність цього методу і істотно меншої шкоди ультразвуку в порівнянні з рентгенівським випромінюванням, можна очікувати, що в майбутньому ультразвукова голографічна інтроскопія замінить традиційну рентгенодіагностику.
Ще одне медико-біологічне додаток голографії пов'язано з голографічним мікроскопом. Один з перших способів побудови голографічного мікроскопа заснований на тому, що зображення предмета виходить збільшеним, якщо голограму, записану з плоскою опорною хвилею, висвітлити розходиться сферичної хвилею.
У розвиток голографії вніс вклад радянський фізик Ю. М. Денисюк, який розробив метод кольорової голографії.
Зараз важко оцінити всі можливості застосування голографії: кіно, телебачення, пристрої, що запам'ятовують і т. Д. Безсумнівно лише, що голографія є одним з найбільших винаходів XX в.