ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Дифракция света из "Голография " По определению, данному в учебниках физики, дифракция света - это нарушение законов геометрической оптики, наблюдаемое в местах резкой неоднородности среды. Отклонение распространения света от прямолинейного, огибание препятствий световыми лучами происходит вблизи краев непрозрачных тел. Оно обусловлено волновой природой света. Как выглядит дифракция у прямолинейного края непрозрачного экрана, иллюстрирует рис. 23. Если осветить экран параллельным пучком света, состоящим из плоских волн, то в области геометрической тени интенсивность света не равна нулю. Она постепенно уменьшается в сторону тени, а в освещенной области возникают полосы максимумов и минимумов освещенности, параллельные краю экрана. [c.34] Наблюдаемую картину можно построить, основываясь на волновой теории света и принципе Гюйгенса. Каждую точку среды, которую достигла волна, можно рассматривать как источник вторичных сферических волн, распространяющихся со скоростью, свойственной среде. Огибающая поверхность, касающаяся сверх сферических вторичных волн в том положении, которого они достигнут к моменту t, и представляет собой волновой фронт в это время. К этому принципу французский физик Френель применил рассмотренные нами ранее законы интерференции. Согласно Френелю правило построения огибающей должно быть заменено расчетом взаимной интерференции вторичных волн. [c.34] Подобное рассуждение покажет, что в точке О действия третьей зоны противоположно действию второй, действие четвертой - противоположно действию третьей и т. д., и вообще, действие соседних зон уничтожают друг друга. Если отверстие таково, что в нем умещаются всего две зоны, то в точке О почти не будет света, ибо две соседние зоны взаимно ослабляют одна другую. Большая часть света будет распределена вокруг точки О, так что мы увидим темное пятно, окруженное светлым кольцом. При размере отверстия в три зоны в точке О будет свет, ибо третья зона ослабит действие второй, и центральная точка будет освещена из-за отсутствия ослабляющего действия первой зоны. Светлая центральная точка будет охвачена темным кольцом, за которым вновь будет видно просветление. [c.35] Вообще, при четном числе зон в центре будет темное пятно, окруженное чередующимися светлыми и темными кольцами при нечетном числе зон - в центре светлое пятно, а ближайшее кольцо - темное и т. д. Размеры этих колец тем меньше, чем больше диаметр отверстия, так что при большом диаметре темные и светлые кольца около центра чередуются настолько часто, что мы перестаем различать их и практически не замечаем явления дифракции. Следует отметить, что расчет зон Френеля зависит от длины волны света, поэтому и вид картины от этого сильно зависит. [c.35] Точности ради можно отметить, что дифракция имеет место и при отражении экраном света. В отраженной волне, распространяющейся в обратном направлении, возникают сложение и гашение волн. Это существенно при более внимательном рассмотрении работы открытого зеркального резонатора, который используют в лазере. Из-за дифракции на краях зеркал свет возвращается внутрь резонатора, что обеспечивает сравнительно небольшие потери энергии. [c.35] Никакие конструктивные объективы не помогают избавиться от этого недостатка, так как он обусловлен самш волновой природой электромагнитных колебаний. И именно он определяет одну из основных характеристик оптических приборов - их разрешающую способность, т. е. способность различать две близко расположенные светящиеся точки (например звезды). Это явление, ухудшающее разрешающую способность электронных микроскопов, заставило Денниса Габора задуматься над тем, как можно устранить последствия дифракции. И он предложил способ, в котором были заложены основные принципы голографии. Но об этом немного позже. [c.36] применяя принцип Гюйгенса - Френеля, рассчитать структуру дифракционной картины изображения точечного источника. Если рассматривать слабо сходящийся поток (угол X. мал), можно показать, что принцип Гюйгенса - Френеля идентичен тому, что в математике называют преобразованием Фурье. Следовательно, мы можем называть дифракционую картину S преобразованием Фурье распределения амплитуд и фаз на поверхности фронта волны. Соответственно можно рассчитать распределение амплитуд и фаз на поверхности волнового фронта, если известно распределение амплитуд и фаз на дифракционной картине. Распределение амплитуд и фаз на поверхности волнового фронта является обратным преобразованием Фурье распределения амплитуд и фаз в плоскости дифракционной картины. Этими двумя понятиями широко пользуются и в физической, и в цифровой голографии. [c.37] Для объектива, у которого 2 а = 0,25 рад и длины волны X = =0,6 мкм, получим г = 3 мкм. Если увеличивать входное отверстие, то диаметр дифракционного пятна уменьшится, и наоборот. Образованную точечным источником дифракционную картину от идеальной оптической системы называют диском Эри. Профиль диаметрального сечения диска Эри показан на рис. 27. [c.37] Если же создать решетку, прозрачность которой меняется по синусоидальному закону, то при дифракции на такой решетке образуются, помимо прямого изображения, только максимумы первого порядка. Этот результат легко получить, вычислив преобразование Фурье функции os x, дающей распределение амплитуд. Это и есть дифракция в параллельных лучах на синусоидальной решетке. Однако опыт пока-зьшает, что если изменение прозрачности хоть немного отступает от закона os x, то сразу появляются и другие максимумы. Если заменить решетку, изменяющую амплитуду по закону os xi на другую, изменяющую фазу по тому же закону, то и в этом случае получим одно прямое изображение и два максимума по его бокам. [c.38] Осветим такую решетку параллельным монохроматическим пучком света. Через ее центральную часть пройдет прямой пучок S,,, и на оси справа от линзы Л будут расположены действительные изображения источника, S2, 5j (рис. 29, б), а справа от линзы мнимые Sj, Sj, Sj (их построение показано штриховыми линиями). Из рисунка видно, что мы имеем дело как бы с многофокусной линзой. [c.39] Основная забота специалистов по голографии в том и состоит, чтобы уменьшить число таких максимумов до предельно возможного минимума, т. е. хотя бы до двух. Подобный пример, рассмотренный ранее, показывает, что для этого нужно создать круглую решетку, в которой переход от максимума к минимуму происходил бы не скачком, а плавно и коэффициент пропускания в ней должен изменяться по закону os х - Пересняв такую решетку на фотопластинку и осветив ее параллельным пучком света, получим прямой пучок, а также действительное и мнимое изображения источника. Если и теперь на экране появятся дополнительные изображения (а это не исключено, поскольку коэффициент пропускания негатива по амплитуде не совпадает точно с заданным), нужно сделать решетку менее контрастной. Как иногда говорят специалисты по электронике и фотографы, нужно правильно выбрать рабочую точку на характеристической кривой фотоматериала. [c.39] Именно поэтому в последние годы стали производить решетки, полученные путем фотосъемки на специальные фотопластинки с высокой разрешающей способностью фотослоя интерференционной картины, возникающей при сложении двух плоских световых волн, падающих под разными углами на плоскость фотопластинки. [c.40] Если же б содержит нечетное число полуволн, то наблюдается минимум освещенности. Плоскость, на которой лежат такие точки, называют плоскостью узлов. Расстояние между двумя соседними плоскостями пучностей (или плоскостями узлов) равно Х/2, расстояние же между соседними плоскостями пучностей и узлов - Х/4. [c.40] Теперь покроем зеркало толстым слоем фотоэмульсии и не обычной, а такой, которая состоит из очень мелких зерен. Эта эмульсия имеет высокую разрешающую способность. Осветим полученную фотопластинку параллельным монохроматическим пучком света с длиной волны X. Если толщина фотоэмульсии превышает длину волны света в несколько раз, то в ней зафиксируется картина интерференции падающих на зеркало и отраженных от него волн. После проявления фотопластинки и мы получим ряд полупрозрачных отражающих слоев серебра, отстоящих друг от друга на равных расстояниях Х/2. [c.41] Для других длин волн расстояние между слоями больше или меньше к/2. Следовательно, от полупрозрачных слоев серебра отразится множество лучей, разность хода которых принимает всевозможные значения. В результате интерференции они взаимно гасятся. Иными словами, пластинка, освещенная белым светом, работает как интерференционный фильтр, отражающий только монохроматический свет, которым был освещен при экспонировании. [c.41] Этот принцип вначале был использован французским ученым Габриелем Липманом в цветной фотографии в конце XIX века, за что в 1908 г. он был удостоен Нобелевской премии. Он вставлял специальную пластинку в кассету со ртутью, которая давала абсолютную ровную поверхность - идеальное зеркало. Свет, проходя через эмульсию, отражался от ртути и возвращался обратно. При интерференции образовывались стоячие волны, в результате чего кристаллы серебра после проявления эмульсии располагались слоями. При рассмотрении такого негатива свет отражается от него так, что изображение видно в настоящих цветах. Рассматривая отражение от пластинки в нормально падающем белом свете, мы увидим в каждой точке отражение света тех длин волн, которые попали в нее при фотографировании, т. е. получаем воспроизведение цвета. Это явление лежит в основе цветной голографии. [c.41] Вернуться к основной статье