refik.in.ua 1



СОВРЕМЕННЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ

Учебное пособие



Набор 5




ГОЛОГРАФИЯ


ПАСПОРТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ



Киев – 2005



-1-

СОДЕРЖАНИЕ





  1. Назначение...................................................................1

  2. Комплектность.............................................................1

  3. Технические характеристики ....................................1

  4. Методические рекомендации ....................................2

  5. Свидетельство о приёмке............................................7




  1. НАЗНАЧЕНИЕ

Учебное пособие ”Набор 5. Голография”, предназначено для ознакомления учащихся с новыми нетрадиционными оптическими элементами, синтезированными (искусственно созданными) на основе принципов волновой оптики.

Набор 5 рассчитан для углубленного изучения раздела “ОПТИКА” в соответствии с программой общеобразовательной школы, гимназии, лицея.


  1. КОМПЛЕКТНОСТЬ




поз.
Обозн.

Наименование Размер (мм)

Кол

1

5-1

Зеркало сферическое голографическое 60х60

1

2

5-2

Линза цилиндрическая голографическая 60х60

1


3

5-3

Линза сферическая голографическая 60х60

1

4

5-4

Линза сферическая голографическая 60х60

1

5

5-5

Портрет человека. Голограмма Денисюка

импульсная 300х400


1

6

5-6

Сюжет “Волк”. Голограмма Денисюка

импульсная 300х400


1

7

5-7

Голограмма с оптическим эффектом. 100х150

1

8

7-4

Собор. Голограмма Лейта 60х60

1




  1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

5-1. Зеркало голографическое.

Фокусное расстояние ± 50 мм. Первая голограмма Денисюка. Имеет прямое и мнимое изображение. Прямое изображение – вогнутое сферическое зеркало, мнимое – выпуклое сферическое зеркало. Световой диаметр: 50мм.
5-2. Линза цилиндрическая голографическая.

Фокусное расстояние: n·50 мм. (n = 1,2,3,4...). Записана по схеме Лейта. Амплитудно-фазовая модуляция (отбелена). Световой диаметр: 40 мм.

5-3. Линза сферическая голографическая.

Фокусное расстояние: n·100 мм. (n = 1,2,3,4...). Выполнена по схеме Лейта. Амплитудно-фазовая модуляция. Световой диаметр: 40 мм.


5-4. Линза сферическая голографическая.

Фокусное расстояние: n·100 мм. (n = 1,2,3,4...). Выполнена по схеме Лейта. Амплитудная модуляция. Световой диаметр: 40 мм.

-2-


  1. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

3.1 Введение.

Существует три способа записи оптической информации: фотографический, телевизионный и голографический. Исторически первым способом является фотографический. В его основе лежит явление перенесения изображения предмета с помощью объектива на поверхность светочувствительного слоя. При этом, каждой точке предмета с определённой интенсивностью соответствует точка его изображения.

В телевизионной технике используется тот же самый принцип перенесения изображения в плоскость приёмного регистрирующего элемента камеры. В приёмном элементе распределение интенсивности полученного изображения преобразуется на соответствующее распределение электрического потенциала.

Голография является принципиально новым способом записи оптической информации. В отличие от фотографического и телевизионного способов, которые непосредственно на первом этапе с помощью объектива получают и регистрируют изображение предмета, при голографическом способе записываются параметры световой волны, прошедшей сквозь объект или отражённой им. Полученная таким способом запись ничем не напоминает изображения предмета. Изображение предмета мы видим только при реконструкции голографической записи. Восстанавливается не изображения предмета, а его световая волна со всеми её параметрами. В результате, наблюдатель воспринимает её как волну пришедшую от реального предмета, находящегося в определённом месте пространства. Изображение настолько реально и обьёмно, что хочется рукой потрогать его. Но это оптическая иллюзия – рука повисает в пустоте...

Для получения такой убедительной иллюзии необходимо зарегистрировать параметры световой волны (амплитуду, фазу). Амплитуда записывается при обычном освещении (фотография), а для того чтобы зарегистрировать фазу необходимо создать такие условия, при которых изменение фазы происходило бы не хаотически (солнечный свет), а закономерно. Такое излучение называется когерентным. Когерентность света – необходимое условие голографической записи информации. В естественных условиях не существует когерентных источников излучения. Розвитие науки и техники обусловило появление принципиально новых источников излучения - лазеров, длина когерентности которых может равняться нескольким сантиметрам (лазерные диоды) и достигать десятки метров у газовых лазерах.


3.2 Демонстрация свойств осевых голографических линз.
Учебные пособия: Демонстрационные элементы 5-2, 5-3, 5-4.

Для проведения демонстрационных опытов по волновой оптике лучше всего приобрести школьную оптическуюмини-скамью ( ОМС-1) с излучателем в виде мощного лазерного диода (7.5 мВт). Длина световой волны излучения составляет 0.650 мкм.

Предложить учащимся самостоятельно изготовить из плотного картона отражающий экран, а из деревянного бруска – призму, подставку под демонстрационные элементы..

Цель опыта Продемонстрировать учащимся возможности голографии при создании нових нетрадиционных оптических элементов.
-3-

Сформировать паралелльный лазерный пучок с помощью любой короткофокусной рассеивающей или собирающей линзы и направить его на голографическую сферическую (цилиндрическую) линзу. Передвигая экран вдоль направления распространения света, найти фокальную точку линзы. При дальнейшем удалении экрана от линзы наблюдают новые фокальные точки, расположенные на расстояниях кратных фокусному расстоянию линзы. Яркие точки фокусов голографической линзы расположены на освещённом фоне.


4 5

2

3



опорный пучок




предметный пучок

1 3



лазер

Рис. 1 Оптическая схема голографической записи осевых линз.
1- коллимационный объектив, 2 - клин светоделительный, 3 - зеркало, 4 - линза для голографирования (объект), 5 - фотопластинка.

Выводы с опыта. Осевая голографическая линза является голограммой Габора. Венгерскому учёному первому удалось получить запись световой волны и восстановить её.

Недостатки метода Габора в полной степени присущи и осевой голографической линзы. Неразделённые в пространстве объектный и опорный пучки (см.Рис.1) при записи голограммы, обуславливают формирование изображения (фокуса линзы) на паразитном световом фоне.


При реконструкции световой волны изображение предмета формирует восстановленный объектный пучок, а световой фон – восстановленная опорная световая волна. А так как они распространяются в одном направлении при записи, то в одном направлении распространяются и при реконструкции.

В отличие от классической стеклянной линзы голографическая линза не имеет вершинных отрезков. Она плоская. Толщина её определяется толщиной подложки с нанесённым фоточувствительным слоем. Большое количество фокальных точек обусловлено синусоидальным профилем фазовой либо амплитудной модуляции концентрических интерференционных полос. Это можно легко увидеть под увеличительным стеклом.

Концентрические полосы, которыми заполнено световое поле голографической линзы, имеют переменную пространственную частоту.

-4-
В центре линзы – нулевая частота, по направлению к периферии достигает максимального значения. Перемещая голографическую линзу в поле нерасширенного лазерного пучка, наблюдают картину дифракционных максимумов, совпадающую с картиной полученной на дифракционной решётке.

Записывание голографической линзы производится по схеме Майкельсона (см.Рис.1). Паралелльный световой пучок, образованный коллимационной линзой 1, светоделительным клином 2 делится на два одинаковых пучка – опорный и объектный. Опорный пучок, отражённый зеркалом 3, минуя второй светоделительный клин 2, совмещается с объектный пучком и между ними происходит интерференция. Полученная интерференционная картина регистрируется на фотопластинке.

Фронт световой волны опорного пучка – плоский и таким он остаётся на всём пути свого распространения. Фронт объектного пучка за линзой-объектом 4 становится сферическим. Значение его радиуса задаёт фокусное расстояние голографической линзы.
3.3 Демонстрация первой в мире голограммы изготовленной по схеме Денисюка.

Оборудование. Демонстрационные элементы 5-1, 5-5, 5-6, 5-7, 5-8


Цель опыта. Исследовать свойства первой голограммы, изготовленной по контрнаправленной схеме советского учёного Денисюка.. Аналогичный образец и установка, на которой он был впервые получен, выставлены в Политехническом музее в отделе “Голография” (Москва).

Голографическая запись сферического зеркала ознаменовала появления принципиально нового метода в голографии. До этого момента голограммы являлись предметом для научных изысканий ограниченного круга учёных. С методом Денисюка связано стремительное развитие голографической записи различных объектов, представляющих художественную либо историческую ценность. С появлением импульсных лазеров стало возможным получение голографического портрета человека.

Дело в том, что для восстановления голограммы, изготовленной по методу Денисюка, не является обязательным применение когерентных источников излучения. Голограмма Денисюка, как фильтр, выбирает из широкополосного солнечного спектра только тот спектральный интервал, где её дифракционная эффективность максимальна. Аналогично обстоит дело и с применением обычных накальных источников излучения.

Чаще всего голограммы снимают на красной длине волны гелий – неонового лазера (λ= 0,633 мкм). Но при восстановлении цвет голограммы не всегда красный. Цвет восстановленной голограммы определяется длиной волны, на которой произведена запись, и усушкой эмульсионного фотографического слоя. Лучшее качество получается при восстановлении голограммы точечным источником света. Угол освещения голограммы должен по возможности совпадать со значением угла, при котором производилась её запись. Своё название (контрнаправленная) схема получила из-за особенности расположения опорного и предметного пучков.

Гениально простое решение, когда опорный пучок проходит сквозь прозрачную фотопластинку и, отражаясь от находящегося за пластинкой объекта, становится предметным.

-5-

При этом часть отражённого рассеянного объектом света попадает на фоточувствительный слой фотопластинки с обратной стороны по направлению опорного пучка. И в тот же момент, определяемый временной когерентностью лазера, на фоточувствительный слой попадает свет со стороны лазера. Если расстояние от пластинки до объекта и обратно укладывается в длину цуга световой волны (когерентность), то внутри толстослойного эмульсионного слоя происходит интерференция встречных пучков на всю его глубину. Если предмет расположен дальше, голографическая запись не происходит, информация теряется.





φБр фотоэмульсионный слой



объект






Рис. 2 Схема записи объёмных голограмм по методу Денисюка.

Когерентное излучение проходит сквозь прозрачную подложку и светочувствительный слой эмульсии и отражается от объекта. Световые волны, прямая и отражённая, встречаются в толстом слое фотоэмульсии, интерферируют между собой и образуют известные из механики «стоячие волны». Следами «стоячих волн» в эмульсии являются узлы и пучности, максимумы и минимумы в виде проявленного и непроявленного серебра фотоэмульсии. Поэтому для записи голограмм Денисюка необходимы толстослойные фотопластинки (10÷15 мкм.).

Интерференционные узлы и пучности в виде непроявленных и проявленных центров микрокристаллов серебра пронзают слоями всю толщину эмульсии. Расстояние между интерференционными слоями кратно λ/2 (λ-длина волны лазерного излучения). Интерференционные слои расположены под самыми разными наклонами к подложке. Их положение зависит от угла падения опорного пучка на голограмму (φ бр.) и под какими углами рассеивается отражённый от объекта свет.


Из всего видимого спектра при восстановлении голограмма Денисюка отражает только то излучение, длина волны которого кратна расстоянию между многочисленными полупрозрачными интерференционными зеркала (пучностями)

внутри эмульсии. После проявления фотопластинки и последующей сушке из фотоэмульсии испаряется много влаги и желатина даёт усадку. Соответственно, изменяется расстояние между интерференционными полупрозрачными зеркалами; голограмма приобретает другую окраску, но всё равно остаётся монохромной.

На практике почти все голограммы Денисюка регистрируются при определённом угле наклона опорного пучка по отношению к фотопластинке. Для стеклянной подложки этот угол составляет φ =56° и называется углом Брюстера.

Дело в том что помимо основной интерференционной записи происходит и паразитическая голографическая запись, обусловленная отражениями непосредственно в самой стеклянной подложке.



-6-

1 2












Рис.3 Схема регистрации паразитной (муаровой) интерференционной картины.

Согласно уравнениям Френеля, при падении светового пучка на поверхность оптической среды под углом Брюстера Бр) отражения света не происходит. Значение этого угла определяется только показателем преломления оптической среды и для стекла К8 составляет 56 град. На Рис.3 показана схема по существу голографической записи поверхности 1 подложки фотопластинки.


При реконструкции голограммы муаровая картина от поверхности 1 накладывается на основную запись и называется “оптическим шумом”. При падении опорного пучка под углом Брюстера отражение от поверхности 2 отсутствует и, соответственно, свет не отражается на поверхность 1.

Исчезает паразитическое отражение, обуславливающее появление муаровой картины. Для информации: коэффициент отражения прозрачной оптической поверхности может достигать значения 4%.
3.4 Демонстрация свойств голограммы Лейта.

Оборудование. Демонстрационный елемент 7-4..

Специальный источник излучения для восстановления изображения: гелий-неоновый лазер (лазерний диод).

Цель опыта. Демонстрация возможностей регистрации информации по методу Лейта.






1 3 2 5 7









4




6


Рис.3 Схема записи голограмм по методу Лейта.

1- лазер, 2- светоделительный клин, 3- расширитель лазерного пучка (микрообъектив), 4- зеркало, 5- объект,6- слой фотоэмульсии, 7- подложка фотопластинки.
-7-

Отличие схемы Лейта от схемы Габора заключается в том, что при регистрации опорный и объектный пучки разнесены в пространстве и находятся под углом один к одному. Тем самым устраняется наложение объектного и паразитного пучков при последующем восстановлении. Значительно повышается пространственная частота записанной интерференционной картины, так как она прямо пропорциональна углу между опорным и объектным пучками.

Голограмма Лейта имеет одно интересное свойство: в каждом фрагменте голограммы содержится полная информация зарегистрированного объекта. Если голограмму разбить на мельчайшие кусочки, то информация не теряется – она тиражируется!

Голограмма Лейта






Лазер




Нерасширенный лазерный пучок

Изображение объекта



Рис. 4 Схема восстановления голограммы Лейта

7. СВИДЕТЕЛЬСТВО О ПРИЁМКЕ

Учебное пособие «Набор 5. Голография»
заводской №_____________ считать пригодным для эксплуатации.



Дата приёмки ________________ Подпись________________

М.П.