АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

От Аббе до Габора

Вряд ли кто из читателей будет спорить с тем, что одним из самых замечательных открытий нашего столетия является голография. Однако мало кому известно, что история голографии начинается с работ Аббе.

Подавляющее число оптических приборов имеет дело изображениями, полученными в результате регистрации распределения только интенсивности света в некоторой плоскости. Между тем довольно часто ценность представляет вся информация об объекте, а в ряде случаев - преимущественно фазовая, спектральная и поляризационная информация. Получить такую информацию позволила голография, появление которой сильно изменило представления об изображении объекта.

Возможности, предпосылки для получения голографических изображений существовали еще в XVII в. Именно тогда Христиан Гюйгенс высказал гипотезу о волновой природе света и предложил свой знаменитый принцип, согласно которому световые пучки, встречаясь, не влияют друг на друга. Каждый пучок распространяется независимо и если пучки встречаются в одной точке, то их действие суммируется [37].

Волновые свойства света, лежащие в основе голографии, были изучены и наглядно продемонстрированы Томасом Юнгом в 1801 г., т.е. спустя более ста лет после Гюйгенса. Эксперимент, демонстрирующий интерференцию света, проведенный Юнгом, показал, что при наложении световых волн может образоваться темнота [38]. Полагая, что монохроматический свет представляет собой регулярные синусоидальные колебания, Юнг внес существенный вклад в развитие волновой теории Гюйгенса. Согласно Юнгу, повышение яркости света происходит тогда, когда наблюдается сложение гребня одной волны с гребнем другой. Если же происходит сложение гребня со впадиной, то наблюдается ослабление яркости. Свет, способный интерферировать, называют когерентным. Следует отметить, что впервые наиболее отчетливо явление интерференции света наблюдал в 1816 г. Ж.О. Френель [39]. Им было найдено условие возникновения максимумов и минимумов света.

Так как принцип интерференции световых волн лежит в основе голографии, то ее открытие могло быть сделано еще Юнгом или Френелем. Они, собственно говоря, уже заложили теоретические основы голографии. Оставалось лишь проанализировать полученные результаты.

Впервые идея двуступенчатого преобразования изображения применительно к микроскопу была высказана Аббе еще в 1873 г.40 Согласно теории Аббе, изображение в микроскопе получается двумя последовательными этапами:

1 - вначале образование дифракционной картины в фокальной плоскости по способу Й. Фраунгофера;

2 - образование из отклоненных пучков оптического изображения в сопряженной плоскости.

Следующий шаг на пути к голографии сделал сотрудник Кэвендишской лаборатории У. Л. Брэгг в 1939-1942 гг. Он провел анализ кристаллической решетки < помощью дифракции пучка рентгеновских лучей [41]. При этом ему удалось осуществить преобразование дифракционного изображения кристалла одного из минералов в приближенное оптическое изображение структуры его кристаллической решетки. Фаза волны рентгеновского излучения им не регистрировалась.

Учесть информацию о фазе волны удалось голландскому физику Ф. Цернике. В 1934 г. он поставил перед собой задачу: изыскать метод, позволяющий улучшить контрастность изображения прозрачных объектов при наблюдении их в микроскоп. Цернике рассуждал следующим образом: так как, согласно Аббе, изображение в поле зрения микроскопа образуется в результате интерференции рассеянных и невозмущенных лучей, то в зависимости от величины разности фаз они могут взаимно усиливать или ослаблять друг друга и, таким образом, давать большую или меньшую освещенность в поле зрения [42].

В 1927 г. Д. Габор, только что окончивший Высшее техническое училище в Берлине, поступил на службу в лабораторию фирмы "Сименс", производившей электронную технику. Работая над катодной системой электроннолучевой трубки, он изобрел магнитную линзу. При этом Габор почти вплотную подошел к изобретению электронного микроскопа, появившегося после работ немецкого физика Буша и его ученика Вольфа.

И двадцать лет спустя, в 1947 г., Габора не покидала мысль об улучшении работы электронного микроскопа. Вспоминая события 1947 г., Габор писал:

"В то время я очень интересовался электронным микроскопом. Это был удивительный прибор, который давал разрешение в сто раз лучше, чем оптический микроскоп, и тем не менее не оправдывал надежд на то, что будут видны атомы кристаллической решетки... Электронная оптика оказалась довольно несовершенной. Наилучшая электронная линза, которая могла быть изготовлена, по оптическим характеристикам была сравнима с дождевой каплей, а не c объективом оптического микроскопа и, как показал Шерцер в своей теоретической работе, никогда не могла быть усовершенствована. Теоретический предел разрешающей способности электронного микроскопа оценивался в то зремя в 4 А, что было в два раза хуже величины, требуемой для того, чтобы увидеть атомы кристаллической решетки; на практике же достижимый предел не превышал 12 А. Эти пределы разрешающей способности электронного микроскопа вытекали из необходимости ограничивать угловую апертуру электронной линзы до нескольких миллирадиан. При такой апертуре сферические аберрации равнялись дифракционному пределу разрешения. Увеличение апертуры вдвое приводило к уменьшению дифракционного предела в два раза, но при этом сферические аберрации возрастали в 8 раз. Регистрируемое в этих условиях изображение получалось безнадежно размытым. После длительного размышления над этой проблемой я в один из прекрасных весенних дней 1947 г. неожиданно нашел ее решение..." [43].

Таким образом, работая над усовершенствованием электронного микроскопа, Д. Габор в 1947 г. столкнулся с необходимостью улучшить качество изображения, которое сильно искажалось сферической аберрацией электронных линз. Причем, если сферическая аберрация обычных линз исправлялась достаточно легко, то в случае электронной оптики, при ее исправлении возникали принципиальные трудности. Для того чтобы их преодолеть, Габор предложил построить точную модель поля электронных волн в оптическом диапазоне спектра, а затем исправить у этой модели сферическую аберрацию методами обычной световой оптики. В процессе реализации этой. в общем весьма частной, задачи и была изобретена голография.

Рис. 9. Схема получения (вверху) и восстановления (внизу)
голограмм по методу Д. Габора (слева) и Ю.Н. Денисюка (справа)

Ход мыслей Габора был весьма прост. На объект О (рис. 9) падает излучение от источника S. За объектом располагается фотопластинка F, регистрирующая результат сложения излучения, рассеянного объектом, и излучения, которое падает на фотопластинку, минуя объект. В результате сложения этих полей возникает картина интерференции, т.е. появляются темные и светлые полосы. При этом, в соответствии со смыслом понятия "интерференция" светлые полосы располагаются там, где фазы волн источника S и объекта совпадают, а темные - там, где они отличаются. Предположим, что фотопластинка зафиксировала интерференционную картину таким образом, что коэффициент пропускания полученной голограммы пропорционален интенсивности воздействовавшего на фотопластинку света.

Направим на полученную таким образом голограмму излучение того же монохроматического источника S. Очевидно, что голограмма пропустит свет только в тех местах, где располагались максимумы интерференционной картины, т.е. там, где фазы волн объекта и источника S совпадали. Очевидно, что в этих условиях голограмма "выберет" на поверхности фронта волны источника S те места, и пропустит только те участки, фаза которых совпадает с фазой волны объекта. Таким, образом приблизительно на половине площади голограммы будет воспроизведена волна от объекта. То, что голограмма не воспроизводит поле объекта на месте темных полос картины интерференции, приводит к некоторой неоднозначности воспроизведения фазы, в результате которой появляется ложное изображение объекта. Оба изображения - истинное и ложное - будут сильно искажены.

В силу этих обстоятельств о возможности использования голограммного метода в изобразительной технике в то время даже не упоминалось - метод развивался исключительно в применении к задачам электронно-структурного и рентгеноструктурного анализа.

Габор рассуждал следующим образом:

"Если исходить из принципа Гюйгенса, пучок лучей должен содержать всю необходимую информацию. Что мешает нам ее «расшифровать»? Очевидно, то, что мы регистрируем на пластинке только половину информации: мы пренебрегаем фазой волны. Нельзя ли выявить ее с помощью интерференции, налагая «когерентный фон»? Немного математики и несколько опытов позволили быстро проверить идею о «восстановлении волны». Достаточно было осуществить суперпозицию комплексной волны, приходящей от объекта с простой волной (плоской или сферической), сделать фотографию, а затем, осветив ее простой волной, восстановить исходную волну. Возникшее при этом изображение объекта было трехмерным" [44].

За это открытие профессору Дэнису Габору в ноябре 1971 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.

Первое практическое применение голография нашла в электронной микроскопии. В 1950 г. под руководством Габора и Эллибона в научно-исследовательской лаборатории фирмы "Associated Electrical Industries" разработали голографический электронный микроскоп [45].

Совершенно самостоятельным путем к идее голографии пришел в конце 50-х годов нашего столетия советский физик Ю.Н. Денисюк. Его внимание привлекли опыты Аббе по дифракционной картине изображения в микроскопе и опыты Френеля. У ученого возникло желание получить, используя явления дифракции, наиболее полную информацию об объекте и эту информацию зарегистрировать. Он рассуждал так:

"Принципиальная возможность, судя по всему, есть. Ведь изображение - это не что иное, как особым образом организованное волновое поле. Только поэтому мы и видим изображение. Ведь в глаз попадает не предмет, а те волны, которые отразились от него. По сути дела, мы получаем информацию о том, как провзаимодействовало с веществом предмета некое первичное фотонное поле. Оно рассказывает об истории своего соприкосновения с поверхностью и даже более глубокими слоями предмета. Только поэтому лист в наших глазах зелен, а асфальт сер. Значит, в первую очередь требуется в точности воссоздать волновое поле излучения, рассеянное предметом, - результат встречи «предмет - поле». И тогда мы увидим реальный предмет, хотя никакого предмета на самом деле не будет. А чтобы реализовать идею технически, нужно запомнить поле, записать его, после чего восстановить" [46].

В 1958-1963 гг. Ю.Н. Денисюк провел исследования [47], основным результатом которых было обнаружение так называемого "явления отображения оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения". Сущность этого явления заключалась в том, что трехмерная фотографическая модель картины стоячих волн, возникающих при рассеянии излучения на произвольном объекте, представляла собой своего рода оптический эквивалент этого объекта. Если теперь на такую "волновую фотографию" направить излучение источника с белым спектром, то она отразит это излучение так, что возникнет цветное неискаженное пространственное изображение объекта, картина стоячих волн которого была зарегистрирована фотографией.

Схематически это можно представить себе так (рис. 9) Здесь фотопластинка V устанавливается перед объектом со стороны источника S. После экспозиции и проявления в эмульсионном слое фотопластинки образуется трехмерная слоистая структура (d ₁ d ₂, d ₃), моделирующая пространственное распределение интенсивности в стоячей волне, образованной в результате наложения рассеянного объектом О излучения и излучения источника S. Такая структура, подобно интерференционному фильтру, обладает спектральной селективностью и поэтому допускает реконструкцию с помощью обычного источника со сплошным спектром, например лампы накаливания. Механизм действия такой голограммы в общих чертах заключается в следующем. Поверхность пучностей данной стоячей волны есть геометрическое место точек, в которых фаза излучения источника совпадает с фазой излучения, рассеянного объектом. Очевидно, что если на зарегистрированную голограммой поверхность пучностей направить излучение от источника, то фаза отраженной волны совпадет с фазой излучения, рассеянного объектом. Амплитуда в этом случае также восстанавливается, поскольку коэффициент отражения рассматриваемого слоя пропорционален амплитуде излучения, рассеянного объектом. Каждую зарегистрированную трехмерной голограммой поверхность стоячей волны можно представить как зеркало сложной формы, которое преобразует сферическую волну от источника в волну, полностью идентичную волне излучения, рассеянного объектом.

Таким образом, трехмерные голограммы, записанные по методу Денисюка, допуская реконструкцию белым светом, воспроизводят при этом все наиболее существенные характеристики волнового поля: амплитуду, фазу и спектральный состав. Ложное изображение при этом отсутствует.

В 1962 г. Денисюку удалось обнаружить, что сама трехмерная голограмма в действительности представляет cобой лишь только частный случай регистрации гораздо более общего явления. Оказалось, что более полный комплекс отображающих свойств заключен в объемной картине интерференции - так называемой стоячей волне. Трехмерная материальная модель такой волны однозначно воспроизводит амплитуду, фазу и спектральный состав записанного на ней излучения. В дальнейшем было показано, что отображающими свойствами обладают не только стоячие, но и бегущие волны интенсивности, которые образуются в том случае, когда частоты объектной и референтной волн различны.

К настоящему времени голография сформировалась в самостоятельное научное направление, имеющее большое число самых разнообразных практических приложений и оказывающее существенное влияние на развитие науки и техники [48].

Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 635 | Нарушение авторских прав