Media-security

- 436 -

МЕТОДЫ радиофизики В ГОЛОГРАФИИ

Н.М.Померанцев

На протяжении последних 25 лет радиофизика неоднократно вторгалась в другие несвойственные ей области знаний. Трудно предложить для характеристики этого процесса другое слово чем "вторжение", так как в результате его в другой области знаний происходили те или иные, большие или малые революционные сдвиги, приводившие к пересмотру имевшихся ранее представлений.

Одно из первых вторжений было совершено в химию, биологию и другие области, в которых изучение вещества происходит на молекулярном уровне. Здесь имеются в виду методы радиоспектроскопии (собственно радиоспектроскопия, ядерный магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс и др.). Эти методы дали возможность получить новые сведения о строении вещества.

Однако в дальнейшем методы радиофизики проникли в такую область знаний как оптика, совершив в ней определённый переворот. Многие известные ранее положения оптики были выражены на другом языке и позволили по-новому взглянуть на уже известные нам явления (например, интерференцию и дифракцию).

Основным методой, примененным в радиоспектроскопии, является метод опорного сигнала или, как его называют в зарубежной литературе, гомодинный метод (в отличие от гетеродинного).

Установка, работающая по этому методу, представлена на рис.1. Радиочастотное напряжение от генератора Г поступает на датчик Д, с которого снимаются резонансные сигналы. Устройство датчика при нашем рассмотрении метода несущественно. Для определённости предположим, что на выходе датчика возникает сигналы прецессии магнитных моментов.

- 437 -

Рис.1. Схема гомодинного метода.

Сигналы с датчика поступают на детектор, которой для удобства рассмотрения будем считать квадратичным На этот же детектор поступает опорный сигнал с генератора. Если обозначить М_х сигнал прецессии магнитных моментов и предположить, что опорное напряжение имеет вид ECosw , где E и w - амплитуда и частота опорного напряжения, то на выходе детектора получим:

[ЕCosw t+М_x]² = E²/2+М_x²+2М_xЕCosw t+...

В этом выражении отброшены члены, изменяющиеся с частотой, превышающей w .

Полученное выражение соответствует записи информации на голограмме, если заменить время t на пространственную координату х и считать М_х функцией пространственных координат (х и у). Таким образом, сигнал, получаемый на выходе радиоспектроскопической схемы, аналогичен по своей структуре информации, записанной на голограмме.

Эту аналогию можно развить несколько дальше. В радиоспектроскопии существуют схемы, в которых исследуемый образец помещается непосредственно в контур генератора слабых колебаний (рис.2). При этом сигнал прецессии магнитных моментов будет модулировать колебания генератора. По аналогии с этой схемой можно рассмотреть лазер (рис.2), у которого одно из зеркал резонатора заменено специально изготовленной отражающей голограммой. Колебания лазера в такой схеме будут пространственно модулированы изображением, информация о котором зафиксирована на голограмме.

- 438 -

Рис.2. Модуляция колебаний генератора а) и лазера б).

Интересно отметить, что аналогия имеется не только в методе, но и в самом характере развития. Новые методы в радиоспектроскопии требовали новых материалов, новой технологии и новых устройств, к работе которых предъявлялись очень высокие требования. Например, создание ядерных магнитных спектрометров высокого разрешения потребовало создания магнитов с относительной однородностью поля порядка 10^-8. В то время казалось, что эти требования выполнить невозможно. Однако магниты с высокой однородностью поля были созданы. Для голографии требуются фотоматериалы, обладающие высоким разрешением. Остаётся надеяться, что такие материалы, удовлетворяющие всем требованиям, будут созданы.

Интересно отметить, что голография уже была предложена к тому времени, когда начала развиваться радиоспектроскопия. Однако развитие голографии в первые 15 лет было очень слабым, и она на протяжении этого времени находилась как бы в зачаточном состоянии. Причины этого мы обсудим несколько позднее, а сейчас рассмотрим вопрос о том, что нового было использовано при осуществлении голографической записи информации. Вопрос этот возникает в связи с тем, что основное явление, используемое в голографии, - явление интерференции - известно сравнительно давно и не является новым. Высказываются даже соображения о том, что голографию можно было бы изобрести уже во времена Френеля.

Рассмотрим простую интерференционную картину, получающуюся, например, при интерференции плоской и сферической волн (рис.3).

- 439

Рис.3. Картина интерференции плоской и сферической волн (зонная пластинка Френеля).

Интерференционная картина будет в этом случае иметь вид концентрических колец. Такую картину принято называть зонной пластинкой Френеля. Интерференционные картины, подобные только что рассмотренной, получены сравнительно давно и были известны уже в начале XIX века. Однако только Габор в середине XX века обратил внимание на то, что интерференционная картина содержит полную информацию о породившем её источнике света. Именно тот факт, что в интерференционной картине заложена полная информация, которую можно воспроизвести (факт, на который до Габора никто не обратив внимания), и является тем новым, что дало возможность осуществить голографию.

Габор сделал свое открытие на основе теории информации. Он рассматривал вопрос о том, как извлечь информацию из любого сечения светового пучка, проходящего через оптическую систему, а не только из того места пучка, в котором образуется изображение. Таким образом, голография является порождением теории информации и раньше появления этой теории не могла быть изобретена.

Однако, предлагая свой метод записи информации, Габор не дал полного способа получения и воспроизведения голограмм; т.е. он не полностью изобрел голографию. Дело в том, что фотопластинка

- 440 -

в отличие от детектора радиоволн даёт два сигнала (один для изменения координат в положительном направлении и другой для изменения их в отрицательном).

Эти два изображения при воспроизведении голограмм, записанных по методу Габора, накладываются друг на друга, в результате чего возникают помехи. Получить изображение "в чистом виде" с голограммы, записанной по методу Габора, не удавалось, так как радикального способа избавиться от помех, создаваемых вторым изображением Габора, предложено не было. Из того, что Габор в своей работе детально исследовал помехи, создаваемые вторым изображением, можно сделать вывод, что он не предполагал возможности радикальным образом разделить изображения.

Отличие фотопластинки, как детектора голографической информации, от детектора временных сигналов состоит в том, что последний даёт только один сигнал. Это обусловлено особенностью временной координаты, которая может изменяться только в одном (положительном) направлении. Поэтому при детектировании сигналов в радиоспектроскопии проблемы устранения второго сигнала не возникает. Описанный недостаток и был причиной того, что голография в течение первых 15 лет своего существования очень слабо развивалась. Для её развития нужны были новые идеи.

Конечно, в известной степени развитие голографии тормозилось из-за отсутствия когерентных источников света. Производить эксперименты по голографии с помощью лазера во много раз легче, чем работать с обычными источниками света, добиваясь когерентности с помощью диафрагм и фильтров. Однако в принципе голографию можно было развивать и с обычными источниками света.

В доказательство этого можно сослаться на оптическую интерференцию, которая, развиваясь, достигла высокой степени совершенства без помощи лазера. Однако для интерферометрии нужен свет с хорошей когерентностью. Голография в том виде, в каком её предложил Габор, была ещё несовершенной. Если бы Лейт и Упатниекс просто повторили эксперимент Габора, заменив только ртутную лампу на лазер, это не привело бы к существенному скачку в развитии голографии.

- 441 -

Второй стадией развития голографии является разработка методов разделения изображений. Лейт и Упатниекс предложили свой метод, основываясь на теории связи, т.е. в конечном счёте опять исходя из представлений теории информации.

Идея Лейта и Упатниекса состояла в том, чтобы ввести в голограмму несущую частоту (имеется в виду пространственная частота). Это можно сделать, отклонив опорный пучок лучей на определённый угол от пучка лучей, идущего от объекта. Чем больше этот угол, тем больше несущая частота, метод Габора можно, таким образом, рассматривать как метод передачи информации с нулевой несущей частотой.

Ясно, что при такой передаче качество информации весьма значительно снижается.

После осуществления описанной выше идеи голография освободилась от существенного недостатка, и о этого времени началось её бурное развитие.

Несколько иным путём пошёл Денисюк. Он предложил применить трёхмерные носители голограмм. Запись по методу Денисюка в третьем измерении представляет собой результат взаимодействия встречных волн, т.е. распределение интенсивности в интерференционной картине стоячих волн. Для осуществления этого опорный пучок лучей и лучи, отражённые от предмета, направляются на фотопластинку с противоположных её сторон.

Такая особенность голограмм, зарегистрированных по методу Денисюка, накладывает дополнительное условие на отражение волн при воспроизведении голограммы, что приводит к исчезновению лишнего изображения, создававшего помехи. Возможны и другие методы разделения изображений, но они появились уже позднее.

Мы рассмотрели аналогию методов получения сигналов в радиоспектроскопии и голографии. Можно было бы проводить эту аналогию и по отношению к отдельным блокам аппаратуры, применяемой в этих методах (например, искать радиотехническую аналогию линзы). Однако следует иметь в виду, что в голографии осуществляется двумерное преобразование изображений, в то время как в радиотехнике возможно только одномерное. Поэтому наша аналогия может проходить только на основе общих принципов.