КВАНТОВЫЕ ЭФФЕКТЫ В ГОЛОГРАФИИ
Б.А.Гришанин
Обсуждается возможная роль квантовой природы волновых полей в голографии. Для случая электромагнитного поля оценивается роль шума поглощения квантов и рассчитывается принципиальный предел информационной емкости голографического канала, связанный с вакуумным квантовым электромагнитным полем.
1.
Перспективы неоптической голографии
Современная голография имеет дело почти исключительно с диапазоном длин волн, ограниченным с коротковолновой стороны видимыми электромагнитными волнами. Этот диапазон непригоден для получения изображений объектов, сравнимых по масштабам с атомными структурами, имеющими порядок 1Å. Само же зарождение голографии в работах Габора было связано именно с задачами электронной микроскопии. Несмотря на фундаментальные преимущества диапазона волн λ ~ 1Å è менее, таких как электронные и рентгеновские, голография в этом диапазоне не получила широкого развития вследствие отсутствия источников, сочетающих достаточную интенсивность и когерентность.
Тем не менее, работы по голографии в этом диапазоне продолжаются. Например, в работе группы японских авторов /1/ была получена осевая электронная голограмма Фраунгофера частиц золота диаметром 100 Å на длине волны λ=0,037 Å è с помощью Нe-ne лазера были восстановлены изображения высокого качества.
Проникновение в область коротких волн происходит и с противоположного участка спектра длин волн - со стороны более длинноволнового оптического диапазона, в котором имеются источника достаточно интенсивного и высококогерентного излучения. Первые го-
лограммы в области вакуумного ультрафиолета были недавно получены группой Харриса /2/ с использованием 9-ой гармоники λ=1182 Å ëазера 10640 – Å nd: АИГ. Средняя мощность отфильтрованного излучения составляла Р = 1,5 мк вт при длительности импульсов ~ 0,5n сек с частотой следования 5n сек. В качестве фоточувствительного материала применялся полиметилметакрилат (ПММА), обеспечивающий разрешение менее длины волны. С помощью интерференции двух плоских волн были получены голографические дифракционные решетки с постоянной d = 836 А, а также голограммы Фраунгофера сферических частиц диаметрами 0,4 - 1.3 (микрон). Оптимальная экспозиция составляла Е = 100 мк да/см~ Для восстановления изображения использовались результаты промера голограммы электронным микроскопом, в соответствии с которыми изготавливалась увеличенная копия голограммы, по которой восстанавливалось изображение в видимом свете. (Предлагается также техника непосредственного расчета изображения на компьютере с помощью вычисления интеграла Френеля /3/).
В настоящее время ведется интенсивная работа по исследованию возможностей создания генераторов когерентного излечения в диапазонах вакуумного ультрафиолета, рентгеновских и даже γ-волн. Что касается первых двух диапазонов, то для них механизм генерации предполагается таким же, что и для обычных лазеров, т.е. электронные переходы в атомах. Генерация же γ-излучения связывается с переходами между ядерными энергетическими уровнями, что требует привлечения методов накачки и синхронизации, существенно, отличных от традиционных для оптических лазеров.
Если лазеры этих типов будут созданы, то, вероятнее всего, голография явится одной из первых сфер их применения. В связи с невозможностью применения обычных линз в этих диапазонах электромагнитных волн голографические методы дают единственно возможный способ получения изображений. В случае же электронной микроскопии улучшение когерентности источников также стимулировало бы применение голографических методов, поскольку они свободны от искажений, свойственных электронной микроскопии.
2.
Определение квантовых эффектов и наиболее универсальные
квантовые особенности волновых полей,
существенные для голографии
Переход к новым сферам приложения голографии естественно потребует модернизации представлений, сложившихся в традиционной оптической голографии. Одним из направлений такой модернизации является учет квантовой природы волновых полей. Но, прежде чем переходить к анализу соответствующих новых (ректоров, необходимо проанализировать содержание понятия квантового эффекта.
Последовательное определение "квантовости" состоит в отнесении к квантовым эффектам тех, для которых существенно ненулевое значение постоянной Планка ħ=
h/2π = 1,054·10-27 эрг·сек. Такая точка зрения соответствует привычному определению "квантовости" для таких явлений как:
1) волновые свойства частиц с ненулевой массой покоя, обусловленные ненулевым значением длины волны де-Бройля λ
=hc/, что следует из стационарного общерелятивистского уравнения Клейна-Гордона
(2.1)
2) корпускулярный характер энергии полей частиц с нулевой массой
m0=0, как это следует из (2.1) с учетом того, что коэффициент при втором члене есть k2=ω2/с2 и потому ε=hc/λ οри λ<∞.
Вспомним, однако, о таком эффекте как запрет Паули, не позволяющий двум ферми-частицам, например электронам, находиться в одном и том же состоянии. Этот запрет следует из квантовой специфики волновой функции Ψ, которая в квантовой теории является не числовой, как в классической теории, а операторной функцией (в общем случае с несколькими компонентами). Поэтому в квантовой теории не все физические величины, связанные с полем, коммутируют, т.е. АВ≠ВА, как это имеет место при перемножении матриц. Для полей ферми-частиц:
(2.2)
откуда и вытекает после соответствующего анализа запрет Паули. Для эффектов, связанных с этим запретом, постоянная Планка не имеет решающего значения, хотя по общепринятой классификации это явление вполне квантовое.
Существенно отметить, что хотя квантовая специфика любых эффектов всегда в конечном счете связана с проявлением перечисленных факторов (волновой характер частиц ненулевой массы, корпускулярный характер безмассовых полей, запрет Паули), их проявления настолько разнообразны и различны по результирующим эффектам, что качественный анализ этих эффектов без использования математического аппарата квантовой теории крайне затруднителен. Это в значительной степени связано с отсутствием должной базы для физической интуиции, которая может быть выработана лишь путем исследования все более расширяющегося круга квантовых явлений. Особенно продуктивно в этом отношении исследование квантовых объектов макроскопического характера.
Здесь следует отметить, что квантовая природа явлений не обязательно связана с их микроскопичностью. Это ясно из существования таких квантовых явлений, как сверхпроводимость, ферромагнетизм, квантовые свойства света. (Например, для потока лазерного излучения интенсивностью
i, условие буквальной применимости к нему классических волновых представлений:
i
c
2/ ħ
ω4>>1
выполняется лишь для потоков
i 1000 вт/см2. Квантовый же характер слабых световых потоков, как это следует из опытов Вавилова, может быть обнаружен невооруженным глазом). Квантовые эффекты делятся на макроскопические и микроскопические точно так же, как и неквантовые, и при этом следует помнить, что граница между "микро" и "макро" условна и зависит от степени оснащенности иссле-
дований предельно чувствительной аппаратурой и степени нашей адаптации к масштабам.
При переходе от оптического к рентгеновскому и γ-диапазону электромагнитных волн проявляется целый спектр квантовых особенностей: поглощение, рассеяние и отражение носят существенно квантовый характер. Это в равном степени относится и к электронным волнам. Исследование этих явлений составляет предает оптики и атомной физики и реальные голографические эксперименты, естественно, должны учитывать квантовую специфику всех этих явлений. Однако здесь мы коснемся только самых универсальных квантовых закономерностей, которые с неизбежностью должны проявиться в любом голографическом эксперименте:
а) противоречивость требований большой интенсивности и высокой когерентности для источников электронных волн;
б) квантовый характер поглощения энергии электромагнитных волн;
в) роль вакуумного электромагнитного поля.
3.
Голографический канал связи и соответствующие
ему информационные характеристики
Самыми универсальными оценками роли различных эффектов в голографии являются информационные оценки, поскольку голографический эксперимент в информационном смысле реализует составной канал связи следующего вида: объект → волновой фронт → интерференционная картина → голограмма → восстановленный фронт. Отметим в связи с этим обстоятельством, что представления теории связи использовались еще Лейтом и Упатниексом для объяснения разделения изображений.
Ограничение количества информации в любом из звеньев описанного голографического канала означает, по меньшей мере, такое же ограничение для всего канала. Поэтому имеется возможность оценивать эти ограничения по наиболее "узкому" звену. Таким узким звеном в случае плохой когерентности будет звено волновой фронт → интерференционная картина. В случае регистрации голограммы с по-
мощью материала, работающего как поглотитель квантов поля (практически виреально используемые голографические регистрирующие "материалы работают именно так), можно оценить связанные с этим потери, рассчитав информационную емкость звена интерференционная картина → голограмма. Принципиальный предел для информационной емкости всего голографического канала, обусловленный не техническими ограничениями, а квантовым характером поля (наличием вакуумного шумового поля) можно получить, рассчитав информационную емкость звена, объект → волновой фронт. Некоторые из оценок такого типа даются ниже.
4.
Принципиальные пределы степени когерентности
электронных источников
Как уже отмечалось выше, электроны подчиняются запрету Паули: в одном и том же состоянии не может находиться более одной частицы. Этим они принципиально отличаются от бозе-частиц, например, фотонов, которых в каждом состоянии может быть сколько угодно. Именно это свойство фотонов используется в лазерах, где относительно "небольшое" число состояний "накачивается" большим числом порций энергии (квантов), что и обеспечивает интенсивное излучение. В случае же электронов для получения больших интенсивностей требуется иметь много состояний. Поэтому, чем больше интенсивность, тем большая для ее получения требуется полоса частот ω=Ε/ħ и, соответственно, меньшая длина когерентности l=2π/Δω. Если забыть о неизбежном электромагнитном взаимодействии электронов (кулоновское отталкивание) и рассмотреть состояния свободного электронного поля, детектируемого на некоторой апертуре s, то, подсчитывая число состояний n, соответствующих интервалу наблюдения Т и интервалу частот Δω, μожно для интенсивности потока i = n/st и длины когерентности Е получить соотношение
i
l<2k
2c.
Это ограничение, правда, не имеет практического значения: при
l~1 м
и λ
~ 1 Å èз него следует i < 1026 частиц/см2сек. Для более реальных оценок требуется учесть более конкретные условия генерации электронного потока. teм не менее, можно ожидать, что принципиальные пределы в данном случае не имеют практического значения и ограничения когерентности и интенсивности связаны лишь с техническими возможностями.
5.
Роль шумов, обусловленных поглощением квантов
Для электромагнитного поля принципиальных ограничений на когерентность и интенсивность, подобных описанным выше, не существует, т.е. интенсивность источников может, в принципе, считаться неограниченной и не зависящей от его когерентности, декретный же характер поглощения квантов является достаточно универсальным явлением для голографии, так как принцип действия подавляющего большинства регистрирующих материалов, применяемых в настоящее время, состоит именно в поглощении квантов энергии поля. К сожалению, точный расчет информационной емкости звена интерференционная картина → поглотитель квантов (голограмма) аналитически выполнить не удается. Тем не менее, составить представление о роли этого эффекта можно, рассчитав обусловленное им ограничение разрешающей способности голограммы.
Число квантов электромагнитного поля, в среднем попадающее на площадь Δs, есть
n=eΔs/ħω,
(5.1)
где Е - экспозиция, величина которой связана с чувствительностью и другими характеристиками регистрирующего материала. Для упоминавшегося в п.1 эксперимента в диапазоне вакуумного ультрафиолета в объеме разрешения материала Δ
s было n~1000, т.е. относительная флуктуация числа квантов i/ в объеме разрешения была порядка нескольких процентов. Это означает, что роль квантового характера поглощения в данном эксперименте на один - два порядка была менее существенна роли конечной разрешающем способности матери-
ала. Квантовое же ограничение разрешающей способности для данного эксперимента, вытекающее из (5.1), при n~1 имеет порядок 3 Å, что не представляет в данном эксперименте реального ограничения. Если же, однако, при этих расчетах подставить частоты ω рентгеновского диапазона (при той же экспозиции Е), то получим для квантового предела разрешающей способности
Δs~ħω/e≈300
Å,
что вполне ощутимо.
Резюмируя, можно сказать, что применяемые в наиболее тонких современных голографических экспериментах экспозиции и разрешающие способности регистрирующих материалов позволяют приблизиться к уровню квантовых шумов, а в рентгеновском диапазоне квантовые шумы, по-видимому, будут существенным фактором.
6.
Принципиальный квантовый предел информационной
емкости электромагнитного голографического канала
Если допустить возможность записи голограммы не только методом счета квантов, а любым способом, то никаких принципиальных ограничений на передачу информации по звеньям голографического канала от выходного волнового фронта до восстановленного не будет. Однако, даже в этом идеальном случае в силу квантового характера электромагнитного поля информационная емкость звена объект - волновой фронт ограничена вследствие некоммутативного характера физических переменных поля и вытекающего отсюда факта существования вакуумного шумового электромагнитного поля.
Объектная волна имеет в квантовом случае вид :
,
где а есть классическая (числовая) комплексная амплитуда объектной волны, а
0 - квантовый вакуумный шум, имеющий операторный (нечисловой) характер. Если поле разложить с помощью преобразования Фурье на плоские волны, то на каждую плоскую волну вакуумного
поля будет приходиться энергия вакуумных флуктуации ħω/2. Классическая амплитуда
несет неискаженную голографическую информацию об объекте, которая наблюдается на фоне вакуумного шума а0.
Можнo выполнить точный расчет количества информации, которое содержится в объектной волне
относительно при ее наблюдении на плоской поверхности (апертуре) s в течение времени Т.
Предположим, как это всегда имеет место в голографии, что
не содержит временной информации, а пространственная ограничена некоторой пространственной частотой νmax. Эти обстоятельства учитываются видом классической объектной волны
Здесь функция
α(kx, ky) описывает двумерную голографическую информацию об объекте. Если фиксировать энергию волны на апертуре s за время Т, положив ее плотность ε/s равной экспозиции Е, то максимум информации между аоб и а[α] дается формулой:
(6.1)
где функция
f >0 удовлетворяет условию:
, (6.2)
связанному с ограничением энергии, а
функция, называемая иногда "квантовым логарифмом".
Если выполнено условие
ρ>>1 большого отношения сигнал/шум
, (6.3)
то из (6.1), (6.2) можно получить явное выражение
(6.4)
Характерной особенностью выражения (6.4) является его линейная зависимость от площади, что выражает геометрический характер информации. Произведение
имеет смысл числа элементарных информационных каналов.
В суперквантовом пределе малого отношения сигнал/шум ρ
<<1
где n - среднее число квантов регистрируемого поля на всей апертуре.
7.
З а к л ю ч е н и е
Изложенные соображения и оценки показывают, что в современной оптической голографии специфические квантовые особенности волнового поля с информационной точки зрения мало существенны. По этой причине актуальность квантовой модернизации теоретических принципов голографин самым прямым образом зависит от успехов в области создания новых источников волновых полей и перспектив их использования в голографии. Остается выразить надежду на скорый прогресс в этой области и экспериментальное освоение существенно квантовой голографической информации.
Л и т е р а т у р а
1. jap.j.appl.phys., 7, 295, 1968.
2. appl.phys.lett., 25, 451, 8, 15 oct., 1974.
3. appl.phys.lett., 11, 77, 1967.