6.3 Основные параметры голограмм

Выше при рассмотрении голограммы двух плоских волн мы отмечали сходство голограммы и дифракционной решётки. Следуя этой аналогии, можно ввести понятие разрешающей способности голограммы. Чем больше разрешающая способность голограммы, тем более чёткое (контрастное) изображение объекта может быть получено при его восстановлении. Как для дифракционной решётки с увеличением числа штрихов увеличивается её разрешающая способность, так и для голограммы с увеличением площади голограммы происходит увеличение чёткости изображения получаемого с голограммы. Всем известное суждение о возможности получения изображения с любой части голограммы записанного на нём изображения объекта, не следует понимать буквально. Дело в том, что изображение, полученное с малых частей голограммы, может быть нечётким из-за малой разрешающей способности голограммы, используемой для восстановления изображения записанного на нёй объекта. В этом отношении голограммы Фурье в ряде случаев представляют собой удобный способ получения голограмм, имеющих очень малый размер. Такие голограммы называются микроголограммами. Возможности получения микроголограмм объектов в голографии Фурье является следствием свойства линзы, согласно которому изображение протяжённых объектов, наблюдаемых в её задней фокальной плоскости, сосредоточено в очень малой окрестности вокруг точки фокуса. Минимальный размер голограммы, с которой можно получить чёткое изображение записанного на ней объекта, определяется размером области в фокальной плоскости линзы (рис. 6.7a), внутри которой находится распределение пространственного спектра записываемого объекта. Как следует из главы 7, размер минимальной голограммы определяется диском Эйри для линзы диаметром , вычисляется по формуле (5.29):

где - длина волны опорного источника, используемого для записи голограмм.

Например, для линзы диаметром получаем, что величина имеет порядок десяти длин световых волн.

Другим важным параметром голограммы является её дифракционная эффективность. Дифракционная эффективность голограммы определяется как отношение мощности светового потока, формирующего изображение объекта, записанного на голограмме, к мощности потока опорной световой волны. Как видим, дифракционная эффективность голограмм представляет собой параметр, который сродни коэффициенту полезного действия, широко используемому в физике и технике. Различные виды голограмм обладают различной дифракционной эффективностью. Рассмотренная выше простейшая голограмма двух плоских волн представляет собой пример амплитудных голограмм. При записи амплитудных голограмм коэффициент пропускания или отражения получаемых голограмм пропорционален распределению интенсивности на интерферограмме опорного и предметного волновых фронтов .

Следует отметить, что в силу разных причин не всегда удаётся обеспечить требуемую пропорциональность. Если это имеет место, т.е. , где - некоторые константы; то голограмма называется неидеальной. При восстановлении изображений объектов, записанных на таких голограммах, возможно появление нелинейных искажений. Как показывают расчёты, для тонких амплитудных голограмм их дифракционная эффективность не может превышать 6.5% . Для объёмных голограмм дифракционная эффективность не может превышать 13%.

Для повышения эффективности голограмм используются т.н. фазовые голограммы, у которых фаза коэффициента пропускания (отражения) пропорциональна интенсивности записываемой голограммы, т.е.:

где C - константа пропорциональности, зависящая от физико-химических свойств материала фотопластинки, процесса её проявления и записи фазовой голограммы.

Теория записи и восстановления изображений, записанных на фазовых голограммах, более сложная, чем рассмотренная выше при изучении основных свойств амплитудных голограмм. Однако в ряде практических ситуаций для отсутствия фазовых искажений восстанавливаемых изображений должно быть выполнено условие . Тогда

Сравнение выражений (6.4) и (6.7b) позволяет сделать вывод о том, что при сделанных предположениях принципы записи и восстановления фазовых и амплитудных голограмм во многом сходны.

Как показывают более тщательные исследования, эффективность фазовых голограмм значительно превышает эффективность амплитудных голограмм. Так, теоретическим пределом эффективности тонких фазовых является величина, равная 33.5.%. Использование специальных схем записи фазовых голограмм позволяет увеличить эффективность фазовых голограмм до 96%.

Выше отмечалась аналогия голограммы дифракционной решётке, у которой период чередования её открытых и закрытых частей определяется опорным и предметными световыми пучками, геометрией устройства записи и имеет в общем случае нерегулярный характер на поверхности голограммы. Если отвлечься от этого обстоятельства, то в первом приближении можно считать, что механизм восстановления изображения, записанного на голограмме аналогичен формированию дифракционного максимума в дифракционной решётке, получающегося в результате сложения в фазе волн, прошедших щели решётки.

Аналогия голограмм и дифракционных решёток является весьма полезной и для понимания принципов фазовой голографии. Так в оптике применяются для решения различных исследовательских задач фазовые дифракционные решётки, в которых на поверхности с некоторым периодом чередуются участки, вносящие определённый фазовый сдвиг , например, на 180⁰ , по отношению к фазе волны, проходящей соседний участок (рис. 6.9). Фазовые дифракционные решётки также обладают замечательными свойствами спектральных приборов. Однако, по сравнению со щелевыми дифракционными решётками интенсивность дифракционных максимумов фазовых решёток во много раз больше. Это объясняется тем, что в щелевых дифракционных решётках часть падающего на решётку света задерживается закрытыми участками её апертуры. По этой причине понятно стремление использовать для получения качественных изображений объектов фазовую голографию, поскольку при этом уменьшаются потери энергии источника света, идущие на формирование изображения записанного на голограмме.

Использование аналогии фазовых голограмм и фазовых дифракционных решёток позволяет получить представление о принципах увеличения дифракционной эффективности фазовых голограмм. Для фазовых дифракционных решёток увеличение интенсивности её дифракционных максимумов состоит в уменьшении их числа и в специальном подборе на поверхности решётки функции распределения периода её фазосдвигающих участков. Для фазовой голографии это подход приводит к задаче согласованного выбора волнового фронта опорного источника, поверхности голограммы, исходя из заданного волнового фронта объекта голографирования.