Голограмма – дифракционная решетка

Рассмотрим два плоских волновых фронта, которые, взаимодействуя, создают интерференционную картину; последнюю регистрируют на фотографической пластинке, помещенной в то же место, где находился экран. В голографии эта (первая) стадия процесса называется регистрацией (или записью) голограммы. Одна из плоских волн (для определенности, скажем, волна А) называется опорной волной (или опорным волновым фронтом). Тогда волну В мы будем называть предметной, то есть волной (или волновым фронтом), отраженной от предмета, изображение которого регистрируется; в нашем случае она ничем не отличается от опорной волны, однако при получении голограммы реального трехмерного объекта возникает существенно более сложный волновой фронт отраженного от него света. Интерференционная картина, записанная на фотографической пленке (изображение дифракционной решетки), и есть голограмма. Если эту голограмму поместить на пути первичного опорного пучка (пучка лазерного света, имеющего плоский волновой фронт), то по обе стороны от него образуются два новых волновых фронта. Один из них будет точной копией предметного волнового фронта, иначе говоря, это будет плоский волновой фронт, распространяющийся в том же направлении, что и волна В. Эта вторая стадия голографического процесса называется восстановлением изображения.

Записанная на фотопластинке интерференционная картина, созданная двумя когерентными плоскими волнами, представляет собой некое устройство, которое – если его потом осветить одной из названных плоских волн – позволяет восстановить другую плоскую волну. Таким образом, голографический процесс включает в себя следующие стадии: регистрацию и "хранение" предметного волнового фронта в виде интерференционной картины (то есть голограммы) и – спустя любое время – восстановление его при прохождении через голограмму опорной волны. В действительности предметный волновой фронт может быть любым, в частности, это может быть волновой фронт, отраженный от реального предмета, если при этом он когерентен опорной волне. Интерференционная картина, сформированная любыми двумя когерентными волновыми фронтами, и есть именно то устройство, которое благодаря дифракции позволяет преобразовать один из этих волновых фронтов в другой. Здесь-то и спрятан ключ к голографии.

Чтобы наблюдать изображение, создаваемое простейшей голограммой – дифракционной решеткой, ее следует поместить на расстоянии примерно 1 м от глаза и смотреть сквозь решетку в направлении, в котором из нее выходят восстановленные плоские волны. Поскольку в глаз наблюдателя попадают плоские волны, изображение также имеет вид плоскости и предстает перед нами как "глухая стена", равномерно освещенная светом того же цвета, что и у лазерного излучения. Поскольку такая "стена" лишена каких-либо специфических признаков, невозможно сказать, как далеко она находится. Создается впечатление, что вы смотрите на бесконечно протяженную стену, расположенную где-то в бесконечности, но видите при этом только часть ее, которую вам удается рассмотреть через небольшое "окно" – дифракционную решетку. Таким образом, дифракционная решетка предстает равномерно светящейся поверхностью и мы не замечаем на ней ничего интересного и достойного внимания.

Голограмма – дифракционная решетка – позволяет наблюдать ряд простейших эффектов, которые можно продемонстрировать и с помощью голограмм другого типа. Пучок света, проходя через дифракционную решетку, расщепляется, образуя два новых пучка. Любую дифракционную решетку можно освещать пучками лазерного излучения, отличающимся цветом от того, что использовался при ее записи. В каждом случае угол, под которым изгибается пучок света, зависит от цвета этого пучка. Так, пучок красного цвета (наиболее длинноволнового) изгибается под большим углом, чем пучок синего цвета (имеющий меньшую длину волны). Если через дифракционную решетку пропустить белый свет, то есть смесь всех цветов, то каждая цветовая компонента его будет искривляться под "своим" углом, и тогда на выходе дифракционной решетки мы получим спектр цветов, аналогичный тому, что создает призма.

Чтобы искривление световых лучей было заметно, штрихи дифракционной решетки должны располагаться очень близко друг к другу. Например, для искривления луча красного цвета на 20° необходимо, чтобы расстояние между ними не превышало 0,002 мм; при более тесном размещении штрихов луч света будет изгибаться еще больше. Для "записи" такой решетки потребуется, конечно, фотопластинка, способная регистрировать столь тонкие детали. Необходимо также, чтобы в процессе экспозиции и при регистрации интерференционной картины пластинка оставалась абсолютно неподвижной. При малейшем движении картина может смазаться настолько, что окажется совершенно неразличимой, и тогда вместо интерференционной картины мы увидим просто стеклянную пластинку, однородно серую или черную по всей поверхности. Конечно, ни о каком воспроизведении специфических эффектов дифракции, создаваемых дифракционной решеткой, в таком случае не может быть и речи.

Рассмотренная дифракционная решетка называется пропускающей, так как она действует в проходящем через нее свете. Если же линии решетки нанести на поверхность зеркала, а не на прозрачную пластинку, то получится отражательная дифракционная решетка. Такая решетка отражает свет различных цветов под разными углами. Соответственно существуют два обширных класса голограмм – пропускающие и отражательные голограммы; первые из них наблюдаются в проходящем, а вторые – в отраженном свете.