Голография в школьном курсе физики

Голография в школьном курсе физики.

Максакова Елена Викторовна, учитель физики МБОУ «Умётская СОШ», п. Умёт, Зубово-Полянского района, Республики Мордовия.

Содержание

1. Введение

2. Необходимые знания учащихся.

3. Элементы теории метода голографирования.

3.1 Физические основы голографии и идея получения голограмм.

3.2 Принципиальные схемы получения голограмм.

4. получение голограмм в школьных условиях.

4.1 Условия получение голограмм

4.2 Установка для получения голограмм

4.3 Получение голограмм

4.4 Химическая обработка фотопластинок.

5. Литература

1.Введение

Знакомить учащихся с голографией предлагается на факультативных занятиях или физическом кружке в 11 классе, после изучения световых волн.

Изучение теории метода голографии углубляет знания учащихся и при этом не отвлекает их внимания от основного содержания учебной программы. Теория голографии включает в себя все основные вопросы, рассматриваемые в рамках раздела «Оптика» школьного курса физики. Предлагаемый дополнительный материал, вполне доступен для школьников.

Голография позволяет показать ученикам, как проявляются и используются на практике волновые свойства света: интерференция и дифракция света; показать, как работает принцип Гюйгенса-Френеля.

Сам вопрос о получении объёмного изображения интересен и всё ещё недостаточно известен широкому кругу населения. Всё это, а также необычные свойства голограмм, способствуют проявлению у учащихся познавательного интереса к предмету физики. Самостоятельное получение голограмм позволяет учащимся применить теоретические знания на практике и является интересным дополнением к школьному физическому эксперименту.

Голография получила широкое применение в экспериментальной физике, технике, медицине, изобразительном искусстве, музейном деле и др. Знакомство учащихся с применением методов голографирования решает задачу политехнического образования в процессе обучения физики.

В ряде отраслей техники голография открывает перспективы решения научно-технических проблем, которые нельзя решить другими известными техническими средствами, поэтому важно ещё в школе познакомить учащихся с её методом.

2.Необходимые знания учащихся.

Для понимания теории голографии учащиеся должны иметь сведущие знания.

Свет – электромагнитная волна.
Интерференция света. Условия максимума и минимума. Когерентные волны.
Дифракция света. Дифракционная решётка. Условия максимума и минимума для дифракционной решётки.
Волновая поверхность.
Принцип Гюйгенса-Френеля.

Кроме вышеупомянутых вопросов, которые изучаются на уроках физики необходимо познакомить учащихся с дифракцией света на трёхмерной дифракционной решётке.

Пространственной или трёхмерной решёткой называется такая оптически неоднородная среда, неоднородности которой (прозрачные и непрозрачные участки) периодически повторяются при изменении всех трёх пространственных координат.

Примером пространственной ДР может служить кристаллическая решётка кристаллов. Частицы образующие кристаллическую решётку (атомы, молекулы, ионы) играют роль упорядоченного расположения центров когерентно рассеивающих падающий на них свет.

Дифракцию на пространственной решётке можно рассматривать как результат отражения от системы параллельных сетчатых плоскостей. Это отражение, в отличие от обычного, осуществляется лишь при таких условиях падения лучей на решётку, которые соответствуют интерференционным максимумам для лучей, отражённых от разных плоскостей.

На рисунке 1. показаны две соседние плоскости трёхмерной ДР АА1 и ВВ1. Оптическая разность хода между двумя лучами 1* и 2*, отражённых от плоскостей АА1 и ВВ1 равна:

ΔL=|DE|+|DF|=2d sin Θ

где d – межплоскостное расстояние, Q – угол между падающими лучами и плоскостью АА1 (угол скольжения).

Если длина волны падающего излучения равна, то интерференционные максимумы удовлетворяют условию Вульфа-Брега:

2d sin Θ= n λ , (1)

где n = 1,2,3,… - порядок дифракционного максимума, λ– длина волны.

Из этой формулы следует, что наблюдение дифракционных максимумов возможно только при определённых соотношениях между длиной падающей волны и углом Θ. Волна с другим соотношением этих параметров распространяется в дифракционной решётке «не замечая» её неоднородностей, то есть не испытывая дифракции.

Стоячая волна – волна, которая образуется в результате наложения двух бегущих синусоидальных волн, которые распространяются навстречу друг другу и имеют одинаковые частоты и амплитуды, а в случае поперечных волн ещё и одинаковую амплитуду.

3. Элементы теории метода голографирования.

3.1 Физические основы голографии и идея получения голограмм.

Голография – метод получения объёмного изображения предмета, путём регистрации и воспроизведения световых волн, рассеянных этим предметом.

Идея получения изображения заключается в следующем. Мы воспринимаем предмет в том случае, если на него падает свет. То есть мы видим не сам предмет непосредственно, а его световой образ - то волновое поле, которое создает предмет при отражении от него, падающего излучения.

Каждая точка освещаемого предмета является центром рассеяния падающего света. Она посылает в пространство сферическую волну. Отразившись от предмета, световые волны больше не зависят от него и распространяются в пространстве обособленно, неся информацию об определённой точке предмета.

Каждая световая волна отличается от других своей амплитудой и своей фазой. Амплитуда различна вследствие того, что отражательная способность предмета меняется от точки к точке; фаза неодинакова из-за неоднородностей предмета. Все отражённые световые волны, проходя от предмета до приёмника (глаз, фотопластинка), образуют волновое поле предмета.

Волновое поле предмета можно изобразить в виде извилистых линий, характеризующих подробности его формы (Рис 2.) Форма линий будет зависеть от поверхности предмета. Чем сложнее его конфигурация, тем более сложную форму приобретут условные линии, изображающие структуру отражённой волны.

Таким образом, информация о предмете заключена в амплитудно-фазовых искажениях результирующей волны. Амплитуда несёт информацию о форме предмета, фаза – об его объёмности.

При фотографировании на фотоплёнке записывается лишь распределение интенсивности волны, отражённой от предмета, то есть регистрируется информация об амплитуде. Информация о фазе не фиксируется. Следовательно, при фотографировании мы получаем лишь часть информации о предмете, которую содержит плоское фотографическое изображение, представляющее собой проекцию предмета на плоскость фотоплёнки.

В отличие от фотографии в процессе голографирования целостно регистрируется волновой фронт световой волны (его амплитуда и фаза) и воспроизводится объёмное изображение. Само слово «голография» означает «полное изображение»

В основу голографии положены следующие положения волновой теории света:

Явление интерференции световых волн.
Явление дифракции световых волн.
Принцип Гюйгенса-Френеля.

Метод получения объёмного изображения впервые разработал Денис Габор (1947). Он предложил получать изображение в два этапа: сначала записать волновой фронт волны, а затем воссоздать источники света в соответствии с записью, тогда согласно принципу Гюйгенса-Френеля изображение восстановиться.

Информация об амплитуде и фазе содержится в интерференционной картине двух когерентных волн: волны, идущей от источника света (опорная волна) и волны, отражённой предметом, освещаемым этим источником (предметная волна).

Так как амплитуда и фаза опорной волны известны, то по характеру интерференционной картины можно определить амплитуду и фазу предметной волны.

Если интерференционную картину записать на фотопластинку (ФП), то после проявления получится голограмма, которая представляет собой дифракционную решётку.

На этапе восстановления изображения голограмму освещают опорной волной. В результате дифракции на микронеоднородностях голограммы происходит перераспределение падающего света, создаётся такое же фазно-амплитудное распределение в пространстве, которое создавала предметная волна при регистрации. То есть процесс образования волн, претерпевших дифракцию на голограмме, будет обратным процессу образования интерференционной картины.

3.2 Принципиальные схемы получения голограмм.

Схема Лейта и Упатниекса.

Американские физики Лейт и Упатниекс применили методы радиотехники к голографии. С точки зрения теории связи голографический процесс можно представить так. Волновой фронт, отражённый от предмета, - это сигнал информации, опорная волна – по аналогии с радиотехникой – несущая частота, на которую накладывается сигнал информации.

В схеме Лейта и Упатниекса опорная и предметная волны представляют собой два различных пучка, падающих на ФП образуя между собой угол Θ (Рис.3). На схеме эти волны образуются из общего лазерного пучка S с помощью светоделителя (С/Д).

Для восстановления изображения не требуется другая установка, достаточно убрать предмет, а голограмму поставить на то же место, где она находилась при записи интерференционной картины. Если включить лазер и посмотреть на голограмму, то можно увидеть объект на прежнем месте, как будто он вовсе и не был убран (Рис.4)

Голограммы, полученные по схеме Лейта и Упатниекса, называются двумерными, так как запись интерференции производится в плоскости.

Метод Денисюка

Советский физик Ю.И. Денисюк предложил более полный метод регистрации волнового поля. Он предложил подавать опорную волну навстречу предметной. Этот метод получил название голографирования «во встречных пучках».

Особенностью голограмм, полученных этим методом, является то, что, они воспроизводятся не обязательно от монохроматического источника света. Для получения изображения можно обойтись без лазерной установки.

Опорная волна проходит через фотопластинку (Рис.5), и, дойдя до предмета, отражается от него. Опорная и предметная волны, распространяясь навстречу друг к другу, интерферируют и в пространстве между объективом и предметом образуются стоячие волны. Фотопластинка фиксирует волновой фронт стоячей волны.

Денисюк предложил записывать интерференционную картину не только по поверхности, но и в глубине, то есть запись должна быть трёхмерной. Голограммы Денисюка называются объёмными (трехмерными).

После химической обработки в эмульсионном слое фотопластинки образуется трёхмерная слоистая структура, моделирующая пространственное распределение интенсивности в стоячей волне. Такая структура обладает избирательностью по отношению к падающему на него излучению, так как представляет собой трёхмерную дифракционную решётку. Дифракцию на ней испытывают те лучи, которые удовлетворяют условию Вульфа-Брегга (см. формулу (1)).

Таким образом, голограмма, полученная во «встречных пучках», восстанавливается в белом свете. Освещая голограмму обычной лампой накаливания или солнечными лучами, мы получим изображение (Рис.6)

получение голограмм в школьных условиях.

Условия получения голограмм

1. При получении голограмм необходимо учитывать ряд ограничений. Основное ограничение накладывает лазер, его мощность и когерентность. Чем мошне лазер, тем лучше освещается предмет, тем ярче изображение. Различают два вида когерентности – временную и пространственную. Пространственная когерентность устанавливает границы на обширность голографируемой сцены и определяется угловыми размерами источника света. Чем меньше угловые размеры источника, тем больше его пространственная когерентность.

Лазер, с достаточно высокой точностью, можно считать пространственнокогерентным, что нельзя сказать о временной когерентности, которая устанавливает предел на высоту голографируемой сцены. Свет, падающий на фотослой от ближних частей объекта, проходит, проходит меньший путь, чем от более удалённых. Если разность хода этих лучей будет больше длины временной когерентности лазерного излучения, то интерференционная картина не получится.

Длина временной когерентности определяется разбросом частот лазерного излучения (v-vo) и равна: l = c / (v-vo), где с – скорость света. Величина 1/(v-vo) называется временем когерентности – время, в течение которого немонохроматическую волну со спектром v +-(v-vo)/2 можно считать монохроматической с частотой v.

2. Во время записи интерференционной картины необходимо обеспечить максимальную неподвижность всей установки. Смещение какой либо детали хотя бы на полдлины волны лазерного излучения, что составляет доли микрона, интерференционная картина будет смазана, при этом изображение либо не получится, либо качество его значительно ухудшиться.

Во время экспозиции необходимо устранить вибрации, которые могут быть причиной смещения интерференционной картины: нельзя ходить вблизи установки, громко разговаривать, необходимо устранить воздушные потоки: закрыть форточку, выключить нагревательные приборы.

3. При записи голограмм нужны фотопластинки с высокой разрешающей способностью, так как расстояние между линиями и полосами интерференционной картины – порядка длины волны. Интерференционная картина, формирующая изображение, не видна вооружённым глазом. Однако на фотопластинке могут появиться видимые интерференционные полосы, которые не имеют никакого отношения к предмету и являются результатом дифракции лазерного излучения на пылинках, находящихся в воздухе.

4.Оптические детали должны быть чистыми, линзы промываются 96% спиртом, зеркала водой.

5. регистрацию голограмм лучше проводить в затемнённом помещении, чтобы в интерференционной картине не участвовал свет от посторонних источников.

Установка для получения голограмм

В школьных условиях можно получить как плоские, так и объёмные голограммы. Но, голограммы, полученные по методу Денисюка (объёмные), более удобны в демонстрации, их можно рассматривать, не используя лазер. Установку для получения объёмных голограмм собрать значительно легче, так как она содержит минимальное количество деталей (не потребуются зеркала, светоделитель).

Один из вариантов установки, реализующий схему Денисюка, предложен на рис.7. Её можно собрать из стандартных деталей от фотоувеличителя.

Основные части установки.

Лазер типа ЛГН-207А (1мВт, 630 нм)
Кронштейн
Металлическая стойка (высота 70 см)
Основание
Амортизирующие колпачки из резины
Ручка для перемещения лазера
Объектив короткофокусный от микроскопа с увеличением в 40 раз
Предметное основание
Фотопластинка.

Можно собрать установку, установив детали горизонтально на школьной оптической скамье.

Получение голограмм

Включить лазер и перемещением объектива и лазера получить равномерное по яркости пятно. На пятно положить предмет, размеры пятна должны быть таким, чтобы оно полностью освещало предмет и часть окружающей плоскости.
Выключить свет и затемнить помещение. Перекрыть лазерный луч чёрной бумагой и накрыть предмет фотопластинкой эмульсионной стороной вниз. В таком состоянии установка выдерживается не менее одной минуты, что бы фотопластинка устоялась.
Сняв чёрную бумагу, проэкспонировать фотопластинку, определив заранее оптимальное время выдержки.
Произвести химическую обработку.

Рекомендации

Для определения времени экспозиции необходимо произвести ступенчатую пробу. Для этого необходимо проэкспонировать часть фотопластинки несколько секунд (предварительно закрыв остальную часть бумагой), затем ещё одну часть, увеличивая время выдержки, и т. д. Затем после химической обработки определить оптимальное время экспозиции (оно может колебаться от 7 секунд до 25 минут).
Качество и свойства изображения зависят от расстояния между предметом и фотопластинкой. Чем оно меньше, тем изображение ярче, чем больше, тем изображенное более объёмно и обладает лучшим параллактическим эффектом (его можно «повертеть» при рассматривании). Учитывая это необходимо выбирать оптимальный вариант расположения предмета и фотопластинки.

4.4 Химическая обработка фотопластинок.

Для получения голограмм, воспроизводящих в белом свете, требуются толстослойные фотопластинки типа ПФГ-03.

Схема обработки фотопластинки.