Оптика - розділ фізики, у якому вивчаються оптичне випромінювання (світло), його поширення та явища, спостережувані при взаємодії світла з речовиною, - належить до найбільш давніх і добре освоєних областей науки. Приблизно до середини ХХ століття здавалося, що оптика як наука закінчила розвиток. Однак у останні десятиліття у цій галузі фізики сталися революційні зміни, пов'язані і з відкриттям нових закономірностей (принципи квантового посилення, лазери), і з недостатнім розвитком ідей, заснованих на виключно класичних і добре перевірених уявленнях. Тут, передусім, мають на увазі голографія, яка помітно розширює область практичного використання хвильових явищ і створить стимули теоретичним дослідженням.

Голограмфія - набір технологій для точного запису, відтворення і переформатування хвильових полів. Це спосіб одержання об'ємних зображень предметів на фотопластинці за допомогою когерентного випромінювання лазера. Голограма фіксує не саме зображення предмета, а структуру відбитої від нього світлової хвилі (її амплітуду та фазу). Для отримання голограми необхідно, щоб на фотографічну пластинку одночасно потрапили два когерентних світлових пучки: предметний, відбитий від об'єкта та опорний - що проходить безпосередньо від лазера. Світло обох пучків інтерферує, створюючи на пластинці чергування дуже вузьких темних і світлих смуг - інтерференційну картину.

Методи голографії (запис голограми в тривимірних середовищах, кольорове і панорамне голографування тощо.) знаходять дедалі більший розвиток. Вона може застосовуватися у ЕОМ із голографічною пам'яттю, голографічному електронному мікроскопі, голографічному кіно України й телебаченні, голографічної інтерферометрії тощо.

Ідеї, які лежать в основі голографії, були висловлені в 1947 р. англійським фізиком Д. Табором. Однак Табору не вдалось одержати якісного зображення внаслідок цілого ряду технічних труднощей, головна з яких полягала у відсутності потужних когерентних джерел світла. І тільки після появи лазерів у 1962 році американські дослідники Е. Лейт і Ю. Упатніекс одержали перші якісні голограми тривимірних об'єктів.

Отже, в голографії використовується не тільки інтенсивність хвилі, але також фазові співвідношення. Голографія грунтується на явищах інтерференції і дифракції. Для спостереження інтерференційної картини необхідно мати дві когерентні хвилі.

Нехай це будуть

Результуюча амплітуда при складанні двох хвиль у деякій точці простору залежить від амплітуд А1 та А2 і від різниці фаз хвиль:

де - різниця фаз, а х₁-х_{2 -} різниця ходу.

Голографія теж здійснюється за допомогою двох когерентних хвиль: одна хвиля йде від предмета і несе інформацію про предмет (амплітуда, фаза) - це предметна хвиля. Друга хвиля є опорною і призначена вона для створення інтерференційної картини. Предметна і опорна хвилі утворюються з однієї хвилі шляхом розділення на дві частини. Джерелом когерентного випромінювання служить лазер.

Для того, щоб зрозуміти, як одержується голографічне зображення, розглянемо голографування сферичної хвилі. Нехай від точкового джерела Б сферична хвиля (в даному випадку - предметна хвиля) направляється через напівпрозоре дзеркало Д, на фотопластинку Ф. Іншим шляхом за допомогою лінзи Л і системи дзеркал Д2, Д3 на фото-пластинку направляється також плоска хвиля (опорна). Очевидно, що інтерференційна картина буде являти собою систему концентричних кіл максимумів і мінімумів

Проявлена і зафіксована фотопластинка є голограмою записаної на ній хвильової поверхні і являє собою по суті складну дифракційну гратку. І якщо тепер цю голограму Г помістити на місце фотопластинки освітити опорною, тобто в даному випадку плоскою хвилею, то відбудеться дифракція променів з центральним () і бічними (, ) максимумами. Перетин дифрагованих променів, які відповідають і , дасть зображення джерела. Причому, таких зображень буде два - дійсне і уявне.

2. Види голограм і можливості їх застосування

У ряді технологічних процесів можна використовувати утворені голограмами дійсні зображення. При просвічуванні голограм потужним лазером можна наносити на оброблювані поверхні складні візерунки. Зокрема, голограми вже застосовувалися для безконтактного нанесення мікроелектронних схем.

Основні переваги голографічних методів перед звичайними - контактними або проекційними - досягнення практично неспотвореного зображення на великому полі. Межа дозволу голограми може досягатися часткою довжини світлової хвилі.

На зображення практично не впливають порошинки, що осіли на голограму, подряпини та інші дефекти, в той час як для контактних або проекційних фотошаблонів це призводить до недоліків.

Інше застосування голограми в технології - використання її в якості лінзи. Фокусуючі властивості зонних решіток відомі давно. Однак застосування решіток обмежувалося труднощами їх виготовлення. За допомогою голографічних лінз отримували отвори діаметром до 14 мкм в танталовій плівці, нанесеної на скло. Голографічні решітки зовсім не мають помилок, властивих звичайним граткам, нарізаним на ділильнії машині.

Явище голографії властиво не тільки електромагнітним хвилям (таким як світло), але і механічним (звуковим).

Відповідно, існує два основних види голограм: оптичні і акустичні. Як показала практика, голографічний метод запису інформації можна застосувати не тільки до електромагнітних, але і до звукових хвиль. Когерентні звукові хвилі відомі давно, і ультразвуком можна "висвітлювати" дуже великі об'єкти. Принципи отримання звукової та оптичної голографії одні і ті ж, тільки замість зміни інтенсивності світла вимірюється інтенсивність тиску. Звукові хвилі без праці проникають в непрозорі для світла предмети.

Перспективний метод акустичної голографії - вплив на воду звуком високої частоти. При цьому на поверхні води виникають брижі, що заміняють собою інтерференційнну гратку оптичної голограми. Її висвітлюють лазером і отримують зображення предмета. Однак зображення, отримане таким чином, буде знаходитися далеко від поверхні води. Щоб воно знаходилося близько потрібно сфокусувати його за допомогою лінз. Також брижі легко руйнуються від найменшого зовнішнього впливу. Можна також просто фотографувати брижі і проявляти її звичайним способом. Можна поліпшити якість голограми, створивши нафтову плівку на поверхні води. Іншими словами, акустична голографія дає можливість створювати оптичний аналог акустичному хвильовому полю. Такі голограми мають багатообіцяючі перспективи в багатьох областях науки, техніки і медицини.

У медицині давно використовуються апарати УЗД, що дозволяють за допомогою звуку побачити внутрішні органи людини. Однак зображення, отримане таким чином, буде двовимірним. А при використанні голограми - тривимірним.

За допомогою голографії успішно вирішується і проблема візуалізації акустичних полів, що має велике прикладне значення. Можливі застосування звукової голографії: дефектоскопія, вивчення рельєфу морського дна, звуколокація, звуконавігація, пошук корисних копалин, дослідження структури земної кори і т.д. Особливе значення має ультразвукова голографія для медичної діагностики.

Реєстрація звукових голограм проводиться таким чином, щоб запис допускала оптичне відновлення. Для цього використовуються такі методи: сканування звукового поля, деформація поверхні рідини під дією звукового тиску, об'ємна голограма.

Перевага оптичної голограми над акустичною в більш невибагливій ??поверхні запису. Фотографічна пластинка і інтерференційна картина не псуються від струшування і навіть від розлому навпіл.

Голографія стала для інженерів справжнім подарунком: тепер вони можуть досліджувати і реєструвати процеси і явища, описані часом не тільки теоретично.

2.1 Динамічна голографія