лекция 4_дифр Фраунгофера на ДР

Дифракция света
Часть 2
Дифракция Фраунгофера на одномерной дифракционной решетке
Характеристики дифракционной решетки
как спектрального аппарата
Элементы голографии
Лекция 4

Дифракционные решётки
Виды дифракционных решёток
– совокупность отверстий в экране
– совокупность непрозрачных дисков
– совокупность щелей в экране
– плоские решетки –

Линейная амплитудная решетка
50 – 2000 штрихов на миллиметр

Линейная амплитудная решетка
Схема наблюдения спектра дифракционной решётки

Распределение интенсивности
N – число источников одинаковой интенсивности (N > 2).
δ – сдвиг фаз между соседними источниками
A0 – амплитуда от одного источника (Е0)
A - результирующая амплитуда (Е)
I ~ A2
http://www.bollywood.im/videos/http://www.bollywood.im/videos/многолучеваяhttp://www.bollywood.im/videos/многолучевая-http://www.bollywood.im/videos/многолучевая-интерференцияhttp://www.bollywood.im/videos/многолучевая-интерференция.html

Распределение интенсивности
1. Главные максимумы
Анализ картины интерференции
2. Минимумы
Δmax = mλ
1, 2, 3… окружности

Распределение интенсивности
3. Побочные максимумы
Анализ картины интерференции
0,5; 1,5; 2,5… окружности
Вывод: многолучевая интерференция характеризуется большой концентрацией энергии в главных максимумах

Картина распределения интенсивности
Векторная диаграмма сложения колебаний от N щелей дифракционной решётки
- амплитуда результирующей волны от N щелей
- интенсивность результирующей волны
Е01(φ), I01 – амплитуда и интенсивность волны, идущей от каждой щели в направлении φ.

Условие главных максимумов для решетки:
m – порядок дифракционного максимума
Картина распределения интенсивности
Условие минимумов при дифракции света на решетке:

Распределение интенсивности
при дифракции монохроматического света
N – число щелей.
I0 – интенсивность колебаний при дифракции света на одной щели.

Примеры спектров, полученных с помощью дифракционной решетки
Разложение белого света в спектр
Спектр ртути (m = 1)

→
(L – ширина решётки)
→
→
Ширина спектральной линии

Разрешающая способность
дифракционной решётки
Угловая зависимость главного максимума

Максимум для спектральной линии,
соответствующей длине волны λ,
расположен там же, где и минимум для линии,
соответствующей длине волны (λ+δλ)
λ+δλ
λ
b – ширина дифракционной решетки
λ+δλ
λ
Разрешающая способность

разрешающая способность решётки,
где δλ – минимальная разница длин волн, разрешаемая спектральным аппаратом в данном порядке спектра
Разрешающая способность R обусловлена угловой шириной главного максимума и определяет возможность раздельного наблюдения двух близких спектральных линий.
Угловая ширина максимума
Критерий Релея
Разрешающая способность

Элементы голографии
Физические основы голографической записи изображений
Голографирование в плоских волнах
Голограмма точки
Толстослойные голограммы
Свойства голограмм
Применение голограмм

Физические основы голографической записи
I ~ Em
Черно-белая
фотография
I, ω
Цветная
фотография
I, ω, φ, поляризация
Голография

В 1962 г. И. Лейт и Ю. Упатниекс получили первые пропускающие голограммы объемных объектов, выполненные с помощью лазера.
Физические основы голографической записи
Габор Деннис. В 1948—51 построил общую теорию голографии и получил первые голограммы. Лауреат Нобелевской премии по физике 1971 г. «за изобретение и развитие голографического метода»

Физические основы голографической записи
Схема восстановления изображения,
записанного на пропускающей голограмме.
Схема записи пропускающей голограммы
http://www.holography.ru/physrus.htm

Голографирование в плоских волнах
Получение голограммы в случае интерференции двух плоских световых волн (опорной и предметной): θ — угол между направлениями распространения опорной и предметной волн; d — расстояние между соседними тёмными полосками картины.
Структура голограммы, видимая в микроскоп.

Голографирование в плоских волнах
∆12= mλ; ∆34= (m+1)λ
∆= ∆34 − ∆12= d sin θ = λ
d – период голографической дифракционной решетки
Пропускание дифракционных решеток
голографической
искусственной

Голографирование в плоских волнах
Восстановление изображений с помощью голограммы
мнимое изображение объекта
действительное изображение
m = -1
m = 1
m = 0
d sinφ = mλ
m = 1
d = λ/sinθ
Условие главных максимумов на дифракционной решетке:
φ = θ
Характеристики волны такие же, как у предметной

Голограмма точки
Получение голограммы точечного объекта
Геометрическое место точек, до которых опорная и предметная волны доходят одной фазе − окружность.
AOк – b = kλ /2
AOк = b + kλ /2
k = 2m - max
k = (2m+1) - min
rк2 = (b+ kλ /2)2 – b2
d = Δrk при Δk=1 – период решетки

Голограмма точки – стадия восстановления изображения
Условие главных максимумов на дифракционной решетке:
Пучок – расходящийся, мнимое изображение – т.А'
– мнимое изображение там же, где был предмет.

Голограмма точки – стадия восстановления изображения
Действительное А" и мнимое A′ изображения точки А; Н — расстояние от объекта до голограммы
Пучок –сходящийся, т. А'' – действительное изображение

Голограммы объекта, состоящего из четырёх точек
Объёмность голографических изображений
действительное изображение
мнимое изображение

Объёмность голографических изображений
Фотографии мнимого голографического изображения шахматных фигур, полученные при разных направлениях наблюдения

Толстослойные голограммы Денисюка
Схема Лейта-Упатниекса
Схема Денисюка

Толстослойные голограммы Денисюка
Cхема записи
Cхема воспроизведения
Cхема интерференции отраженных волн
1,2 – предметная и опорная волны,
3 – фоточувствительный слой, 4 - предмет

Толстослойные голограммы Денисюка
Система плоскостей почернения является встроенным фильтром
Преимущество - голограммы видны в обычном свете, при восста-новлении голограмма действует как интерференционный фильтр.
Голографический портрет Ю.Н. Денисюка

Голографическая установка Ю.Н. Денисюка, 1959г., Москва, Политехнический музей
Голограммы Денисюка
видео

В 1969 г. Стивен Бентон из Polaroid Research Laboratories (США) изготовил пропускающую голограмму, видимую в обычном белом свете. Голограммы, изобретенные Бентоном, были названы радужными, так как они переливаются всеми цветами радуги, из которых состоит белый свет. Открытие Бентона позволило начать массовое производство недорогих голограмм путем "штамповки" интерференционных картин на пластик. Голограммы именно такого типа применяются сегодня для защиты от подделок документов, банковских карточек и т.д. Благодаря Бентону голография обрела популярность в широких слоях общества.
Радужные голограммы

Свойства голограмм

При просмотре голограмм можно менять форму волнового фронта опорной волны. Освещая голограмму расходящейся сферической волной, можно наблюдать увеличенное изображение предмета. На этом основано устройство голографического микроскопа. Заменив расходящуюся волну на плоскую можно уменьшить и приблизить изображение.
Свойства голограмм
Качество голографических изображений зависит от монохроматичности излучения лазеров, разрешающей способности фотоматериалов, условий съёмки. При использовании мощных импульсных лазеров (до 10-9 сек) легко получать голограммы объектов, движущихся со скоростями порядка 1000 м/сек.
Голографическое изображение летящей пули

Применение голографии
Музейные выставки, художественная голография
Создание объёмного цветного телевидения
Создание новых систем памяти с большой плотностью записи
Изображение матрицы
Транспарант (матрица) голографического запоминающего устройства

Создание устройств для поиска заданной информации и опознавания образов (автоматическое чтение информации, классификация различных объектов, дешифровка сложных изображений, кодирование информации)
Применение голографии

Применение голографии
Создание специальных «голографических объективов», заменяющих линзовые объективы и свободных от аберраций, дифракционных решеток, светофильтров
Создание акустических голограмм (в частности, для исследований внутренних органов животных и людей)
Голографическое звуковидение
Создание радужных голограмм (реклама, дизайн)

Голографическая 3D-карта местности
Компания Zebra Imaging производит удивительные голографические 3D-карты местности, и поверьте, технология эта куда круче, чем обычное стереоскопическое 3D. Они изготавливаются на специальной пленке с применением лазеров и благодаря этому обладают впечатляющим набором свойств. Карты достаточно детальны, полноцветны, их можно спокойно свернуть, сделать на них пометку маркером. При этом карты Zebra Imaging можно обойти кругом – чтобы получить максимальное точное представление об объекте. Глядя же на многоканальную карту, возможно увидеть не только фасады, но и интерьер зданий. Кроме того, для просмотра таких карт не нужны специальные очки – это как минимум значит, что ими могут пользоваться одновременно несколько человек. Стоимость карт Zebra Imaging колеблется от 1000 до 3000 долларов, их заказывают военные ведомства.
Применение голографии