ЛАЗЕРНАЯ УКАЗКА В УЧЕБНОМ ГОЛОГРАФИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

LASER POINTER IN HOLOGRAPHIC TRAINING EXPERIMENT

Sergey Pogozhikh

professor, candidate of physico-mathematical Sciences, Novosibirsk state pedagogical University, Department of General and theoretical physic

Russia, Novosibirsk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается применение современного источника когерентного излучения в учебном голографическом эксперименте – малогабаритного зеленого лазера. Представлена как экспериментальная сторона голографического эксперимента, так и потенциальные образова­тельные возможности голографии при изучении курса физики различных уровней. Рассмотрены особенности учебного голографического экспери­мента в современных условиях.

ABSTRACT

The article considers the use of a modern source of coherent radiation in educational holographic experiment – a small-size green laser. The experimental side of the holographic experiment and the potential educational opportunities of holography in the study of physics at different levels. The features of educational holographic experiment in modern conditions are considered.

Ключевые слова: голография; преподавание оптики; голограмма; лазер; оптический эксперимент.

Keywords: holography; teaching optics; hologram; laser; optical experiment.

В современных условиях практически не реализованы образова­тельные возможности интересной области оптики – голографии. Голограммы как способ защиты документов и денежных знаков распространен повсеместно. Слово «голограмма» стало широкоупотре­бительным, голография обросла множеством мифов и предрассудков, термины «голограмма» и «голография» употребляются неправильно, зачастую встречается и просто подмена понятий. Наблюдается явная диспропорция между распространенностью понятия и его поверх­ностным изучением в курсах физики разного уровня с другой стороны.

Практическое преподавание голографии в образовательных целях в настоящее время разрабатывается отдельными энтузиастами [1, 2]. Автором много лет разрабатывается вопрос преподавания голографии как интегрированной темы в сквозных курсах физики разного уровня, так и в виде самостоятельных спецкурсов [3, 4]. Самостоятельно полу­ченная голограмма всегда производит неизгладимое впечатление на студентов, зачастую трудно поверить, что наблюдаемое изображение в действительности является изображением, а не реальным объектом. Подкупает и внешняя «простота» голографического эксперимента.

В этой яркости и эмоциональности главный образовательный ресурс голографии, способной пробудить познавательный интерес к физике вообще и к оптике в частности.

Экспериментальный курс для специалистов и магистрантов вклю­чает основные разделы голографии: история вопроса; математический анализ голограммы; различные типы классификации голограмм; характеристики и свойства голограмм; техника голографии; регистри­рующие среды; химическая обработка; голографическая интерферо­метрия. Запланированы эксперименты, иллюстри­рующие то или иное «элементарное» свойство какого-либо вида голограммы. Такой подход сокращает время экспе­римента за счет снижения времени экспозиции, что позво­ляет студентам наблюдать весь его ход.

Ключевым лабораторным оборудованием для голографического эксперимента являются лазеры и фотопластинки, чувствительные к соответствующему лазерному излучению. Остальное – линзы, зеркала, держатели и тяжелое основание так или иначе можно взять из стандартного оборудования учебной физической лаборатории. Раньше использовался в основном гелий-неоновый лазер с длиной волны 633 нм, дающий высококачественное когерентное излучение и фотопластинки ПФГ03 производства фирмы «Славич».

Развитие техники, изменение экономических реалий в корне изменило техническую базу голографии. И это как открыло новые возможности, так и уменьшило другие. На рынке появились дешевые малогабаритные твердотельные лазеры на основе ортованадата иттрия, легированного неодимом (Nd:YVO₄), с диодной оптической накачкой инфракрасным лазером с удвоением частоты. Изучение недорогого доступного лазера (указки) с помощью интерферометра Майкельсона показало, что лазер пригоден для голографии (длина когерентности около 20 см). Длина волны 532 нм. Фотопластинки, сенсибилизи­рованные к этому участку видимого диапазона так же производства «Славича». Однако стало труднее приобрести фотопластинки и химикаты к ним.

С переходом на неодимовый лазер учебный эксперимент стал существенно короче – экспозиция составляет 2-4 секунды (для фото­пластинок ВРП-М и лазера мощностью 20 мВт), против 5-10 минут для гелий-неонового лазера. Это объясняется большей чувствительностью фотопластинок в зеленом диапазоне. Помимо простого сокращения времени эксперимента заметно увеличилось качество полученных голограмм. Стабилизация оптической схемы, защита от колебаний – главное условие успешного эксперимента. Однако, при тех же пред­принятых мерах помехозащиты, при малой экспозиции уменьшается суммарное влияние помех, качество голограмм возрастает.

Обычный голографический эксперимент в сходящихся пучках, всегда поражающий зрителя, имеет следующую схему (рис. 1, расстоя­ния, проходящие опорным и предметным пучками примерно равны, что не отражено на схеме). Луч лазерной указки делится светоделителем (толстая плоскопараллельная пластинка с большим показателем прелом­ления) на два. Один луч перенаправляется, расширяется и направляется на объект. Отраженный предметный луч падает нормально на фото­пластинку. Опорный луч расширяется и также направляется на пластинку по некоторым углом. В качестве основания используется толстая алюминиевая вертикальная плита, помещенная на алюминиевой под­ставке на учебный оптический стол со стальной плитой толщиной 1 см. Плита изолирована от каркаса, а каркас от пола резиновыми прокладками. Практика показывает, что такой защиты от вибраций достаточно в любое время суток.

Примечание: 1 - лазер, 2 – делитель, 3 – зеркала, 4 –объект, 5 – фото­пластинка 6 – расширители.

Рисунок 1. Схема установки

После проявления и высушивания голограмму возвращают на место и освещают только опорным лучом. Дифрагировавший луч создает мни­мое изображение предмета. Это изображение реалистично, его можно рассмотреть с разных сторон (насколько позволяет площадь голограммы, рис. 2а). Однако одновременно это изображение может наблюдать только один зритель.

 а)                                                         б)          

Рисунок 2. Восстановленное изображение: а) наблюдение сквозь голограмму, б) действительное изображение, на переднем плане голограмма

Мощный компактный лазер предоставил новую возможность демонстрировать действительное изображение. Если направить нерасши­ренный луч лазера на голограмму по направлению, обратному опорному, то восстановленное действительное изображение спроецируется на экран и станет доступным для наблюдения широкой аудитории (рис. 2б).

Этот способ наблюдения примечателен тем, что демонстрирует принципиальное отличие гологафического изображения от фотографи­ческого. Сама голограмма либо прозрачная, либо серая с различными полосами, ничего не имеющими общего с самим изображением. При этом изображение восстанавливается с небольшого участка, на который падает луч сечением примерно со спичечную головку, а не со всей площади голограммы. Это демонстрирует еще одно, мало популя­ризируемое свойство голограммы – её необычайно информационную емкость, что делает возможным создание голографической памяти, что также удивляет зрителя. Это изображение, в соответствии с теорией, псевдоскопично – выпуклости заменены на впадины и наоборот. Однако наблюдается плоская проекция изображения и визуально при неподвижном луче это не заметно. Псевдоскопичность проявляется при перемещении луча по голограмме – ракурс изображения изменяется, но неожидаемо. При перемещении луча влево изображение повора­чивается вправо относительно наблюдателя и наоборот.

Замечательно, что эта схема восстановления не требует никаких оптических элементов и настроек, что позволяет её использовать в качестве демонстрации в любой аудитории.

Студенты часто спрашивают, как сделать простыми средствами голографический эксперимент. Если сейчас, как уже отмечалось, с эле­ментной базой проблем нет, то фотопластинки купить трудно, и стоят они дорого, хотя и доступны при желании. В связи с этим М. Носаревым была предпринята попытка самостоятельного изготовления голографи­ческих фотопластинок на основе желатины, сенсибилизированной бихроматом аммония [5]. Метод давно известен [6, 7], но нестабилен и трудоемок, требует пищевого желатина и некоторых веществ, которые можно найти в химической лаборатории. Попытка оказалась успешной, после кропотливой систематической работы была отработана своя методика и получено несколько удовлетворительных голограмм. Метод требует настойчивости и времени, но результат вполне заслу­живает затраченных усилий.

Таким образом, в настоящее время сложились условия для внедрения экспериментального изучения голографии в курс физики вузовского, а возможно и школьного уровня.

Список литературы:

1. Воробьев С.П. Запись голограмм лазерной указкой // Научн. сессия МИФИ-2005: Сб. научн. тр. В 13 т. М., МИФИ, 2005. Т. 4. С. 258-259.
2. Мармыш Д.Н., Могильный В.В., Безрученко А.В., Толстик Е.А., Гайда Л.С. Запись фазовых голограмм излучением лазерной указки с длиной волны 532 нм // Труды Международной конференции «Прикладная оптика 2010». С.-Петербург. 2010. Т.1, ч. 2. с. 38-40.
3. Погожих С.А. Элементы экспериментальной голографии в курсе общей физики // Физическое образование в ВУЗах. 2001. т. 7. № 1. с. 59-64.
4. Погожих С.А. Использование экспериментальной голографии при подготовке учителей физики // Физическое образование в ВУЗах. 2015. т. 21. № 2. с. 97-102.
5. Носарев М.Г. Сенсибилизирование купанием заводских фотоматериалов в растворе бихромата аммония // Материалы региональной научно-практической конференции ИФМИЭО НГПУ, Новосибирск, 23-27 апреля 2018г. с. 39-40.
6. Комар В.Г., Серов О.Б. Изобразительная голография и голографический кинематограф. – М., Искусство, 1987. – 286 с.
7. Малов А.Н., Неупокоева А.В. Голографические регистрирующие среды на основе дихромированного желатина. – Иркутск, ИВВАИУ (ВИ), 2006. – 345 с.