Экспериментальное изучение голографии в школьных и университетских учебных физических лабораториях

УДК 372.853

И. Н. Луйк, К. В. Полетаева, В. Г. Соловьев

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ В ШКОЛЬНЫХ И УНИВЕРСИТЕТСКИХ УЧЕБНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ЛАБОРАТОРИЯХ

В статье описываются методы обучения студентов и школьников работе с современными оптическими приборами — голографическими дифракционными решетками.

Ключевые слова: голография, дифракционная решетка, учебный физический эксперимент.

Актуальные проблемы современной физики должны находить отражение в процессе преподавания, дополняя традиционно изучаемые ее разделы и способствуя пониманию обучающимися важнейших направлений развития современных науки и технологии. Примером может служить изучение основ голографии в разделе «Оптика» школьного и вузовского курсов физики. Голография — это способ получения объемных изображений предметов на фотопластинке (голограмме) при помощи когерентного излучения лазера. Голограмма фиксирует не само изображение предмета, а структуру отраженной от него световой волны (ее амплитуду и фазу). Для получения голограммы на фотографическую пластинку должны одновременно попасть два когерентных световых пучка: предметный, отраженный от снимаемого объекта, и опорный — приходящий непосредственно от лазера.

История возникновения, разработки и развития идей и принципов голографии [1-5] берет свое начало в XX столетии. Создателем голографии принято считать лауреата Нобелевской премии Денниса Габора — английского физика венгерского происхождения. Но сама идея голографического метода была предложена и подтверждена экспериментально польским физиком Мечиславом Вольфке еще в 1920 году. Ученый интересовался вопросом о получении оптического изображения кристаллической решетки, используя при этом дифракцию рентгеновских лучей на кристалле. Так как в то время в его распоряжении не было когерентного источника излучения, Вольфке не обратил достаточного внимания на роль фазы в регистрации и восстановлении изображения. Его работа осталась до конца не понятой физиками того времени.

Первая голограмма была получена в 1947 году (задолго до изобретения лазеров) Деннисом Габором в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа. Он же ввел сам термин «голография», которым он подчеркнул полноту записи оптических свойств объекта этим методом.

После создания в 1960 году рубинового лазера голография начала интенсивно развиваться. В начале 60-х годов XX века Эммет Лейт и Юрис Упатниекс из Мичиганского Технологического Института получили первые голограммы с использованием лазерного луча, видоизменив до некоторой степени схему Габора.

В результате длительной работы в 1968 году Юрий Николаевич Денисюк получил высококачественные голограммы, которые восстанавливали изображение, отражая белый свет (до этого времени отсутствие необходимых фотоматериалов

мешало получению голограмм высокого качества). Для этого им была разработана своя собственная схема записи голограмм на встречных пучках, когда объект и опорный источник находились по разные стороны от голограммы. С его именем непосредственно связано и создание голографических дифракционных решеток, действие которых предлагается исследовать в учебном эксперименте авторами настоящей работы.

Голографический метод получения дифракционных решеток, заключается в следующем [6]. На фотоэмульсию одновременно падают два параллельных световых пучка высокой степени когерентности. В результате на фотослое образуется интерференционная картина, состоящая из минимумов и максимумов одинаковой ширины. После обработки фотослоя получается синусоидальная дифракционная решетка, прозрачность которой вдоль определенного направления меняется по гармоническому закону (закону синуса или косинуса). При этом удается довести период d такой решетки до величины 1 мкм = 0,001 мм.

Эта величина на порядок меньше периода стандартной дифракционной решетки, имеющей 100 штрихов на миллиметр, обычно применяемой в практике школьного и вузовского преподавания. Схема известного прибора, используемого в школьном физическом практикуме для определения длины световой волны с помощью дифракционной решетки, представлена на рис. 1. Прибор состоит из бруска А со шкалой, к торцу которого прикреплена рамка, куда помещают дифракционную решетку D. На некотором расстоянии L от нее располагают подвижный щиток В. На нем имеется миллиметровая шкала с нулем посередине, окно и прицельная прорезь. Наблюдатель смотрит через дифракционную решетку и прицельную прорезь на вертикально расположенную нить накала источника света S. Пучок белого света, пройдя через окно щитка, падает на дифракционную решетку. За решеткой световые пучки разных цветов пойдут по различным направлениям и будут собраны хрусталиком глаза в разных местах сетчатки. В результате наблюдатель увидит мнимое изображение дифракционных спектров, спроецированное на щиток В, соответствующий отсчет равен I [7].

L

В

5

/ * о oJICl-j D

С А

Рис. 1. Прибор для определения длины световой волны с помощью дифракционной решетки (вид сверху) [7]

В школьном курсе физики полезно познакомить учащихся с основами голографии на факультативных занятиях в 11 классе. При этом помимо изучения теоретического материала ученикам предлагается выполнить лабораторную работу, в которой описанным выше методом сначала определяется длина световой волны с помощью обычной дифракционной решетки с периодом d = 0,01 мм, а затем — период голографической дифракционной решетки. При выполнении этой лабораторной работы следует иметь в виду, что угол дифракции света ср в формуле

dsin

определяющей положение главных максимумов голографической дифракционной решетки, уже нельзя считать малым, поэтому для вычисления синуса этого угла

следует использовать формулу sin <р = — ^ (рис. 1).

Vx2+/2

Данная лабораторная работа успешно прошла апробацию с участием учеников 11 университетского класса, работающего на базе физико-математического факультета Псковского государственного университета. Учащимся можно предложить также домашнее творческое задание по изготовлению спектроскопа на основе описания прибора, опубликованного в литературе [6].

В курсе общей физики вуза голографии традиционно уделяется немного внимания — эта тема изучается обычно лишь теоретически и в ознакомительном плане. В связи с этим особый интерес представляет разработка учебного эксперимента по теме «Голография» в университетском курсе физики.

В учебной лаборатории кафедры физики Псковского государственного университета ранее была изготовлена установка для получения голограмм (рис. 2 [8]). Она устанавливалась на бетонной плите большого размера (лежащей на амортизаторах из пористой резины). Для устранения вибраций базы голографического стола можно также использовать принцип маятникового подвеса рабочей плиты. Использование принципа физического маятника в конструкции голографической установки позволяет выполнить амортизатор в виде единой, наполненной воздухом резиновой камеры. Такое крепление подвижной части установки позволяет устранить механические колебания, изгибающие плиту вокруг осей, лежащих в плоскости плиты, и уменьшить другие колебания.

£

6 — голографический объект; 7 — подкассетник для голограмм; 8 — оптическая скамья

В дополнение к имеющимся в литературе методическим материалам [6, 8, 9], посвященным учебным опытам по теме «Голография», мы предлагаем поставить демонстрационный и лабораторный эксперименты с голографической дифракционной решеткой.

Такая дифракционная решетка обладает высокой угловой дисперсией

dX d cos (р

и при освещении видимым светом дает только три максимума — с порядками k = -1,0, +1. В этом можно убедиться, освещая обычную и голографическую дифракционные решетки параллельным пучком света от лазерной указки. Высокая интенсивность лазерного излучения позволяет наблюдать достаточно яркую дифракционную картину даже без использования полного затемнения (рис. 3).

Д

10 10

а б

Рис. 3. Наблюдение дифракции монохроматического лазерного излучения с длиной волны 530 нм с помощью обычной дифракционной решетки с периодом 0,01 мм {а) и голографической дифракционной решетки с периодом 0,001 мм

В наших опытах использовались полупроводниковые лазеры, дающие зеленое и красное излучение с длинами волн Лх ~ 530 нм и Л2~ 660 нм соответственно, что позволяло студентам в ходе поставленной на основе этого опыта лабораторной работы экспериментально оценить угловую дисперсию дифракционной решетки по формуле

АЛ

где АЛ = Л2 - Лх, и сравнить ее со значением 1), полученным по формуле (2).

Как видно из данных, приведенных в таблице 1, полученные нами значения D и D ’ согласуются в пределах ошибок измерения, как для обычной, так и для голографической дифракционной решетки.

Таблица 1

Значения угловой дисперсии дифракционных решеток

Период решетки d угловая дисперсия D

0, 01 мм (1,00± 0,01)-105 м-1 (0,86 ± 0,22)-105 м'1

0,001 мм (1,27 ± 0,07)-106 м'1 (1,17± 0,27)- 10б м'1

Авторы глубоко признательны сотрудникам Глазовского государственного педагогического института имени В. Г. Короленко за предоставление образцов голографических дифракционных решеток.

Литература

1. ДенисюкЮ. Н. Принципы голографии. Л.: ГОИ, 1978. 125 с.

2. Островский Ю. И. Голография и ее применение. Л.: Наука, 1973. 180 с.

3. Тарасов Л. В. Лазеры: действительность и надежды. Библиотечка «Квант». Выпуск 42. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. 176 с.

4. Голография [Электронный ресурс] :URL: http://www.holography.ru/physms.htm

5. Чолаков В. Нобелевские премии. Ученые и открытия. М.: Мир, 1986. 368 с.

6. Майер В. В. Учебный эксперимент с голографической дифракционной решеткой. Методическая разработка для студентов физико-математических факультетов пединститутов. Глазов: ГГПИ, 1990. 36 с.

7. Иванова М. С., Вейсман В. Л., Соловьёв В. Г. Лабораторный практикум по оптике. Псков: ПГПУ, 2009. 116 с. С. 44-46.

8. Вейсман В. Л., Хвоинский Н. В. Голограмма Фурье в курсе общей физики вуза // Физика в системе современного образования (ФССО-2007): Материалы IX Международной конференции. Т. 1. СПб.: РГПУ им. А.И. Герцена, 2007. С. 52-55.

9. Андреева О. В., Парамонов А. А., Андреева Н. В. Прикладная голография. Методические материалы к экспериментальному практикуму. СПб.: СПбГУИТМО, 2008. 150 с.

Об авторах

Луйк Ирина Николаевна — студентка 4 курса физико-математического факультета, Псковский государственный университет, Россия.

E-mail: luik.irina@yandex.ru

Полетаева Кристина Вадимовна — студентка 4 курса физико-математического факультета, Псковский государственный университет, Россия.

E-mail: kristina—poletaeva@yandex.ru

Соловьёв Владимир Гаевич — доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики, физико-математический факультет, Псковский государственный университет, Россия E-mail: solovyev_v55@mail.ru

I. Luik, К. Poletaeva, V. Solovyev

EXPERIMENTAL STUDY OF HOLOGRAPHY IN EDUCATIONAL SCHOOL AND UNIVERSITY PHYSICAL LABORATORIES

The article deals with the methods of teaching students and schoolchildren to work with modern optical devices - holographic diffraction gratings.

Key words: holography, diffraction grating, educational physical experiment.

About the authors

Irina Luik, fourth-year student, Faculty of Physics and Mathematics, Pskov State University, Russia

E-mail: 1 u i к. i ri na@ \andex. ru

Kristina Poletaeva, fourth-year student, Faculty of Physics and Mathematics, Pskov State University, Russia

E-mail: kristina--poletaeva@yandex.ru

Prof. Dr. Sci. Vladimir Solovyev, Head of the Department of Physics, Faculty of Physics and Mathematics, Pskov State University, Russia E-mail: solovyev_v55@mail.ru