شارح الدرس: التصوير الهولوجرافي الفيزياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف استخدام فروق طور موجات الضوء المترابط لإنتاج صور ثلاثية الأبعاد.

تُستخدَم كلمة «الهولوجرام» بشكل كبير خارج نطاق الفيزياء للإشارة إلى أي نوع من الصور المُسقَطة الثلاثية الأبعاد. وفي الفيزياء، يُعرَّف الهولوجرام بشكل أكثر تحديدًا بأنه صورة ناتجة عن التداخل بين موجات الضوء المترابطة. وفي الواقع، الهولوجرام في الفيزياء يعني الصورة المُسقَطة الثلاثية الأبعاد؛ ومن ثَم، فإن الفهم الشائع لما يعنيه الهولوجرام يتفق مع ما يعنيه في الفيزياء، بعيدًا عن كيفية إنتاج هذه الصور وعرضها.

يمكن مقارنة الصور الهولوجرافية بالصور الفوتوجرافية. يُوجَد اتجاهان أساسيان يمكن من خلالهما مقارنة الصور الفوتوجرافية والهولوجرافية؛ وهما: كيفية إنتاجهما، وكيفية عرضهما.

للتبسيط، لن نتناول الصور الملوَّنة، وسنتناول الصور الأحادية اللون فقط.

تُنتَج الصور الفوتوجرافية الأحادية اللون باستخدام لوح فوتوجرافي. واللوح الفوتوجرافي سطح مستوٍ يتغيَّر كيميائيًّا عند تعرُّضه لضوء مرئي.

لإنتاج صورة فوتوجرافية، يتطلَّب الأمر انبعاث ضوء مرئي من جسم ما. لكن ليس من الضروري أن يكون الضوء المنبعث من الجسم مترابطًا. يمر الضوء المنبعث من الجسم عبر عدسة تركِّز أشعة الضوء المنبعثة من الجسم لتكوِّن صورة حقيقة للجسم على اللوح. يُناظر الضوء المنبعث من نقطة معيَّنة على الجسم نقطة معيَّنة على الصورة، وهو ما يُسجَّل على اللوح. يُعرَف اللوح الآن بالفوتوجراف.

عند تسجيل الصورة، يُعالَج الفوتوجراف كيميائيًّا؛ بحيث لا يتفاعل مع الضوء. بعد ذلك، يمكننا رؤية الفوتوجراف ببساطة عن طريق عكس الضوء المنبعث من الفوتوجراف. مرةً أخرى، نؤكِّد أن هذا الضوء لا يلزم أن يكون مترابطًا.

يُسجِّل الفوتوجراف شدة الضوء عند كل نقطة في الصورة. ولكن هذه الشدة ليس لها أي علاقة بالمسافة بين أي نقطة على الجسم المُصوَّر والنقطة المناظرة لها على الصورة.

إن عدم وجود أي علاقة واضحة بين شدة الضوء عند نقطة على الصورة والمسافة إلى النقطة المناظرة لها على الجسم يعني أن الصورة ثنائية الأبعاد.

انظر الفوتوجراف الموضَّح في الشكل الآتي:

لا يمكن تحديد أيُّ الجسمين أكبر من خلال الفوتوجراف. يبدو أن المثلث يشغل مساحة أكبر في الصورة من تلك التي تشغلها الدائرة، ولكن قد يرجع ذلك لكون المثلث أقرب من الدائرة، وليس لكونه أكبر منها.

بالنسبة إلى الأجسام التي تبعُد عن العدسة مسافات مختلفة بشكل ملحوظ، لا تُنتِج العدسة إلا صورة واضحة لواحد فقط من هذه الأجسام. وهذا ما يوضِّحه الشكل الآتي:

إذا كان الجسمان يبعُدان مسافتين مختلفتين بشكل ملحوظ، فستبدو النسخة الأكثر واقعيةً من الفوتوجراف كما في الشكل الآتي:

من هذا الفوتوجراف، نرى أن الجسمين لا يبعُدان المسافة نفسها عن العدسة التي أنتجت الصورة، لكننا لن نتمكَّن من تحديد أيُّهما الأقرب وأيُّهما الأبعد. من الممكن أيضًا أن يكون للمثلث سطح غير منتظم، وتكون صورته مشوشة نتيجة هذا التركيب فحسب، وفي هذه الحالة قد يقع الجسمان فعلًا على مسافتين متساويتين من العدسة.

تختلف الصورة الهولوجرافية عن ذلك. تُسجَّل المسافات التي يقطعها الضوء من نقاط مختلفة على الجسم في الصورة الهولوجرافية. إن الضوء المنبعث من نقاط مختلفة على الجسم يقطع مسافات مختلفة إلى الراصد بناءً على الاتجاه الذي ينتقل فيه الضوء ليصل إلى الراصد؛ ولذا، تسمح الصورة الهولوجرافية للجسم برؤية صورة الجسم من اتجاهات مختلفة.

هيا نرَ الآن كيفية تسجيل الصورة الهولوجرافية.

يوضِّح الشكل الآتي التجهيزات المُستخدَمة لتسجيل صورة هولوجرافية لأسطوانة.

نلاحظ أن هذه التجهيزات تختلف عن تلك المُستخدَمة لتسجيل صورة فوتوجرافية من عدة أوجه كالآتي:

• يلزم وجود مصدر ضوء مترابط. وعادةً ما يكون ليزرًا.
• لا تُستخدَم عدسة محدَّبة.
• لا تتكوَّن صورة حقيقية.
• بعض موجات الضوء المستخدَمة لتكوين الصورة الهولوجرافية لا تسقط على الجسم.

هيا نتناول أولًا صورة هولوجرافية تستقبل الضوء من الجسم ومن مصدر الضوء مباشرةً. يُسمَّى الضوء الصادر من الجسم شعاع الجسم، ويُسمَّى الضوء الصادر من مصدر الضوء الشعاع المرجعي. يوضِّح الشكل الآتي ذلك:

يُوصَف الضوء الساقط على اللوح الهولوجرافي بأنه مكوَّن من مجموعة من الأشعة. وهذه الأشعة تكون مُفرَّقة. ويُسمَّى الفرق في المسافات التي تقطعها الموجات التي تتبع مسارات مختلفة بفرق مسارات الموجات.

من المفيد ملاحظة أن الشعاع القادم من مصدر الضوء إلى الجسم يُسمَّى شعاع الإضاءة. أما الشعاع القادم من المصدر إلى اللوح الهولوجرافي فيُسمَّى الشعاع المرجعي.

هيا نلقِ نظرةً الآن على مثال نتناول فيه أطوال مسارات الموجات المُستخدَمة في تسجيل صورة هولوجرافية.

مثال ١: المقارنة بين أطوال مسارات الأشعة المُستخدَمة في تسجيل صورة هولوجرافية.

يوضِّح الشكل جهازًا يُستخدَم في التصوير الهولوجرافي، يحتوي جسمًا أسطوانيًّا.

1. أيٌّ ممَّا يلي صواب بشأن طولَي مسارَي الشعاعين ABD وABC؟
   1. المساران لهما نفس الطول.
   2. ABC أطول من ABD.
   3. ABD أطول من ABC.
2. أيٌّ ممَّا يلي صواب بشأن طولَي مسارَي الشعاعين AbdD وAbcC؟
   1. AbdD أطول من AbcC.
   2. AbcC أطول من AbdD.
   3. المساران لهما نفس الطول.

الحل

الجزء الأول

المساران ABC وABD مساران يتبعهما شعاعان عند حافتين متقابلتين للشعاع المرجعي. يظل المساران متطابقين إلى أن يصلا مركز العدسة المفرِّقة. وبعد مرورهما بالعدسة المفرِّقة، ينحرف الشعاع الذي يصل إلى C والشعاع الذي يصل إلى D بزاويتين متساويتين؛ لأن كلًّا منهما يبعُد المسافة نفسها عن مركز العدسة عند وصوله إلى العدسة. هذا يوضِّح لنا أن المسارين ABC وABD لهما نفس الطول.

الجزء الثاني

المساران AbcC وAbdD مساران يتبعهما شعاعان عند حافتين متقابلتين لشعاع الجسم. وهذان المساران يظلان متطابقين أيضًا إلى أن يصلا مركز العدسة المفرِّقة. ولكن بعد مرورهما بالعدسة المفرِّقة، ينتقل الشعاع الذي يصل إلى d مسافة أكبر من الشعاع الذي يصل إلى c. ومن ثَمَّ، فإن الأشعة التي تنتقل من d إلى D تقطع مسافة أطول بين هاتين النقطتين عن تلك التي يقطعها الشعاع الآخر من c إلى C. نستنتج إذن أن AbdD أطول من AbcC.

إن مصدر الضوء المُستخدَم في كلا الشعاعين مصدر ضوء مترابط. وهذا يعني أن أيَّ موجتَي ضوء لهما طول المسار نفسه ويمران بعدد الانعكاسات نفسه يكون لهما الطور نفسه عند وصولهما إلى اللوح الهولوجرافي.

تنعكس موجتا الضوء في الشعاعين مرتين فيما بين انبعاثهما من مصدر الضوء وامتصاص اللوح الهولوجرافي لهما؛ لذا، فإن الفرق في طول المسار هو في الواقع ما يؤثِّر فقط على فرق الطور بين الموجتين عند وصولهما إلى اللوح الهولوجرافي.

هيا نُلقِ نظرةً الآن على مثال نتناول فيه فرق الطور بين الموجات المُستخدَمة في تسجيل صورة هولوجرافية.

مثال ٢: المقارنة بين أطوار الموجات الضوئية المُستخدَمة في تسجيل صورة هولوجرافية

يوضِّح الشكل جهازًا يُستخدَم في التصوير الهولوجرافي، يحتوي جسمًا أسطوانيًّا.

1. أيٌّ من الآتي صواب بالنسبة إلى فرق الطور بين موجات الضوء التي تتبع المسار ABC والموجات التي تتبع المسار ABD؟
   1. فرق الطور يساوي صفرًا.
   2. يُوجَد فرق طور بين الموجات لا يساوي صفرًا.
2. أيٌّ من الآتي صواب بالنسبة إلى فرق الطور بين موجات الضوء التي تتبع المسار AbcC والموجات التي تتبع المسار AbdD؟

الحل

الجزء الأول

طولا المسارين ABC وABD متساويان. الضوء الذي يتبع المسارين ضوء مترابط؛ ولذا، فإن موجات الضوء في نهايتَي المسارين يكون لهما الطور نفسه. إذن فرق الطور بين الموجات يساوي صفرًا.

الجزء الثاني

طولا المسارين AbcC وAbdD غير متساويين. ولكن هذا لا يعني بالضرورة وجود فرق طور بين الموجتين اللتين تتبعان هذين المسارين. يمكن أن يكون الفرق في المسار مساويًا لعدد صحيح من الأطوال الموجية للضوء الذي يتبع هذين المسارين. إذا كان فرق المسار يساوي ؛ حيث عدد صحيح، و هو الطول الموجي للضوء، فإن فرق الطور بين الموجتين يمكن أن يكون صفرًا. إذن، من الممكن أن يكون فرق الطور بين الموجات أي قيمة بين 0 و. بالإشارة إلى فرق الطور بالرمز ، يصبح لدينا:

تصل موجات الضوء إلى كل نقطة على اللوح الهولوجرافي من شعاع الجسم ومن الشعاع المرجعي. ويسجِّل اللوح الهولوجرافي فرق الطور بين الموجات من كل شعاع. ويعتمد فرق الطور عند نقطة على اللوح الهولوجرافي على المسافة التي تبعُدها النقطة عن النقطة المناظرة على الجسم.

كل نقطة على اللوح الهولوجرافي، بالإضافة إلى كونها تسجِّل شدة الضوء المنعكس عن الجسم الواصل إلى النقطة، فإنها تسجِّل أيضًا فرق الطور بين شعاع الجسم والشعاع المرجعي عند هذه النقطة. تتغيَّر مادة اللوح الهولوجرافي بفعل الضوء الذي يمتصه، مثل اللوح الفوتوجرافي. ولذلك يتغيَّر مظهر اللوح الهولوجرافي عندما يسجِّل صورة.

فروق الطور بين شعاع الجسم والشعاع المرجعي المسجَّلة عند النقاط على اللوح الهولوجرافي تناظر فروق المسافات بين الجسم المُصوَّر واللوح الهولوجرافي عند هذه النقاط.

من المهم أن نفهم أن الصورة الهولوجرافية لجسم حقيقي وليس لشكل هندسي مثالي بسيط تتأثَّر تأثُّرًا كبيرًا بعدم انتظام سطح هذا الجسم. توضِّح الأشكال المُستخدَمة في هذا الشارح انعكاسًا عن أسطح مستوية؛ أيْ انعكاسًا منتظمًا. أما الانعكاس من أسطح الأجسام الحقيقية فيكون انعكاسًا منتشرًا. ويوضِّح الشكل الآتي ذلك:

هذا يعني أن نقطتين متجاورتين للغاية على الجسم قد تعكسان الأشعة بزاويتين مختلفتين اختلافًا كبيرًا. يكون التمثيل الأكثر واقعيةً لشعاع الجسم أقرب إلى الشكل الآتي.

يمكننا أن نلاحظ أن الأشعة الصادرة من نقاط قريبة جدًّا من أعلى الجسم أو أسفله يمكن أن تنعكس إلى نقاط تغطي اللوح الهولوجرافي بأكمله. وينطبق الأمر نفسه على أي نقطة أخرى على الجسم، وليس فقط النقاط التي بالأعلى أو الأسفل. وتأثير ذلك هو أن كل نقطة على اللوح الهولوجرافي تستقبل بعض الضوء من كل نقطة على الجسم تقريبًا.

من المهم أن ندرك أنه على العكس من تكوين الصورة الفوتوجرافية، لا توضع أي عدسة مجمِّعة بين الجسم واللوح الهولوجرافي؛ ولذلك لا تُركَّز الأشعة المُشتَّتة.

إن تأثيرات فروق الطور والانعكاس المنتشر تعني أن اللوح الهولوجرافي لم يُسجِّل صورة لجسم يمكن عرضها باستخدام الضوء المنعكس العادي. فإذا عُرِضَ اللوح الهولوجرافي عن طريق عكس الضوء العادي عنه مثل التصوير الفوتوجرافي، فلن يظهر إلا نمط غير واضح من البقع المظلمة والمضيئة.

هيا نُلقِ نظرةً الآن على مثال نتناول فيه مظهر اللوح الهولوجرافي.

مثال ٣: وصف مظهر اللوح الهولوجرافي باستخدام ضوء أبيض غير مترابط

أيُّ شكل من الأشكال الآتية يماثل إلى حدٍّ كبير جزءًا من لوح هولوجرافي حُفِظَت عليه صورة قطة؟ الأشكال ليست بالضرورة لأجزاء متساوية المساحة من اللوح الهولوجرافي. تمثِّل الأشكال مقاطع من اللوح الهولوجرافي، وليس الصورة التي تتكوَّن على هذا المقطع من اللوح عن طريق تمرير شعاع ليزر خلال اللوح.

الحل

إن الضوء الساقط على لوح هولوجرافي لا يكوِّن صورة حقيقية للجسم. وإذا كان الجسم قطة، فلن تظهر صورة حقيقية لقطة على اللوح الهولوجرافي.

وإذا لم يتضمَّن اللوح الهولوجرافي صورة حقيقية لقطة، فلن يتضمَّن أيضًا عدة صور حقيقية لقطة. أيٌّ من هذه الخيارات يتضمَّن صورًا حقيقية لقطة هو خيار غير صحيح.

الخيار الوحيد الذي لا تُوجَد فيه صورة حقيقية لقطة هو الخيار الآتي:

يمثِّل هذا صورة مقربة لسطح اللوح الهولوجرافي. يوضِّح اللوح نمطًا من بقع مظلمة ومضيئة عند النظر إليه باستخدام ضوء أبيض غير مترابط.

لعرض الصورة الهولوجرافية التي سُجِّلت بطريقة تسمح بالتعرُّف على الصورة، يجب استخدام ضوء مترابط. لا بد أن يكون الضوء المترابط المُستخدَم له نفس الطول الموجي للضوء المُستخدَم في تسجيل الصورة الهولوجرافية.

يمكن إسقاط حزمة ضوء مترابط بالطول الموجي الصحيح على لوح هولوجرافي قد سجَّل صورة. وهذه الحزمة تتكوَّن من أشعة متوازية. تسقط هذه الأشعة على اللوح الهولوجرافي بنفس زاوية سقوط الشعاع المرجعي المُستخدَم عند تكوين الصورة على اللوح الهولوجرافي. يُشار إلى الحزمة المُستخدَمة لعرض الصورة الهولوجرافية باسم «شعاع العرض».

عند توجيه شعاع عرض إلى لوح هولوجرافي عليه صورة مسجَّلة، يحيد الضوء الساقط على كل نقطة من اللوح الهولوجرافي بواسطة اللوح الهولوجرافي نفسه. ويتداخل الضوء المحيَّد من نقاط مختلفة على اللوح الهولوجرافي. ويوضِّح الشكل الآتي ذلك:

تُنتِج موجات الضوء المتداخلة من اللوح الهولوجرافي صورة افتراضية للجسم على اللوح الهولوجرافي. وتمثِّل الصورة الناتجة المسافات بين النقاط على الجسم؛ ولذا، يراها الراصد ثلاثية الأبعاد.

تتميَّز الصورة المعروضة بخاصية أخرى مثيرة، وهي أنه إذا سقط شعاع العرض بزاوية مختلفة عن زاوية سقوط الشعاع المرجعي المستخدَم لتكوين الصورة على اللوح الهولوجرافي، فإن التداخل الناتج بين موجات الضوء في شعاع العرض يتغيَّر. تَنتج عن نمط التداخل المتغيِّر صورة متغيِّرة.

إن التغيُّر في الصورة المعروضة، والناتج عن تغيُّر زاوية سقوط شعاع العرض، يظهر على شكل تغيُّر في الزاوية التي يُرصَد منها الجسم بما يتوافق مع تغيُّر زاوية شعاع العرض، إلا أن الجسم نفسه يظل كما هو. يمثِّل الشكل الآتي ذلك:

هيا نُلقِ نظرةً الآن على مثال يتضمَّن صورة هولوجرافية معروضة.

مثال ٤: تحديد الصورة الهولوجرافية التي يراها الراصد

يوضِّح الشكل استخدام ليزر لتسجيل صورة هولوجرافية لجسم أسطواني، ثم عَرض الصورة المُسجَّلة على لوح هولوجرافي. أيُّ الصورتين الافتراضيتين يمكن للراصد رؤيتها عند الموضع الموضَّح؟

1. الصورة الافتراضية (ب)
2. الصورة الافتراضية (أ)
3. كلتا الصورتين الافتراضيتين في الوقت ذاته
4. ستظهر الصورتان الافتراضيتان بالتناوب
5. لن تُرصَد أي صورة افتراضية منهما

الحل

نلاحظ أن عين الراصد تقع عند موضع ليس على امتداد شعاع العرض المُستخدَم لعرض الصورة الهولوجرافية المسجَّلة. وهذا الفرق في الموضع بين الراصد وامتداد شعاع العرض له تأثير مكافئ لتغيير اتجاه شعاع العرض. وهذا يعني أن المشاهِد لن يرى صورة افتراضية مطابِقة للجسم المسجَّل. إذن لن يرى الراصد الصورة الافتراضية (أ).

إذا لم يرَ الراصد الصورة الافتراضية (أ) وحدها، فلن يراها مع صورة أخرى في الوقت ذاته ولا بالتناوب، إذن يمكن استبعاد الخيارين اللذين يتضمَّنان عرض الصورتين الافتراضيتين.

يمكن أن يصل الضوء المار خلال اللوح الهولوجرافي إلى عين الراصد؛ لذا، ليس صحيحًا أنه لن يرى أي صورة افتراضية.

الخيار الصحيح هو أنه سيرى الصورة الافتراضية (ب). الصورة الافتراضية (ب) هي صورة للجسم المسجَّل الذي رُصِد من موضع مختلف. يُناظِر التغيُّرُ في الموضع الذي رُصِد منه الجسمُ التغيُّرَ في موضع عين الراصد.

تَنتج إحدى الخواص المثيرة للتصوير الهولوجرافي عن الانعكاس المنتشر للضوء الصادر من الجسم. لعلنا نتذكَّر أن الضوء الصادر من نقاط متجاورة للغاية على الجسم في التصوير الهولوجرافي يسقط على نقاط في أي مكان تقريبًا على اللوح الهولوجرافي. وهذا يعني أن كل نقطة على اللوح الهولوجرافي يمكن أن تستقبل ضوءًا من الجسم بأكمله تقريبًا.

إذا كُسِر اللوح الهولوجرافي إلى قطع، فإن كل قطعة ستكون مكوَّنة من عدة نقاط قد استقبل كلٌّ منها ضوءًا من الجسم بأكمله تقريبًا.

هيا نُلقِ نظرةً الآن على مثال يتضمَّن صورة معروضة بواسطة أجزاء من لوح هولوجرافي.

هيا نلخِّص الآن ما تعلَّمناه في هذا الشارح.