Światło w teorii Maxwella
Podstawowe zjawiska fizyczne mające zastosowanie w holografii to interferencja i dyfrakcja światła. Przez interferencję rozumiemy nakładanie się fal, a przez dyfrakcję (ugięcie fali) odchylenie od prostoliniowości rozchodzenia się fal zachodzące np. na krawędziach szczelin mniejszych niż długość użytej fali. Oba te ściśle zjawiska są zwišzane z falową naturę światła. Interferencja w holografii gra rolę przy zapisie przedmiotu w hologramie, a ugięcie się fal jest ważne przy odczycie obrazu.
Falową naturę światła opisał James Clerk Maxwell (ur. 13 czerwca 1831 w Edynburgu, zm. 5 listopada 1879 w Cambridge) ? szkocki fizyk i matematyk. Autor wielu wybitnych prac z zakresu elektrodynamiki, kinetycznej teorii gazów, optyki i teorii barw. Maxwell dokonał unifikacji oddziaływań elektrycznych i magnetycznych, to znaczy udowodnił, że elektryczno?ć i magnetyzm sš dwoma rodzajami tego samego zjawiska ? elektromagnetyzmu. Wprowadzone przez niego w 1861 roku równania Maxwella (przedstawione na rysunka 1, i 2a, 2b) pokazały, że pole elektryczne i magnetyczne podróżują w próżni z prędkością światła w postaci fali (złożonej z wektora magnetycznego i elektrycznego oznaczonych na rysunku E i H, wektory sš usytuowane do siebie pod kontem prostym). Światło według usystematyzowanej teorii Maxwella to ruch fal elektromagnetychnych, którego własności wykorzystuje się w holografii. Używany często zakres fal elektromagnetycznych obejmuje światło widzialne z zakres nie większego niż 0,4 x 10-6 m do 0,75 x 10-6 m. Światło widzialne nie jest całym spektrum fal elektromagnetycznych używanych w holografii. Istnieją tkaże fale o długości uzupełnijące ten zakres od góry i od dołu. Z racji tego, że zakresy tego promieniowania elektromagnetycznego nie wywołują wrażenia na zmysł wzroku człowieka, i że sąsiadują z zakresem widzialnym, określa się je jako światło niewidzialne (nadfiolet - górna część, czyli wyższe częstotliwości, i podczerwień - dolna część, czyli niższe częstotliwości, dłuższa fala) zwiększające zakres teoretycznie od około 10 x 10-9 m do 10-3 m.
Elektrodynamika klasyczna, w szczególności powstałe w 1864 r. tzw. równania Maxwella, opisują związki pomiędzy natężeniami pola elektrycznego, magnetycznego i ładunkiem elektrycznym. Istnieje kilka równoważnych sformułowań równaj Maxwella, najczęściej stosowane są formy różniczkowa i całkowa. W artykule użyta została postać różniczkowa.
Gdzie: E - wektor natężenia pola elektrycznego, H - wektor natężenia pola magnetycznego, J - wektor gęstości prądu elektrycznego, D - wektor indukcji elektrycznej, B - wektor indukcji magnetycznej. Przy czym wektory H i E są różniczkowane względem czasu. Poszczególne wektory można rozpisać na składowe x, y, z uzyskując wzory właściwe dla układu kartezjańskiego. Dodatkowo uwzględniając symbole rotacji i dyweregencji powyższe wyrażenia uzyskują postać.
Ze wzorów (1a) i (1b) wynika, że zmiany w czasie pola elektrycznego i ruchu ładunków elektrycznych J powodują powstanie wirowego pola magnetycznego (rot H) oraz na odwrót - zmiany w czasie pola magnetycznego powodują powstanie wiru pola elektrycznego (rot E).
Równania (1c) i (1d) mówią o istnieniu źródeł ładunków elektrycznych i nie istnieniu źródeł pola magnetycznego. (1e), (1f) i (1g) wyrażają zachowanie się materii pod wpływem pola elektromagnetycznego i noszą one nazwę równań materialnych.
Z równań Maxwella wynika również, że w wolnej przestrzeni fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, to znaczy wektory E i H są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Wektory te tworzą przy tym ze sobą kąt prosty i pozostają w zgodnej fazie. Kierunek niesionej przez falę elektromagnetyczną energii jest określony przez wektor Poyntinga P, zdefiniowany jako iloczyn wektorowy natężeń pola elektrycznego i magnetycznego: P = E x H. Jest on miarą energii elektromagnetycznej przenikającej w czasie jednostkowym (1 s) przez prostopadle do niego ustawioną powierzchnię jednostkową (1 m2). Jednostką jest wat na metr kwadrat.
Rysunek fali elektro-magnetycznej
Poza amplitudą i fazą głównymi parametrami fali świetlnej są: jej długość, częstotliwość drgań v i prędkość. Częstotliwość jest wielkością stałą, zdeterminowaną przez źródło promieniowania, natomiast prędkość i długość fali zależą od ośrodka, w którym światło się rozchodzi. Innym parametrem, z którym mamy do czynienia podczas rozmów o świetle jest współczynnik załamania ośrodka materialnego. Zależy on od długości fali świetlnej. Jeśli ośrodek jest przezroczysty, to zależność ta ma przebieg funkcji monotonicznie opadającej, tzn. wraz ze wzrostem długości fali współczynnik załamania n maleje.