Голографія

Голографія(від грецької,Όλος—holos— повний +γραφή—graphe— запис) — технології для записи, відтворення та переформування хвильових полів. Метод був запропонований у 1948 р. Деннісом Габором, він же ввів термін голограма [1] і отримав «за винахід та розвиток голографічного принципу» Нобелівську премію з фізики у 1971 р. [2]

Найбільшого поширення набули технічні методи оптичної голографії у видимій області.

Зміст

Історія голографії [ред.]

Перша голограма була отримана в 1947 (задовго до винаходу лазерів) Деннісом Габором в ході експериментів з підвищення роздільної здатності електронного мікроскопа. Він же вигадав саме слово "голографія", яким він підкреслив повний запис оптичних властивостей об'єкта. На жаль, його голограми вирізнялися низькою якістю. Отримати якісну голограму без джерела когерентного світла неможливо.

Після створення в 1960 році червоних рубінових (довжина хвилі 694 нм, працює в імпульсному режимі) і гелій-неонових (довжина хвилі 633 нм, працює безперервно) лазерів, голографія почала інтенсивно розвиватися.

У 1962 році була створена класична схема запису голограм Емметта Лейта та Юріса Упатнієкса з Мічиганського Технологічного Інституту (голограми Лейта-Упатнієкса) [3] , в якій записуються пропускаючі голограми (при відновленні голограми світло пропускають через фотопластинку, хоча на практиці відбивається і створює зображення, видиме з протилежного боку).

1967 року рубіновим лазером було записано перший голографічний портрет.

Внаслідок тривалої роботи у 1968 році Юрій Миколайович Денисюк отримав високоякісні (до цьогочасу відсутність необхідних фотоматеріалів заважало отриманню високої якості) голограми, які відновлювали зображення, відбиваючи біле світло. Для цього їм було розроблено свою власну схему запису голограм. Ця схема називається схемою Денисюка, а отримані за її допомогою голограми називаються голограмами Денисюка.

У 1977 році Ллойд Крос створив так звану мультиплексну голограму. Вона принципово відрізняється від решти голограм тим, що складається з безлічі (від десятків до сотень) окремих плоских ракурсів, видимих під різними кутами. Така голограма, природно, не містить повну інформацію про об'єкт, крім того, вона, як правило, не має вертикального паралаксу (тобто не можна подивитися на об'єкт зверху і знизу), зате розміри об'єкта, що записується, не обмежені довжиною когерентності лазера (яка рідко перевищує кілька метрів, а найчастіше становить лише кілька десятків сантиметрів) та розмірами фотопластинки. Мало того, можна створити мультиплексну голограму об'єкта, якого не існує! Наприклад, намалювавши вигаданий об'єкт із безлічі різних ракурсів. Мультиплексна голографія перевершує за якістю решту способів створення об'ємних зображень на основі окремих ракурсів (наприклад, лінзові растри), проте вона все одно далека від традиційних методів голографії за реалістичністю.

Фізичні принципи голографії [ред.]

При додаванні в деякій області простору декількох електромагнітних хвиль, що мають близькі частоти, виникає електромагнітна хвиля, що стоїть. Для запису голограм у певній області простору складають дві хвилі: одна з них йде безпосередньо від джерела (опорна хвиля), а інша відбивається від об'єкта запису (об'єктна хвиля). В областістоячої електромагнітної хвилі розміщують фотопластинку (або інший реєструючий матеріал), в результаті на цій платівці виникає складна картина, що складається зі смуг потемніння, що відповідають розподілу електромагнітної енергії (інтерференційної картини) у цій галузі простору. Якщо тепер цю пластинку опромінювати світлом із частотою коливань близькою до частоти опорного пучка, вона перетворює цю хвилю на хвилю, близьку до об'єктної. Таким чином, ми будемо бачити (з тим чи іншим ступенем точності) такий самий потік світла, який відбивався б від об'єкта запису.

Способи отримання голограм [ред.]

Схема запису Лейта-Упатнієкса [ред.]

У цій схемі запису [4] промінь лазера ділиться спеціальним пристроєм, дільником (у найпростішому випадку в ролі дільника може виступати будь-який шматок скла) на два. Після цього промені за допомогою лінз розширюються і за допомогою дзеркал направляються на об'єкт і середовище, що реєструє (наприклад, фотопластинку). Обидві хвилі (об'єктна та опорна) падають на платівку з одного боку. При такій схемі запису формується пропускає голограма, що вимагає для свого відновлення джерела світла з тією ж довжиною хвилі, на якій проводився запис, в ідеалі лазера.

Схема запису Денисюка [ред.]

1962 р. український фізик Юрій Миколайович Денисюк запропонував перспективний метод голографії із записом у тривимірному середовищі. [5] У цій схемі промінь лазера розширюється лінзою і дзеркалом прямує на фотопластинку. Частина променя, що пройшла через неї, висвітлює об'єкт. Відбите від об'єкта світло формує об'єктну хвилю. Як видно, об'єктна та опорна хвилі падають на платівку з різних сторін (т.зв. схема на зустрічних пучках). У цій схемі записується відбиваюча голограма, якасамостійно вирізує із суцільного спектра вузьку ділянку (ділянки) і відображає тільки її (тобто виконуючи роль світлофільтру). Завдяки цьому зображення голограми видно у звичайному білому світлі сонця або лампи (див. ілюстрацію на початку статті). Спочатку голограма вирізує ту довжину хвилі, на якій її записували (проте в процесі обробки і при зберіганні голограми емульсія може змінювати свою товщину, при цьому змінюється і довжина хвилі), що дозволяє записати на одну платівку три голограми одного об'єкта червоним, зеленим та синім лазерами , Отримавши в результаті одну кольорову голограму, яку практично неможливо відрізнити від самого об'єкта.

Ця схема відрізняється граничною простотою і в разі застосування напівпровідникового лазера (що має вкрай малі розміри і пучок, що дає розбіжний пучок без застосування лінз) зводиться до одного лише лазеру і деякої основи, на якій закріплюється лазер, пластинка і об'єкт. Саме такі схеми застосовуються під час запису аматорських голограм.

Реєструючі середовища [ред.]

Голографія вкрай вимоглива до роздільної здатності фотоматеріалів. Відстань між двома максимумами інтерференційної картини того ж порядку, що й довжина хвилі лазера, остання найчастіше становить 632,8 нм (гелій-неоновий лазер), 532 нм (неодимовий лазер на другій гармоніці), 514 нм та 488 нм (гелій-аргоновий) лазер). Таким чином, це розмір порядку 0.0005 мм. Щоб отримати чітке зображення картини інтерференції, були потрібні реєструючі середовища з роздільною здатністю до 6000 ліній на міліметр (при записі за схемою на зустрічних пучках з кутом сходження променів 180 °). Реєструючі середовища поділяються на плоскі (двовимірні) та об'ємні (тривимірні або товсті). Для класифікації використовується параметр, який іноді влітературі називають критерій Клейна:

де n - Середній коефіцієнт заломлення шару; d - Товщина шару; λ - Довжина хвилі; Λ – відстань між інтерференційними площинами. Об'ємними (товстими) голограмами вважаються такі, у яких Q & gt; 10. І навпаки, голограма вважається тонкою (плоскою), коли Q Галогенсрібні фотоматеріали [ред.

Основним фотоматеріалом для запису голограм є спеціальні фотопластинки на основі традиційного срібла броміду. За рахунок спеціальних присадок та спеціального механізму прояву вдалося досягти роздільної здатності понад 5000 ліній на міліметр, проте за це доводиться платити вкрай низькою чутливістю платівки та вузьким спектральним діапазоном (точно підібраним під випромінювання лазера). Чутливість платівок настільки низька, що їх можна виставити на кілька секунд під пряме сонячне світло без ризику засвічення.

Крім того, іноді застосовуються фотопластинки на основі біхромованого желатину, які мають ще більшу роздільну здатність, дозволяють записувати дуже яскраві голограми (до 90% падаючого світла перетворюється на зображення), проте вони ще менш чутливі, причому вони чутливі тільки в області коротких хвиль (синій і, меншою мірою, зелені ділянки спектра).

На даний момент у світі існує лише одне промислове (крім деякої кількості дрібних) виробництво фотопластинок для голографії – українська «Компанія Славич».

Деякі схеми запису дозволяють писати і на пластинках з меншою роздільною здатністю, навіть на звичайних фотоплівках з роздільною здатністю близько 100 ліній на міліметр, проте ці схеми мають масу обмежень і не забезпечують високої якості зображення.

Фотохромні кристали [ред.]

Поряд зочевидними матеріалами - фотографічними дрібнозернистими галогенсрібними середовищами застосовуються так звані фотохромні середовища: що змінюють спектр поглинання під дією світла, що записує. Одними з найефективніших серед них є лужногалоїдні кристали, з яких найкращі результати були отримані на адитивно пофарбованих кристалах калію хлориду (KCl). Голограми, записані на таких кристалах, досягають 40% відносної дифракційної ефективності при теоретично можливій у цьому середовищі 60%. При цьому голограми в даному матеріалі суттєво об'ємні з товщиною до декількох міліметрів, і можуть досягати в принципі одиниць сантиметрів. Голографічний запис в адитивно забарвлених кристалах KCl базується на фототермічному перетворенні F-центрів на Х-центри, тобто фактичної коалесценції одиночних аніонних вакансій у великі кластерні утворення нанометрового розміру. При цьому голографічний запис у таких кристалах реверсивний і дуже стійкий за часом [6] .

Джерела світла

При записі голограми дуже важливо, щоб довжини (частоти) об'єктної та опорної хвиль з максимальною точністю збігалися один з одним і не змінювалися протягом усього часу запису (інакше на платівці не запишеться чіткої картини інтерференції). Цього можна досягти тільки при виконанні двох умов:

обидві хвилі спочатку випущені одним джерелом
це джерело випромінює електромагнітне випромінювання з дуже стабільною довжиною хвилі (когерентне випромінювання)

Вкрай зручним джерелом світла, що добре задовольняє другу умову, є лазер. До винаходу лазерів голографія практично не розвивалася (замість лазера використовували дуже вузькі лінії у спектрі випромінювання газорозрядних ламп, щосильно ускладнює експеримент). На сьогоднішній день голографія висуває одні з найжорсткіших вимог до когерентності лазерів.

Найчастіше когерентність прийнято характеризувати довжиною когерентності - тієї різниці оптичних шляхів двох хвиль, коли він контраст інтерференційної картини зменшується вдвічі проти інтерференційної картиною, яку дають хвилі, що від джерела однакову відстань. Для різних лазерів довжина когерентності може становити від часток міліметра (потужні лазери, призначені для зварювання, різання та інших застосувань, які не вимагають цього параметра) до десятків метрів (спеціальні, так звані одночастотні, лазери для вимогливих до когерентності застосувань).