Новіков Максим Глібович - Про голографію

Голографія (від грец. holos - весь, повний і «графія» (від грец. grapho - пишу, креслю, малюю)), метод отримання об'ємного зображення об'єкта, заснований на інтерференції хвиль. Цей метод справді повний (фіксується вся інформація про світловий фронт, відбитий об'єкт).

У цій статті я дам загальне уявлення про фізичну сутність голографії. Після прочитання цієї статті ви будете повністю готові до сприйняття мого наступного матеріалу, присвяченого багатоцільовим голографічним дискам HVD — оптичним дискам, що приходять на зміну CD, DVD та BR(HD)-DVD.

Відмінність голограми від фотографії

Чому ми бачимо фотографію плоскою, а голограму – об'ємною?

Спочатку визначимо, як ми відчуваємо обсяг. Кожна точка предмета відбиває світло на всі боки, тому ми можемо бачити її і весь предмет з різних боків. Ліве око бачить предмет із лівішого ракурсу, а праве — з правішого. Два зображення з різних ракурсів від кожного ока обробляються мозком і він дає нам відчуття обсягу предмета. Закрийте одне око, і ви побачите предмет плоским; тепер про обсяг предметів можна здогадатися лише за вторинними ознаками - падаючим тіням і тому, як ми фокусуємо кришталик ока на ту чи іншу відстань.

Тепер подумаємо, як предмет виявляється на фотографії. На фотоплівку за допомогою лінзи фокусується світловий фронт, що розсіюється предметом (кожною його точкою). Зауважу, що так само кришталик ока фокусує світловий фронт, що розсіюється, на очне дно. Після фокусування розсіяний світловий фронт перетворюється на спрямований. Тобто світлові промені, що йдуть від кожної точки предмета на всі боки, тепер йдуть тільки в одному напрямку — кожен на свою точку фотоплівки. На фотоплівці з'являється світловиймалюнок, у якому дізнаємося зображення предмета. Малюнок фіксується фоточутливим шаром плівки, і тепер його можна спроектувати на фотопапір та зафіксувати на ньому. Кожне око, що дивиться на фотографію отримає ту саму картинку, і мозок нам видасть, що предмет плоский.

Чому ж голограма дає нам відчуття обсягу? Тому що вона повністю моделює падаючий на неї при записі світловий фронт, що розсіюється предметом. Кожна точка голограми запам'ятовує всі промені, що потрапляють на неї, розсіюються всіма точками предмета (а не тільки сфокусовані, як при звичайній фотозйомці), які потім і відтворюються нею. При певному підсвічуванні голограми рахунок явища дифракції відновлюється весь світловий фронт, що йшов від предмета і вже нічим від нього не відрізняється. А раз світлові фронти тепер збігаються, то кожне око знову бачить зображення з різних ракурсів.

Запис голограми

Зрозуміло, просто так записати несфокусоване зображення неможливо - поставлений перед предметом фотоматеріал рівномірно засвітиться, бо фотошар реагує лише на усереднену інтенсивність світлових хвиль (яскравість). Однак самі хвилі й названі хвилями, тому що вони за своєю природою неоднорідні (хвиля має амплітуду своєї інтенсивності, а точніше, оскільки світло - це електромагнітна хвиля - амплітуди напруженості її електричного і магнітного поля). Частота цих амплітуд якраз і характеризує колір світла, які величина — його яскравість.

Ось цю неоднорідність хвиль якраз і можна використовувати для запису несфокусованого світлового фронту. Як це зробити? Неоднорідність світла проявляється у явищі інтерференції, тобто підсумовування амплітуд хвиль, що перетинаються. Це породжує інше явище - т.зв. «стоячі» хвилі,яке допоможе нам просто «заморозити» світловий фронт на якийсь час, достатній для його запису на фотоматеріал.

Щоб відтворити вищезгадані явища, і «заморозити» світловий фронт, що йде від предмета, світло, що висвітлює, має задовольняти трьом основним умовам:

Бути певною довжиною хвилі, тобто кожен випромінюючий атом джерела світла повинен випромінювати хвилю однакової довжини (зауважу, що довжина хвилі дає оку відчуття кольору). У звичайному світлі намішані всі довжини хвиль світлового діапазону.
Бути узгоджений по фазі, тобто кожен випромінюючий атом джерела світла повинен випромінювати хвилю одночасно з іншими, а не різнобій. У звичайному світлі навіть одного кольору, зсув фаз хвиль, що випромінюються різними атомами джерела світла, різний.
Бути поляризованим, тобто кожен випромінюючий атом джерела світла повинен випромінювати однаково орієнтовані у просторі поля хвилі. Будь-яка електромагнітна хвиля (в т.ч. і світлова) має електричне та магнітне поле. Напруженість електричного поля хвилі коливається перпендикулярно до напряму її поширення, а напруженість магнітного поля — перпендикулярна і до напряму розповсюдження, і коливання напруженості електричного поля. Тільки однаково орієнтовані напруженості хвиль можуть складати свої електромагнітні поля, а значить інтерферувати. У звичному світлі орієнтація полів хвиль, випромінюваних різними атомами джерела світла, різна.

Таке абсолютно «правильне» світло випромінюється тільки оптичними квантовими генераторами (лазерами), які застосовуються в голографії.

Ті ж вимоги висуваються і опорному світлу, що безпосередньо падає на фотопластину. Більш того, обидва промені світла повинні мати однакову довжину хвилі та однакову поляризацію. Простішевсього дотриматися цієї умови, розділивши один промінь лазера на два напівпрозорим дзеркалом.

Отже, як створити «стоячі» хвилі, щоб записати їх на фотоматеріал? Як я вже говорив вище, дві хвилі «правильного» світла, перетинаючи, складають свої амплітуди, якщо збігаються по фазі, або взаємознищуються, якщо не збігаються. Якщо обидві хвилі однієї довжини, то збігатися і складати свої амплітуди вони будуть завжди в тих самих місцях простору. Оскільки цей процес відбуватиметься дуже швидко, мерехтіння не буде помітно оку, і тому ми побачимо ділянки підвищеної інтенсивності електромагнітного поля, що нерухомо стоять у просторі («стоячі» хвилі). При розміщенні пластини фотоматеріалу в місце перетину цих хвиль, на ній будуть засвічені області з подвійною при інтерференції амплітудою, і не засвічені області, де амплітуди взаємознищилися.

Оскільки хвилі проходять рівномірні відстані від джерел до фотоматеріалу, то їх одноразовий зліпок на його поверхні буде рівномірними смужками (а при розгляді в обсязі — площиною). Смуги утворюються за рахунок того, що одне з джерел розташоване до фотоматеріалу під деяким кутом, і кожен сусідній його промінчик проходитиме трохи більший шлях, і торкатися фотоматеріалу при трохи іншому стані своєї фази. Через певну кількість промінців фаза знову повториться, і т.д. В результаті максимуми фаз хвилі від основного джерела застають максимуми фаз кутового хвилі джерела на поверхні фотоматеріалу через певні проміжки.

Тепер розглянемо власне процес отримання та запису стоячих хвиль стосовно зйомки предмета. Висвітлюємо предмет лазером. Відбиті від кожної точки предмета і розсіяні цими точками хвилі досягають різних точок.фотоматеріал з різними зрушеннями фази, оскільки проходять різну відстань. Беремо ще одне (опорне) джерело світла тієї ж довжини хвилі, і направляємо його безпосередньо на фотоматеріал трохи збоку. На фотоматеріалі з'являється складна система стоячих хвиль, що повністю характеризує освітлений предмет.

Відтворення голограми

Для зчитування голограми її потрібно висвітлити опорним променем тієї ж довжини хвилі та під тим самим кутом, що й при записі. Світло, проходячи крізь неоднорідність голограми, дифрагує та розсіює той самий світловий фронт, який падав на неї під час запису. Голограма, власне, є дифракційною решіткою, а явище відхилення світла за його проході через отвори називається дифракцією.

До речі, явище дифракції світла остаточно не зрозуміло. Зараз існує багато різних теорій, бо офіційна наука не дає чіткого опису фізики цього процесу. Існує лише математичне його опис, що дозволяє розраховувати дифракцію від використання їх у техніці.

Історична довідка

1913 При дослідженні відображення рентгенівських променів до ідеї відновлення зображення підходив Е. Хупка

1938 Німецький оптик Г. Берш у своїй статті «До утворення зображення в мікроскопі» вказав, як можна отримати за допомогою мікроскопа зображення грат, не поміщаючи останні на предметний столик мікроскопа. Це можна здійснити, створивши в задній фокальній площині мікроскопа об'єктива розподіл світлового потоку, відповідне дифракційної картині, отриманої за допомогою решітки.

1939 У статті «Новий тип рентгенівського мікроскопа» У.Л. Бреггом сформульована ідея візуалізації кристалічних ґрат за допомогою процесу дифракції на дифракційній картині, отриманої в рентгенівських променях.

1947рік Голографічний метод реєстрації та відтворення об'єктів був запропонований Д. Габором, як один з методів корпускулярної (електронної) оптики, що виникла в ході дослідження шляхів удосконалення електронної мікроскопії, і був випробуваний в оптичному діапазоні. Загальна ідея методу голографії в електронній мікроскопії як двоступінчастого процесу, "у якому предмет реєструється за допомогою пучка електронів, а відновлюється за допомогою світлового пучка", виникла як модифікація ідеї У.Л. Брегга.

1962 Ю.Н. Денисюк чітко сформулював принцип оптичної голографії, узагальнюючи метод Д. Габора. Він створив голограму, записану не так на поверхні фотоматеріалу, як в Габора, а його обсягу, що виявило нові корисні властивості голограм.

1962 Лейт і Упаніекс представили свій метод лазерної голографії. Після цього метод голографії почав швидко розвиватись. Були розроблені голограми, що дозволяють відновлювати зображення у білому світлі; активно ведуться дослідження щодо застосування голографії для обробки даних.

1963 Дослідник Pieter J. van Heerden (Ван Хеєрден) з компанії Polaroid Research Laboratories в Кембриджі, штат Массачусетс, першим запропонував ідею голографічної пам'яті. Десятиліттям пізніше дослідники з RCA Laboratories демонстрували технологію запису 500 голограм на невеликому кристалі. Успіх дешевої напівпровідникової пам'яті на деякий час спричинив припинення робіт у цьому напрямку.

1969 рік. Стівен Бентон з Polaroid Research Laboratories (США) виготовив пропускну голограму, видиму у звичайному білому світлі. Голограми, винайдені Бентоном, було названо райдужними, оскільки вони переливаються всіма кольорами веселки, у тому числі складається біле світло. Відкриття Бентонадозволило розпочати масове виробництво недорогих голограм шляхом "штампування" інтерференційних картин на пластик. Голограми саме такого типу застосовуються сьогодні для захисту від підробок документів, банківських карток тощо. Завдяки Бентону голографія набула популярності в широких верствах суспільства.

Середина 70-х років розпочато розробку систем голографічного кінематографа.

2000 Заснована компанія Inphase Technologies, орієнтована на розробку голографічної пам'яті.

Голографія - напрямок в оптичній фізиці, в основі якого лежать спеціальні методи запису та відновлення повної інформації про світлові хвилі. p align="justify"> При записі використовується метод, заснований на явищі інтерференції, а при відновленні - метод на основі явища дифракції.

Голограма — це зліпок оптичної інформації, що містить як яскравісну (амплітуда хвилі), а й об'ємну (зрушення фази хвилі) інформацію, тобто практично всю оптичну інформацію, що виходить від предмета. Таким чином, записана голограма дозволяє відтворити абсолютно точну копію хвилі, розсіяної об'єктом. Інформація про фазу хвилі за допомогою опорного променя світла вбудовується в її амплітуду, і в результаті на фотопластині фаза хвилі відображається в геометрії інтерференційних смуг, а амплітуда - в їхній яскравості. Фактично голограма є дифракційною решіткою, при освітленні якої повністю відновлюється світловий фронт, що йшов від предмета, що записується.

Об'ємна голограма - голограма, збережена не на площині, а в певному об'ємному фоточутливому середовищі. Така голограма отримує можливість містити безліч різних зображень і показувати кожне з них за певного вугілля підсвічування. Крім цього у об'ємної голограми є багато інших кориснихвластивостей.

Інтерференція - складання двох або більше хвиль однакової частоти, при якому амплітуда результуючої хвилі залежить від різниці фаз вихідних хвиль у цій точці простору. Для спостереження інтерференції світло від одного джерела потрібно розділити на два промені (наприклад, напівпрозорим дзеркалом), щоб мати два джерела з однаковими довжинами хвиль, а потім під кутом накласти їх один на одного. При поділі променів амплітуда їх хвиль зменшується, поділяючись між ними, а при накладенні збільшується в місцях перетину хвиль. Таким чином, якщо ми поставимо в місці перетину хвиль екран, побачимо на ньому чергування світлих і темних областей.

Дифракція - процес поширення хвиль, що йде з відхиленням від законів геометричної оптики. Зокрема, це явище огинання хвилями перешкод. Кут обгинання пропорційний довжині хвилі. Найбільш помітно обгинання проявляється в умовах, коли розмір перешкоди можна порівняти з довжиною хвилі.