-
Вступ
- 1 Фізичні принципи
- 2 Джерела світла
- 3 Історія голографії
- 4 Схема запису Лейта-Упатнієкс
- 5 Схема запису Денисюка
- 6 Регистрирующие середовища
- 6.1 галогенсеребряний фотоматеріали
- 6.2 Фотохромниє кристали
- 6.2.1 KCl
- 6.3 Сегнетоелектричних кристали
- 6.4 Голографические фотополімерні матеріали
література
Голографія (грец. Ὅλος - повний + γραφή - пишу) - набір технологій для точного запису, відтворення і переформування хвильових полів.
Даний метод був запропонований в 1947 році [1] Деннісом Габором, він же ввів термін голограма [2] і отримав «за винахід і розвиток голографічного принципу» Нобелівську премію з фізики в 1971 році [3].
Дві голограми, зроблені Воробйовим С. П. за методом Денисюка, відновлені світлом галогенової лампи
1. Фізичні принципи
Коли в деякій області простору складаються дещо електромагнітних хвиль, частоти яких з дуже високим ступенем точності збігаються, виникає інтерференція. Коли записують голограму, в певній області простору складають дві хвилі: одна з них йде безпосередньо від джерела (опорна хвиля), а інша відбивається від об'єкта записи (об'єктна хвиля). У цій же області розміщують фотопластинку (або інший реєструючий матеріал), в результаті на цій платівці виникає складна картина смуг потемніння, які відповідають розподілу електромагнітної енергії (картині інтерференції) в цій області простору. Якщо тепер цю платівку висвітлити хвилею, близькою до опорної, то вона перетворює цю хвилю в хвилю, близьку до об'єктної. Таким чином, ми будемо бачити (з тим чи іншим ступенем точності) такий же світло, який відбивався б від об'єкта записи.
2. Джерела світла
Голограма є записом інтерференційної картини, тому важливо, щоб довжини хвиль (частоти) об'єктного і опорного променів з максимальною точністю збігалися один з одним, і різниця їх фаз не змінювалася протягом усього часу запису (інакше на платівки не запишеться чіткої картини інтерференції). Тому джерела світла повинні випускати електромагнітне випромінювання з дуже стабільною довжиною хвилі в достатній для запису часовому діапазоні.
Вкрай зручним джерелом світла є лазер. До винаходу лазерів голографія практично не розвивалася (замість лазера використовували дуже вузькі лінії в спектрі випускання газорозрядних ламп, що дуже ускладнює експеримент). На сьогоднішній день голографія пред'являє одні з найжорсткіших вимог до когерентності лазерів.
Найчастіше когерентність прийнято характеризувати довжиною когерентності - тієї різниці оптичних шляхів двох хвиль, при якій контраст інтерференційної картини зменшується в два рази в порівнянні з інтерференційної картиною, яку дають хвилі, що пройшли від джерела однакову відстань. Для різних лазерів довжина когерентності може становити від часток міліметра (потужні лазери, призначені для зварювання, різання та інших застосувань, невимогливих до цього параметру) до сотень і більше метрів (спеціальні, так звані одночастотні лазери).
3. Історія голографії
Перша голограма була отримана в 1947 році (задовго до винаходу лазерів) Деннісом Габором в ході експериментів по підвищенню роздільної здатності електронного мікроскопа. Він же придумав саме слово «голографія», яким він підкреслив повний запис оптичних властивостей об'єкта. На жаль, його голограми відрізнялися низькою якістю. Отримати якісну голограму без когерентного джерела світла неможливо.
Після створення в 1960 році червоних рубінового (довжина хвилі 694 нм, працює в імпульсному режимі) і гелій-неонового (довжина хвилі 633 нм, працює безперервно) лазерів, голографія почала інтенсивно розвиватися.
У 1962 році була створена класична схема запису голограм Емметта Лейта і Юріса Упатнієкс з Мічиганського Технологічного Інституту (голограми Лейта-Упатнієкс) [4]. в якій записуються пропускають голограми (при відновленні голограми світло пропускають через фотопластинку, хоча на практиці деяка частина світла від неї відбивається і також створює зображення, видиме з протилежного боку).
У 1967 році рубіновим лазером був записаний перший голографічний портрет.
В результаті тривалої роботи в 1968 році Юрій Миколайович Денисюк отримав високоякісні (до цього часу відсутність необхідних фотоматеріалів заважало отриманню високої якості) голограми, які відновлювали зображення, відображаючи білий світ. Для цього їм була розроблена своя власна схема запису голограм. Ця схема називається схемою Денисюка, а отримані з її допомогою голограми називаються голограмами Денисюка.
У 1977 році Ллойд Крос створив так звану мультиплексную голограму. Вона принципово відрізняється від усіх інших 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 паралакса (тобто не можна подивитися на об'єкт зверху і знизу), але зате розміри записуваного об'єкта не обмежені довжиною когерентності лазера (яка рідко перевищує кілька метрів, а найчастіше становить всього кілька десятків сантиметрів) і розмірами фотопластинки. Мало того, можна створити мультиплексную голограму об'єкта, якого зовсім не існує! Наприклад, намалювавши вигаданий об'єкт з безлічі різних ракурсів. Мультиплексна голографія перевершує за якістю всі інші способи створення об'ємних зображень на основі окремих ракурсів (наприклад, лінзові растри), проте вона все одно далека від традиційних методів голографії по реалістичності.
4. Схема запису Лейта-Упатнієкс
У цій схемі записи [5] промінь лазера ділиться спеціальним пристроєм, делителем (в 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 реєструє середу (наприклад, фотопластинку). Обидві хвилі (об'єктна і опорна) падають на платівку з одного боку. При такій схемі записи формується пропускає голограма, що вимагає для свого відновлення джерела світла з тією ж довжиною хвилі, на якій проводився запис, в ідеалі - лазера.
5. Схема запису Денисюка
У 1962 р радянський фізик Юрій Миколайович Денисюк запропонував перспективний метод голографії із записом в тривимірному середовищі. [6] У цій схемі промінь лазера розширюється лінзою і направляється дзеркалом на фотопластинку. Частина променя, що пройшла через неї, висвітлює об'єкт. Відбитий від об'єкта світло формує об'єктну хвилю. Як видно, об'єктна і опорна хвилі падають на платівку з різних сторін (т. Н. Схема на зустрічних пучках). У цій схемі записується відображає голограма, яка самостійно вирізає з суцільного спектра вузьку ділянку (ділянки) і відображає тільки його (таким чином виконуючи роль світлофільтра). Завдяки цьому зображення голограми видно в звичайному білому світлі сонця або лампи (див. Ілюстрацію на початку статті). Спочатку голограма вирізає 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 і синім лазерами , отримавши в підсумку одну кольорову голограму, яку практично неможливо відрізнити від самого об'єкта.
Ця схема відрізняється простотою і в разі застосування напівпровідникового лазера (має вкрай малі розміри і дає розходиться пучок без застосування лінз) зводиться до одного лише лазеру і деякої основи, на якій закріплюється лазер, платівка і об'єкт. Саме такі схеми застосовуються при запису аматорських голограм.
6. Регистрирующие середовища
Голографія вкрай вимоглива до роздільної здатності фотоматеріалів. Відстань між двома максимумами інтерференційної картини того ж порядку, що і довжина хвилі лазера, а остання найчастіше становить 632,8 нм для гелій-неонового лазера, 532 нм для неодимового лазера на другій гармоніці, 514 нм і 488 нм для даній операції. Таким чином, це величина порядку 0.0005 мм. Щоб отримати чітке зображення картини інтерференції, потрібні були реєструють середовища з роздільною здатністю до 6000 ліній на міліметр (при записі за схемою на зустрічних пучках з кутом сходження променів 180 °).
Реєструють середовища поділяються на плоскі (двовимірні) і об'ємні (тривимірні або товсті). Для класифікації використовується параметр, який іноді в літературі називають критерій Клейна:
де λ - довжина хвилі; d - товщина шару; n - середній коефіцієнт заломлення шару; Λ - відстань між інтерференційними площинами.
Об'ємними (товстими) голограмами вважаються такі, у яких Q> 10. І навпаки, голограма вважається тонкою (плоскої), коли Q <1.
6.1. галогенсеребряний фотоматеріали
Основним фотоматеріалом для запису голограм є спеціальні фотопластинки на основі традиційного броміду срібла. За рахунок спеціальних присадок і спеціального механізму прояви вдалося досягти роздільної здатності більше 5000 ліній на міліметр, однак за це доводиться платити вкрай низькою чутливістю пластинки і вузьким спектральним діапазоном (точно підібраним під випромінювання лазера). Чутливість пластинок настільки низька, що їх можна виставити на кілька секунд під пряме сонячне світло без ризику засвічення.
Крім того, іноді застосовуються фотопластинки на основі біхромірованной желатин, які володіють ще більшою роздільною здатністю, дозволяють записувати дуже яскраві голограми (до 90% падаючого світла перетворюється в зображення), проте вони ще менш чутливі, причому вони чутливі тільки в області коротких хвиль (синій і, в меншій мірі, зелений ділянки спектра).
У Росії велике промислове (крім деякої кількості дрібних) виробництво фотопластинок для голографії здійснює російська «Компанія Славич».
Деякі схеми записи дозволяють писати і на пластинках з меншою роздільною здатністю, навіть на звичайних фотоплівках з дозволом близько 100 ліній на міліметр, однак ці схеми мають масу обмежень і не забезпечують високої якості зображення.
6.2. фотохромниє кристали
Поряд з фотографічними дрібнозернистими галогенсеребряний середовищами, застосовуються так звані фотохромні середовища, які змінюють спектр поглинання під дією записуючого світла.
6.2.1. KCl
Одними з найефективніших серед фотохромних кристалів є лужно-галоїдні кристали, з яких найкращі результати були отримані на адитивно забарвлених кристалах хлориду калію (KCl). Голограми, записані на таких кристалах, досягають 40% відносної дифракційної ефективності при теоретично можливої в даному середовищі 60%. При цьому голограми в даному матеріалі вельми товсті (товщиною до декількох міліметрів, і можуть в принципі досягати одиниць сантиметрів). Голографічний запис в адитивно забарвлених кристалах KCl базується на фототермічна F-X перетворенні центрів забарвлення, тобто фактичної коалесценции одиночних аніонних вакансій в більші кластерні утворення розміром десятки нанометрів. При цьому голографічний запис в таких кристалах реверсивна (оборотна) і дуже стійка за часом [7].
Також можлива голографічний запис за допомогою легування кристалів відповідної домішкою. Можливо використовувати для цієї мети ефект компенсаційного впливу введених в АТ KCl катіонних (іони Са ++) і аніонних (іони ОН -) домішок на процес фототермічна перетворення F-центрів. Показано, що просвітлення при цьому в максимумі смуги поглинання F-центрів досягає 90% і не супроводжується утворенням центрів, які обумовлюють поглинання у видимій області спектра. Розроблено механізм такого впливу, заснований на фотохімічних реакціях, кінцеві продукти яких поглинають в УФ-діапазоні. Обґрунтовано, що ключову роль в даному явищі грають бівакансіі і комплекси Са ++ (ОН -) 2 - катіонна вакансія. На основі отриманих результатів розроблена нова фотохромними система для формування голограм, заснована на ефекті компенсації впливу катіонних і аніонних домішок [8].
6.3. Сегнетоелектричних кристали
При голографічного запису, як реєструючого середовища, так само широко використовуються сегнетоелектрічеськие кристали. В основному це ніобат літію - LiNbO3. Явище зміни показника заломлення під дією світла викликано електрооптичнихвластивостям ефектом. При запису голограм сегнетоелектрічеськие кристали володіють тими ж перевагами, що і фотохромні матеріали. Крім того, після безлічі циклів «запис - стирання» не спостерігається ефекту втоми. Оскільки одержувані голограми є фазовими, їх дифракционная ефективність може бути на порядок вище, ніж у голограм на фотохромних матеріалах.
Однак, ці кристали володіють недоліками властивими фотохромним матеріалами. Основною проблемою в даному випадку є нестабільність голограми, яка не фіксується на відміну від звичайних фотошарів. Інша складність полягає в низькій величині голографічного чутливості. [9]
6.4. Голографічні фотополімерні матеріали
В останні роки інтенсивно розробляються реєструють середовища на базі голографічних фотополімерних матеріалів, що представляють собою багатокомпонентну суміш органічних речовин, нанесену у вигляді аморфної плівки товщиною 10-150 мкм на скляну або плівкову підкладку. Фотополімерні плівки менш дорогі ніж кристали ниобата літію, менш громіздкі і мають по суті велику величину зміни коефіцієнта заломлення, що призводить до більших значень дифракційної ефективності та більшої яскравості голограми. Однак, з іншого боку ніобат літію, через його товщини, здатний зберігати великі обсяги інформації, ніж фотополімерні плівки товщини яких обмежені.
Оскільки фотополімери не володіють зернистим будовою, то роздільна здатність такого матеріалу достатня для надщільного запису інформації. Чутливість фотополімера порівнянна з чутливістю фотохромних кристалів. Записані голограми є фазовими, що дозволяє отримувати високу дифракційну ефективність. Такі матеріали дозволяють зберігати інформацію тривалий час, стійкі до впливу температур, а також відрізняються поліпшеними оптичними характеристиками. [10]