Голография. Схемы записи голограмм. Радужная голограмма Бентона

Рисунок 7. Схема Денисюка

В этой схеме луч лазера расширяется линзойи направляетсязеркаломнафотопластинку. Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну. Как видно, объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон (т. н. схема на встречных пучках). В этой схеме записывается отражающая голограмма, которая самостоятельно вырезает из сплошного спектра узкий участок (участки) и отражает только его (т.о. выполняя роль светофильтра).

Благодаря этому изображение голограммы видно в обычном белом свете солнцаили лампы. Изначально голограмма вырезает ту длину волны, на которой её записывали (однако в процессе обработки и при хранении голограммыэмульсияможет менять свою толщину, при этом меняется и длина волны), что позволяет записать на одну пластинку три голограммы одного объектакрасным,зелёнымисинимлазерами, получив в итоге одну цветную голограмму, которую практически невозможно отличить от самого объекта.

Эта схема отличается предельной простотой и в случае применения полупроводникового лазера(имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применениялинз) сводится к одному лишь лазеру и некоторой основы, на которой закрепляется лазер, пластинка и объект. Именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

1. Пропускающая голограмма и.Лейта и ю.Упатниекса

В 1962 г. И. Лейти Ю. Упатниексполучили первыепропускающие голограммы объемных объектов, выполненные с помощью лазера. Схема, предложенная ими, используется в изобразительной голографии повсеместно.

Пучок когерентного излучения лазера направляется на полупрозрачное зеркало, с помощью которого получают два пучка – предметный иопорный . Опорный пучок направляют непосредственно на фотопластинку. Предметный пучок освещает объект, голограмму которого регистрируют. Отраженный от объекта световой пучок - объектный попадает на фотопластинку. В плоскости пластинки два пучка - объектный и опорный образуют сложную интерференционную картину, которая вследствие когерентности двух пучков света остается неизменной во времени и представляет собой изображение стоячей волны.

Рисунок 8. Запись пропускающей голограммы

При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале - лазера.

Интересно, что изображение, восстановленное с голограммы можно было записать на другую голограмму, при этом изменив не только его положение относительно фотопластины (например, можно вынести объект перед голограммой), но и сам тип голограммы.

Схема Лейта и Упатниекса своим названием подчеркивает исторический приоритет авторов в применении внеосевого расположения интерферирующих пучков. В настоящее время при регистрации голограмм используют внеосевые схемы с самым различным расположением интерферирующих пучков.

1. Радужная голограмма Бентона

Метод Бентона включает два последовательных этапа записи 2- х голограмм по схеме Лейта и Упатниекса. Сначала записывается обычная голограмма, например, по схеме, приведенной на рис.9.

Рисунок 9. Схема голограммы Лейта и Упатниекса

При этом объект располагают от голограммы на расстоянии наилучшего зрения 25 – 30 см. Затем с этой первичной голограммы восстанавливают действительное псевдоскопическое объемное голографическое изображение. Для этого используют восстанавливающий пучок лазерного света, сопряженный опорному пучку (рис.10,а). При этом голограмму прикрывают вертикальной узкой и длинной щелью так, что восстановление действительного изображения происходит только с узкой вертикальной полоски на голограмме. В область действительного изображения помещают фоточувствительный слой и для записи второй голограммы направляют опорный пучок, когерентный световому пучку, восстанавливающему действительное изображение с первой голограммы. Таким образом записывается основная радужная голограмма.

Если теперь полученную голограмму осветить пучком белого света, сопряженным опорному, то одновременно с ортоскопическим изображением объекта будет восстанавливаться и изображение полоски- щели, прикрывавшей первичную голограмму. Изображение щели в разных цветах в силу зависимости угла дифракции от длины волны λ будут занимать разное пространственное положение и поэтому в этой области наблюдается цветная полоса с чередованием всех цветов радуги. (рис. 10,б).

Рисунок 10. Оптические схемы записи радужной голограммы (а) и восстановление с нее в белом свете разноцветных изображение (б)

Зрачок глаза наблюдателя, помещенный в эту область, выделит из всего спектра одну цветовую составляющую, в свете которой и будет наблюдатель воспринимать восстановленное голографическое изображение. Каждое изображение щели выполняет роль окна наблюдения восстановленного голографического изображения в соответствующем цвете. Перемещение глаз наблюдателя по радужной полосе, или наклон голограммы будет сопровождаться изменением цвета воспринимаемого изображения. При смещении головы наблюдателя в пределах одной цветовой полоски, как и для обычной голограммы, наблюдается параллакс восстановленного объемного голографического изображения.

На радужной голограмме можно получить и цветное изображение, если на этапе записи использовать лазеры с красным, синим и зеленым светом. При восстановлении с таких голограмм изображений в белом свете первоначальное распределение цвета по изображению наблюдается только при одном направлении взгляда на голограмму. В других вертикальных положениях головы наблюдателя непрерывно изменяются все цвета восстановленного изображения. При этом возникают весьма необычные цветовые соотношения и цветовая гамма восстановленного изображения оказывается более разнообразной, чем объекта- оригинала.

Радужные голограммы тиражируются механическим путем посредством перенесения рельефа на специальный носитель. Но разработка дизайна, а также сам процесс тиснения и финишной отделки, требующие специальных знаний и навыков, высоких технологий, дорогостоящего оборудования, современных материалов для тиражирования, не позволяют производить высококачественные радужные голограммы в кустарных условиях.

Наиболее распространенным и широко применяемым способом регистрации изображения предметов является фотография. В фотографии регистрируется распределение интенсивности световых волн в двумерной проекции изображения объекта на плоскости фотоснимка.

Поэтому, под каким углом мы ни рассматривали бы фотографию, мы не видим новых ракурсов. Не можем увидеть также предметы, расположенные на заднем плане и скрытые впереди стоящими. Перспектива на фотографии видна лишь по изменению относительных размеров предметов и четкости их изображения.

Голография - одно из замечательных достижений современной науки и техники. Название происходит от греческих слов holos - полный и grapho - пишу, что означает полную запись изображения.

Голография принципиально отличается от обычной фотографии тем, что в светочувствительном материале происходит регистрация не только интенсивности, но и фазы световых волн, рассеянных объектом и несущих полную информацию о его трехмерной структуре. Как средство отображения реальной действительности, голограмма обладает уникальным свойством: в отличие от фотографии, создающей плоское изображение, голографическое изображение может воспроизводить точную трехмерную копию оригинального объекта. Современные голограммы наблюдают при освещении обычными источниками света, и полноценная объемность в комбинации с высокой точностью передачи фактуры поверхностей обеспечивает полный эффект присутствия.

Голография основывается на двух физических явлениях - дифракции и интереференции световых волн.

Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина, то есть, в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света. Для того, чтобы эта интерференционная картина была устойчивой в течение времени, необходимого для наблюдения, и ее можно было записать, эти две световых волны должны быть согласованы в пространстве и во времени. Такие согласованные волны называются когерентными.

Результирующая сложения двух когерентных волн будет всегда стоячей волной . То есть интерференционная картина будет устойчива во времени. Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм.

Обычные источники света не обладают достаточной степенью когерентности для использования в голографии. Поэтому решающее значение для ее развития имело изобретение в 1960 г. оптического квантового генератора или лазера - удивительного источника излучения, обладающего необходимой степенью когерентности и могущего излучать строго одну длину волны.

Деннис Габор, изучая проблему записи изображения, выдвинул замечательную идею. Сущность ее реализации заключается в следующем. Если пучок когерентного света разделить на два и осветить регистрируемый объект только одной частью пучка, направив вторую часть на фотографическую пластинку, то лучи, отраженные от объекта, будут интерферировать с лучами, попадающими непосредственно на пластину от источника света. Пучок света, падающий на пластину, назвали опорным , а пучок, отраженный или прошедший через объект, предметным. Учитывая, что эти пучки получены из одного источника излучения, можно быть уверенным в том, что они когерентны. Фотографическая запись картины интерференции предметной волны и опорной волны обладает свойством восстанавливать изображение объекта, если на такую запись снова направить опорную волну. Т.е. при освещении записанной на пластине картины опорным пучком восстановится изображение объекта, которое зрительно невозможно отличить от реального. Если смотреть через пластинку под разными углами, можно наблюдать изображение объекта в перспективе с разных сторон. Конечно, полученную таким чудесным способом фотопластинку нельзя назвать фотографией. Это - голограмма.

В 1962 г. И. Лейт и Ю. Упатниекс получили первые пропускающие голограммы объемных объектов, выполненные с помощью лазера. Пучок когерентного излучения лазера направляется на полупрозрачное зеркало, с помощью которого получают два пучка - предметный и опорный. Опорный пучок направляют непосредственно на фотопластинку. Предметный пучок освещает объект, голограмму которого регистрируют. Отраженный от объекта световой пучок - объектный попадает на фотопластинку. В плоскости пластинки два пучка - объектный и опорный образуют сложную интерференционную картину, которая вследствие когерентности двух пучков света остается неизменной во времени и представляет собой изображение стоячей волны. Остается только зарегистрировать ее обычным фотографическим путем Полученная интерференционная картина является кодированным изображением, описывающим объект таким, каким он виден из всех точек фотопластинки. В этом изображении сохранена информация как об амплитуде, так и о фазе отраженных от объекта волн.

Если голограмму записать в некоторой объемной среде, то полученная модель стоячей волны однозначно воспроизводит не только амплитуду и фазу, но и спектральный состав записанного на ней излучения. Это обстоятельство было положено в основу создания трехмерных (объемных) голограмм. В основу работы объемных голограмм положен дифракционный эффект Брэгга: в результате интерференции волн, распространяющихся в толстослойной эмульсии, образуются плоскости, засвеченные светом большей интенсивности.

После проявления голограммы на засвеченных плоскостях образуются слои почернения. В результате этого создаются так называемые брэгговские плоскости, которые обладают свойством частично отражать свет.

Т.е. в эмульсии создается трехмерная интерференционная картина.

Такая толстослойная голограмма обеспечивает эффективное восстановление объектной волны при условии, что угол паденияопорного пучка при записи и восстановлении останется неизменным. Не допускается также изменение длины волны света при восстановлении. Такая избирательность объемной пропускающей голограммы позволяет записать на пластинке до нескольких десятков изображений, изменяя угол падения опорного пучка соответственно при записи и восстановлении.

При восстановлении объемной голограммы, в отличие от плоских пропускающих голограмм, образуется только одно изображение вследствие отражения от голограммы восстанавливающего пучка только в одном направлении, определяемом углом Брэгга.

Отражательные объемные голограммы записываются по иной схеме. Идея создания данных голограмм принадлежит Ю.Н. Денисюку. Поэтому голограммы этого типа известны под именем их создателя.

Опорный и предметный световые пучки образуются с помощью делителя и посредством зеркала направляются на пластину с двух сторон. Предметная волна освещает фотографическую пластину со стороны эмульсионного слоя, опорный - со стороны стеклянной подложки. Плоскости Брэгга в таких условиях записи располагаются почти параллельно плоскости фотопластины. Таким образом, толщина фотослоя может быть сравнительно небольшой.

9.4. Элементы интегральных микросхем.

Начало формы

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА (ИС), микроэлектронная схема, сформированная на крошечной пластинке (кристаллике, или «чипе») полупроводникового материала, обычно кремния, которая используется для управления электрическим током и его усиления. Типичная ИС состоит из множества соединенных между собой микроэлектронных компонентов, таких, как транзисторы, резисторы, конденсаторы и диоды, изготовленные в поверхностном слое кристалла. Размеры кремниевых кристаллов лежат в пределах от примерно 1,31,3 мм до 1313 мм. Прогресс в области интегральных схем привел к разработке технологий больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). Эти технологии позволяют получать ИС, каждая из которых содержит многие тысячи схем: в одном чипе может насчитываться более 1 млн. компонентов.. Интегральные схемы обладают целым рядом преимуществ перед своими предшественниками – схемами, которые собирались из отдельных компонентов, монтируемых на шасси. ИС имеют меньшие размеры, более высокие быстродействие и надежность; они, кроме того, дешевле и в меньшей степени подвержены отказам, вызываемым воздействиями вибраций, влаги и старения. Миниатюризация электронных схем оказалась возможной благодаря особым свойствам полупроводников. Полупроводник – это материал, обладающий гораздо большей электропроводностью (проводимостью), чем такой диэлектрик, как стекло, но существенно меньшей, чем проводники, например, медь. В кристаллической решетке такого полупроводникового материала, как кремний, при комнатной температуре имеется слишком мало свободных электронов, чтобы обеспечить значительную проводимость. Поэтому чистые полупроводники обладают низкой проводимостью. Однако введение в кремний соответствующей примеси увеличивает его электрическую проводимость. Легирующие примеси вводят в кремний двумя методами. Для сильного легирования или в тех случаях, когда точное регулирование количества вводимой примеси необязательно, обычно пользуются методом диффузии. Диффузию фосфора или бора выполняют, как правило, в атмосфере легирующей примеси при температурах между 1000 и 1150 С в течение от получаса до нескольких часов. При ионной имплантации кремний бомбардируют высокоскоростными ионами легирующей примеси. Количество имплантируемой примеси можно регулировать с точностью до нескольких процентов; точность в ряде случаев важна, поскольку коэффициент усиления транзистора зависит от числа примесных атомов, имплантированных на 1 см 2 базы.

Которых с очень высокой степенью точности совпадают, возникает стоячая электромагнитная волна. Когда записывают голограмму, в определённой области пространства складывают две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В области стоячей электромагнитной волны размещают (или иной регистрирующий материал), в результате на этой пластинке возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине ) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует эту волну в волну, близкую к объектной. Таким образом мы будем видеть (с той или иной степенью точности) такой же свет, какой отражался бы от объекта записи.

Источники света

При записи голограммы крайне важно, чтобы длины (частоты) объектной и опорной волн с максимальной точностью совпадали друг с другом и не менялись в течение всего времени записи (иначе на пластинке не запишется чёткой картины ). Этого можно добиться только при выполнении двух условий:

1. обе волны изначально испущены одним источником
2. этот источник испускает волну с очень стабильной длиной ( излучение)

Единственным источником света, хорошо удовлетворяющим второму условию, является . До изобретения лазеров голография практически не развивалась. На сегодняшний день голография предъявляет одни из самых жестких требований к когерентности лазеров.

Чаще всего когерентность принято характеризовать длиной когерентности - той разности оптических путей двух волн, при которой чёткость картины интерференции падает в два раза по сравнению с картиной интерференции, которую дают волны, прошедшие от источника одинаковое расстояние. Для различных лазеров длина когерентности может составлять от нескольких миллиметров (мощные лазеры, предназначенные для сварки, резки и других применений, не требовательных к этому параметру) до десятков метров (специальные, так называемые одночастотные, лазеры для требовательных к когерентности применений).

История голографии

Первая голограмма была получена в году (задолго до изобретения лазеров) в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности . Он же придумал само слово "голография", которым он подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно.

Схема записи Лейта-Упатниекса

В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством, делителем (в простейшем случае в роли делителя может выступать любой кусок стекла), на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и пластинку. Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника, испускающего свет в очень малом диапазоне длин волн (монохромного излучения), в идеале - .

Схема записи Денисюка

В этой схеме луч лазера расширяется и направляется на . Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну. Как видно, объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон. В этой схеме записывается отражающая голограмма, которая самостоятельно вырезает из сплошного спектра узкий участок (участки) и отражает только его. Благодаря этому изображение голограммы видно в обычном белом свете или лампы (см. картинку в начале статьи). Изначально голограмма вырезает ту длину волны, которой её записывали (однако в процессе обработки и при хранении голограммы может менять свою толщину, при этом меняется и длина волны), что позволяет записать на одну пластинку три голограммы одного объекта , и лазерами, получив в итоге одну цветную голограмму, которую практически невозможно отличить от самого объекта.

Эта схема отличается предельной простотой и в случае применения (имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применения ) сводится к одному лишь лазеру и некоторой основы, на которой закрепляется лазер, пластинка и объект. Именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

Фотоматериалы

Голография крайне требовательна к разрешающей способности фотоматериалов. Расстояние между двумя максимумами картины того же порядка, что и длина волны лазера, последняя чаще всего составляет 633 (гелий-неоновый) или 532 ( лазер на второй гармонике) нанометра. Таким образом, это величина порядка 0.0005 мм. Чтобы получить чёткое изображение картины интерференции, потребовались фотопластинки с от 3000 (Лейт-Упатниекс) до 5000 (Денисюк) линий на миллиметр.

Основным фотоматериалом для записи голограмм являются специальные фотопластинки на основе традиционного бромида серебра. За счёт специальных присадок и специального механизма проявления удалось достичь разрешающей способности более 5000 линий на миллиметр, однако за это приходится платить крайне низкой чувствительностью пластинки и узким спектральным диапазоном (точно подобранным под излучение лазера). Чувствительность пластинок настолько низкая, что их можно выставить на несколько секунд под прямой солнечный свет без риска засветки.

Кроме того, иногда применяются фотопластинки на основе бихромированного желатина, которые обладают ещё большей разрешающей способностью, позволяют записывать очень яркие голограммы (до 90% падающего света преобразуется в изображение), однако они ещё менее чувствительны, причём они чувствительны только в области коротких волн (синий и, в меньшей степени, зелёный участки спектра).

На данный момент в мире существует только одно промышленное (кроме некоторого количества мелких) производство фотопластинок для голографии - российская «Компания Славич».

Некоторые схемы записи позволяют писать и на пластинках с меньшей разрешающей способностью, даже на обычных фотоплёнках с разрешением порядка 100 линий на миллиметр, однако эти схемы имеют массу ограничений и не обеспечивают высокого качества изображения.

Любительская голография

Как уже было написано выше, схема Денисюка, при применении лазерного диода в качестве источника когерентного света, оказывается предельно простой, что позволило записывать такие голограммы в домашних условиях без использования специального оборудования.

Для записи голограммы достаточно создать некий каркас, на котором будут неподвижно установлены лазер, фотопластинка (как правило, ПФГ-03М) и объект записи. Единственное серьёзное требование, накладываемое на конструкцию, - минимальные вибрации. Установку следует установить на виброгасящие опоры, за несколько минут до и во время экспозиции нельзя прикасаться к установке (обычно экспозицию отмеряют открывая и закрывая луч лазера экраном, механически не связанным с установкой, в простейшем случае его можно просто держать в руке).

В любительской голографии используются дешевые и доступные полупроводниковые лазеры:

1. лазерные указки
2. лазерные модули
3. отдельные лазерные диоды

Лазерные указки являются самым простым в использовании и доступным источником когерентного света. Их можно, за небольшие деньги, купить практически везде. После откручивания или отпиливания линзы, фокусирующей луч, указка начинает светить подобно фонарику (за исключением того, что её пятно вытянуто в одном из направлений), позволяя осветить фотопластинку и сцену, расположенную за ней. Необходимо только зафиксировать каким-либо образом (например, бельевой прищепкой) кнопку во включённом состоянии. К недостаткам указок стоит отнести их непредсказуемое качество и необходимость постоянно покупать новые батарейки.

Более совершенным источником является лазерный модуль, у которого опять таки нужно выкрутить или отпилить фокусирующую линзу. В отличии от указки, модуль питается не от батареек внутри него, а от внешнего источника, которым может служить стабилизированный блок питания на 3В. Такой блок питания, как и сам лазерный модуль, как правило, продаётся в магазинах радиодеталей за относительно небольшие деньги. Отсутствие садящихся батареек способствует стабильности работы. Как правило, лазерные модули сделаны качественнее указок, но их когерентность так же не предсказуема.

Наконец, лазерные отдельные диоды являются самыми сложными в эксплуатации источниками света. В отличие от модулей и указок, они не имеют встроенного блока питания, по этому вам придётся его собрать или купить (последнее очень дорого). Дело в том, что лазерные диоды, как правило, используют совсем не стандартное напряжение питания, например 1.8В, 2.7В и т.п. Кроме того, для них важнее не напряжение питания, а ток. Простейший блок питания состоит из миллиамперметра, переменного резистора и стандартного стабилизированного блока питания на 3-5В. Кроме того, лазерный диод не способен самостоятельно себя охлаждать, его необходимо установить на радиатор. Тепловая мощность диодов, применяемых для любительской голографии, не превышает сотен милливатт, по этому ему достаточно минимального по размерам радиатора, однако чем больше радиатор, тем стабильнее температура, а от стабильности температуры напрямую зависит когерентность.

Как уже писалось выше, когерентность указок и модулей совершенно непредсказуема, т.к. этот параметр для их обычного применения не важен. Вполне возможно, что вам придётся купить несколько модулей/указок, прежде чем вы натолкнётесь на экземпляр с высокой когерентностью. Понять, что когерентность недостаточна можно по записанной голограмме: если на ней есть характерные полосы, которые двигаются при её вращении, значит лазер генерирует несколько длин волн и его когерентность низка.

В случае лазерных диодов ситуация заметно лучше. Во-первых, если диод показал плохой спектр излучения (т.е. низкую когерентность) в своём нормальном режиме работы, то, несколько понизив или повысив ток через него, можно попытаться получить хороший спектр. Во-вторых, некоторые диоды выпускаются производителем с учётом требований высокой когерентности. Это лазеры с одной продольной модой (Single longitudinal mode) или одночастотные лазеры. Их длинна когерентности значительно превышает метр, что многократно превосходит потребности любительской голографии. При этом цена таких лазеров начинается от нескольких десятков долларов, что вполне по силам большинству любителей. В частности, такие лазерные диоды выпускаются фирмой Opnext совместно с Hitachi.

Самое большое распространение в самых различных применениях получили красные полупроводниковые лазеры с длинной волны 650нм. Эти же лазеры получили наибольшее распространение в любительской голографии. Они отличаются низкой ценой, достаточно высокой мощностью и чувствительность глаза (и фотопластинок ПФГ-03М, применяемых для записи голограмм Денисюка) к этой длине волны достаточно высока. Меньшее распространение в голографии поручили лазеры с длинами волн 655-665нм. Чувствительность фотопластинки (и глаза) к этому диапазону заметно (примерно в 2 раза) меньше, чем к 650нм, но такие лазеры имеют многократно бо́льшую мощность при близкой цене. Ещё меньшее распространение получили лазеры 635нм. Их спектр предельно близок к спектру красного He-Ne лазера (633нм), под который заточены фотопластинки, что обеспечивает максимальную чувствительность (чувствительность глаза так же значительно, в два раза, выше, чем к 650нм). Однако эти лазеры имеют высокую цену, низкий КПД и редко обладают высокой мощностью. Кроме того, поляризация этих лазеров перпендикулярна поляризации лазеров с бо́льшей длинной волны, однако это нельзя отнести ни к преимуществам, ни к недостаткам, это нужно просто принять к сведению при установке лазера, чтобы обеспечить минимальное отражение света от стекла фотопластинки.

Ссылки

• Голография - Виртуальная Галерея - крупнейший в СНГ сайт, посвященный голографии

Голография – метод записи и последующего восстановления пространственной структуры световых волн, основанный на явлениях интерференции и дифракции когерентных пучков света.

Фото-пластика, на которой записана эта информация, называется голограммой .

На голограмме регистрируется не оптическое изображение объекта, а интерференционная картина, возникающая при наложении световой волны, рассеянной объектом (предметной волны), и когерентной с ней опорной (или референтной) волны.

Основные области применения голографии:

Запись и хранение информации в т.ч. и визуальной (оптическая голографическая память);

Оптическая обработка информации и система распознавания объектов;

Голографическая интерферометрия.

Построить схему, рассмотреть процесс записи голограммы.

В этом процессе на фотоматериале (например, фотопленке) записывается и фиксируется сложная интерференционная картина, которая создается наложением (взаимодействием) двух световых волн - базовой (опорной) монохроматической волны и вторичной волны, отраженной или рассеянной объектом. Запись голограммы происходит по схеме, представленной на рис.1.

Монохроматический когерентный лазерный луч расширяется коллиматором и далее делится расщепителем на два луча. Один (опорный) луч отражается от зеркала и направляется непосредственно на фотопленку. Другой (объектный) луч направляется соответствующим зеркалом на объект, отражается от него и воспринимается (регистрируется) фотопленкой. Именно этот (отраженный, рассеянный) луч несет разнообразную изобразительную информацию об объемных (трехмерных) параметрах и характеристиках (размерах, поверхности, контуре, неровностях, прозрачности) объекта. Такой луч по существу создает объемный образ объекта, который человек может видеть и наблюдать непосредственно (естественным зрением).

Световые волны опорного и рассеянного объектного лучей создают на поверхности фотопленки интерференционную картину, состоящую из множества пятен, форма и интенсивность которых зависят от амплитуды и фазы падающих и взаимодействующих световых волн. Фотопленка экспонируется и затем проявляется по стандартным рецептам. Полученная (проявленная) пленка является голограммой, сохраняющей интерференционную картину регистрируемого объекта. Голограмма имеет вид туманного негатива, на котором детали объекта явно не просматриваются.

Построить схему, рассмотреть процесс восстановления (воспроизведения) голограммы.

Восстановление объемного изображения объекта по его голограмме (проявленной фотопленке) осуществляется по схеме, представленной на рис.2.

Голограмма освещается одним опорным лучом, причем сохраняются исходные условия, прежняя относительная ориентация опорного луча и фотопленки. При соблюдении указанных условий лазерного освещения голограммы из-за дифракции света возникают два изображения. Следует учитывать, что ранее, в процессе начального образования голограммы объекта, возникла определенная дифракционная картина с тесно расположенными интерференционными полосами, точный вид которых определяется трехмерной структурой объекта. При повторном освещении этой дифракционной картины по схеме (рис.2) дифрагированный свет будет иметь параметры и характеристики, заданные исходным объектом голографической съемки.

Одно из двух изображений, полученных при воспроизведении голограммы, является мнимым (рис.2), поскольку для его наблюдения требуется линза. Однако для этого достаточна естественная линза человеческого глаза и наблюдатель может видеть мнимое (но неискаженное и трехмерное) изображение объекта, рассматривая его непосредственно через голограмму.

Второе (действительное, реальное) изображение формируется в другом направлении лазерного луча, проходящего через голограмму. Это изображение можно проецировать на экран и наблюдать без промежуточной линзы. Часть воспроизводящего луча проходит через голограмму без дифракции, не изменяя направления. Заметной практической ценности этот недифрагированный луч не представляет.

Рассмотренные схемы записи (рис.1) и воспроизведения (рис.2) голограммы, предложенные Э.Лейтом и Дж.Упатниексом, относятся к разряду оптимальных (технически совершенных). В этих схемах используется внеосевая геометрия, в которой опорный и объектный лучи падают на фотопленку под углом друг к другу. Поэтому при воспроизведении голограммы реальное и мнимое изображения оказываются по разные стороны опорного луча, что существенно облегчает раздельное наблюдение изображений.

Схема регистрации голограмм Габора

В этом положении (положении 1 на рис. 1.1) главные лучи объектного и опорного пучков распространяются по одному направлению. Полученные таким образом голограммы называются осевыми голограммами или голограммами Габора. При их записи разность хода объектной и опорной волн в пределах поверхности пластинки минимальна по сравнению со всеми другими возможными положениями, что позволяет использовать её для формирования голографического поля источники излучения с низкой степенью когерентности. Относительно большое расстояние между соседними поверхностями максимумов снижает требования к разрешающей способности регистрирующей среды.

Рис. 1.3

Принципиальная схема записи голограмм Габора представлена на рис. 1.3.1. Здесь S -источник когерентного излучения, Т - транспарант с изображением объекта, Н - голограмма. В соответствии с приведенной схемой общую комплексную амплитуду U света, падающего на светочувствительную среду, в плоскости регистрации голограммы можно представить в виде суммы комплексной амплитуды недифрагировавшей на структуре объекта фоновой или опорной волны R и комплексной амплитуды волны, дифрагировавшей на объекте - О

U = R +О, (1.3.2)

Отсюда интенсивность излучения I в плоскости регистрации голограммы может быть описана следующим образом:

При линейной обработке голограммы и ее восстановлении опорной волной с комплексной амплитудой R амплитуда поля в плоскости голограммы, непосредственно за ней - А, может быть описана с точностью до коэффициента пропорциональности следующим образом:

Если амплитуда опорной волны одинакова по всей плоскости голограммы, то первый член правой части выражения (1.3.4.) описывает волновой фронт, комплексная амплитуда которого пропорциональна амплитуде исходной волны U в выражении (1.3.2) .

Оптическая схема записи голограмм Лейта-Упатниекса

Интерференция наблюдается при сложении двух волн, когда при условии их когерентности, т.е. постоянной разности фаз этих волн, возникает характерное пространственное распределение интенсивности света - интерференционная картина. Фотопластинка-детектор регистрирует это в виде чередующихся светлых и темных полос, или интерферограммы.

Для определения остаточных напряжений применялась и обычная интерферометрия, но эту работу можно было провести только в хорошо оборудованной лаборатории: требовалась специальная подготовка поверхности исследуемого объекта, придание ей правильной формы, специальное освещение и оборудование.

Когда создали лазер, т.е. источник излучения с высокой пространственной и временной когерентностью, стала развиваться оптическая голография - способ записи и восстановления световых волн, рассеянных объектом и несущих информацию о его форме (т.е. трехмерного образа объекта). Некоторые методики интерферометрии сильно упростились, так как снялись проблемы освещения и подготовки поверхности.

Принципиальная оптическая схема для записи голограммы по Лейту-Упатниексу показана на рис.1.3.2. Луч лазера (1) расширяется линзой (2) и делится полупрозрачным зеркалом (3) на две части. Одна часть - это опорный луч (ОЛ) - проходит через зеркало и сразу падает на фотопластинку-детектор (5). Вторая часть, отраженная от зеркала, освещает объект (4) и, диффузно рассеянная им, проходит через линзу (6) и тоже падает на детектор. Это предметный луч (ПЛ).

Рис. 1.4 - Принципиальная схема записи голограммы Лейта-Упатниекса: 1 - лазер, 2 - линза, 3 - полупрозрачное зеркало, 4 - объект, 5 - фотопластинка-детектор, 6 - линза в режиме лупы, ОЛ - опорный луч, ПЛ - предметный луч

Заметим, что наличие линзы (6) не принципиально для записи голограмм, однако необходимо для измерения остаточных напряжений. Линза находится на фокусном расстоянии от объекта и поэтому работает в режиме лупы: на фотопластинке записывается не весь образ объекта, а малая, но увеличенная в 2-5 раз, его часть - область поверхности с отверстием. Это помогает рассмотреть довольно плотно расположенные (особенно на кромке отверстия) полосы интерферограммы .

В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством, делителем (в простейшем случае в роли делителя может выступать любой кусок стекла), на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и регистрирующую среду (например, фотопластинку). Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале - лазера.

Голограммы, получаемые на относительно толстых, по сравнению с периодом следования максимумов интенсивности голографического поля, регистрирующих средах представляют собой объемную дифракционную решетку, состоящую из последовательности частично отражающих поверхностей.

Такая решетка, как известно, обладает селективным, т.е. зависящем от угла падения и длины волны восстанавливающей волны, откликом, описываемым законом Брэгга. Голограммы, обладающие такими свойствами, называют объемными или брэгговскими. Если толстая по сравнению с периодом следования максимумов голографического поля регистрирующая среда устанавливается в положение 3, то опорная и объектная сферические волны падают на нее с разных сторон. В этом случае расстояние между поверхностями максимумов интенсивности голографического поля составляет примерно половину длины волны регистрирующего излучения и эти поверхности близки к плоскостям, параллельным поверхности регистрирующей среды.

Рис. 1.5

Такая схема регистрации голограммы предложена Ю.Н. Денисюком и носит его имя.

При регистрации голограммы в такой схеме в объеме регистрирующей среды образуется большое количество частично отражающих излучение поверхностей, называемых стратами, действующих подобно 15 отражательному интерференционному фильтру. Даже для толщин регистрирующей среды 10 - 12 мкм число этих страт может быть более 50. Большое число содержащихся в голограмме частично отражающих поверхностей обуславливает их высокую спектральную селективность, позволяющую восстанавливать записанное на них изображение в белом свете. Такие голограммы называются голограммами Ю.Н. Денисюка или отражательными объемными голограммами. Следует отметить, что известная из курса физики фотография Липпмана является, по своей сути, частным случаем голограммы Денисюка.

Голографирование с наклонным опорным пучком при диффузном и недиффузном объектном пучке.

Получение голограммы с помощью опорной волны, падающей на плоскость регистрирующей среды под углом, отличным от угла падения объектной волны. Пространственно-частотный анализ этого метода основан на понятии несущей, или опорной, волны, пространственная частота которой модулируется информацией о предмете. Таким образом, выражение “голограмма с несущей частотой” эквивалентно выражению “внеосевая голограмма”. При использовании метода несущей частоты отпадает необходимость получения опорной волны за счет света, прошедшего через предмет. Вследствие этого, при применении внеосевых голограмм, в противоположность габоровским голограммам, нет необходимости ограничиваться транспарантами с большими прозрачными участками. На рис.1.3.4. показан простой способ деления волнового фронта, позволяющий освещать прозрачный транспарант когерентной плоской волной и получать наклонную плоскую волну от того же источника. В качестве объекта можно взять полутоновой транспарант. Пусть О(x, y) - комплексная амплитуда объектной волны в плоскости голограммы, R = r exp(2рiоrx) = r exp(ikx sinи) - комплексная амплитуда плоской опорной волны. Из сравнения этих выражений проводимого, гласящего, что фаза волны обратно пропорциональна пройденному оптическому пути, получим выражение для пространственной частоты опорной волны, представленной на рис.1.3.4.

Рис. 1.6

Пространственная частота опорной волны, представленной на рис. 1.3.4. Пространственная частота опорной волны соответствует волновому вектору опорной волны, направленному вниз от оси z, где и- угол, образованный им в плоскости xz с осью z.

Рассмотренный нами ранее метод освещения частично прозрачного транспаранта плоской волной обладает рядом недостатков, среди которых:

* трудность наблюдения восстановленного мнимого изображения, заключающаяся в необходимости сканирования зрачком наблюдателя всей плоскости голограммы;

* сильная неравномерность интенсивности объектной волны в плоскости регистрации голограммы, затрудняющая выбор интенсивности опорной волны.

Эти недостатки можно устранить, если использовать диффузное освещение голографируемого транспаранта. Для этого между лазерным источником и транспарантом обычно помещают диффузный экран, например матовое стекло. Так как диффузный экран рассеивает свет в широком телесном угле, то теперь наблюдателю не нужно сканировать зрачком всю поверхность голограммы, чтобы увидеть все изображение транспаранта. Хотя фаза света, рассеянного диффузным экраном и прошедшего через объект, представляет собой быстро меняющуюся пространственную функцию координат в плоскости голограммы, свет в этой плоскости может сохранять когерентные свойства. Это происходит, если:

* исходная волна, освещающая диффузный экран, пространственно когерентна по всей площади экрана;

* максимальная длина пути света от источника до голограммы через диффузный экран отличается от длины пути опорного пучка не больше, чем на длину когерентности;

* экран остается неподвижным.

Голограмма, полученная при диффузном освещении, обладает рядом замечательных свойств. Дело в том, что диффузный экран имеет более широкий спектр пространственных частот, чем голографируемый транспарант, он рассеивает свет в широком телесном угле так, что каждая точка апертуры голограммы получает свет от всех точек транспаранта. Вследствие этого на стадии восстановления через любую часть голограммы можно наблюдать все мнимое изображение объекта. При смещении направления наблюдения изображение видно с другой стороны. Если мы имеем голограмму двумерного транспаранта и хотим наблюдать его изображение, то сможем восстановить его целиком, даже в том случае, когда голограмма оказалась разбитой или поврежденной, так, что сохранился лишь небольшой участок. Конечно, разрешение в изображении тем хуже, чем меньше площадь оставшейся части голограммы. Отметим, что диффузная подсветка объекта, помимо перечисленных выше преимуществ, обладает и рядом существенных недостатков. Среди них зернистая, спекловая структура изображений, восстанавливаемых с помощью таких голограмм. Благодаря ей, восстановленные изображения состоят из отдельных светлых пятен, разделенных абсолютно темными промежутками. Размер пятен находится на пределе разрешающей способности голограммы, а их контраст (видность) - V, определяемый как отношение разности максимальной и минимальной интенсивностей элементов изображения к их сумме, равен 1.

Причина появления спеклов кроется в невозможности регистрации всего поля, рассеянного диффузором. Потеря и не регистрация на голограмме части поля объекта приводит к перераспределению интенсивности восстановленного изображения, имеющего вид пятнистой структуры. Наличие спеклов ограничивает область практического использования голограмм с диффузной подсветкой объекта. Так, например, в фотолитографии спеклы недопустимы, поскольку приводят к разрыву отображаемых структур. До сегодняшнего дня так и не изобретено радикального метода борьбы со спеклами. Единственное, что предлагается делать в этом направлении, это использовать метод накопления, т.е. метод последовательной регистрации множества реализаций одного и того же восстановленного изображения, характеризующихся различными картинами спеклов. Практически реализуют этот метод путем установки вращающегося рассеивателя в восстанавливающий пучок лучей. Наличие вращающегося рассеивателя позволяет усреднить во времени различные реализации картин спеклов и свести их к постоянному по плоскости изображения шуму. Вместе с тем рассеиватель обуславливает изменение структуры восстанавливающего пучка и, тем самым, приводит к снижению разрешения в восстановленном изображении. Более подробно об этом мы будем говорить позже .

Материалы для записи голограмм

В настоящее время запись большинства объемных голограмм осуществляется на фотополимерах. Из них наибольшее распространение и известность получили фотополимеры фирмы Du Pont. Они выпускаются в промышленных масштабах и широко используются для изготовления защитных голографических меток, например голограмм на кредитных картах, банкнотах и т.д. Фотополимеры могут быть очувствлены практически в любом диапазоне видимой области спектра. Их разрешаюшая способность также превышает 3000 мм-1, что позволяет использовать эти среды для регистрации отражательных голограмм по схеме Ю.Н. Денисюка. Их светочувствительность составляет десятки мДж/см2. В качестве основных достоинств фотополимеров можно отметить низкий уровень шума, простоту послеэкспозиционной обработки. Недостатком этих сред является сложность их нанесения на подложку в виде равнотолщинной пленки.