Голографія

  1. Галогенсеребряний фотоматеріали [ правити | правити код ]
  2. Фотохромниє кристали [ правити | правити код ]
  3. KCl [ правити | правити код ]
  4. Сегнетоелектричних кристали [ правити | правити код ]
  5. Голографічні фотополімерні матеріали [ правити | правити код ]

Цей термін має також інші значення див. голограма .

Голографія ( грец. ὅλος - повний + γράφω - пишу) фотоголограмма [ джерело? ] - набір технологій для точного запису, відтворення і переформування хвильових полів оптичного електромагнітного випромінювання , Особливий фотографічний метод, при якому за допомогою лазера реєструються, а потім відновлюються зображення тривимірних об'єктів, надзвичайно схожі на реальні [1] . Метод реєстрації зображення, заснований на інтерференції світлових хвиль [2] .

Даний метод був запропонований в 1947 році [3] угорським фізиком Денніс Габор , Він же ввів термін голограма [4] і отримав «за винахід і розвиток голографічного принципу» Нобелівську премію з фізики в 1971 році [5] .

Розсіяні об'єктом хвилі характеризуються амплітудою , фазою і напрямком . У звичайній фотографії реєструється тільки амплітуда світлових хвиль, і її розподіл в межах двовимірного світлоприймачів. Для цього використовується об'єктив , що будує дійснезображення об'єкта записи. Отримане плоске зображення може створювати тільки ілюзію обсягу за рахунок перспективи , світлотіні і перекриття об'єктами один одного [6] . Стереофотографія дозволяє за допомогою двох і більше об'єктивів більш вірогідно імітувати обсяг за рахунок властивостей бінокулярного зору , Але дає можливість спостерігати записані об'єкти з єдиною точки.

У голографії крім амплітуди реєструються також фаза і напрямок світлових хвиль за допомогою інтерференції, перетворюючої фазові співвідношення в відповідні амплітудні. При цьому об'єктив не потрібно, а отримана голограма дозволяє змінювати точку спостереження довільно, а в деяких випадках і «заглядати» за об'єкт. При запису голограми складаються дві хвилі: одна з них йде безпосередньо від джерела (опорна хвиля), а інша відбивається від об'єкта записи (об'єктна хвиля) [7] . У місці складання цих хвиль розміщують фотопластинку або інший реєструючий матеріал. В результаті складання об'єктного і опорної хвиль виникає нерухома интерференционная картина, яка реєструється фотопластинкою у вигляді мікроскопічних смуг потемніння, відповідних розподілу електромагнітної енергії в цій області простору [2] .

Якщо виявлену пластинку освітити хвилею, близькою до опорної, то записана інтерференційна картина за рахунок дифракції перетворює світло в хвилю, близьку до об'єктної. Таким чином, при відтворенні голограми утворюється хвильове поле, відповідне записаному за амплітудою, фазі і напрямку. В результаті глядач бачить в місці розташування об'єкта зйомки щодо фотопластинки його уявне зображення . Друга хвиля, утворена при освітленні голограми, утворює дійснезображення [7] . Будь-яка голограма є способом збереження інформації про електромагнітній хвилі у вигляді інтерференційної картини (максимумів і мінімумів пучностей ) Методом фізичного запису в спеціальному середовищі про відбитому від об'єкта, розсіяному, хвильовому фронті електромагнітного випромінювання, його амплітуді (Яскравості) і зсуві фази (обсязі) в деякій точці з можливо меншою втратою інформації, або імітації такої картини спеціальними голографічними методами.

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 лазерного випромінювання використовували дуже вузькі лінії в спектрах випускання газорозрядних ламп , Що дуже ускладнювало експеримент). На сьогоднішній день голографія пред'являє одні з найжорсткіших вимог до когерентності випромінювання лазерів.

Найчастіше когерентність прийнято характеризувати довжиною когерентності - тієї різницею 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).

Перша голограма була отримана в 1947 році (Задовго до винаходу лазерів) Денніс Габор в ході експериментів по підвищенню роздільної здатності електронного мікроскопа . Він же придумав саме слово «голографія», яким він підкреслив повний запис оптичних властивостей об'єкта. Перші голограми Габора відрізнялися низькою якістю через відсутність джерел когерентного випромінювання [2] .

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.

В 1962 році була створена класична схема запису голограм одязі і Лейта і Юриса Упатнієкс з Мічиганського університету (Голограми Лейта-Упатнієкс) [8] , 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).

В 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 світло . Для цього їм була розроблена своя власна схема запису голограм. Ця схема називається схемою Денисюка, а отримані з її допомогою голограми називаються голограмами Денисюка.

В 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 параллакса (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.

У 1986 році Абрахам Секе [9] висунув ідею створення джерела когерентного випромінювання в приповерхневої області матеріалу шляхом опромінення його рентгенівським випромінюванням. Оскільки просторову роздільну здатність в голографії залежить від розмірів джерела когерентного випромінювання та його віддаленості від об'єкта, то виявилося можливим відновити навколишні емітер атоми в реальному просторі. На відміну від оптичної голографії, у всіх запропонованих на сьогоднішній день схемах електронної голографії відновлення зображення об'єкта здійснюється за допомогою чисельних методів на комп'ютері. У 1988 році Бартон запропонував такий метод для відновлення тривимірного зображення, заснований на використанні Фур'є-подібних інтегралів, і продемонстрував його ефективність на прикладі теоретично розрахованої голограми для кластера відомої структури. Перше відновлення тривимірного зображення атомів в реальному просторі за експериментальними даними проведено для поверхні Cu (001) ХАРП в 1990 році.

У цій схемі записи промінь лазера ділиться напівпрозорим дзеркалом на два [10] . Отримані 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 [ Джерело не вказано 237 днів ].

У 1962 р радянський фізик Юрій Денисюк запропонував перспективний метод голографії із записом в тривимірному середовищі [11] . Технологія передбачає використання товстих фотоемульсій. 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 (т. О. 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 (Що 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.

Голографія вкрай вимоглива до роздільної здатності фотоматеріалів. Відстань між двома максимумами інтерференційної картини того ж порядку, що і довжина хвилі випромінювання лазера, а остання складає 632,8 нм для гелій-неонового лазера, 532 нм для другий гармоніки неодимового лазера, 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 :

Q = 2 π λ d n Λ 2 {\ displaystyle Q = {\ frac {2 \ pi \ lambda d} {n \ Lambda ^ {2}}}} Q = 2 π λ d n Λ 2 {\ displaystyle Q = {\ frac {2 \ pi \ lambda d} {n \ Lambda ^ {2}}}} , ,

де λ - довжина хвилі; d - товщина шару; n - середній показник 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.

Галогенсеребряний фотоматеріали [ правити | правити код ]

Основним фотоматеріалом для запису голограм є спеціальні фотопластинки на основі традиційного бромида 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 мають 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.

Фотохромниє кристали [ правити | правити код ]

Поряд з фотографічними дрібнозернистими галогенсеребряний середовищами, застосовуються так звані фотохромні середовища , Що змінюють спектр поглинання під дією записуючого світла.

KCl [ правити | правити код ]

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 FX 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 [12] .

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 [13] .

Сегнетоелектричних кристали [ правити | правити код ]

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. [14]

Голографічні фотополімерні матеріали [ правити | правити код ]

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. [15]

  1. ↑ ГОЛОГРАФІЯ // Енциклопедія Кольєра
  2. ↑ 1 2 3 Фотокинотехника, 1981 , С. 66.
  3. ↑ Сивухин Д. В. Загальний курс фізики. - М .. - Т. IV. Оптика.
  4. ↑ Gabor D. A new microscopic principle // Nature.-1948.-V.161.-PP.777-778.
  5. ↑ Інформація про Денніс Габор з сайту Нобелівського комітету (англ.)
  6. ↑ Фотокинотехника, 1981 , С. 235.
  7. ↑ 1 2 Радянське фото, 1966 , С. 42.
  8. ↑ Leith EN and Upatnieks J. Wavefront reconstruction with diffused illumination and three-dimensional objects // J. Opt. Soc. Am.-1964.-V. 54.-P.1295.
  9. ↑ Szoke A., in: DT Attwood, J. Bokor Eds. , Short Wave-length Coherent Radiation: Generation and Applications, AIP Conf. Proc. No. 147, American Institute of Physics, New York, 1986.
  10. ↑ Лейт Е., Упатнієкс Ю. ФОТОГРАФУВАННЯ ЗА ДОПОМОГОЮ ЛАЗЕРА // Успіхи фізичних наук.-1965.-Вип. 11.-С.521-538
  11. ↑ Денисюк Ю. М., Суханов В. І. Голограма із записом в тривимірному середовищі як найбільш досконала форма зображення // Успіхи фізичних наук.-1970.-Вип. № 6.
  12. ↑ Д. А. Владимиров та ін. Оптимізація запису голограм на адитивно забарвлених кристалах KCl // Оптика і спектроскопія.-2005.-Т.99, № 1.-С.147-150. (Недоступна ПОСИЛАННЯ)
  13. ↑ Vladimirov DA, Mandel 'VE, Popov A.Yu., Tyurin AV Photothermal Conversion of F-centers in Additively Colored Potassium Chloride Crystals with Cationic and Anionic Impurities // Ukrainian Journal of Physical Optics: жур .. - Львів, 2004. - Т. 5, № 4. - С. 131-135.
  14. ↑ Р. Кольєр, К. Беркхард, Л. Лін «Оптична голографія» Изд. «Світ», Москва, 1973, 450 c.
  15. ↑ TJ Trout, JJ Schmieg, WJ Gambogi, AM Weber «Optical photopolymers: design and applications» // Adv. Mater., 1998, v.10, № 15, pp. 1219-1224.
  • Е. А. Іофіс . Фотокинотехника. - М.: «Радянська енциклопедія», 1981. - С. 65-67. - 449 с. - 100 000 прим.
  • М. Тверетінов. Об'ємна фотографія. Нова «спеціальність» лазера (рус.) // « радянське фото »: Журнал. - 1966. - № 4. - С. 42. - ISSN 0371-4284 .