Gabor hologram registreringsordning

I denne position (position 1 i fig. 1.1) udbreder hovedstrålerne fra objektet og referencestrålerne sig i samme retning. De på denne måde opnåede hologrammer kaldes aksiale hologrammer eller Gabor-hologrammer. Når du optager dem, er forskellen i objektets vej og referencebølgerne inden for pladens overflade minimal sammenlignet med alle andre mulige positioner, hvilket gør det muligt at bruge det til at danne et holografisk felt som strålingskilder med en lav grad af sammenhæng. Den relativt store afstand mellem tilstødende maksimumsflader reducerer kravene til optagemediets opløsning.

Ris. 1.3

Et skematisk diagram over optagelse af Gabor-hologrammer er vist i fig. 1.3.1. Her er S en kilde til kohærent stråling, T er en gennemsigtighed med et billede af et objekt, H er et hologram. I overensstemmelse med ovenstående diagram kan den samlede komplekse amplitude U af lys, der falder ind på et fotofølsomt medium i hologramoptagelsesplanet, repræsenteres som summen af ​​den komplekse amplitude af baggrunden eller referencebølgen, der ikke blev afbøjet på objektets struktur R og den komplekse amplitude af bølgen, der blev diffrakteret på objektet - O

U = R + O, (1.3.2)

Derfor kan strålingsintensiteten I i hologramoptagelsesplanet beskrives som følger:

Ved lineær bearbejdning af hologrammet og gendannelse af det med en referencebølge med en kompleks amplitude R, kan feltamplituden i hologramplanet, lige bagved det - A, beskrives op til en proportionalitetskoefficient som følger:

Hvis amplituden af ​​referencebølgen er den samme over hele hologrammets plan, så beskriver det første led på højre side af udtrykket (1.3.4.) en bølgefront, hvis komplekse amplitude er proportional med amplituden af den oprindelige bølge U i udtryk (1.3.2).

Optisk skema til optagelse af Leith-Upatnieks hologrammer

Interferens observeres, når to bølger tilføjes, når, forudsat at de er sammenhængende, dvs. en konstant faseforskel mellem disse bølger, opstår en karakteristisk rumlig fordeling af lysintensiteten - et interferensmønster. Den fotografiske detektorplade registrerer dette i form af skiftende lyse og mørke striber eller et interferogram.

For at bestemme resterende spændinger blev der også brugt konventionel interferometri, men dette arbejde kunne kun udføres i et veludstyret laboratorium: en speciel forberedelse af overfladen af ​​det undersøgte objekt var påkrævet, hvilket gav den den korrekte form, speciel belysning og udstyr.

Da laseren blev skabt, dvs. en strålingskilde med høj rumlig og tidsmæssig sammenhæng, begyndte optisk holografi at udvikle sig - en metode til at optage og rekonstruere lysbølger spredt af et objekt og bære information om dets form (dvs. et tredimensionelt billede af objektet). Nogle interferometriteknikker er blevet meget forenklede, da problemerne med belysning og overfladeforberedelse er blevet elimineret.

Det grundlæggende optiske kredsløb til optagelse af et hologram ifølge Leith-Upatnieks er vist i fig. 1.3.2. Laserstrålen (1) udvides med en linse (2) og opdeles i to dele af et gennemskinnelig spejl (3). En del - dette er referencestrålen (RL) - passerer gennem spejlet og falder straks på den fotografiske detektorplade (5). Den anden del, reflekteret fra spejlet, oplyser objektet (4) og, spredt spredt af det, passerer gennem linsen (6) og falder også på detektoren. Dette er objektstrålen (SL).

Ris. 1.4 - Skematisk diagram over optagelse af et Leith-Upatnieks hologram: 1 - laser, 2 - linse, 3 - gennemskinnelig spejl, 4 - objekt, 5 - fotografisk pladedetektor, 6 - linse i forstørrelsestilstand, OL - referencestråle, PL - objektstråle

Bemærk, at tilstedeværelsen af ​​en linse (6) ikke er afgørende for optagelse af hologrammer, men er nødvendig for at måle resterende spændinger. Objektivet er placeret i brændvidden fra objektet og fungerer derfor i forstørrelsestilstand: ikke hele billedet af objektet er optaget på den fotografiske plade, men en lille del af det, men forstørret med 2-5 gange - overfladearealet med hullet. Dette hjælper med at overveje temmelig tæt placerede (især ved kanten af ​​hullet) interferogramstriber.

I dette optagelsesskema er laserstrålen opdelt af en speciel enhed, en divider (i det enkleste tilfælde kan ethvert stykke glas fungere som en divider) i to. Herefter udvides strålerne ved hjælp af linser og rettes ved hjælp af spejle til objektet og optagemediet (for eksempel en fotografisk plade). Begge bølger (objekt og reference) falder på pladen fra den ene side. Med dette optagelsesskema dannes et transmissionshologram, som kræver, at en lyskilde med samme bølgelængde, som optagelsen blev foretaget ved, ideelt set en laser, gendannes.

Hologrammer opnået på optagemedier, der er relativt tykke, sammenlignet med perioden for den maksimale intensitet af det holografiske felt, repræsenterer et volumetrisk diffraktionsgitter bestående af en sekvens af delvist reflekterende overflader.

Et sådant gitter er kendt for at være selektivt, dvs. afhængig af indfaldsvinklen og bølgelængden af ​​rekonstruktionsbølgen, en reaktion beskrevet af Braggs lov. Hologrammer med sådanne egenskaber kaldes volumetriske eller Bragg-hologrammer. Hvis optagemediet, som er tykt sammenlignet med perioden for det holografiske felts maksima, er indstillet til position 3, falder reference- og objektets sfæriske bølger på det fra forskellige sider. I dette tilfælde er afstanden mellem overfladerne af de holografiske feltintensitetsmaksima ca. halvdelen af ​​bølgelængden af ​​registreringsstrålingen, og disse overflader er tæt på planer parallelt med overfladen af ​​registreringsmediet.

Ris. 1.5

Denne hologramregistreringsordning blev foreslået af Yu.N. Denisyuk og bærer hans navn.

Ved registrering af et hologram i et sådant skema dannes et stort antal delvist reflekterende strålingsoverflader, kaldet strata, i optagemediets volumen, der fungerer som et reflekterende interferensfilter. Selv for optagelse af mellemtykkelser på 10 - 12 mikron kan antallet af disse lag være mere end 50. Det store antal delvist reflekterende overflader indeholdt i hologrammet bestemmer deres høje spektrale selektivitet, hvilket gør det muligt at genoprette det billede, der er optaget på dem i hvidt lys. Sådanne hologrammer kaldes Yu.N.-hologrammer. Denisyuk eller reflekterende volumetriske hologrammer. Det skal bemærkes, at Lippmanns fotografi, kendt fra et fysikkursus, i det væsentlige er et særligt tilfælde af Denisyuks hologram.

Holografi med en skrå referencestråle med en diffus og ikke-diffus objektstråle.

Opnåelse af et hologram ved hjælp af en referencebølge, der falder ind på registreringsmediets plan i en vinkel forskellig fra objektbølgens indfaldsvinkel. Rumlig frekvensanalyse af denne metode er baseret på konceptet om en bærebølge eller referencebølge, hvis rumlige frekvens er moduleret af information om objektet. Udtrykket "bærefrekvenshologram" svarer således til udtrykket "off-akse hologram". Ved brug af bærefrekvensmetoden er der ikke behov for at opnå en referencebølge på grund af lys, der passerer gennem objektet. Som følge heraf er der, i modsætning til Gabor-hologrammer, ingen grund til at begrænse sig til gennemsigtighed med store gennemsigtige områder, når der anvendes off-akse hologrammer. I fig. 1.3.4. Der er vist en simpel metode til opdeling af bølgefronten, som gør det muligt at belyse en transparent gennemsigtighed med en kohærent plan bølge og opnå en skrå plan bølge fra samme kilde. Du kan tage en halvtonetransparens som et objekt. Lad O(x, y) være den komplekse amplitude af objektbølgen i hologramplanet, R = r exp(2рiоrx) = r exp(ikx sinи) være den komplekse amplitude af planreferencebølgen. Fra en sammenligning af disse udtryk, som angiver, at bølgens fase er omvendt proportional med den tilbagelagte optiske vej, får vi et udtryk for referencebølgens rumlige frekvens, vist i fig. 1.3.4.

Ris. 1.6

Rumlig frekvens af referencebølgen vist i fig. 1.3.4. Referencebølgens rumlige frekvens svarer til referencebølgens bølgevektor rettet nedad fra z-aksen, hvor u er vinklen dannet af den i xz-planet med z-aksen.

Metoden til at belyse en delvist gennemsigtig gennemsigtighed med en plan bølge, som vi overvejede tidligere, har en række ulemper, herunder:

* vanskeligheden ved at observere det rekonstruerede virtuelle billede, som består i behovet for at scanne hele hologrammets plan med observatørens pupil;

* stærk ujævnhed i intensiteten af ​​objektbølgen i hologramregistreringsplanet, hvilket gør det vanskeligt at vælge intensiteten af ​​referencebølgen.

Disse ulemper kan elimineres ved at anvende diffus belysning af den holografiske transparens. For at gøre dette placeres normalt en diffus skærm, såsom matteret glas, mellem laserkilden og transparenten. Da den diffuse skærm spreder lys over en bred rumvinkel, behøver observatøren ikke længere at scanne hele overfladen af ​​hologrammet med sin pupil for at se hele billedet af gennemsigtigheden. Selvom fasen af ​​lys spredt af en diffus skærm og transmitteret gennem et objekt er en hurtigt skiftende rumlig funktion af koordinater i hologramplanet, kan lys i dette plan bevare kohærente egenskaber. Dette sker, hvis:

* den indledende bølge, der belyser den diffuse skærm, er rumligt sammenhængende over hele skærmens område;

* den maksimale lysvejlængde fra kilden til hologrammet gennem den diffuse skærm adskiller sig fra referencestrålens vejlængde med ikke mere end kohærenslængden;

* skærmen forbliver ubevægelig.

Et hologram opnået under diffus belysning har en række bemærkelsesværdige egenskaber. Faktum er, at en diffus skærm har et bredere område af rumlige frekvenser end en holografisk transparens; den spreder lys over en bred rumvinkel, så hvert punkt i hologramåbningen modtager lys fra alle punkter i gennemsigtigheden. Som følge heraf kan hele det virtuelle billede af objektet på rekonstruktionsstadiet observeres gennem enhver del af hologrammet. Når synsretningen flyttes, er billedet synligt fra den anden side. Hvis vi har et hologram af en todimensionel gennemsigtighed og ønsker at observere dets billede, vil vi være i stand til at gendanne det helt, selvom hologrammet var ødelagt eller beskadiget, så kun et lille område blev bevaret. Selvfølgelig er opløsningen i billedet værre, jo mindre arealet af den resterende del af hologrammet er. Bemærk, at diffus belysning af en genstand, udover de fordele, der er nævnt ovenfor, også har en række væsentlige ulemper. Blandt dem er den kornede, plettede struktur af billeder rekonstrueret ved hjælp af sådanne hologrammer. Takket være det består de rekonstruerede billeder af individuelle lyse pletter adskilt af absolut mørke rum. Størrelsen af ​​pletterne er på grænsen af ​​opløsningen af ​​hologrammet, og deres kontrast (synlighed) - V, defineret som forholdet mellem forskellen mellem maksimale og minimale intensiteter af billedelementer og deres sum, er lig med 1.

Årsagen til forekomsten af ​​pletter ligger i umuligheden af ​​at optage hele feltet spredt af diffuseren. Tabet og ikke-registreringen af ​​en del af objektets felt på hologrammet fører til en omfordeling af intensiteten af ​​det rekonstruerede billede, som har udseende af en plettet struktur. Tilstedeværelsen af ​​pletter begrænser den praktiske brug af hologrammer med diffus belysning af et objekt. For eksempel i fotolitografi er pletter uacceptable, fordi de fører til brud på de afbildede strukturer. Den dag i dag er der ikke opfundet nogen radikal metode til at bekæmpe pletter. Det eneste, der foreslås gjort i denne retning, er at bruge akkumuleringsmetoden, dvs. en metode til sekventiel registrering af flere implementeringer af det samme rekonstruerede billede, karakteriseret ved forskellige speckle-mønstre. Denne metode er praktisk implementeret ved at installere en roterende diffuser i den genoprettede stråle. Tilstedeværelsen af ​​en roterende diffuser gør det muligt over tid at midlere forskellige realiseringer af plettermønstre og reducere dem til støj, der er konstant langs billedplanet. Samtidig forårsager scattereren en ændring i strukturen af ​​rekonstruktionsstrålen og fører derved til et fald i opløsningen i det rekonstruerede billede. Vi vil tale om dette mere detaljeret senere.

Materialer til optagelse af hologrammer

I øjeblikket er de fleste volumetriske hologrammer optaget ved hjælp af fotopolymerer. Af disse er fotopolymerer fra Du Pont de mest udbredte og berømte. De produceres i industriel skala og bruges i vid udstrækning til fremstilling af sikkerhedsholografiske tags, såsom hologrammer på kreditkort, pengesedler mv. Fotopolymerer kan registreres i næsten ethvert område af det synlige spektrum. Deres opløsning overstiger også 3000 mm-1, hvilket gør det muligt at bruge disse medier til optagelse af reflektionshologrammer ifølge Yu.N. Denisyuk. Deres lysfølsomhed er titusinder af mJ/cm2. De vigtigste fordele ved fotopolymerer omfatter lave støjniveauer og let behandling efter eksponering. Ulempen ved disse medier er vanskeligheden ved at påføre dem på et substrat i form af en film af samme tykkelse.

Den mest almindelige og udbredte metode til at optage billeder af objekter er fotografering. Ved fotografering registreres intensitetsfordelingen af ​​lysbølger i en todimensionel projektion af billedet af et objekt på fotografiets plan.

Derfor, uanset hvilken vinkel vi ser på fotografiet fra, ser vi ikke nye vinkler. Vi kan heller ikke se objekter placeret i baggrunden og skjult af dem foran. Perspektiv i et fotografi er kun synligt ved ændringer i objekternes relative størrelser og klarheden af ​​deres billede.

Holografi er en af ​​de bemærkelsesværdige resultater af moderne videnskab og teknologi. Navnet kommer af de græske ord holos - komplet og grafo - skriv, hvilket betyder en komplet optagelse af et billede.

Holografi er fundamentalt forskellig fra konventionel fotografering ved, at det lysfølsomme materiale registrerer ikke kun intensiteten, men også fasen af ​​lysbølger spredt af et objekt og bærer fuldstændig information om dets tredimensionelle struktur. Som et middel til at vise virkeligheden har et hologram en unik egenskab: I modsætning til fotografi, der skaber et fladt billede, kan et holografisk billede gengive en nøjagtig tredimensionel kopi af det originale objekt. Moderne hologrammer observeres, når de belyses af konventionelle lyskilder, og fuld volumetricitet i kombination med høj nøjagtighed af overfladeteksturgengivelse giver en fuld effekt af nærvær.

Holografi er baseret på to fysiske fænomener - diffraktion og interferens af lysbølger.

Den fysiske idé er, at når to lysstråler er overlejret, under visse forhold, opstår der et interferensmønster, det vil sige, at der opstår maksima og minima for lysintensitet i rummet. For at dette interferensmønster skal være stabilt over den tid, der kræves til observation, og for at blive registreret, skal de to lysbølger koordineres i rum og tid. Sådanne konsistente bølger kaldes kohærente.

Den resulterende tilføjelse af to sammenhængende bølger vil altid være en stående bølge. Det vil sige, at interferensmønsteret vil være stabilt over tid. Dette fænomen ligger til grund for fremstilling og rekonstruktion af hologrammer.

Konventionelle lyskilder har ikke en tilstrækkelig grad af sammenhæng til brug i holografi. Derfor var opfindelsen i 1960 af en optisk kvantegenerator eller laser afgørende for dens udvikling - en fantastisk strålingskilde, der har den nødvendige grad af sammenhæng og kan udsende strengt taget én bølgelængde.

Mens Dennis Gabor studerede problemet med billedoptagelse, kom han på en god idé. Essensen af ​​dens implementering er som følger. Hvis en stråle af sammenhængende lys er delt i to, og det optagede objekt belyses med kun en del af strålen, og dirigerer den anden del til en fotografisk plade, så vil strålerne, der reflekteres fra objektet, forstyrre de stråler, der falder direkte på pladen fra lyskilden. Lysstrålen, der falder ind på pladen, kaldes støttende, og strålen reflekteret eller passeret gennem objektet emne. I betragtning af, at disse stråler er opnået fra den samme strålingskilde, kan du være sikker på, at de er sammenhængende. En fotografisk optagelse af interferensmønsteret af en objektbølge og en referencebølge har den egenskab at genskabe billedet af et objekt, hvis referencebølgen er rettet mod en sådan optagelse igen. De der. Når billedet optaget på pladen belyses af referencestrålen, vil billedet af objektet blive gendannet, som visuelt ikke kan skelnes fra det rigtige. Hvis du ser gennem pladen fra forskellige vinkler, kan du se et perspektivbillede af objektet fra forskellige sider. Selvfølgelig kan en fotografisk plade opnået på en så mirakuløs måde ikke kaldes et fotografi. Dette er et hologram.

I 1962 opnåede I. Leith og J. Upatnieks de første transmitterende hologrammer af volumetriske objekter lavet ved hjælp af en laser. En stråle af kohærent laserstråling rettes mod et gennemskinnelig spejl, ved hjælp af hvilket der opnås to stråler - en objektstråle og en referencestråle. Referencestrålen er rettet direkte til den fotografiske plade. Objektstrålen oplyser objektet, hvis hologram er optaget. Lysstrålen, der reflekteres fra objektet - objektstrålen - rammer den fotografiske plade. I pladens plan danner to stråler - objektet og referencestrålerne - et komplekst interferensmønster, som på grund af sammenhængen mellem de to lysstråler forbliver uændret i tid og er et billede af en stående bølge. Tilbage er blot at registrere det på den sædvanlige fotografiske måde Det resulterende interferensmønster er et kodet billede, der beskriver objektet, som det er synligt fra alle punkter på den fotografiske plade. Dette billede gemmer information om både amplitude og fase af de bølger, der reflekteres fra objektet.

Hvis et hologram er optaget i et bestemt volumetrisk medium, gengiver den resulterende stående bølgemodel utvetydigt ikke kun amplituden og fasen, men også den spektrale sammensætning af strålingen, der er registreret på den. Denne omstændighed var grundlaget for skabelsen af ​​tredimensionelle (volumen) hologrammer. Driften af ​​volumetriske hologrammer er baseret på Bragg-diffraktionseffekten: Som et resultat af interferensen af ​​bølger, der forplanter sig i en tyktlags-emulsion, dannes der fly, der belyses med lys af højere intensitet.

Efter at hologrammet er udviklet, dannes lag af sortfarvning på de eksponerede planer. Som et resultat af dette skabes såkaldte Bragg-planer, som har den egenskab, at de delvist reflekterer lys.

De der. der skabes et tredimensionelt interferensmønster i emulsionen.

Et sådant tykt lag hologram giver en effektiv rekonstruktion af objektbølgen, forudsat at referencestrålens indfaldsvinkel forbliver uændret under optagelse og rekonstruktion. Det er heller ikke tilladt at ændre lysets bølgelængde under restaurering. Denne selektivitet af et volumetrisk transmissionshologramme gør det muligt at optage op til flere tiere billeder på en plade, hvilket ændrer referencestrålens indfaldsvinkel under henholdsvis optagelse og rekonstruktion.

Ved rekonstruktion af et volumetrisk hologram dannes der i modsætning til fladtransmissionshologramme kun ét billede på grund af reflektion af rekonstruktionsstrålen fra hologrammet i kun én retning, bestemt af Bragg-vinklen.

Reflekterende volumetriske hologrammer optages ved hjælp af et andet skema. Ideen om at skabe disse hologrammer tilhører Yu.N. Denisyuk. Derfor er hologrammer af denne type kendt under navnet på deres skaber.

Reference- og objektlysstrålerne er dannet ved hjælp af en splitter og rettet gennem et spejl ind på pladen fra begge sider. Objektbølgen belyser den fotografiske plade fra siden af ​​emulsionslaget, og referencebølgen belyser den fotografiske plade fra siden af ​​glassubstratet. Under sådanne optagelsesforhold er Bragg-planerne placeret næsten parallelt med den fotografiske plades plan. Således kan tykkelsen af ​​fotolaget være relativt lille.

9.4. Elementer af integrerede kredsløb.

Begyndelsen af ​​formularen

INTEGRERET KREDSLØB(IC), et mikroelektronisk kredsløb dannet på en lille wafer (krystal eller "chip") af halvledermateriale, normalt silicium, der bruges til at styre og forstærke elektrisk strøm. En typisk IC består af mange indbyrdes forbundne mikroelektroniske komponenter, såsom transistorer, modstande, kondensatorer og dioder, fremstillet ved chippens overfladelag. Størrelsen af ​​siliciumkrystaller varierer fra ca. 1,3 x 1,3 mm til 13 x 13 mm. Fremskridt inden for integrerede kredsløb har ført til udviklingen af ​​store og meget store integrerede kredsløb (LSI og VLSI) teknologier. Disse teknologier gør det muligt at producere IC'er, som hver indeholder mange tusinde kredsløb: en enkelt chip kan have mere end 1 million komponenter Integrerede kredsløb har en række fordele i forhold til deres forgængere - kredsløb, der blev samlet af individuelle komponenter monteret på en chassis. IC'er er mindre, hurtigere og mere pålidelige; De er også billigere og mindre modtagelige for fejl forårsaget af vibrationer, fugt og ældning. Miniaturiseringen af ​​elektroniske kredsløb blev muliggjort på grund af halvlederes særlige egenskaber. En halvleder er et materiale, der har meget større elektrisk ledningsevne (ledningsevne) end et dielektrikum som glas, men væsentligt mindre end ledere som kobber. Krystalgitteret af et halvledermateriale såsom silicium har for få frie elektroner ved stuetemperatur til at give betydelig ledningsevne. Derfor har rene halvledere lav ledningsevne. Men at indføre en passende urenhed i silicium øger dets elektriske ledningsevne. Doteringsmidler indføres i silicium ved hjælp af to metoder. Ved kraftig doping eller i tilfælde, hvor præcis styring af mængden af ​​indført urenhed ikke er nødvendig, anvendes normalt diffusionsmetoden. Diffusion af fosfor eller bor udføres normalt i en atmosfære af et doteringsmiddel ved temperaturer mellem 1000 og 1150 C i fra en halv time til flere timer. Ved ionimplantation bombarderes silicium med højhastigheds-doteringsioner. Mængden af ​​implanteret urenhed kan justeres med en nøjagtighed på flere procent; nøjagtighed i nogle tilfælde er vigtig, da forstærkningen af ​​transistoren afhænger af antallet af implanterede urenhedsatomer pr. 1 cm 2 base.

Som falder sammen med en meget høj grad af nøjagtighed, opstår der en stående elektromagnetisk bølge. Når et hologram optages, tilføjes to bølger i et bestemt område af rummet: en af ​​dem kommer direkte fra kilden (referencebølge), og den anden reflekteres fra optageobjektet (objektbølge). I området af en stående elektromagnetisk bølge (eller andet optagemateriale) er placeret, som et resultat, vises et komplekst mønster af mørkere bånd på denne plade, som svarer til fordelingen af ​​elektromagnetisk energi (mønster) i dette område af rummet. Hvis nu denne plade er oplyst af en bølge tæt på referencen, så vil den konvertere denne bølge til en bølge tæt på objektet. Således vil vi se (med varierende grader af nøjagtighed) det samme lys, som ville blive reflekteret fra optagelsesobjektet.

Kilder til lys

Når du optager et hologram, er det ekstremt vigtigt, at længderne (frekvenserne) af objektet og referencebølgerne falder sammen med hinanden med maksimal nøjagtighed og ikke ændres i løbet af hele optagetiden (ellers vil der ikke blive optaget et klart billede på pladen) . Dette kan kun opnås, hvis to betingelser er opfyldt:

1. begge bølger blev oprindeligt udsendt af den samme kilde
2. denne kilde udsender en bølge med en meget stabil bølgelængde (stråling)

Den eneste lyskilde, der opfylder den anden betingelse godt, er . Før opfindelsen af ​​lasere udviklede holografi sig praktisk talt ikke. I dag stiller holografi et af de strengeste krav til laserkohærens.

Oftest er kohærens normalt karakteriseret ved kohærenslængden - den forskel i de optiske veje af to bølger, hvor klarheden af ​​interferensmønsteret falder til det halve sammenlignet med interferensmønsteret produceret af bølger, der har tilbagelagt den samme afstand fra kilden . For forskellige lasere kan sammenhængslængden spænde fra flere millimeter (højeffektlasere beregnet til svejsning, skæring og andre applikationer, der ikke kræver denne parameter) til snesevis af meter (specielle, såkaldte enkeltfrekvenslasere til applikationer, der kræver sammenhæng).

Holografiens historie

Det første hologram blev opnået i året (længe før opfindelsen af ​​lasere) under eksperimenter for at øge opløsningen. Han opfandt også selve ordet "holografi", hvormed han understregede den fuldstændige registrering af et objekts optiske egenskaber. Desværre var hans hologrammer af dårlig kvalitet. Det er umuligt at opnå et hologram af høj kvalitet uden en sammenhængende lyskilde.

Leith-Upatnieks notationsskema

I dette optagelsesskema er laserstrålen opdelt af en speciel enhed, en divider (i det enkleste tilfælde kan ethvert stykke glas fungere som en divider) i to. Herefter udvides strålerne ved hjælp af linser og dirigeres til objektet og pladen ved hjælp af spejle. Begge bølger (objekt og reference) falder på pladen fra den ene side. Med dette optagelsesskema dannes et transmitterende hologram, som til sin rekonstruktion kræver en kilde, der udsender lys i et meget lille område af bølgelængder (monokrom stråling), ideelt set - .

Denisyuks optagelsesskema

I dette skema udvides laserstrålen og rettes mod. En del af strålen, der passerer gennem den, oplyser objektet. Lys reflekteret fra et objekt danner en objektbølge. Som det kan ses, falder objekt- og referencebølgerne på pladen fra forskellige sider. I dette skema optages et reflekterende hologram, som uafhængigt skærer en smal sektion (sektioner) ud fra det kontinuerlige spektrum og afspejler kun dette. Takket være dette er hologrambilledet synligt i almindeligt hvidt lys eller en lampe (se billedet i begyndelsen af ​​artiklen). Til at begynde med udskærer hologrammet den bølgelængde, som det blev optaget med (under bearbejdning og lagring af hologrammet kan det dog ændre dets tykkelse, og bølgelængden ændres også), hvilket gør det muligt at optage tre hologrammer af et objekt på et objekt plade, og med lasere, hvilket i sidste ende opnår et farvehologram, der er næsten umuligt at skelne fra selve objektet.

Dette skema er kendetegnet ved ekstrem enkelhed, og i tilfælde af anvendelse (som har ekstremt små dimensioner og producerer en divergerende stråle uden brug af ) reduceres det til kun én laser og en base, hvorpå laseren, pladen og objektet er fikseret. Det er netop disse skemaer, der bruges ved optagelse af amatørhologrammer.

Fotomaterialer

Holografi er ekstremt krævende for opløsningen af ​​fotografiske materialer. Afstanden mellem de to maksima af mønsteret er af samme størrelsesorden som laserbølgelængden, hvor sidstnævnte oftest er 633 (helium-neon) eller 532 (anden harmonisk laser) nanometer. Denne værdi er således i størrelsesordenen 0,0005 mm. For at opnå et klart billede af interferensmønsteret krævedes fotografiske plader med fra 3000 (Leit-Upatnieks) til 5000 (Denisyuk) linjer pr. millimeter.

Det vigtigste fotografiske materiale til optagelse af hologrammer er specielle fotografiske plader baseret på traditionelt sølvbromid. Takket være specielle tilsætningsstoffer og en speciel udviklingsmekanisme var det muligt at opnå en opløsning på mere end 5000 linjer pr. millimeter, men det kommer på bekostning af ekstremt lav følsomhed af pladen og et smalt spektralområde (nøjagtigt tilpasset laserstrålingen) ). Pladernes følsomhed er så lav, at de kan udsættes for direkte sollys i et par sekunder uden risiko for blus.

Derudover bruges fotografiske plader baseret på bikromateret gelatine, som har endnu større opløsning og tillader optagelse af meget lyse hologrammer (op til 90 % af det indfaldende lys omdannes til et billede), men de er endnu mindre følsomme, og de er kun følsom i det korte bølgelængdeområde (blå og i mindre grad de grønne dele af spektret).

I øjeblikket er der kun én industriel (bortset fra en række små) produktion af fotografiske plader til holografi i verden - det russiske Slavich Company.

Nogle optagelsesskemaer gør det muligt at skrive på plader med lavere opløsning, selv på almindelige fotografiske film med en opløsning på omkring 100 linjer pr. millimeter, men disse skemaer har mange begrænsninger og giver ikke høj billedkvalitet.

Amatør holografi

Som allerede skrevet ovenfor viser Denisyuks skema, når du bruger en laserdiode som en kilde til sammenhængende lys, at være ekstremt enkel, hvilket gjorde det muligt at optage sådanne hologrammer derhjemme uden brug af specialudstyr.

For at optage et hologram er det nok at skabe en bestemt ramme, hvorpå en laser, en fotografisk plade (normalt PFG-03M) og et optageobjekt vil blive fast monteret. Det eneste alvorlige krav, der stilles til designet, er minimal vibration. Installationen bør monteres på vibrationsdæmpende understøtninger; få minutter før og under eksponeringen må du ikke røre ved installationen (normalt måles eksponeringen ved at åbne og lukke laserstrålen med en skærm, der ikke er mekanisk forbundet til installationen ; i det enkleste tilfælde kan du blot holde det i hånden).

Amatørholografi bruger billige og let tilgængelige halvlederlasere:

1. laserpointere
2. laser moduler
3. separate laserdioder

Laserpointere er den nemmeste at bruge og overkommelige kilde til sammenhængende lys. Du kan købe dem for få penge næsten overalt. Efter at have skruet eller savet linsen af, der fokuserer strålen, begynder markøren at lyse som en lommelygte (bortset fra at dens plet er forlænget i én retning), så den kan oplyse den fotografiske plade og scenen bag den. Du skal bare sikre knappen på en eller anden måde (for eksempel med en tøjklemme) i tændt tilstand. Ulemperne ved pointere inkluderer deres uforudsigelige kvalitet og behovet for konstant at købe nye batterier.

En mere avanceret kilde er et lasermodul, hvis fokuseringslinse igen skal skrues af eller saves af. I modsætning til en pointer, er modulet ikke drevet af batterier inde i det, men af ​​en ekstern kilde, som kan være en stabiliseret 3V strømforsyning. Sådan en strømforsyning sælges, ligesom selve lasermodulet, normalt i radiodelebutikker for relativt få penge. Fraværet af lave batterier bidrager til stabil drift. Som regel er lasermoduler lavet bedre end pointere, men deres sammenhæng er også uforudsigelig.

Endelig er individuelle laserdioder de sværeste lyskilder at betjene. I modsætning til moduler og pointere har de ikke en indbygget strømforsyning, så du bliver nødt til at samle en eller købe en (sidstnævnte er meget dyr). Faktum er, at laserdioder som regel bruger en ikke-standard forsyningsspænding, for eksempel 1,8V, 2,7V osv. Derudover er det vigtigere for dem ikke forsyningsspændingen, men strømmen. Den enkleste strømforsyning består af en milliammeter, en variabel modstand og en standard 3-5V stabiliseret strømforsyning. Derudover er laserdioden ikke i stand til at køle sig selv, den skal installeres på en radiator. Den termiske effekt af dioder, der bruges til amatørholografi, overstiger ikke hundredvis af milliwatt, så en radiator med minimal størrelse er tilstrækkelig; jo større radiatoren er, jo mere stabil er temperaturen, og sammenhængen afhænger direkte af temperaturstabiliteten.

Som allerede skrevet ovenfor, er sammenhængen mellem pointere og moduler fuldstændig uforudsigelig, fordi denne parameter er ikke vigtig for deres normale brug. Det er meget muligt, at du skal købe flere moduler/pointere, før du støder på en instans med høj sammenhæng. Du kan forstå, at kohærens er utilstrækkelig ud fra det registrerede hologram: hvis det har karakteristiske striber, der bevæger sig, når det roterer, genererer laseren flere bølgelængder, og dens sammenhæng er lav.

I tilfælde af laserdioder er situationen mærkbart bedre. For det første, hvis dioden udviser et dårligt emissionsspektrum (dvs. lav kohærens) i sin normale driftstilstand, så kan du ved at sænke eller øge strømmen lidt gennem den forsøge at opnå et godt spektrum. For det andet er nogle dioder fremstillet af producenten under hensyntagen til kravene om høj sammenhæng. Disse er lasere med en enkelt longitudinal mode (Single longitudinal mode) eller enkelt-frekvens lasere. Deres sammenhængslængde overstiger markant en meter, hvilket i høj grad overstiger behovene for amatørholografi. Desuden starter prisen på sådanne lasere fra flere snesevis af dollars, hvilket er ret overkommeligt for de fleste amatører. Især sådanne laserdioder produceres af Opnext sammen med Hitachi.

Røde halvlederlasere med en bølgelængde på 650 nm er mest udbredt i en lang række applikationer. Disse samme lasere er mest udbredt i amatørholografi. De udmærker sig ved deres lave pris, ret høje effekt, og øjets følsomhed (og PFG-03M fotografiske plader, der bruges til at optage Denisyuk-hologrammer) over for denne bølgelængde er ret høj. Mindre almindelige i holografi er lasere med bølgelængder på 655-665 nm. Følsomheden af ​​den fotografiske plade (og øjet) til dette område er mærkbart (ca. 2 gange) mindre end til 650 nm, men sådanne lasere har mange gange mere effekt til en lignende pris. 635nm lasere er endnu mindre udbredte. Deres spektrum er ekstremt tæt på spektret af den røde He-Ne-laser (633 nm), for hvilken fotografiske plader skærpes, hvilket sikrer maksimal følsomhed (øjets følsomhed er også betydeligt, dobbelt så høj som ved 650 nm). Disse lasere har dog en høj pris, lav effektivitet og har sjældent høj effekt. Derudover er polariseringen af ​​disse lasere vinkelret på polariseringen af ​​lasere med længere bølgelængde, men dette er hverken en fordel eller en ulempe, det skal blot tages i betragtning ved installation af laseren for at sikre minimal refleksion af lys fra glasset. den fotografiske plade.

Links

• Holografi - Virtuelt Galleri- det største websted dedikeret til holografi i CIS

Hologramoptagelsesskemaet er vist i figur 1. Denisyuk optog et hologram i et tredimensionelt miljø og kombinerede således Gabors idé med Lippmanns farvefotografering. Så vil sektionerne af hologrammet med maksimal lystransmission svare til de sektioner af objektbølgens front, hvor dens fase falder sammen med referencebølgens fase. Derfor, når hologrammet efterfølgende belyses af en referencebølge, dannes den samme fordeling af amplitude og fase i dets plan som tilfældet var med objektbølgen, hvilket sikrer genoprettelse...

55. Holografi. Skema til optagelse og gendannelse af hologrammer. Optagelse af hologrammer på tykt lag emulsioner. Anvendelse af hologrammer

Holografi (fra det græske holos - hel, komplet og grafisk Jeg skriver) en metode til at optage og rekonstruere et bølgefelt, baseret på registrering af interferensmønsteret, som er dannet af en bølge reflekteret af et objekt oplyst af en lyskilde S (objektbølge), og en kohærent bølge, der kommer direkte fra kilden (referencebølge). Det registrerede interferensmønster kaldes hologram . Hologramoptagelsesskemaet er vist i figur 1.

Grundlaget for holografi blev lagt i 1948 af fysikeren D. Gabor (Storbritannien). For at forbedre elektronmikroskopet foreslog Gabor at optage information ikke kun om amplituderne, men også om faserne af elektroniske bølger ved at overlejre en kohærent referencebølge på objektbølgen. Men på grund af manglen på kraftige kilder til sammenhængende lys, var han ude af stand til at opnå holografiske billeder af høj kvalitet. Holografi oplevede sin genfødsel i 1962-1963, da de amerikanske fysikere E. Leith og J. Upatnieks brugte en laser som lyskilde og udviklede et skema med en skrå referencestråle, og Yu.N. Denisyuk optog et hologram i et tredimensionelt miljø og kombinerede dermed Gabors idé med Lippmanns farvefotografering. I 1965 1966 Det teoretiske og eksperimentelle grundlag for holografi blev skabt. I de efterfølgende år fortsatte udviklingen af ​​holografi hovedsageligt ad vejen med at forbedre dens applikationer.

Lad interferensstrukturen dannet af reference- og objektbølgerne optages af positivt fotografisk materiale. Så vil sektionerne af hologrammet med maksimal lystransmission svare til de sektioner af objektbølgens front, hvor dens fase falder sammen med referencebølgens fase. Disse områder vil være mere gennemsigtige, jo større intensiteten af ​​objektbølgen er. Derfor, når hologrammet efterfølgende belyses af en referencebølge, dannes den samme fordeling af amplitude og fase i dets plan, som tilfældet var med objektbølgen, hvilket sikrer genoprettelse af sidstnævnte.

Genopretning objektbølge, belyses hologrammet af en kilde, der skaber en kopi støttende bølger. Som et resultat af lysdiffraktion på interferensstrukturen af ​​hologrammet i en diffraktionsstråle første ordre en kopi af objektbølgen gendannes og dannes uforvrænget virtuelt billedeobjekt, placeret på det sted, hvor objektet var under holografi. Hvis hologrammet er todimensionelt, rekonstrueres den konjugerede bølge samtidigtminus af første orden, danner forvrænget virkeligt billedeemne (figur 2).

Vinklerne, ved hvilke diffraktionsstråler af nul og første orden udbreder sig, bestemmes af objektets indfaldsvinkler og referencebølgerne på den fotografiske plade. I Gabor-skemaet var referencebølgekilden og objektet placeret på hologramaksen ( aksialdiagram ). I dette tilfælde forplantede alle tre bølger sig bag hologrammet i samme retning, hvilket skabte gensidig interferens. I Leith og Upatnieks-skemaet blev sådan interferens elimineret ved at vippe referencebølgen ( off-akse ordning).

Interferensstrukturkan optages af et lysfølsomt materiale på en af ​​følgende måder:

1. i form af variationer i lystransmission eller refleksion. Sådanne hologrammer, når de rekonstruerer bølgefronten, modulerer amplituden af ​​den lysende bølge og kaldes amplitude;
2. i form af variationer i brydningsindeks eller tykkelse (relief). Sådanne hologrammer, når de rekonstruerer bølgefronten, modulerer fasen af ​​den lysende bølge og kaldes derfor fase.

Ofte udføres fase- og amplitudemodulation samtidigt. For eksempel registrerer en konventionel fotografisk plade interferensstrukturen i form af variationer i sortfarvning, brydningsindeks og relief. Efter blegning af hologrammet er der kun fasemodulation tilbage.

Interferensstruktur optaget på en fotografisk plade som regel holder i lang tid, altsåoptagelsesprocessen er adskilt fra gendannelsesprocessen (stationære hologrammer). Der er dog lysfølsomme medier (nogle farvestoffer, krystaller, metaldampe), der næsten øjeblikkeligt reagerer med fase- eller amplitudekarakteristika på belysning. I dette tilfælde eksisterer hologrammet under påvirkningen af ​​objekt- og referencebølgerne på mediet, og restaureringen af ​​bølgefronten udføres samtidig med optagelsen, som et resultat af interaktionen mellem reference- og objektbølgerne med interferensen struktur dannet af dem (dynamiske hologrammer). På principper dynamisk holografipermanente og vilkårlige hukommelsessystemer, laserstrålingskorrektorer, billedforstærkere, laserstrålingskontrolenheder og bølgefrontinversionsenheder kan oprettes.

Hvis tykkelsen af ​​det lysfølsomme lag er væsentligt større end afstanden mellem tilstødende overflader af interferensmaksima, skal hologrammet betragtes som volumetrisk . Hvis interferensstrukturen er registreret på overfladen af ​​laget, eller hvis lagtykkelsen er sammenlignelig med afstanden d mellem tilstødende elementer af strukturen, så kaldes hologrammer flad. Kriterium for overgangen fra todimensionelle hologrammer til tredimensionelle: .

Volumen hologrammerer tredimensionelle strukturer, hvor overfladerne af noder og antinoder er registreret som variationer i mediets brydningsindeks eller reflektans. Overfladerne af noder og antinoder er rettet langs halveringslinjen af ​​den vinkel, der udgør objektet og referencestrålerne. Sådanne flerlagsstrukturer virker, når de belyses af en referencebølge, som tredimensionelle diffraktionsgitre. Lys reflekteret fra lagene genopretter objektbølgen.

Stråler reflekteret fra forskellige lag forstærker hinanden, hvis de er i fase, dvs. vejforskellen mellem dem er lig med (LippmannBragg tilstand). Betingelsen er automatisk kun opfyldt for den bølgelængde, i lyset af hvilken hologrammet blev optaget. Dette bestemmer hologrammets selektivitet i forhold til kildens bølgelængde, i lyset af hvilket bølgefronten gendannes. Det bliver muligt at gendanne et billede ved hjælp af en kontinuerlig spektrumkilde (sol, glødelampe). Hvis eksponeringen blev udført med lys indeholdende flere spektrallinjer (rød, blå, grøn), dannes dens egen tredimensionelle interferensstruktur for hver bølgelængde. De tilsvarende bølgelængder vil blive adskilt fra det kontinuerlige spektrum, når hologrammet er belyst, hvilket vil føre til genoprettelse af ikke kun bølgens struktur, men også dens spektrale sammensætning, det vil sige opnåelse af et farvebillede. Tredimensionelle hologrammer danner samtidigt kun ét billede (imaginært eller virkeligt) og producerer ikke nulteordensbølger.

Hologrammes egenskaber.

EN) Hovedegenskaben ved hologrammer, som adskiller det fra et fotografi, er, at der på fotografiet kun registreres fordelingen af ​​amplituden af ​​objektbølgen, der falder ind på det, mens der i hologrammet desuden er fordelingen af ​​objektets fase. bølge i forhold til fasen af ​​referencebølgen registreres også. Information om objektbølgens amplitude registreres på hologrammet i form af kontrasten af ​​interferensrelieffet, og information om fasen i form af formen og frekvensen af ​​interferenskanterne. Som et resultat heraf genopretter hologrammet, når det belyses af en referencebølge, en kopi af objektbølgen.

B) Egenskaberne for et hologram, normalt optaget på negativt fotografisk materiale, forbliver de samme som i tilfælde af positiv optagelse: lyse områder af objektet svarer til lyse områder af det rekonstruerede billede, og mørke områder svarer til mørke områder. Dette er let at forstå under hensyntagen til, at information om objektbølgens amplitude er indeholdt i kontrasten af ​​interferensstrukturen, hvis fordeling på hologrammet ikke ændres, når en positiv proces erstattes med en negativ. Med en sådan udskiftning skifter den kun til fasen af ​​den genoprettede objektbølge. Dette er ikke mærkbart ved visuel observation, men forekommer nogle gange i holografisk interferometri.

I) Hvis lys fra hvert punkt på et objekt rammer hele overfladen af ​​hologrammet, når der optages et hologram, er hver lille sektion af sidstnævnte i stand til at rekonstruere hele billedet af objektet. Imidlertid vil en mindre del af hologrammet rekonstruere en mindre del af bølgefronten, der bærer information om objektet. Hvis dette område er meget lille, vil kvaliteten af ​​det rekonstruerede billede forringes.

I tilfælde af fokuserede billedhologrammer sender hvert punkt på objektet lys til dets tilsvarende lille område af hologrammet. Derfor genopretter et fragment af et sådant hologram kun den tilsvarende sektion af objektet.

G) Det samlede lysstyrkeområde, der transmitteres af en fotografisk plade, overstiger som regel ikke en eller to størrelsesordener, mens virkelige objekter ofte har væsentligt større lysstyrkeforskelle. Et hologram med fokuseringsegenskaber bruger alt det lys, der falder på hele dets overflade, til at konstruere de lyseste områder af billedet, og det er i stand til at formidle gradueringer af lysstyrke op til fem og seks størrelsesordener.

D) Hvis hologrammet ved rekonstruktion af bølgefronten belyses med en referencekilde placeret i forhold til hologrammet på samme måde som under dets eksponering, så falder det rekonstruerede virtuelle billede i form og position sammen med selve objektet. Når rekonstruktionskildens position ændres, når dens bølgelængde eller hologrammets orientering og størrelse ændres, bliver korrespondancen overtrådt. Som regel er sådanne ændringer ledsaget af aberrationer i det rekonstruerede billede.

E) Minimumsafstanden mellem to tilstødende punkter på et objekt, der stadig kan ses separat, når man observerer et billede af et objekt ved hjælp af et hologram, kaldeshologram opløsning. Det vokser med stigende størrelse af hologrammet. Vinkelopløsning af rund (diameter D ) af et hologram bestemmes af formlen: . Vinkelopløsning af et kvadratisk hologram med en kvadratisk side lig med L , bestemmes af formlen: .

I de fleste holografiske skemaer er den maksimale størrelse af hologrammet begrænset af opløsningen af ​​det optagelige fotografiske materiale. Dette skyldes det faktum, at en stigning i størrelsen af ​​hologrammet er forbundet med en stigning i vinklen mellem objektet og referencestrålerne og den rumlige frekvens. En undtagelse er ordningen med linseløs Fourier-holografi, hvor den ikke stiger med stigende størrelse af hologrammet.

OG) Lysstyrken af ​​det rekonstruerede billede bestemmesdiffraktionseffektivitet, som er defineret som forholdet mellem lysstrømmen i den rekonstruerede bølge og lysstrømmen, der falder ind på hologrammet under rekonstruktionen. Det bestemmes af typen af ​​hologram, betingelserne for dets optagelse samt optagelsesmaterialets egenskaber.

Den maksimalt opnåelige diffraktionseffektivitet for hologrammer er:

Til todimensionel transmission hologrammer

amplitude 6,25 %,

fase 33,9 5;

Til todimensional reflekterendehenholdsvis 6,25 og 100%;

Til tredimensionel transmissionhologrammer 3,7 og 100%;

til tredimensionelle reflekterende 7,2 og 100%.

Anvendelser af holografi. Ved genoprettelse af hologrammer skabes en fuldstændig illusion om eksistensen af ​​et objekt, der ikke kan skelnes fra originalen. Denne egenskab ved hologrammer bruges i forelæsningsdemonstrationer, når man laver tredimensionelle kopier af kunstværker og holografiske portrætter. Tredimensionelle holografiske billeder bruges til at studere bevægelige partikler, regndråber eller tåge og spor af nukleare partikler i boble- og gnistkamre.

Ved hjælp af holografiske enheder udføres forskellige bølgetransformationer, herunder bølgefrontvending for at eliminere optiske aberrationer. En af de første anvendelser af holografi var relateret til studiet af mekanisk stress. Holografi bruges til at lagre og behandle information. Dette sikrer høj optagetæthed og optagelsessikkerhed.

Billedets tredimensionalitet gør skabelsen af ​​holografisk biograf og tv lovende. Den største vanskelighed i dette tilfælde er oprettelsen af ​​enorme hologrammer, der kan ses samtidigt af et stort antal seere. Derudover skal hologrammet være dynamisk. For at skabe holografisk tv er det nødvendigt at overvinde vanskeligheden forårsaget af behovet for at udvide frekvensbåndet med flere størrelsesordener for at transmittere tredimensionelle bevægelige billeder.

Et hologram kan fremstilles ikke kun ved den optiske metode, men også designet på en computer (digitalt hologram). Maskinhologrammer bruges til at opnå tredimensionelle billeder af objekter, der endnu ikke eksisterer. Maskinhologrammer af komplekse optiske overflader bruges som standarder til interferenstest af produktoverflader.

Der kendes også akustisk holografi, som kan kombineres med metoder til visualisering af akustiske felter.

Yderligere materiale

Når reference- og objektbølgerne mødes i rummet, dannes et system af stående bølger. Maksima for amplituden af ​​stående bølger svarer til zoner, hvor de interfererende bølger er i samme fase, og minimaene svarer til zoner, hvor de interfererende bølger er i modfase. For en punktreferencekilde O 1 og et punktobjekt O 2 overfladerne af maxima og minima repræsenterer et system af revolutionshyperboloider. Interferensstrukturens rumlige frekvens (det gensidige af dens periode) bestemmes af den vinkel, hvor lysstråler, der udgår fra referencekilden og udgår fra objektet, konvergerer ved et givet punkt: , hvor er bølgelængden. Planer, der tangerer overfladen af ​​noder og antinoder i hvert punkt i rummet, halverer vinklen. I Gabor-skemaet er referencekilden og objektet placeret på hologramaksen, vinklen er tæt på nul, og den rumlige frekvens er minimal. Aksiale hologrammer kaldes også enkelt stråle , da der bruges en lysstråle, hvoraf den ene del er spredt af et objekt og danner en objektbølge, og den anden del, som passerer gennem objektet uden forvrængning, er en referencebølge.

I Leith og Upatnieks-skemaet dannes en sammenhængende skrå referencestråle separat (dobbeltstråle hologram). For dobbeltstrålehologrammer er den rumlige frekvens højere end for enkeltstrålehologrammer. Derfor kræver optagelse af dobbeltstråle-hologrammer fotografiske materialer med en højere rumlig opløsning.

Hvis reference- og objektstrålerne falder på det lysfølsomme lag fra forskellige sider (~ 180 0 ), så er det maksimum og tæt på 2/ (hologrammer i kolliderende bjælker). Interferensmaksima er placeret langs overfladen af ​​materialet i dets tykkelse. Denne ordning blev først foreslået af Denisyuk. Da når et sådant hologram belyses af en referencestråle, udbreder den rekonstruerede objektbølge sig mod den lysende stråle, kaldes sådanne hologrammer nogle gange reflekterende.

Typer af hologrammer. Hologrammets struktur afhænger af metoden til generering af objekt- og referencebølgerne og af metoden til registrering af interferensmønsteret. Afhængigt af objektets og pladens relative position samt tilstedeværelsen af ​​optiske elementer mellem dem, er forholdet mellem amplitude-fasefordelingerne af objektbølgen i hologrammets og objektets planer anderledes. Hvis objektet ligger i hologrammets plan eller er fokuseret på det, så vil amplitude-fasefordelingen på hologrammet være den samme som i objektets plan (fokuseret billedhologram; Figur 3).

Når objektet er langt nok fra pladen, eller i fokus på linsen L, sender hvert punkt på objektet en parallel lysstråle til pladen. I dette tilfælde er forbindelsen mellem amplitude-fasefordelingerne af objektbølgen i hologramplanet og i objektplanet givet af Fouriertransformationen (den komplekse amplitude af objektbølgen på pladen er det såkaldte Fourierbillede af objektet). Hologrammet i dette tilfælde kaldesFraunhofer hologram(Figur 4).

Hvis de komplekse amplituder af objektet og referencebølgerne er Fourierbilleder af objektet og referencekilden, kaldes hologrammetFourier hologram. Når der optages et Fourier-hologram, er objektet og referencekilden normalt placeret i linsens brændplan (Figur 5).

I tilfælde af et objektivløst Fourier-hologram er referencekilden placeret i objektets plan (figur 6). I dette tilfælde har fronten af ​​referencebølgen og fronterne af elementære bølger spredt af individuelle punkter på objektet samme krumning. Som et resultat er hologrammets struktur og egenskaber næsten de samme som Fourier-transformationshologrammet.

Fresnel hologrammerdannes, når hvert punkt på et objekt sender en sfærisk bølge til pladen. Efterhånden som afstanden mellem objektet og pladen øges, bliver Fresnel-hologrammer til Fraunhofer-hologrammer, og efterhånden som denne afstand mindskes, til fokuserede billedhologrammer.

S

Rigtigt billede

Virtuelt billede

Figur 6 Skema over linseløs optagelse af et Fourier-hologram

Hologram

Figur 5 Fourier-hologramoptagelsesskema

Referencekilde

Støttebjælke

L

Støttebjælke

Figur 4 Fraunhofer hologram optagelsesdiagram

Figur 3 Skema til optagelse af et fokuseret billedhologram

Figur 1 Skematisk hologramoptagelse

Figur 2 Gendannelsesskema

holografisk billede af et objekt

Støttebjælke

Hologram

Holografi- et sæt teknologier til nøjagtigt at optage, gengive og omforme bølgefelterne af optisk elektromagnetisk stråling, en speciel fotografisk metode, hvor der ved hjælp af en laser optages billeder af tredimensionelle objekter og derefter rekonstrueres, meget lig de virkelige.

Denne metode blev foreslået i 1947 af Dennis Gabor, som også opfandt udtrykket hologram og modtog Nobelprisen i fysik i 1971 "for opfindelsen og udviklingen af ​​det holografiske princip."

Holografiens historie

Det første hologram blev modtaget i 1947 (længe før opfindelsen af ​​lasere) af Dennis Gabor under eksperimenter for at øge opløsningen af ​​elektronmikroskopet. Han opfandt også selve ordet "holografi", hvormed han understregede den fuldstændige registrering af et objekts optiske egenskaber. Desværre var hans hologrammer af dårlig kvalitet. Det er umuligt at opnå et hologram af høj kvalitet uden en sammenhængende lyskilde.

Funktioner af ordningen:

Efter skabelsen i 1960 år med rød rubin (bølgelængde 694 nm, fungerer i pulserende tilstand) og helium-neon (bølgelængde 633 nm, fungerer kontinuerligt) lasere, holografi begyndte at udvikle sig intensivt.

I 1962 år, blev der skabt et klassisk skema til optagelse af hologrammer af Emmett Leight og Juris Upatnieks fra Michigan Institute of Technology (Leith-Upatnieks holograms), hvor transmissionshologgrammer optages (når man genskaber et hologram, ledes lys gennem en fotografisk plade, selvom i praksis reflekteres noget af lyset fra det og skaber også et billede, der er synligt fra den modsatte side).

Leith-Upatnieks ordning

I dette optagelsesskema er laserstrålen opdelt af en speciel enhed, en divider (i det enkleste tilfælde kan ethvert stykke glas fungere som en divider) i to. Herefter udvides strålerne ved hjælp af linser og rettes ved hjælp af spejle til objektet og optagemediet (for eksempel en fotografisk plade). Begge bølger (objekt og reference) falder på pladen fra den ene side. Med dette optagelsesskema dannes et transmissionshologram, som kræver, at en lyskilde med samme bølgelængde, som optagelsen blev foretaget ved, ideelt set en laser, gendannes.

I 1967 Det første holografiske portræt blev optaget med en rubinlaser.

Som følge af langt arbejde i 1968 år, Yuri Nikolaevich Denisyuk modtog højkvalitets (indtil da manglen på nødvendige fotografiske materialer forhindrede opnåelse af høj kvalitet) hologrammer, der genoprettede billedet ved at reflektere hvidt lys. For at gøre dette udviklede han sit eget hologramoptagelsesskema. Dette skema kaldes Denisyuk-skemaet, og de hologrammer, der opnås med dens hjælp, kaldes Denisyuk-hologrammer.

Funktioner af ordningen:

• observere billeder i hvidt lys;
• ufølsomhed over for vibrationer af "objekt-RS" elementet;
• høj opløsning optagemedie.

I 1977 Lloyd Cross skabte det såkaldte multiplex hologram. Det er fundamentalt forskelligt fra alle andre hologrammer ved, at det består af mange (fra titusinder til hundreder) individuelle flade visninger, synlige fra forskellige vinkler. Et sådant hologram indeholder naturligvis ikke fuldstændig information om objektet; desuden har det som regel ikke lodret parallakse (det vil sige, du kan ikke se på objektet oppefra og nedefra), men dimensionerne af objektet optagede objekter er ikke begrænset af laserens kohærenslængde (som sjældent overstiger flere meter, og oftest kun nogle få tiere centimeter) og størrelsen af ​​en fotografisk plade.

Desuden kan du lave et multipleks hologram af et objekt, der slet ikke eksisterer, for eksempel ved at tegne et fiktivt objekt fra mange forskellige vinkler. Multiplex holografi er overlegen i kvalitet i forhold til alle andre metoder til at skabe tredimensionelle billeder baseret på individuelle vinkler (for eksempel linserastere), men det er stadig langt fra traditionelle holografimetoder med hensyn til realisme.

I 1986 Abraham Secke fremsatte ideen om at skabe en kilde til kohærent stråling i et materiales overflade nære område ved at bestråle det med røntgenstråler. Da rumlig opløsning i holografi afhænger af størrelsen af ​​kilden til kohærent stråling og dens afstand fra objektet, viste det sig at være muligt at rekonstruere atomerne, der omgiver emitteren i det virkelige rum.

I modsætning til optisk holografi, i alle elektronholografiske skemaer, der er foreslået til dato, udføres restaureringen af ​​et objekts billede ved hjælp af numeriske metoder på en computer.

I 1988 Barton foreslog en sådan metode til at rekonstruere et tredimensionelt billede, baseret på brugen af ​​Fourier-lignende integraler, og demonstrerede dens effektivitet ved at bruge eksemplet med et teoretisk beregnet hologram for en klynge med en kendt struktur. Den første rekonstruktion af et tredimensionelt billede af atomer i det virkelige rum fra eksperimentelle data blev udført for Cu(001) overfladen af ​​Harp i 1990.

Fysiske principper

Grundlæggende lov om holografi

Hvis et lysfølsomt materiale, hvorpå der er optaget et interferensmønster af flere lysbølger, placeres i den position, hvor det var under optagelsesprocessen og belyses igen med nogle af disse bølger, så vil resten blive genoprettet. Denne funktion forklares ved, at ikke kun intensiteten registreres på hologrammet, som på en almindelig fotografisk plade, men også fasen af ​​lyset, der udgår fra objektet. Det er information om bølgens fase, der er nødvendig for dannelsen af ​​tredimensionelt rum under rekonstruktionen, snarere end den todimensionelle, som almindelig fotografering giver. Således er holografi baseret på bølgefront rekonstruktion.

Den holografiske proces består af to faser - optagelse og restaurering.

• Bølgen fra objektet interfererer med "reference"-bølgen, og det resulterende mønster registreres.
• Den anden fase er dannelsen af ​​en ny bølgefront og opnåelse af et billede af det originale objekt.

Registrering af information om fasen af ​​en bølge, der kommer fra et objekt, kan kun ske med en lyskilde med stabile fasekarakteristika. Ideel til dette formål er laser- sammenhængende lyskilde med høj intensitet og høj monokromaticitet.

Superpositionsprincip

Daglig erfaring viser, at belysningsstyrken produceret af to eller flere almindelige usammenhængende lyskilder er den simple sum af belysningsstyrkerne produceret af hver af dem separat. Dette fænomen kaldes superpositionsprincippet.

Huygens skrev også i sin afhandling: "En af de mest vidunderlige egenskaber ved lys er, at når det kommer fra forskellige retninger, frembringer dets stråler en effekt, der passerer gennem hinanden uden nogen indblanding." Grunden til dette er, at hver kilde, der består af mange atomer og molekyler, samtidig udsender et stort antal bølger, der er ude af fase. Faseforskellen ændrer sig hurtigt og tilfældigt, og på trods af at der opstår interferens mellem nogle bølger, ændres interferensmønstrene med en sådan frekvens, at øjet ikke når at bemærke ændringerne i belysningen. Derfor opfattes intensiteten af ​​den resulterende oscillation som summen af ​​komponenterne i de oprindelige svingninger, og strålingen fra kilden er "Hvidt lys, altså ikke monokromatisk, men bestående af forskellige bølgelængder. Af samme grund er dette lys upolariseret, men naturligt, det vil sige, at det ikke har et fremherskende vibrationsplan.

Sammenhængende svingninger

Under særlige forhold overholdes superpositionsprincippet ikke. Dette observeres, når faseforskellen mellem lysbølger forbliver konstant i lang nok tid til at blive observeret. Bølgerne ser ud til at "lyde i takt". Sådanne svingninger kaldes kohærente.

Hovedtræk ved sammenhæng er muligheden for interferens. Det betyder, at når to bølger mødes, interagerer de og danner en ny bølge. Som et resultat af denne interaktion vil den resulterende intensitet afvige fra summen af ​​intensiteterne af de enkelte svingninger - afhængigt af faseforskellen dannes der enten et mørkere eller lysere felt, eller i stedet for et ensartet felt vekslende bånd af forskellig intensitet er dannet, interferenskanter.

Monokromatiske bølger er altid sammenhængende, Men lysfiltre, ofte kaldet monokromatiske, producerer i virkeligheden aldrig strengt monokromatisk stråling, men indsnævrer kun spektralområdet og omdanner naturligvis ikke almindelig stråling til sammenhængende stråling.

Opnåelse af sammenhængende stråling

Tidligere kendte man kun til én måde at producere sammenhængende stråling på - ved hjælp af en speciel enhed - interferometer. Strålingen fra en konventionel lyskilde blev opdelt i to stråler, kohærente med hinanden. Disse stråler kan forstyrre. En anden metode er nu kendt, der anvender stimuleret stråling. Lasere er baseret på dette princip.

Diffraktion i holografi

Det vigtigste fysiske fænomen, som holografi er baseret på, er diffraktion- afvigelse fra dens oprindelige retning af lys, der passerer nær kanterne af uigennemsigtige legemer eller gennem smalle spalter. Hvis der ikke er påført en, men flere slidser på skærmen, fremkommer der et interferensmønster, der består af en række skiftende lyse og mørke striber, lysere og smallere end med en enkelt slids. I midten er der det lyseste bånd af "nul orden", på begge sider af det er der bånd med gradvist aftagende intensitet af den første, anden og andre orden. Efterhånden som antallet af slidser på skærmen øges, bliver striberne smallere og lysere. En skærm med et stort antal tynde parallelle spalter, hvis antal ofte øges til 10.000, kaldes et diffraktionsgitter.

Gitteret, som er et hologram, er primært kendetegnet ved, at diffraktion ikke sker ved spalten, men ved cirklen. Diffraktionsmønsteret fra et rundt uigennemsigtigt objekt er en lys central cirkel omgivet af gradvist svækkende ringe. Hvis der i stedet for en uigennemsigtig skive placeres en skive med ringe omkring den i bølgens bane, bliver cirklen i billedet lysere, og striberne bliver blegere. Hvis gennemsigtigheden fra et mørkt til et lyst område ikke ændrer sig brat, men gradvist ifølge en sinusformet lov, danner et sådant gitter kun striber af nul og første orden, og interferens i form af striber af højere orden ikke komme til syne. Denne egenskab er meget vigtig, når du optager et hologram. Hvis overgangen fra en mørk ring til en lys udføres strengt i henhold til en sinusformet lov, forsvinder ringene i billedet, og billedet vil være en lille lys cirkel, næsten en prik. Således vil et cirkulært sinusformet gitter fra en parallel stråle af stråler (en plan bølge) danne det samme billede som en samlelinse.

Dette gitter, kaldet zonegitter(Soret-plade, Fresnel-plade), nogle gange brugt i stedet for en linse. For eksempel bruges det i briller, der erstatter tunge brilleglas med høj refraktion. At opnå zoneriste er muligt på forskellige måder, både mekanisk og optisk, interferens. Brugen af ​​disse gitre, opnået ved interferens, danner grundlaget for holografi.

Hologram optagelse

For at optage et hologram af et komplekst ikke-selvlysende objekt belyses det med laserstråling. En sammenhængende referencebølge rettes mod den samme plade, hvorpå det spredte lys, der reflekteres af objektet, falder. Denne bølge adskilles fra laserstrålingen ved hjælp af spejle.

Lyset, der reflekteres af hvert punkt på objektet, interfererer med referencebølgen og danner et hologram af dette punkt. Da ethvert objekt er en samling af lysspredende punkter, er mange elementære hologrammer overlejret på den fotografiske plade - punkter, der tilsammen giver et komplekst interferensbillede af objektet.

Det fremkaldte hologram placeres på det sted, hvor det var under optagelsen, og laseren tændes. Ligesom ved gendannelse af et hologram af et punkt, når hologrammet belyses af en lysstråle fra en laser, der er involveret i optagelsen, gendannes lysbølgerne, der kommer fra objektet under optagelsen. Hvor objektet var placeret under optagelsen, er et virtuelt billede synligt. Det rigtige billede, der er forbundet med det, er dannet på den anden side af hologrammet, på observatørens side. Den er normalt usynlig, men i modsætning til den imaginære kan den fås på skærmen.

Yu. N. Denisyuk (1962) udviklet en metode, hvor der bruges tredimensionelle medier i stedet for en tyndtlagsemulsion til at registrere et hologram. I et så tykt hologram opstår stående bølger, hvilket betydeligt udvidede metodens muligheder. Et tredimensionelt diffraktionsgitter har udover de tidligere beskrevne egenskaber ved et hologram en række vigtige egenskaber. Det mest interessante er muligheden for billedgendannelse ved hjælp af en konventionel kontinuerlig spektrumkilde - en glødelampe, solen og andre emittere. Derudover er der i et tredimensionelt hologram ingen nulteordensbølger og et rigtigt billede, og derfor reduceres interferens.