Reflekterende hologram av Yu.N. Denisyuk

Gabor hologram registreringsskjema

I denne posisjonen (posisjon 1 i fig. 1.1) forplanter hovedstrålene til objektet og referansestrålene seg i samme retning. Hologrammene oppnådd på denne måten kalles aksiale hologrammer eller Gabor-hologrammer. Når du registrerer dem, er forskjellen i banen til objektet og referansebølgene innenfor overflaten av platen minimal sammenlignet med alle andre mulige posisjoner, noe som gjør det mulig å bruke den til å danne et holografisk felt som strålingskilder med en lav grad av sammenheng. Den relativt store avstanden mellom tilstøtende maksimumsflater reduserer kravene til oppløsningen til opptaksmediet.

Ris. 1.3

Et skjematisk diagram over registrering av Gabor-hologrammer er vist i fig. 1.3.1. Her er S en kilde til koherent stråling, T er en transparent med et bilde av et objekt, H er et hologram. I samsvar med diagrammet ovenfor kan den totale komplekse amplituden U av lys som faller inn på et fotosensitivt medium i hologramregistreringsplanet representeres som summen av den komplekse amplituden til bakgrunns- eller referansebølgen som ikke ble diffraktert på strukturen til objektet R og den komplekse amplituden til bølgen som ble diffraktert på objektet - O

U = R + O, (1.3.2)

Derfor kan strålingsintensiteten I i hologramregistreringsplanet beskrives som følger:

Ved lineær prosessering av hologrammet og gjenoppretting av det med en referansebølge med en kompleks amplitude R, kan feltamplituden i hologramplanet, rett bak det - A, beskrives opp til en proporsjonalitetskoeffisient som følger:

Hvis amplituden til referansebølgen er den samme over hele hologrammets plan, beskriver det første leddet på høyre side av uttrykket (1.3.4.) en bølgefront, hvis komplekse amplitude er proporsjonal med amplituden til den opprinnelige bølgen U i uttrykk (1.3.2).

Optisk skjema for opptak av Leith-Upatnieks hologrammer

Interferens observeres når to bølger legges til, når, forutsatt at de er koherente, dvs. en konstant faseforskjell mellom disse bølgene, oppstår en karakteristisk romlig fordeling av lysintensitet - et interferensmønster. Den fotografiske detektorplaten registrerer dette i form av vekslende lyse og mørke striper, eller et interferogram.

For å bestemme restspenninger ble det også brukt konvensjonell interferometri, men dette arbeidet kunne bare utføres i et velutstyrt laboratorium: spesiell forberedelse av overflaten til objektet som ble undersøkt var nødvendig, noe som ga den riktig form, spesiell belysning og utstyr.

Da laseren ble opprettet, dvs. en strålingskilde med høy romlig og tidsmessig koherens, begynte optisk holografi å utvikle seg - en metode for å registrere og rekonstruere lysbølger spredt av et objekt og bære informasjon om dets form (dvs. et tredimensjonalt bilde av objektet). Noen interferometriteknikker har blitt sterkt forenklet, siden problemene med belysning og overflatebehandling er eliminert.

Den grunnleggende optiske kretsen for registrering av et hologram i henhold til Leith-Upatnieks er vist i fig. 1.3.2. Laserstrålen (1) utvides med en linse (2) og deles i to deler av et gjennomskinnelig speil (3). En del - dette er referansestrålen (RL) - passerer gjennom speilet og faller umiddelbart på den fotografiske detektorplaten (5). Den andre delen, reflektert fra speilet, belyser objektet (4) og, diffust spredt av det, passerer gjennom linsen (6) og faller også på detektoren. Dette er en objektstråle (SL).

Ris. 1.4 - Skjematisk diagram av opptak av et Leith-Upatnieks hologram: 1 - laser, 2 - linse, 3 - gjennomskinnelig speil, 4 - objekt, 5 - fotografisk platedetektor, 6 - linse i forstørrelsesmodus, OL - referansestråle, PL - objektstråle

Merk at tilstedeværelsen av en linse (6) ikke er avgjørende for å registrere hologrammer, men er nødvendig for å måle gjenværende spenninger. Objektivet er plassert i brennvidde fra objektet og fungerer derfor i forstørrelsesmodus: ikke hele bildet av objektet er tatt opp på den fotografiske platen, men en liten del av det, men forstørret med 2-5 ganger - overflatearealet med hullet. Dette bidrar til å vurdere interferogramstriper som er ganske tett plassert (spesielt ved kanten av hullet).

I dette opptaksskjemaet er laserstrålen delt av en spesiell enhet, en skillelinje (i det enkleste tilfellet kan ethvert glassstykke fungere som en skillevegg) i to. Etter dette utvides strålene ved hjelp av linser og rettes ved hjelp av speil til objektet og opptaksmediet (for eksempel en fotografisk plate). Begge bølgene (objekt og referanse) faller på platen fra den ene siden. Med dette opptaksskjemaet dannes et overføringshologram, som krever at en lyskilde med samme bølgelengde som opptaket ble gjort ved, ideelt sett en laser, gjenopprettes.

Hologrammer oppnådd på opptaksmedier som er relativt tykke, sammenlignet med perioden med maksimal intensitet av det holografiske feltet, representerer et volumetrisk diffraksjonsgitter som består av en sekvens av delvis reflekterende overflater.

Et slikt gitter er kjent for å være selektivt, dvs. avhengig av innfallsvinkelen og bølgelengden til rekonstruksjonsbølgen, en respons beskrevet av Braggs lov. Hologrammer med slike egenskaper kalles volumetriske eller Bragg-hologrammer. Hvis opptaksmediet, som er tykt sammenlignet med perioden for maksima for det holografiske feltet, er satt til posisjon 3, faller referanse- og objektsfæriske bølger på det fra forskjellige sider. I dette tilfellet er avstanden mellom overflatene til det holografiske feltintensitetsmaksima omtrent halvparten av bølgelengden til registreringsstrålingen, og disse overflatene er nær plan som er parallelle med overflaten til registreringsmediet.

Ris. 1.5

Denne hologramregistreringsordningen ble foreslått av Yu.N. Denisyuk og bærer navnet hans.

Når du registrerer et hologram i et slikt skjema, dannes et stort antall delvis reflekterende strålingsoverflater, kalt strata, i volumet til opptaksmediet, og fungerer som et reflekterende interferensfilter. Selv for opptak av middels tykkelser på 10 - 12 mikron kan antallet av disse lagene være mer enn 50. Det store antallet delvis reflekterende overflater i hologrammet bestemmer deres høye spektrale selektivitet, noe som gjør det mulig å gjenopprette bildet som er tatt opp på dem i hvitt lys. Slike hologrammer kalles Yu.N. Denisyuk eller reflekterende volumetriske hologrammer. Det skal bemerkes at Lippmanns fotografi, kjent fra et fysikkkurs, i hovedsak er et spesielt tilfelle av Denisyuks hologram.

Holografi med en skråstilt referansestråle med en diffus og ikke-diffus objektstråle.

Innhenting av et hologram ved bruk av en referansebølge som faller inn på opptaksmediet i en vinkel som er forskjellig fra innfallsvinkelen til objektbølgen. Romlig frekvensanalyse av denne metoden er basert på konseptet med en bærebølge, eller referansebølge, hvis romlige frekvens moduleres av informasjon om objektet. Dermed er uttrykket "bærefrekvenshologram" ekvivalent med uttrykket "off-axis hologram". Når du bruker bærefrekvensmetoden, er det ikke nødvendig å oppnå en referansebølge på grunn av lys som passerer gjennom objektet. Som et resultat, når du bruker off-akse hologrammer, i motsetning til Gabor-hologrammer, er det ikke nødvendig å begrense seg til gjennomsiktighet med store gjennomsiktige områder. I fig.1.3.4. En enkel metode for å dele bølgefronten er vist, som gjør det mulig å belyse en transparent transparens med en koherent plan bølge og få en skrå plan bølge fra samme kilde. Du kan ta en halvtonetransparens som et objekt. La O(x, y) være den komplekse amplituden til objektbølgen i hologramplanet, R = r exp(2рiоrx) = r exp(ikx sinи) være den komplekse amplituden til planreferansebølgen. Fra en sammenligning av disse uttrykkene, som sier at fasen til bølgen er omvendt proporsjonal med den optiske banen som er tilbakelagt, får vi et uttrykk for den romlige frekvensen til referansebølgen, presentert i fig. 1.3.4.

Ris. 1.6

Romlig frekvens til referansebølgen vist i fig. 1.3.4. Den romlige frekvensen til referansebølgen tilsvarer bølgevektoren til referansebølgen rettet nedover fra z-aksen, der u er vinkelen som dannes av den i xz-planet med z-aksen.

Metoden for å belyse en delvis gjennomsiktig gjennomsiktighet med en plan bølge, som vi vurderte tidligere, har en rekke ulemper, inkludert:

* vanskeligheten med å observere det rekonstruerte virtuelle bildet, som består i behovet for å skanne hele hologrammets plan med observatørens pupill;

* sterk ujevnhet i intensiteten til objektbølgen i hologramregistreringsplanet, noe som gjør det vanskelig å velge intensiteten til referansebølgen.

Disse ulempene kan elimineres ved å bruke diffus belysning av den holografiske transparensen. For å gjøre dette plasseres vanligvis en diffus skjerm, for eksempel frostet glass, mellom laserkilden og transparenten. Siden den diffuse skjermen sprer lys over en bred solid vinkel, trenger ikke observatøren lenger å skanne hele overflaten av hologrammet med pupillen sin for å se hele bildet av gjennomsiktigheten. Selv om fasen av lys spredt av en diffus skjerm og sendt gjennom et objekt er en raskt skiftende romlig funksjon av koordinater i hologramplanet, kan lys i dette planet beholde koherente egenskaper. Dette skjer hvis:

* den første bølgen som lyser opp den diffuse skjermen er romlig koherent over hele skjermens område;

* den maksimale lysbanelengden fra kilden til hologrammet gjennom den diffuse skjermen avviker fra referansestrålebanelengden med ikke mer enn koherenslengden;

* skjermen forblir ubevegelig.

Et hologram oppnådd under diffus belysning har en rekke bemerkelsesverdige egenskaper. Faktum er at en diffus skjerm har et bredere spekter av romlige frekvenser enn en holografisk gjennomsiktighet, den sprer lys over en bred helvinkel slik at hvert punkt i hologramåpningen mottar lys fra alle punkter i gjennomsiktigheten. Som et resultat, på rekonstruksjonsstadiet, kan hele det virtuelle bildet av objektet observeres gjennom hvilken som helst del av hologrammet. Når visningsretningen er forskjøvet, er bildet synlig fra den andre siden. Hvis vi har et hologram av en todimensjonal gjennomsiktighet og ønsker å observere bildet, vil vi kunne gjenopprette det fullstendig, selv om hologrammet ble ødelagt eller skadet, slik at bare et lite område ble bevart. Selvfølgelig er oppløsningen i bildet dårligere, jo mindre området til den gjenværende delen av hologrammet er. Merk at diffus belysning av et objekt, i tillegg til fordelene som er oppført ovenfor, også har en rekke betydelige ulemper. Blant dem er den kornete, flekkete strukturen til bilder rekonstruert ved hjelp av slike hologrammer. Takket være det består de rekonstruerte bildene av individuelle lyse flekker atskilt av absolutt mørke rom. Størrelsen på flekkene er på grensen for oppløsningen til hologrammet, og deres kontrast (synlighet) - V, definert som forholdet mellom forskjellen mellom maksimal og minimum intensitet av bildeelementer til summen deres, er lik 1.

Årsaken til utseendet av flekker ligger i umuligheten av å registrere hele feltet spredt av diffusoren. Tapet og ikke-registreringen av en del av objektets felt på hologrammet fører til en omfordeling av intensiteten til det rekonstruerte bildet, som ser ut som en flekkete struktur. Tilstedeværelsen av flekker begrenser den praktiske bruken av hologrammer med diffus belysning av et objekt. For eksempel, i fotolitografi, er flekker uakseptable fordi de fører til brudd på de avbildede strukturene. Til i dag har ingen radikal metode for å bekjempe flekk blitt oppfunnet. Det eneste som foreslås gjort i denne retningen er å bruke akkumuleringsmetoden, d.v.s. en metode for sekvensiell registrering av flere implementeringer av det samme rekonstruerte bildet, preget av forskjellige flekkmønstre. Denne metoden implementeres praktisk talt ved å installere en roterende diffusor i den gjenopprettede strålen. Tilstedeværelsen av en roterende diffusor gjør det mulig å gjennomsnitt over tid ulike realiseringer av flekkmønstre og redusere dem til støy som er konstant langs bildeplanet. Samtidig forårsaker scattereren en endring i strukturen til rekonstruksjonsstrålen og fører derved til en reduksjon i oppløsningen i det rekonstruerte bildet. Vi vil snakke om dette mer detaljert senere.

Materialer for opptak av hologrammer

For tiden er de fleste volumetriske hologrammer registrert ved bruk av fotopolymerer. Av disse er fotopolymerer fra Du Pont de mest utbredte og kjente. De produseres i industriell skala og er mye brukt til produksjon av sikkerhetsholografiske tagger, som hologrammer på kredittkort, sedler, etc. Fotopolymerer kan registreres i nesten alle områder av det synlige spekteret. Oppløsningen deres overstiger også 3000 mm-1, noe som gjør det mulig å bruke disse mediene til opptak av refleksjonshologramme ifølge Yu.N. Denisyuk. Lysfølsomheten deres er titalls mJ/cm2. De viktigste fordelene med fotopolymerer inkluderer lave støynivåer og enkel behandling etter eksponering. Ulempen med disse mediene er vanskeligheten med å påføre dem på et underlag i form av en film av samme tykkelse.

Den vanligste og mest brukte metoden for å ta bilder av objekter er fotografering. I fotografering registreres intensitetsfordelingen av lysbølger i en todimensjonal projeksjon av bildet av et objekt på fotografiets plan.

Derfor, uansett hvilken vinkel vi ser på fotografiet fra, ser vi ikke nye vinkler. Vi kan heller ikke se objekter som ligger i bakgrunnen og skjult av de foran. Perspektiv i et fotografi er kun synlig ved endringer i de relative størrelsene på objekter og klarheten i bildet.

Holografi er en av de bemerkelsesverdige prestasjonene til moderne vitenskap og teknologi. Navnet kommer fra de greske ordene holos – komplett og grapho – skriv, som betyr et fullstendig opptak av et bilde.

Holografi er fundamentalt forskjellig fra konvensjonell fotografering ved at det lysfølsomme materialet registrerer ikke bare intensiteten, men også fasen av lysbølger spredt av et objekt og bærer fullstendig informasjon om dens tredimensjonale struktur. Som et middel til å vise virkeligheten har et hologram en unik egenskap: i motsetning til fotografering, som skaper et flatt bilde, kan et holografisk bilde reprodusere en nøyaktig tredimensjonal kopi av det originale objektet. Moderne hologrammer observeres når de belyses av konvensjonelle lyskilder, og full volumetrisitet i kombinasjon med høy nøyaktighet av overflateteksturgjengivelse gir en full effekt av tilstedeværelse.

Holografi er basert på to fysiske fenomener - diffraksjon og interferens av lysbølger.

Den fysiske ideen er at når to lysstråler er overlagret, under visse forhold, vises et interferensmønster, det vil si at maksima og minima for lysintensitet vises i rommet. For at dette interferensmønsteret skal være stabilt over tiden som kreves for observasjon og registreres, må de to lysbølgene koordineres i rom og tid. Slike konsistente bølger kalles koherente.

Det resulterende tillegget av to koherente bølger vil alltid være en stående bølge. Det vil si at interferensmønsteret vil være stabilt over tid. Dette fenomenet ligger til grunn for produksjon og restaurering av hologrammer.

Konvensjonelle lyskilder har ikke tilstrekkelig grad av sammenheng for bruk i holografi. Derfor var oppfinnelsen i 1960 av en optisk kvantegenerator eller laser, en fantastisk strålingskilde som har den nødvendige graden av sammenheng og kan avgi strengt tatt én bølgelengde, av avgjørende betydning for utviklingen.

Dennis Gabor, mens han studerte problemet med bildeopptak, kom opp med en god idé. Essensen av implementeringen er som følger. Hvis en stråle av koherent lys deles i to og det registrerte objektet belyses med bare én del av strålen, og dirigerer den andre delen til en fotografisk plate, vil strålene som reflekteres fra objektet forstyrre strålene som faller direkte på platen fra lyskilden. Lysstrålen som faller inn på platen kalles støttende, og strålen reflektert eller passert gjennom objektet Emne. Tatt i betraktning at disse strålene er hentet fra samme strålekilde, kan du være sikker på at de er koherente. Et fotografisk opptak av interferensmønsteret til en objektbølge og en referansebølge har egenskapen å gjenopprette bildet av et objekt dersom referansebølgen rettes mot et slikt opptak igjen. De. Når bildet som er tatt opp på platen blir opplyst av referansestrålen, vil bildet av objektet bli gjenopprettet, som visuelt ikke kan skilles fra det virkelige. Hvis du ser gjennom platen fra forskjellige vinkler, kan du se et perspektivbilde av objektet fra forskjellige sider. Selvfølgelig kan en fotografisk plate oppnådd på en så mirakuløs måte ikke kalles et fotografi. Dette er et hologram.

I 1962 oppnådde I. Leith og J. Upatnieks de første transmitterende hologrammene av volumetriske objekter laget ved hjelp av en laser. En stråle av koherent laserstråling blir rettet mot et gjennomskinnelig speil, ved hjelp av hvilket to stråler oppnås - en objektstråle og en referansestråle. Referansestrålen rettes direkte til den fotografiske platen. Objektstrålen lyser opp objektet, hvis hologram er registrert. Lysstrålen som reflekteres fra objektet - objektstrålen - treffer den fotografiske platen. I platens plan danner to stråler - objektet og referansestrålene - et komplekst interferensmønster, som på grunn av sammenhengen mellom de to lysstrålene forblir uendret i tid og er et bilde av en stående bølge. Alt som gjenstår er å registrere det på vanlig fotografisk måte. Det resulterende interferensmønsteret er et kodet bilde som beskriver objektet slik det er synlig fra alle punkter på den fotografiske platen. Dette bildet lagrer informasjon om både amplituden og fasen til bølgene som reflekteres fra objektet.

Hvis et hologram er registrert i et visst volumetrisk medium, reproduserer den resulterende stående bølgemodellen entydig ikke bare amplituden og fasen, men også den spektrale sammensetningen av strålingen som er registrert på den. Denne omstendigheten var grunnlaget for opprettelsen av tredimensjonale (volum) hologrammer. Driften av volumetriske hologrammer er basert på Bragg-diffraksjonseffekten: som et resultat av interferensen av bølger som forplanter seg i en tykklagsemulsjon, dannes det plan som er opplyst med lys med høyere intensitet.

Etter at hologrammet er utviklet, dannes lag med sverting på de eksponerte planene. Som et resultat av dette skapes det såkalte Bragg-plan, som har egenskapen til å delvis reflektere lys.

De. et tredimensjonalt interferensmønster skapes i emulsjonen.

Et slikt tyktlagshologram gir effektiv rekonstruksjon av objektbølgen, forutsatt at innfallsvinkelen til referansestrålen forblir uendret under opptak og rekonstruksjon. Det er heller ikke tillatt å endre lysets bølgelengde under restaurering. Denne selektiviteten til et volumetrisk overføringshologramme gjør det mulig å ta opp til flere dusin bilder på en plate, og endrer innfallsvinkelen til referansestrålen under henholdsvis opptak og rekonstruksjon.

Ved rekonstruering av et volumetrisk hologram, i motsetning til flate transmisjonshologrammer, dannes bare ett bilde på grunn av refleksjon av rekonstruksjonsstrålen fra hologrammet i bare én retning, bestemt av Bragg-vinkelen.

Reflekterende volumetriske hologrammer registreres ved hjelp av et annet skjema. Ideen om å lage disse hologrammene tilhører Yu.N. Denisyuk. Derfor er hologrammer av denne typen kjent under navnet på skaperen deres.

Referanse- og objektlysstrålene er dannet ved hjelp av en splitter og rettet gjennom et speil mot platen fra begge sider. Objektbølgen belyser den fotografiske platen fra siden av emulsjonslaget, og referansebølgen belyser den fotografiske platen fra siden av glasssubstratet. Under slike opptaksforhold er Bragg-flyene plassert nesten parallelt med planet til den fotografiske platen. Således kan tykkelsen på fotolaget være relativt liten.

9.4. Elementer av integrerte kretser.

Begynnelsen av skjemaet

INTEGRERT KRETS(IC), en mikroelektronisk krets dannet på en liten skive (krystall eller "chip") av halvledermateriale, vanligvis silisium, som brukes til å kontrollere og forsterke elektrisk strøm. En typisk IC består av mange sammenkoblede mikroelektroniske komponenter, som transistorer, motstander, kondensatorer og dioder, fremstilt ved overflatelaget av brikken. Størrelsene på silisiumkrystaller varierer fra omtrent 1,3 x 1,3 mm til 13 x 13 mm. Fremskritt innen integrerte kretser har ført til utviklingen av storskala og svært storskala integrerte kretser (LSI og VLSI) teknologier. Disse teknologiene gjør det mulig å produsere IC-er, som hver inneholder mange tusen kretser: en enkelt brikke kan ha mer enn 1 million komponenter Integrerte kretser har en rekke fordeler i forhold til forgjengerne - kretser som ble satt sammen av individuelle komponenter montert på en. chassis. IC-er er mindre, raskere og mer pålitelige; De er også billigere og mindre utsatt for feil forårsaket av vibrasjoner, fuktighet og aldring. Miniatyriseringen av elektroniske kretser ble gjort mulig på grunn av de spesielle egenskapene til halvledere. En halvleder er et materiale som har mye større elektrisk ledningsevne (ledningsevne) enn et dielektrikum som glass, men betydelig mindre enn ledere som kobber. Krystallgitteret til et halvledermateriale som silisium har for få frie elektroner ved romtemperatur til å gi betydelig ledningsevne. Derfor har rene halvledere lav ledningsevne. Men å introdusere en passende urenhet i silisium øker dens elektriske ledningsevne. Dopingmidler introduseres i silisium ved hjelp av to metoder. Ved kraftig doping eller i tilfeller hvor nøyaktig kontroll av mengden innført urenhet ikke er nødvendig, brukes vanligvis diffusjonsmetoden. Diffusjon av fosfor eller bor utføres vanligvis i en atmosfære av et dopemiddel ved temperaturer mellom 1000 og 1150 C i fra en halv time til flere timer. Ved ioneimplantasjon blir silisium bombardert med høyhastighets dopantioner. Mengden implantert urenhet kan justeres med en nøyaktighet på flere prosent; Nøyaktighet i noen tilfeller er viktig, siden forsterkningen av transistoren avhenger av antall urenhetsatomer implantert per 1 cm 2 base.

Som sammenfaller med en meget høy grad av nøyaktighet, oppstår en stående elektromagnetisk bølge. Når et hologram registreres, legges to bølger til i et bestemt område av rommet: en av dem kommer direkte fra kilden (referansebølge), og den andre reflekteres fra opptaksobjektet (objektbølge). I området av en stående elektromagnetisk bølge (eller annet opptaksmateriale) er plassert, som et resultat, vises et komplekst mønster av mørkere bånd på denne platen, som tilsvarer fordelingen av elektromagnetisk energi (mønster) i dette området av rommet. Hvis nå denne platen er opplyst av en bølge nær referansen, vil den konvertere denne bølgen til en bølge nær objektet. Dermed vil vi se (med varierende grad av nøyaktighet) det samme lyset som ville bli reflektert fra opptaksobjektet.

Kilder til lys

Når du tar opp et hologram, er det ekstremt viktig at lengdene (frekvensene) til objektet og referansebølgene sammenfaller med hverandre med maksimal nøyaktighet og ikke endres i løpet av hele opptakstiden (ellers vil det ikke registreres et klart bilde på platen) . Dette kan bare oppnås hvis to betingelser er oppfylt:

begge bølgene ble opprinnelig sendt ut av samme kilde
denne kilden sender ut en bølge med en veldig stabil bølgelengde (stråling)

Den eneste lyskilden som tilfredsstiller den andre betingelsen godt er . Før oppfinnelsen av lasere utviklet seg praktisk talt ikke holografi. I dag stiller holografi et av de strengeste kravene til laserkoherens.

Oftest er koherens vanligvis preget av koherenslengden - den forskjellen i de optiske banene til to bølger, hvor klarheten til interferensmønsteret faller med det halve sammenlignet med interferensmønsteret produsert av bølger som har reist samme avstand fra kilden . For ulike lasere kan koherenslengden variere fra flere millimeter (høyeffektlasere beregnet for sveising, skjæring og andre applikasjoner som ikke krever denne parameteren) til titalls meter (spesielle, såkalte enkeltfrekvenslasere for applikasjoner som krever sammenheng).

Holografiens historie

Det første hologrammet ble oppnådd i året (lenge før oppfinnelsen av lasere) under eksperimenter for å øke oppløsningen. Han laget også selve ordet "holografi", som han la vekt på den fullstendige registreringen av de optiske egenskapene til et objekt. Dessverre var hologrammene hans av dårlig kvalitet. Det er umulig å oppnå et hologram av høy kvalitet uten en sammenhengende lyskilde.

Leith-Upatnieks notasjonsskjema

I dette opptaksskjemaet er laserstrålen delt av en spesiell enhet, en skillelinje (i det enkleste tilfellet kan ethvert glassstykke fungere som en skillevegg) i to. Etter dette utvides strålene ved hjelp av linser og rettes mot objektet og platen ved hjelp av speil. Begge bølgene (objekt og referanse) faller på platen fra den ene siden. Med dette opptaksskjemaet dannes et overførende hologram, som krever for sin rekonstruksjon en kilde som sender ut lys i et veldig lite bølgelengdeområde (monokrom stråling), ideelt sett - .

Denisyuks innspillingsskjema

I dette opplegget utvides laserstrålen og rettes mot. En del av strålen som passerer gjennom den, lyser opp objektet. Lys som reflekteres fra et objekt danner en objektbølge. Som man kan se, faller objekt- og referansebølgene på platen fra forskjellige sider. I dette skjemaet registreres et reflekterende hologram, som uavhengig kutter ut en smal seksjon (seksjoner) fra det kontinuerlige spekteret og reflekterer bare dette. Takket være dette er hologrambildet synlig i vanlig hvitt lys eller en lampe (se bildet i begynnelsen av artikkelen). Til å begynne med kutter hologrammet ut bølgelengden som det ble registrert med (men under behandling og ved lagring av hologrammet kan det endre tykkelsen, og bølgelengden endres også), noe som gjør det mulig å registrere tre hologrammer av ett objekt på ett objekt plate, og med lasere, til slutt oppnå et fargehologram som er nesten umulig å skille fra selve objektet.

Dette opplegget er preget av ekstrem enkelhet, og ved bruk (som har ekstremt små dimensjoner og produserer en divergerende stråle uten bruk av ) reduseres den til bare én laser og en base som laseren, platen og objektet er festet på. Det er nettopp disse ordningene som brukes ved opptak av amatørhologrammer.

Fotomateriale

Holografi er ekstremt krevende for oppløsningen til fotografiske materialer. Avstanden mellom de to maksima av mønsteret er av samme størrelsesorden som laserbølgelengden, sistnevnte er oftest 633 (helium-neon) eller 532 (andre harmonisk laser) nanometer. Dermed er denne verdien i størrelsesorden 0,0005 mm. For å få et klart bilde av interferensmønsteret, var fotografiske plater med fra 3000 (Leit-Upatnieks) til 5000 (Denisyuk) linjer per millimeter nødvendig.

Det viktigste fotografiske materialet for opptak av hologrammer er spesielle fotografiske plater basert på tradisjonelt sølvbromid. Takket være spesielle tilsetningsstoffer og en spesiell utviklingsmekanisme var det mulig å oppnå en oppløsning på mer enn 5000 linjer per millimeter, men dette kommer på bekostning av ekstremt lav følsomhet på platen og et smalt spektralområde (nøyaktig tilpasset laserstrålingen) ). Følsomheten til platene er så lav at de kan utsettes for direkte sollys i noen sekunder uten fare for bluss.

I tillegg brukes noen ganger fotografiske plater basert på bikromatisert gelatin, som har enda større oppløsning og tillater opptak av svært lyse hologrammer (opptil 90 % av det innfallende lyset blir konvertert til et bilde), men de er enda mindre følsomme, og de er følsom bare i området med kort bølgelengde (blått og i mindre grad de grønne delene av spekteret).

For øyeblikket er det bare en industriell (bortsett fra en rekke små) produksjon av fotografiske plater for holografi i verden - det russiske Slavich Company.

Noen opptaksskjemaer gjør det mulig å skrive på plater med lavere oppløsning, selv på vanlige fotografiske filmer med en oppløsning på rundt 100 linjer per millimeter, men disse ordningene har mange begrensninger og gir ikke høy bildekvalitet.

Amatør holografi

Som allerede skrevet ovenfor, viser Denisyuks skjema, når du bruker en laserdiode som en kilde til koherent lys, å være ekstremt enkel, noe som gjorde det mulig å ta opp slike hologrammer hjemme uten bruk av spesialutstyr.

For å ta opp et hologram er det nok å lage en bestemt ramme som en laser, en fotografisk plate (vanligvis PFG-03M) og et opptaksobjekt vil være fast montert på. Det eneste alvorlige kravet som stilles til designet er minimal vibrasjon. Installasjonen skal monteres på vibrasjonsdempende støtter noen minutter før og under eksponeringen, du må ikke berøre installasjonen (vanligvis måles eksponeringen ved å åpne og lukke laserstrålen med en skjerm som ikke er mekanisk koblet til installasjonen; ; i det enkleste tilfellet kan du ganske enkelt holde den i hånden).

Amatørholografi bruker billige og tilgjengelige halvlederlasere:

laserpekere
lasermoduler
separate laserdioder

Laserpekere er den enkleste å bruke og rimelige kilden til sammenhengende lys. Du kan kjøpe dem for lite penger nesten hvor som helst. Etter å ha skrudd av eller saget av linsen som fokuserer strålen, begynner pekeren å skinne som en lommelykt (bortsett fra at flekken er forlenget i én retning), slik at den kan lyse opp den fotografiske platen og scenen bak den. Du trenger bare å sikre knappen på en eller annen måte (for eksempel med en klesklype) i på-tilstand. Ulempene med pekere inkluderer deres uforutsigbare kvalitet og behovet for å stadig kjøpe nye batterier.

En mer avansert kilde er en lasermodul, hvis fokuseringslinse igjen må skrus av eller sages av. I motsetning til en peker, drives ikke modulen av batterier inne i den, men av en ekstern kilde, som kan være en stabilisert 3V strømforsyning. En slik strømforsyning, som selve lasermodulen, selges vanligvis i radiodelsbutikker for relativt lite penger. Fraværet av lave batterier bidrar til stabil drift. Som regel er lasermoduler gjort bedre enn pekere, men deres sammenheng er også uforutsigbar.

Til slutt er individuelle laserdioder de vanskeligste lyskildene å betjene. I motsetning til moduler og pekere har de ikke innebygd strømforsyning, så du må montere en eller kjøpe en (sistnevnte er veldig dyr). Faktum er at laserdioder som regel bruker en ikke-standard forsyningsspenning, for eksempel 1,8V, 2,7V, etc. I tillegg er det viktigere for dem ikke forsyningsspenningen, men strømmen. Den enkleste strømforsyningen består av en milliammeter, en variabel motstand og en standard 3-5V stabilisert strømforsyning. I tillegg er laserdioden ikke i stand til å kjøle seg selv, den må installeres på en radiator. Den termiske kraften til dioder som brukes til amatørholografi overstiger ikke hundrevis av milliwatt, så en radiator med minimal størrelse er imidlertid tilstrekkelig, jo større radiatoren er, jo mer stabil er temperaturen, og koherensen avhenger direkte av temperaturstabiliteten.

Som allerede skrevet ovenfor, er sammenhengen mellom pekere og moduler helt uforutsigbar, fordi denne parameteren er ikke viktig for normal bruk. Det er godt mulig at du må kjøpe flere moduler/pekere før du kommer over en instans med høy sammenheng. Du kan forstå at koherens er utilstrekkelig fra det registrerte hologrammet: hvis det har karakteristiske striper som beveger seg når det roterer, genererer laseren flere bølgelengder og koherensen er lav.

Når det gjelder laserdioder, er situasjonen merkbart bedre. For det første, hvis dioden viser et dårlig emisjonsspektrum (dvs. lav koherens) i sin normale driftsmodus, så ved å redusere eller øke strømmen litt gjennom den, kan du prøve å oppnå et godt spektrum. For det andre er noen dioder produsert av produsenten under hensyntagen til kravene til høy koherens. Dette er lasere med en enkelt langsgående modus (Single longitudinal modus) eller enkeltfrekvenslasere. Koherenslengden deres overstiger betydelig en meter, noe som i stor grad overstiger behovene til amatørholografi. Dessuten starter prisen på slike lasere fra flere titalls dollar, noe som er ganske rimelig for de fleste amatører. Spesielt er slike laserdioder produsert av Opnext sammen med Hitachi.

Røde halvlederlasere med en bølgelengde på 650 nm er mest brukt i en lang rekke bruksområder. De samme laserne er mest brukt i amatørholografi. De utmerker seg ved sin lave pris, ganske høye effekt, og følsomheten til øyet (og PFG-03M fotografiske platene som brukes til å registrere Denisyuk-hologrammer) for denne bølgelengden er ganske høy. Mindre vanlig i holografi er lasere med bølgelengder på 655-665 nm. Følsomheten til den fotografiske platen (og øyet) for dette området er merkbart (omtrent 2 ganger) mindre enn til 650 nm, men slike lasere har mange ganger mer kraft til en lignende pris. 635nm lasere er enda mindre vanlige. Spekteret deres er ekstremt nært spekteret til den røde He-Ne-laseren (633 nm), som fotografiske plater er skjerpet for, noe som sikrer maksimal følsomhet (følsomheten til øyet er også betydelig, dobbelt så høy som ved 650 nm). Imidlertid har disse laserne en høy pris, lav effektivitet og har sjelden høy effekt. I tillegg er polarisasjonen til disse laserne vinkelrett på polarisasjonen av lasere med lengre bølgelengde, men dette er verken en fordel eller ulempe, det må bare tas i betraktning når du installerer laseren for å sikre minimal refleksjon av lys fra glasset. den fotografiske platen.

Linker

Holografi - Virtuelt galleri- det største nettstedet dedikert til holografi i CIS

Hologramregistreringsskjemaet er vist i figur 1. Denisyuk tok opp et hologram i et tredimensjonalt miljø, og kombinerte dermed Gabors idé med Lippmanns fargefotografering. Da vil delene av hologrammet med maksimal lystransmisjon tilsvare de delene av fronten av objektbølgen der dens fase faller sammen med referansebølgens fase. Derfor, når hologrammet deretter blir opplyst av en referansebølge, dannes den samme fordeling av amplitude og fase i planet som var tilfellet med objektbølgen, noe som sikrer gjenoppretting ...

55. Holografi. Opplegg for opptak og gjenoppretting av hologrammer. Registrering av hologrammer på tykklagsemulsjoner. Påføring av hologrammer

Holografi (fra gresk holos - hel, komplett og grafisk Jeg skriver) en metode for å registrere og rekonstruere et bølgefelt, basert på registrering av interferensmønsteret, som dannes av en bølge reflektert av et objekt opplyst av en lyskilde S (objektbølge), og en koherent bølge som kommer direkte fra kilden (referansebølge). Det registrerte interferensmønsteret kalles hologram . Hologramregistreringsskjemaet er vist i figur 1.

Grunnlaget for holografi ble lagt i 1948 av fysikeren D. Gabor (Storbritannia). For å forbedre elektronmikroskopet foreslo Gabor å registrere informasjon ikke bare om amplitudene, men også om fasene til elektroniske bølger ved å legge en koherent referansebølge over objektbølgen. På grunn av mangelen på kraftige kilder til sammenhengende lys, klarte han imidlertid ikke å oppnå holografiske bilder av høy kvalitet. Holografi opplevde sin gjenfødelse i 1962–1963, da amerikanske fysikere E. Leith og J. Upatnieks brukte en laser som lyskilde og utviklet et opplegg med en skrå referansestråle, og Yu.N. Denisyuk tok opp et hologram i et tredimensjonalt miljø, og kombinerte dermed Gabors idé med Lippmanns fargefotografering. I 1965 1966 Det teoretiske og eksperimentelle grunnlaget for holografi ble skapt. I de påfølgende årene fortsatte utviklingen av holografi hovedsakelig langs veien for å forbedre applikasjonene.

La interferensstrukturen som dannes av referanse- og objektbølgene registreres av positivt fotografisk materiale. Deretter vil delene av hologrammet med maksimal lystransmisjon tilsvare de delene av objektbølgefronten der dens fase faller sammen med referansebølgens fase. Disse områdene vil være mer gjennomsiktige, jo større intensiteten til objektbølgen er. Derfor, når hologrammet deretter blir opplyst av en referansebølge, dannes den samme fordeling av amplitude og fase i planet som var tilfellet med objektbølgen, som sikrer gjenoppretting av sistnevnte.

Gjenoppretting objektbølge, blir hologrammet opplyst av en kilde som lager en kopi støttende bølger. Som et resultat av lysdiffraksjon på interferensstrukturen til hologrammet i en diffraksjonsstråle første orden en kopi av objektbølgen gjenopprettes og dannes uforvrengt virtuelt bildeobjekt, plassert på stedet der objektet var under holografi. Hvis hologrammet er todimensjonalt, rekonstrueres den konjugerte bølgen samtidigminus av første rekkefølge, å danne forvrengt ekte bildeemne (Figur 2).

Vinklene som diffraksjonsstråler av null og første orden forplanter seg ved, bestemmes av innfallsvinklene til objektet og referansebølgene på den fotografiske platen. I Gabor-skjemaet var referansebølgekilden og objektet plassert på hologramaksen ( aksialdiagram ). I dette tilfellet forplantet alle tre bølgene seg bak hologrammet i samme retning, og skapte gjensidig interferens. I Leith og Upatnieks-ordningen ble slik interferens eliminert ved å vippe referansebølgen ( off-axis ordning).

Interferensstrukturkan tas opp av et fotosensitivt materiale på en av følgende måter:

i form av variasjoner i lystransmittans eller refleksjon. Slike hologrammer, når de rekonstruerer bølgefronten, modulerer amplituden til den lysende bølgen og kalles amplitude;
i form av variasjoner i brytningsindeks eller tykkelse (relieff). Slike hologrammer, når de rekonstruerer bølgefronten, modulerer fasen til den lysende bølgen og kalles derfor fase.

Ofte utføres fase- og amplitudemodulasjon samtidig. For eksempel registrerer en konvensjonell fotografisk plate interferensstrukturen i form av variasjoner i svartning, brytningsindeks og relieff. Etter bleking av hologrammet gjenstår bare fasemodulasjon.

Interferensstruktur registrert på en fotografisk plate som oftest varer lenge, altsåopptaksprosessen er atskilt fra gjenopprettingsprosessen (stasjonære hologrammer). Imidlertid er det lysfølsomme medier (noen fargestoffer, krystaller, metalldamper) som nesten umiddelbart reagerer med fase- eller amplitudekarakteristikker på belysning. I dette tilfellet eksisterer hologrammet under påvirkning av objekt- og referansebølgene på mediet, og restaureringen av bølgefronten utføres samtidig med opptaket, som et resultat av interaksjonen mellom referanse- og objektbølgene med interferensen struktur dannet av dem (dynamiske hologrammer). På prinsipper dynamisk holografipermanente og tilfeldige minnesystemer, laserstrålingskorrektorer, bildeforsterkere, laserstrålingskontrollenheter og bølgefrontinversjonsenheter kan opprettes.

Hvis tykkelsen på det lysfølsomme laget er betydelig større enn avstanden mellom tilstøtende overflater av interferensmaksima, bør hologrammet betraktes som volumetrisk . Hvis interferensstrukturen er registrert på overflaten av laget, eller hvis lagtykkelsen er sammenlignbar med avstanden d mellom tilstøtende elementer i strukturen kalles hologrammer flat. Kriterium for overgangen fra todimensjonale til tredimensjonale hologrammer: .

Volum hologrammerer tredimensjonale strukturer der overflatene til noder og antinoder er registrert som variasjoner i brytningsindeksen eller reflektansen til mediet. Overflatene til noder og antinoder er rettet langs halveringslinjen til vinkelen som utgjør objektet og referansestrålene. Slike flerlagsstrukturer, når de belyses av en referansebølge, fungerer som tredimensjonale diffraksjonsgitter. Lys speilreflektert fra lagene gjenoppretter objektbølgen.

Stråler som reflekteres fra forskjellige lag forsterker hverandre hvis de er i fase, det vil si at baneforskjellen mellom dem er lik (LippmannBragg tilstand). Betingelsen er automatisk oppfylt bare for bølgelengden i lyset som hologrammet ble registrert i. Dette bestemmer selektiviteten til hologrammet med hensyn til bølgelengden til kilden, i lyset som bølgefronten gjenopprettes. Det blir mulig å gjenopprette et bilde ved hjelp av en kontinuerlig spektrumkilde (sol, glødelampe). Hvis eksponeringen ble utført med lys som inneholder flere spektrallinjer (rød, blå, grønn), dannes dens egen tredimensjonale interferensstruktur for hver bølgelengde. De tilsvarende bølgelengdene vil bli separert fra det kontinuerlige spekteret når hologrammet er opplyst, noe som vil føre til gjenoppretting av ikke bare strukturen til bølgen, men også dens spektrale sammensetning, det vil si å oppnå et fargebilde. Tredimensjonale hologrammer danner samtidig bare ett bilde (imaginært eller ekte) og produserer ikke nullordensbølger.

Egenskaper til hologrammer.

EN) Hovedegenskapen til hologrammer, som skiller det fra et fotografi, er at i fotografiet registreres bare fordelingen av amplituden til objektbølgen som faller inn på det, mens i hologrammet i tillegg fordelingen av fasen til objektet registreres. bølge i forhold til fasen til referansebølgen registreres også. Informasjon om amplituden til objektbølgen registreres på hologrammet i form av kontrasten til interferensavlastningen, og informasjon om fasen i form av formen og frekvensen til interferenskantene. Som et resultat gjenoppretter hologrammet, når det belyses av en referansebølge, en kopi av objektbølgen.

B) Egenskapene til et hologram, vanligvis registrert på negativt fotografisk materiale, forblir de samme som ved positiv opptak: lyse områder av objektet tilsvarer lyse områder av det rekonstruerte bildet, og mørke områder tilsvarer mørke områder. Dette er lett å forstå, med tanke på at informasjon om amplituden til objektbølgen er inneholdt i kontrasten til interferensstrukturen, hvis fordeling på hologrammet ikke endres når en positiv prosess erstattes med en negativ. Med en slik erstatning skifter den bare til fasen til den gjenopprettede objektbølgen. Dette er ikke merkbart ved visuell observasjon, men vises noen ganger i holografisk interferometri.

I) Hvis lys fra hvert punkt på et objekt treffer hele overflaten av hologrammet når du registrerer et hologram, er hver liten del av sistnevnte i stand til å rekonstruere hele bildet av objektet. Imidlertid vil en mindre del av hologrammet rekonstruere en mindre del av bølgefronten som bærer informasjon om objektet. Hvis dette området er veldig lite, vil kvaliteten på det rekonstruerte bildet forringes.

Når det gjelder fokuserte bildehologgrammer, sender hvert punkt på objektet lys til det tilsvarende lille området av hologrammet. Derfor gjenoppretter et fragment av et slikt hologram bare den tilsvarende delen av objektet.

G) Det totale lysstyrkeområdet som overføres av en fotografisk plate, overstiger som regel ikke en eller to størrelsesordener, mens virkelige objekter ofte har betydelig større lysstyrkeforskjeller. Et hologram med fokuseringsegenskaper bruker alt lyset som faller på hele overflaten til å konstruere de lyseste områdene av bildet, og det er i stand til å formidle graderinger av lysstyrke opp til fem og seks størrelsesordener.

D) Hvis hologrammet ved rekonstruering av bølgefronten belyses med en referansekilde plassert i forhold til hologrammet på samme måte som under eksponeringen, så faller det rekonstruerte virtuelle bildet i form og posisjon sammen med selve objektet. Når posisjonen til rekonstruksjonskilden endres, når dens bølgelengde eller orienteringen til hologrammet og størrelsen endres, brytes korrespondansen. Som regel er slike endringer ledsaget av aberrasjoner i det rekonstruerte bildet.

E) Minimumsavstanden mellom to tilstøtende punkter på et objekt som fortsatt kan sees separat når du observerer et bilde av et objekt ved hjelp av et hologram, kalleshologram oppløsning. Den vokser med økende størrelse på hologrammet. Vinkeloppløsning av rund (diameter D ) av et hologram bestemmes av formelen: . Vinkeloppløsning av et kvadratisk hologram med en kvadratisk side lik L , bestemmes av formelen: .

I de fleste holografiske skjemaer er den maksimale størrelsen på hologrammet begrenset av oppløsningen til det fotografiske materialet. Dette skyldes det faktum at en økning i størrelsen på hologrammet er forbundet med en økning i vinkelen mellom objektet og referansestrålene og den romlige frekvensen. Et unntak er ordningen med linseløs Fourier-holografi, der den ikke øker med økende størrelse på hologrammet.

OG) Lysstyrken til det rekonstruerte bildet bestemmesdiffraksjonseffektivitet, som er definert som forholdet mellom lysfluksen i den rekonstruerte bølgen og lysstrømmen som faller inn på hologrammet under rekonstruksjon. Det bestemmes av typen hologram, betingelsene for registreringen, samt egenskapene til opptaksmaterialet.

Den maksimalt oppnåelige diffraksjonseffektiviteten til hologrammer er:

Til todimensjonal overføring hologrammer

amplitude 6,25 %,

fase 33,9 5;

Til todimensjonal reflekterendehenholdsvis 6,25 og 100 %;

Til tredimensjonal overføringhologrammer 3,7 og 100%;

for tredimensjonal reflekterende 7,2 og 100%.

Anvendelser av holografi. Når du gjenoppretter hologrammer, skapes en fullstendig illusjon om eksistensen av et objekt, som ikke kan skilles fra originalen. Denne egenskapen til hologrammer brukes i forelesningsdemonstrasjoner, når du lager tredimensjonale kopier av kunstverk og holografiske portretter. Tredimensjonale holografiske bilder brukes til å studere bevegelige partikler, regndråper eller tåke, og spor av kjernefysiske partikler i boble- og gnistkammer.

Ved hjelp av holografiske enheter utføres forskjellige bølgetransformasjoner, inkludert bølgefrontreversering for å eliminere optiske aberrasjoner. En av de første anvendelsene av holografi var relatert til studiet av mekanisk stress. Holografi brukes til å lagre og behandle informasjon. Dette sikrer høy opptakstetthet og opptakspålitelighet.

Tredimensjonaliteten til bildet gjør etableringen av holografisk kino og TV lovende. Den største vanskeligheten med dette er å lage enorme hologrammer som kan sees samtidig av et stort antall seere. I tillegg må hologrammet være dynamisk. For å lage holografisk fjernsyn er det nødvendig å overvinne vanskeligheten forårsaket av behovet for å utvide frekvensbåndet med flere størrelsesordener for å overføre tredimensjonale bevegelige bilder.

Et hologram kan produseres ikke bare ved den optiske metoden, men også utformet på en datamaskin (digitalt hologram). Maskinhologrammer brukes til å få tredimensjonale bilder av objekter som ennå ikke eksisterer. Maskinhologrammer av komplekse optiske overflater brukes som standarder for interferenstesting av produktoverflater.

Det er også kjent akustisk holografi, som kan kombineres med metoder for å visualisere akustiske felt.

Tilleggsmateriell

Når referanse- og objektbølgene møtes i rommet, dannes et system av stående bølger. Maksima for amplituden til stående bølger tilsvarer soner der de interfererende bølgene er i samme fase, og minimaene tilsvarer soner der de interfererende bølgene er i motfase. For en punktreferansekilde O 1 og et punktobjekt O 2 overflatene av maksima og minima representerer et system av revolusjonshyperboloider. Den romlige frekvensen til interferensstrukturen (den resiproke av dens periode) bestemmes av vinkelen som lysstråler som kommer fra referansekilden og som kommer fra objektet, konvergerer ved et gitt punkt: , hvor er bølgelengden. Plan som tangerer overflaten til noder og antinoder ved hvert punkt i rommet halverer vinkelen. I Gabor-skjemaet er referansekilden og objektet plassert på hologramaksen, vinkelen er nær null og den romlige frekvensen er minimal. Aksiale hologrammer kalles også enkeltstråle , siden det brukes en lysstråle, hvor den ene delen er spredt av et objekt og danner en objektbølge, og den andre delen, som passerer gjennom objektet uten forvrengning, er en referansebølge.

I Leith og Upatnieks-skjemaet dannes en koherent skrånende referansestråle separat (dobbeltstråle hologram). For dobbelstrålehologrammer er romfrekvensen høyere enn for enkeltstrålehologrammer. Derfor krever opptak av dobbelstråle-hologrammer fotografiske materialer med høyere romlig oppløsning.

Hvis referanse- og objektstrålene faller på det lysfølsomme laget fra forskjellige sider (~ 180 0 ), så er det maksimalt og nær 2/ (hologrammer i kolliderende stråler). Interferensmaksima er plassert langs overflaten av materialet i dets tykkelse. Denne ordningen ble først foreslått av Denisyuk. Siden når et slikt hologram belyses av en referansestråle, forplanter den rekonstruerte objektbølgen seg mot den lysende strålen, kalles slike hologrammer noen ganger reflekterende.

Typer hologrammer. Strukturen til hologrammet avhenger av metoden for å generere objekt- og referansebølgene og av metoden for å registrere interferensmønsteret. Avhengig av den relative posisjonen til objektet og platen, samt tilstedeværelsen av optiske elementer mellom dem, er forholdet mellom amplitude-fasefordelingene til objektbølgen i hologrammets og objektets plan forskjellig. Hvis objektet ligger i hologrammets plan eller er fokusert på det, vil amplitude-fasefordelingen på hologrammet være den samme som i objektets plan (fokusert bilde hologram; Figur 3).

Når objektet er langt nok fra platen, eller i fokus på linsen L, sender hvert punkt på objektet en parallell lysstråle til platen. I dette tilfellet er sammenhengen mellom amplitude-fasefordelingene til objektbølgen i hologramplanet og i objektplanet gitt av Fouriertransformasjonen (den komplekse amplituden til objektbølgen på platen er det såkalte Fourierbildet av objektet). Hologrammet i dette tilfellet kallesFraunhofer hologram(Figur 4).

Hvis de komplekse amplitudene til objektet og referansebølgene er Fourier-bilder av objektet og referansekilden, kalles hologrammetFourier hologram. Når du tar opp et Fourier-hologram, er objektet og referansekilden vanligvis plassert i fokalplanet til linsen (Figur 5).

Ved et objektivløst Fourier-hologram er referansekilden plassert i objektets plan (Figur 6). I dette tilfellet har fronten av referansebølgen og frontene til elementære bølger spredt av individuelle punkter på objektet samme krumning. Som et resultat er strukturen og egenskapene til hologrammet nesten de samme som for Fourier-transformasjonshologrammet.

Fresnel hologrammerdannes når hvert punkt på et objekt sender en sfærisk bølge til platen. Etter hvert som avstanden mellom objektet og platen øker, blir Fresnel-hologrammer til Fraunhofer-hologrammer, og etter hvert som denne avstanden avtar, til fokuserte bildehologramme.

Ekte bilde

Virtuelt bilde

Figur 6 Skjema for linseløs opptak av et Fourier-hologram

Hologram

Figur 5 Fourier hologram opptaksskjema

Referansekilde

Bærebjelke

L

Bærebjelke

Figur 4 Fraunhofer hologramregistreringsdiagram

Figur 3 Skjema for opptak av et fokusert bildehologram

Figur 1 Skjematisk av hologramopptak

Figur 2 Gjenopprettingsskjema

holografisk bilde av et objekt

Bærebjelke

Hologram

Holografi- et sett med teknologier for nøyaktig registrering, reprodusering og omforming av bølgefeltene til optisk elektromagnetisk stråling, en spesiell fotografisk metode der bilder av tredimensjonale objekter tas opp og deretter rekonstrueres, svært lik virkelige.

Denne metoden ble foreslått i 1947 av Dennis Gabor, som også laget begrepet hologram og mottok Nobelprisen i fysikk i 1971 "for oppfinnelsen og utviklingen av det holografiske prinsippet."

Holografiens historie

Det første hologrammet ble mottatt i 1947 (lenge før oppfinnelsen av lasere) av Dennis Gabor under eksperimenter for å øke oppløsningen til elektronmikroskopet. Han laget også selve ordet "holografi", som han la vekt på den fullstendige registreringen av de optiske egenskapene til et objekt. Dessverre var hologrammene hans av dårlig kvalitet. Det er umulig å oppnå et hologram av høy kvalitet uten en sammenhengende lyskilde.

Funksjoner av ordningen:

Etter opprettelsen i 1960 år med rød rubin (bølgelengde 694 nm, opererer i pulsmodus) og helium-neon (bølgelengde 633 nm, opererer kontinuerlig) lasere, holografi begynte å utvikle seg intensivt.

I 1962 år, ble det laget et klassisk opplegg for opptak av hologrammer av Emmett Leith og Juris Upatnieks fra Michigan Institute of Technology (Leith-Upatnieks holograms), der transmisjonshologramme registreres (når man gjenoppretter et hologram, sendes lys gjennom en fotografisk plate, selv om i praksis reflekteres noe av lyset fra det og skaper også et bilde, synlig fra motsatt side).

Leith-Upatnieks ordning

I 1967 Det første holografiske portrettet ble tatt opp med en rubinlaser.

Som et resultat av langt arbeid i 1968 år, Yuri Nikolaevich Denisyuk mottok høykvalitets (inntil den tid mangelen på nødvendige fotografiske materialer forhindret å oppnå høy kvalitet) hologrammer som gjenopprettet bildet ved å reflektere hvitt lys. For å gjøre dette utviklet han sitt eget hologramopptaksskjema. Dette opplegget kalles Denisyuk-skjemaet, og hologrammene som er oppnådd med dens hjelp kalles Denisyuk-hologrammer.

Funksjoner av ordningen:

observere bilder i hvitt lys;
ufølsomhet for vibrasjoner av "objekt-RS" -elementet;
opptaksmedium med høy oppløsning.

I 1977 Lloyd Cross laget det såkalte multipleks-hologrammet. Det er fundamentalt forskjellig fra alle andre hologrammer ved at det består av mange (fra titalls til hundrevis) individuelle flate visninger, synlige fra forskjellige vinkler. Et slikt hologram inneholder naturligvis ikke fullstendig informasjon om objektet, i tillegg har det som regel ikke vertikal parallakse (det vil si at du ikke kan se på objektet ovenfra og under), men dimensjonene til objektet; registrert objekt er ikke begrenset av laserkoherenslengden (som sjelden overstiger flere meter, og oftest bare noen få titalls centimeter) og størrelsen på en fotografisk plate.

Dessuten kan du lage et multiplekshologram av et objekt som ikke eksisterer i det hele tatt, for eksempel ved å tegne et fiktivt objekt fra mange forskjellige vinkler. Multipleks holografi er overlegen i kvalitet i forhold til alle andre metoder for å lage tredimensjonale bilder basert på individuelle vinkler (for eksempel linserastere), men det er fortsatt langt fra tradisjonelle holografimetoder når det gjelder realisme.

I 1986 Abraham Secke fremmet ideen om å skape en kilde til koherent stråling i området nær overflaten av et materiale ved å bestråle det med røntgenstråler. Siden romlig oppløsning i holografi avhenger av størrelsen på kilden til koherent stråling og dens avstand fra objektet, viste det seg å være mulig å rekonstruere atomene som omgir emitteren i det virkelige rommet.

I motsetning til optisk holografi, i alle elektronholografiskjemaer som er foreslått til dags dato, utføres restaureringen av et objekts bilde ved hjelp av numeriske metoder på en datamaskin.

I 1988 Barton foreslo en slik metode for å rekonstruere et tredimensjonalt bilde, basert på bruk av Fourier-lignende integraler, og demonstrerte dens effektivitet ved å bruke eksemplet med et teoretisk beregnet hologram for en klynge med en kjent struktur. Den første rekonstruksjonen av et tredimensjonalt bilde av atomer i virkelig rom fra eksperimentelle data ble utført for Cu(001)-overflaten av Harp i 1990.

Fysiske prinsipper

Grunnloven om holografi

Hvis et fotosensitivt materiale hvor det er registrert et interferensmønster av flere lysbølger, plasseres i den posisjonen det var under opptaksprosessen og belyses igjen med noen av disse bølgene, så vil resten bli gjenopprettet. Denne funksjonen forklares av det faktum at ikke bare intensiteten registreres på hologrammet, som på en vanlig fotografisk plate, men også fasen til lyset som kommer fra objektet. Det er informasjon om bølgens fase som er nødvendig for dannelsen av tredimensjonalt rom under rekonstruksjon, snarere enn den todimensjonale gitt av vanlig fotografering. Dermed er holografi basert på bølgefrontrekonstruksjon.

Den holografiske prosessen består av to stadier - opptak og restaurering.

Bølgen fra objektet forstyrrer "referanse"-bølgen, og det resulterende mønsteret registreres.
Den andre fasen er dannelsen av en ny bølgefront og å få et bilde av det originale objektet.

Registrering av informasjon om fasen til en bølge som kommer fra et objekt kan bare gjøres med en lyskilde med stabile fasekarakteristikk. Ideell for dette formålet er laser- koherent lyskilde med høy intensitet og høy monokromaticitet.

Superposisjonsprinsipp

Daglig erfaring viser at belysningsstyrken som produseres av to eller flere vanlige inkoherente lyskilder er den enkle summen av belysningsstyrkene som produseres av hver av dem separat. Dette fenomenet kalles superposisjonsprinsipp.

Huygens skrev også i sin avhandling: "En av de mest fantastiske egenskapene til lys er at når det kommer fra forskjellige retninger, produserer dets stråler en effekt som passerer gjennom hverandre uten forstyrrelser." Grunnen til dette er at hver kilde, som består av mange atomer og molekyler, samtidig sender ut et stort antall bølger som er ute av fase. Faseforskjellen endres raskt og tilfeldig, og til tross for at interferens oppstår mellom enkelte bølger, endres interferensmønstrene med en slik frekvens at øyet ikke rekker å legge merke til endringene i belysningen. Derfor oppfattes intensiteten til den resulterende oscillasjonen som summen av komponentene til de opprinnelige svingningene, og strålingen fra kilden er "Hvitt lys, dvs. ikke monokromatisk, men bestående av forskjellige bølgelengder. Av samme grunn er dette lyset upolarisert, men naturlig, det vil si at det ikke har et dominerende vibrasjonsplan.

Koherente svingninger

Under spesielle forhold overholdes ikke superposisjonsprinsippet. Dette observeres når faseforskjellen mellom lysbølger forblir konstant i lang nok tid til å bli observert. Bølgene ser ut til å «lyde i tide». Slike svingninger kalles koherente.

Hovedtrekket ved koherens er muligheten for interferens. Dette betyr at når to bølger møtes, samhandler de og danner en ny bølge. Som et resultat av denne interaksjonen vil den resulterende intensiteten avvike fra summen av intensitetene til de individuelle svingningene - avhengig av faseforskjellen, dannes enten et mørkere eller lysere felt, eller i stedet for et jevnt felt, vekslende bånd med forskjellige intensiteter er dannet, interferenskanter.

Monokromatiske bølger er alltid koherente, Imidlertid produserer lysfiltre, ofte kalt monokromatiske, i realiteten aldri strengt tatt monokromatisk stråling, men begrenser bare spektralområdet og transformerer selvfølgelig ikke vanlig stråling til koherent stråling.

Oppnå koherent stråling

Tidligere var bare én måte å produsere koherent stråling kjent - ved hjelp av en spesiell enhet - interferometer. Strålingen fra en konvensjonell lyskilde ble delt inn i to stråler, koherent med hverandre. Disse strålene kan forstyrre. En annen metode er nå kjent, ved bruk av stimulert stråling. Lasere er basert på dette prinsippet.

Diffraksjon i holografi

Det viktigste fysiske fenomenet som holografi er basert på er diffraksjon- avvik fra dens opprinnelige retning av lys som passerer nær kantene på ugjennomsiktige kropper eller gjennom smale spalter. Hvis ikke én, men flere spalter er påført skjermen, vises et interferensmønster, bestående av en serie vekslende lyse og mørke striper, lysere og smalere enn med en enkelt spalte. I midten er det det lyseste båndet av "null orden", på begge sider av det er det bånd med gradvis avtagende intensitet av den første, andre og andre ordener. Etter hvert som antall spalter på skjermen øker, blir stripene smalere og lysere. En skjerm med et stort antall tynne parallelle spalter, hvor antallet ofte økes til 10 000, kalles et diffraksjonsgitter.

Gitteret, som er et hologram, kjennetegnes først og fremst ved at diffraksjon ikke skjer ved spalten, men ved sirkelen. Diffraksjonsmønsteret fra et rundt ugjennomsiktig objekt er en lys sentral sirkel omgitt av gradvis svekkede ringer. Hvis, i stedet for en ugjennomsiktig skive, en skive med ringer som omgir den plasseres i bølgebanen, vil sirkelen i bildet bli lysere og stripene blir blekere. Hvis gjennomsiktigheten fra et mørkt til et lyst område ikke endres brått, men gradvis, i henhold til en sinusformet lov, danner et slikt gitter bare striper av null og første orden, og interferens i form av striper av høyere orden ikke vises. Denne egenskapen er svært viktig når du tar opp et hologram. Hvis overgangen fra en mørk ring til en lys utføres strengt i henhold til en sinusformet lov, vil ringene i bildet forsvinne og bildet vil være en liten lys sirkel, nesten en prikk. Dermed vil et sirkulært sinusformet gitter dannes fra en parallell stråle av stråler (en plan bølge) det samme bildet som en samlelinse.

Dette gitteret, kalt sone gitter(Soray plate, Fresnel plate), noen ganger brukt i stedet for en linse. For eksempel brukes den i briller, og erstatter tunge brilleglass med høy refraksjon. Å skaffe sonerister er mulig på ulike måter, både mekanisk og optisk, interferens. Bruken av disse gitterne, oppnådd ved interferens, danner grunnlaget for holografi.

Hologramopptak

For å registrere et hologram av et komplekst ikke-selvlysende objekt, belyses det med laserstråling. En koherent referansebølge rettes mot den samme platen som det spredte lyset som reflekteres av objektet faller på. Denne bølgen skilles fra laserstrålingen ved hjelp av speil.

Lyset som reflekteres av hvert punkt på objektet forstyrrer referansebølgen og danner et hologram av det punktet. Siden ethvert objekt er en samling av lysspredende punkter, er mange elementære hologrammer lagt over den fotografiske platen - punkter som til sammen gir et komplekst interferensbilde av objektet.

Det utviklede hologrammet plasseres på stedet der det var under opptak, og laseren slås på. Akkurat som når du gjenoppretter et hologram av et punkt, når hologrammet belyses av en lysstråle fra en laser som er involvert i opptak, gjenopprettes lysbølgene som kommer fra objektet under opptak. Hvor objektet var plassert under opptak, er et virtuelt bilde synlig. Det virkelige bildet knyttet til det er dannet på den andre siden av hologrammet, på observatørens side. Den er vanligvis usynlig, men i motsetning til den imaginære kan den fås på skjermen.

Yu. N. Denisyuk (1962) utviklet en metode der tredimensjonale medier brukes i stedet for en tynnsjiktsemulsjon for å registrere et hologram. I et så tykt hologram oppstår stående bølger, noe som betydelig utvidet metodens evner. Et tredimensjonalt diffraksjonsgitter, i tillegg til de tidligere beskrevne egenskapene til et hologram, har en rekke viktige egenskaper. Det mest interessante er muligheten for bildegjenoppretting ved hjelp av en konvensjonell kontinuerlig spektrumkilde - en glødelampe, solen og andre emittere. I tillegg er det i et tredimensjonalt hologram ingen nullordensbølger og et ekte bilde, og derfor reduseres interferens.