Схема регистрации голограмм Габора

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

Рис. 1.3

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

U = R +О, (1.3.2)

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

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

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

Оптическая схема записи голограмм Лейта-Упатниекса

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 1.5

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

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

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

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

Рис. 1.6

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

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

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

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

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

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

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

* экран остается неподвижным.

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

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

Материалы для записи голограмм

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Т.е. в эмульсии создается трехмерная интерференционная картина.

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

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

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

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

9.4. Элементы интегральных микросхем.

Начало формы

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

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

Источники света

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

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

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

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

История голографии

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

Схема записи Лейта-Упатниекса

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

Схема записи Денисюка

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

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

Фотоматериалы

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

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

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

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

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

Любительская голография

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

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

В любительской голографии используются дешевые и доступные полупроводниковые лазеры:

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

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

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

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

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

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

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

Ссылки

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

Схема записи голограммы представлена на рисунке 1. Денисюк осуществил запись голограммы в трехмерной среде объединив таким образом идею Габора с цветной фотографией Липпмана. Тогда участки голограммы с максимальным пропусканием света будут соответствовать тем участкам фронта предметной волны в которых ее фаза совпадает с фазой опорной волны. Поэтому при последующем освещении голограммы опорной волной в ее плоскости образуется то же распределение амплитуды и фазы которое было у предметной волны чем и обеспечивается восстановление...

55. Голография. Схема записи и восстановления голограмм. Запись голограмм на толстослойных эмульсиях. Применение голограмм

Голография (от греч. holos - весь, полный и grapho – пишу) – способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины, которая образована волной, отраженной предметом, освещаемым источником света S (предметная волна), и когерентной с ней волной идущей непосредственно от источника (опорная волна). Зарегистрированная интерференционная картина называется голограммой . Схема записи голограммы представлена на рисунке 1.

Основы голографии заложены в 1948 г. физиком Д. Габором (Великобритания). Желая усовершенствовать электронный микроскоп, Габор предложил регистрировать информацию не только об амплитудах, но и о фазах электронных волн путем наложения на предметную волну попутной когерентной опорной волны. Однако из-за отсутствия мощных источников когерентного света ему не удалось получить качественных голографических изображений. Второе рождение голография пережила в 1962 – 1963 гг., когда американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс применили в качестве источника света лазер и разработали схему с наклонным опорным пучком, а Ю.Н. Денисюк осуществил запись голограммы в трехмерной среде, объединив, таким образом, идею Габора с цветной фотографией Липпмана. К 1965 – 1966 гг. были созданы теоретические и экспериментальные основы голографии. В последующие годы развитие голографии шло главным образом по пути совершенствования ее применений.

Пусть интерференционная структура, образованная опорной и предметной волнами, зарегистрирована позитивным фотоматериалом. Тогда участки голограммы с максимальным пропусканием света будут соответствовать тем участкам фронта предметной волны, в которых ее фаза совпадает с фазой опорной волны. Эти участки будут тем прозрачнее, чем большей была интенсивность предметной волны. Поэтому при последующем освещении голограммы опорной волной в ее плоскости образуется то же распределение амплитуды и фазы, которое было у предметной волны, чем и обеспечивается восстановление последней.

Для восстановления предметной волны голограмму освещают источником, создающим копию опорной волны. В результате дифракции света на интерференционной структуре голограммы в дифракционном пучке первого порядка восстанавливается копия предметной волны, образующая неискаженное мнимое изображение предмета, расположенное в том месте, где предмет находился при голографировании. Если голограмма двумерная, одновременно восстанавливается сопряженная волна минус первого порядка , образующая искаженное действительное изображение предмета (рисунок 2).

Углы, под которыми распространяются дифракционные пучки нулевых и первых порядков, определяются углами падения на фотопластинку предметной и опорной волн. В схеме Габора источник опорной волны и объект располагались на оси голограммы (осевая схема ). При этом все три волны распространялись за голограммой в одном и том же направлении, создавая взаимные помехи. В схеме Лейта и Упатниекса такие помехи были устранены наклоном опорной волны (внеосевая схема ).

Интерференционная структура может быть зарегистрирована светочувствительным материалом одним из следующих способов:

1. в виде вариаций коэффициентов пропускания света или его отражения . Такие голограммы при восстановлении волнового фронта модулируют амплитуду освещающей волны и называются амплитудными ;
2. в виде вариаций коэффициента преломления или толщины (рельефа ). Такие голограммы при восстановлении волнового фронта модулируют фазу освещающей волны и поэтому называются фазовыми .

Часто одновременно осуществляется фазовая и амплитудная модуляция. Например, обычная фотопластинка регистрирует интерференционную структуру в виде вариаций почернения, показателя преломления и рельефа. После отбеливания голограммы остается только фазовая модуляция.

Зарегистрированная на фотопластинке интерференционная структура обычно сохраняется долго, то есть процесс записи отделен от процесса восстановления (стационарные голограммы ). Однако существуют фоточувствительные среды (некоторые красители, кристаллы, пары металлов), которые почти мгновенно реагируют фазовыми или амплитудными характеристиками на освещенность. В этом случае голограмма существует во время воздействия на среду предметной и опорной волн, а восстановление волнового фронта производится одновременно с записью, в результате взаимодействия опорной и предметной волн с образованной ими же интерференционной структурой (динамические голограммы ). На принципах динамической голографии могут быть созданы системы постоянной и оперативной памяти, корректоры излучения лазеров, усилители изображений, устройства управления лазерным излучением, обращения волнового фронта.

Если толщина фоточувствительного слоя значительно больше расстояния между соседними поверхностями интерференционных максимумов, то голограмму следует рассматривать как объемную . Если же запись интерференционной структуры происходит на поверхности слоя, или если толщина слоя сравнима с расстоянием d между соседними элементами структуры, то голограммы называют плоскими. Критерий перехода от двухмерных голограмм к трехмерным: .

Объемные голограммы представляют собой трехмерные структуры, в которых поверхности узлов и пучностей зарегистрированы в виде вариаций показателя преломления или коэффициента отражения среды. Поверхности узлов и пучностей направлены по биссектрисе угла, который составляют предметный и опорный пучки. Такие многослойные структуры при освещении опорной волной действуют подобно трехмерным дифракционным решеткам. Свет, зеркально отраженный от слоев, восстанавливает предметную волну.

Пучки, отраженные от разных слоев усиливают друг друга, если они синфазны, то есть разность хода между ними равна (условие Липпмана – Брэгга ). Условие автоматически выполняется только для той длины волны, в свете которой регистрировалась голограмма. Это обусловливает избирательность голограммы по отношению к длине волны источника, в свете которого происходит восстановление волнового фронта. Возникает возможность восстанавливать изображение с использованием источника сплошного спектра (Солнце, лампа накаливания). Если экспонирование проводилось светом, содержащим несколько спектральных линий (красную, синюю, зеленую), то для каждой длины волны образуется своя трехмерная интерференционная структура. Соответствующие длины волн будут выделяться из сплошного спектра при освещении голограммы, что обусловит восстановление не только структуры волны, но и ее спектрального состава, то есть получение цветного изображения. Трехмерные голограммы одновременно образуют только одно изображение (мнимое или действительное) и не дают волны нулевого порядка.

Свойства голограмм .

А) Основное свойство голограмм, отличающее ее от фотографического снимка, состоит в том, что на снимке регистрируется только распределение амплитуды падающей на него предметной волны, в то время как на голограмме, кроме того, регистрируется и распределение фазы предметной волны относительно фазы опорной волны. Информация об амплитуде предметной волны записана на голограмме в виде контраста интерференционного рельефа, а информация о фазе – в виде формы и частоты интерференционных полос. В результате голограмма при освещении ее опорной волной восстанавливает копию предметной волны.

Б) Свойства голограммы, регистрируемой обычно на негативном фотоматериале, остаются такими же, как и в случае позитивной записи – светлым местам объекта соответствуют светлые места восстановленного изображения, а темным – темные. Это легко понять, принимая во внимание, что информация об амплитуде предметной волны заключена в контрасте интерференционной структуры, распределение которого на голограмме не меняется при замене позитивного процесса негативным. При такой замене только сдвигается на фаза восстановленной предметной волны. Это незаметно при визуальном наблюдении, но иногда проявляется в голографической интерферометрии.

В) Если при записи голограммы свет от каждой точки объекта попадает на всю поверхность голограммы, каждый малый участок последней способен восстановить все изображение объекта. Однако меньший участок голограммы восстановит меньший участок волнового фронта, несущего информацию об объекте. Если этот участок будет очень мал, то качество восстановленного изображения ухудшается.

В случае голограмм сфокусированного изображения каждая точка объекта посылает свет на соответствующий ей малый участок голограммы. Поэтому фрагмент такой голограммы восстанавливает только соответствующий ему участок объекта.

Г) Полный интервал яркостей, передаваемый фотографической пластинкой, как правило, не превышает одного – двух порядков, между тем реальные объекты часто имеют значительно бóльшие перепады яркостей. В голограмме, обладающей фокусирующими свойствами, используется для построения наиболее ярких участков изображения весь свет, падающий на всю ее поверхность, и она способна передать градации яркости до пяти – шести порядков.

Д) Если при восстановлении волнового фронта освещать голограмму опорным источником, расположенным относительно голограммы так же, как и при ее экспонировании, то восстановленное мнимое изображение совпадает по форме и положению с самим предметом. При изменении положения восстанавливающего источника, при изменении его длины волны или ориентации голограммы и ее размера соответствие нарушается. Как правило, такие изменения сопровождаются аберрациями восстановленного изображения.

Е) Минимальное расстояние между двумя соседними точками предмета, которые еще можно видеть раздельно при наблюдении изображения предмета с помощью голограммы, называют разрешающей способностью голограммы . Она растет с увеличением размеров голограммы. Угловое разрешение круглой (диаметра D ) голограммы определяется по формуле: . Угловое разрешение голограммы квадратной формы со стороной квадрата, равной L , определяется по формуле: .

В большинстве схем голографирования предельный размер голограммы ограничивается разрешающей способностью регистрирующего фотоматериала. Это обусловлено тем, что увеличение размеров голограммы сопряжено с ростом угла между предметным и опорным пучками и пространственной частоты. Исключением является схема безлинзовой фурье-голографии, в которой не увеличивается при увеличении размеров голограммы.

Ж) Яркость восстановленного изображения определяется дифракционной эффективностью , которая определяется как отношение светового потока в восстановленной волне к световому потоку, падающему на голограмму при восстановлении. Она определяется типом голограммы, условиями ее записи, а также свойствами регистрирующего материала.

Максимально достижимая дифракционная эффективность голограмм составляет:

Для двумерных пропускающих голограмм

– амплитудных – 6,25 %,

– фазовых – 33,9 5;

Для двумерных отражающих – соответственно 6,25 и 100 %;

Для трехмерных пропускающих голограмм – 3,7 и 100 %;

–для трёхмерных отражающих – 7,2 и 100 %.

Применения голографии . При восстановлении голограмм создается полная иллюзия существования объекта, неотличимого от оригинала. Это свойство голограмм используется в лекционных демонстрациях, при создании объемных копий произведений искусства, голографических портретов. Трехмерные голографические изображения используются при исследовании движущихся частиц, капель дождя или тумана, треков ядерных частиц в пузырьковых и искровых камерах.

С помощью голографических устройств осуществляются различные волновые преобразования, в том числе обращение волнового фронта в целях исключения оптических аберраций. Одно из первых применений голографии было связано с исследованием механических напряжений. Голография применяется для хранения и обработки информации. При этом обеспечивается большая плотность записи и надежность записи.

Объемность изображения делает перспективным создание голографического кино и телевидения. Главная трудность при этом – создание огромных голограмм, которые могло бы наблюдать одновременно большое число зрителей. Кроме того, голограмма должна быть динамической. Для создания голографического телевидения необходимо преодолеть трудность, обусловленную необходимостью расширения на несколько порядков полосы частот, чтобы осуществлять передачу объемных движущихся изображений.

Голограмма может быть изготовлена не только оптическим методом, но и рассчитана на ЭВМ (цифровая голограмма). Машинные голограммы используются для получения объемных изображений не существующих ещё объектов. Машинные голограммы сложных оптических поверхностей используют как эталоны для интерференционного контроля поверхностей изделий.

Известна также акустическая голография, которая может сочетаться с методами визуализации акустических полей.

Дополнительный материал

При встрече опорной и предметной волн в пространстве образуется система стоячих волн. Максимумы амплитуды стоячих волн соответствуют зонам, в которых интерферирующие волны находятся в одной фазе, а минимумы – зонам, в которых интерферирующие волны находятся в противофазе. Для точечного опорного источника О 1 и точечного предмета О 2 поверхности максимумов и минимумов представляют собой систему гиперболоидов вращения. Пространственная частота интерференционной структуры (величина, обратная ее периоду) определяется углом, под которым сходятся в данной точке световые лучи – исходящий из опорного источника и исходящий из предмета: , где – длина волны. Плоскости, касательные к поверхности узлов и пучностей в каждой точке пространства, делят пополам угол. В схеме Габора опорный источник и предмет расположены на оси голограммы, угол близок к нулю и пространственная частота минимальна. Осевые голограммы называют также однолучевыми , так как используется один пучок света, одна часть которого рассеивается предметом и образует предметную волну, а другая часть, прошедшая через объект без искажения, - опорную волну.

В схеме Лейта и Упатниекса когерентный наклонный опорный пучок формируется отдельно (двулучевая голограмма ). Для двулучевых голограмм пространственная частота больше, чем для однолучевых голограмм. Поэтому для регистрации двулучевых голограмм требуются фотоматериалы с более высоким пространственным разрешением.

Если опорный и предметный пучок падают на фоточувствительный слой с разных сторон (~ 180 0 ), то максимальна и близка к 2/ (голограммы во встречных пучках ). Интерференционные максимумы располагаются вдоль поверхности материала в его толще. Эта схема была впервые предложена Денисюком. Так как при освещении такой голограммы опорным пучком восстановленная предметная волна распространяется навстречу освещающему пучку, такие голограммы иногда называют отражательными .

Типы голограмм . Структура голограммы зависит от способа формирования предметной и опорной волн и от способа записи интерференционной картины. В зависимости от взаимного расположения предмета и пластинки, а также от наличия оптических элементов между ними, связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскостях голограммы и предмета различна. Если предмет лежит в плоскости голограммы или сфокусирован на нее, то амплитудно-фазовое распределение на голограмме будет таким же, как и в плоскости предмета (голограмма сфокусированного изображения ; рисунок 3).

Когда предмет находится достаточно далеко от пластинки, либо в фокусе линзы Л, то каждая точка предмета посылает на пластинку параллельный световой пучок. При этом связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскости голограммы и в плоскости предмета дается преобразованием Фурье (комплексная амплитуда предметной волны на пластинке – так называемый фурье-образ предмета). Голограмма в этом случае называется голограммой Фраунгофера (рисунок 4).

Если комплексные амплитуды предметной и опорной волн являются фурье-образами предметной и опорного источника, то голограмму называют голограммой Фурье . При записи голограммы Фурье предмет и опорный источник располагают обычно в фокальной плоскости линзы (рисунок 5).

В случае безлинзовой фурье-голограммы опорный источник располагают в плоскости предмета (рисунок 6). При этом фронт опорной волны и фронты элементарных волн, рассеянных отдельными точками предмета, имеют одинаковую кривизну. В результате структура и свойства голограммы практически такие же, как у фурье-голограммы.

Голограммы Френеля образуются в том случае, когда каждая точка предмета посылает на пластинку сферическую волну. По мере увеличения расстояния между объектом и пластинкой голограммы Френеля переходят в голограммы Фраунгофера, а с уменьшением этого расстояния – в голограммы сфокусированных изображений.

S

Действительное изображение

Мнимое изображение

Рисунок 6 – Схема безлинзовой записи голограммы Фурье

Голограмма

исунок 5 – Схема записи голограммы Фурье

Опорный источник

Опорный пучок

Л

Опорный пучок

Рисунок 4 – Схема записи голограммы Фраунгофера

Рисунок 3 – Схема записи голограммы сфокусированного изображения

Рисунок 1 – Схема записи голограммы

Рисунок 2 – Схема восстановления

голографического изображения предмета

Опорный пучок

Голограмма

Голография - набор технологий для точной записи, воспроизведения и переформирования волновых полей оптического электромагнитного излучения, особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные.

Данный метод был предложен в 1947 году Дэннисом Габором, он же ввёл термин голограмма и получил "за изобретение и развитие голографического принципа" Нобелевскую премию по физике в 1971 году.

История голографии

Первая голограмма была получена в 1947 году (задолго до изобретения лазеров) Деннисом Габором в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа. Он же придумал само слово "голография", которым он подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно.

Особенности схемы:

После создания в 1960 году красных рубинового (длина волны 694 нм, работает в импульсном режиме) и гелий-неонового (длина волны 633 нм, работает непрерывно) лазеров, голография начала интенсивно развиваться.

В 1962 году была создана классическая схема записи голограмм Эмметта Лейта и Юриса Упатниекса из Мичиганского Технологического Института (голограммы Лейта-Упатниекса), в которой записываются пропускающие голограммы (при восстановлении голограммы свет пропускают через фотопластинку, хотя на практике некоторая часть света от неё отражается и также создаёт изображение, видимое с противоположной стороны).

Схема Лейта-Упатниекса

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

В 1967 году рубиновым лазером был записан первый голографический портрет.

В результате длительной работы в 1968 году Юрий Николаевич Денисюк получил высококачественные (до этого времени отсутствие необходимых фотоматериалов мешало получению высокого качества) голограммы, которые восстанавливали изображение, отражая белый свет. Для этого им была разработана своя собственная схема записи голограмм. Эта схема называется схемой Денисюка, а полученные с её помощью голограммы называются голограммами Денисюка.

Особенности схемы:

• наблюдение изображения в белом свете;
• нечувствительность к вибрациям элемента "объект-РС";
• высокая разрешающая способность регистрирующей среды.

В 1977 году Ллойд Кросс создал так называемую мультиплексную голограмму. Она принципиально отличается от всех остальных голограмм тем, что состоит из множества (от десятков до сотен) отдельных плоских ракурсов, видимых под разными углами. Такая голограмма, естественно, не содержит полную информацию об объекте, кроме того, она, как правило, не имеет вертикального параллакса (то есть нельзя посмотреть на объект сверху и снизу), но зато размеры записываемого объекта не ограничены длиной когерентности лазера (которая редко превышает несколько метров, а чаще всего составляет всего несколько десятков сантиметров) и размерами фотопластинки.

Мало того, можно создать мультиплексную голограмму объекта, которого вовсе не существует, например, нарисовав выдуманный объект с множества различных ракурсов. Мультиплексная голография превосходит по качеству все остальные способы создания объёмных изображений на основе отдельных ракурсов (например, линзовые растры), однако она всё равно далека от традиционных методов голографии по реалистичности.

В 1986 году Абрахам Секе выдвинул идею создания источника когерентного излучения в приповерхностной области материала путем облучения его рентгеновским излучением. Поскольку пространственное разрешение в голографии зависит от размеров источника когерентного излучения и его удаленности от объекта, то оказалось возможным восстановить окружающие эмиттер атомы в реальном пространстве.

В отличие от оптической голографии, во всех предложенных на сегодняшний день схемах электронной голографии восстановление изображения объекта осуществляется с помощью численных методов на компьютере.

В 1988 году Бартон предложил такой метод для восстановления трехмерного изображения, основанный на использовании фурье-подобных интегралов, и продемонстрировал его эффективность на примере теоретически рассчитанной голограммы для кластера известной структуры. Первое восстановление трехмерного изображения атомов в реальном пространстве по экспериментальным данным проведено для поверхности Cu(001) Харпом в 1990 году.

Физические принципы

Основной закон голографии

Если светочувствительный материал, на котором зарегистрирована картина интерференции нескольких световых волн, поместить в положение, в котором он находился в процессе записи, и осветить снова некоторыми из этих волн, то произойдет восстановление остальных. Эта особенность объясняется тем, что на голограмме записываются не только интенсивность, как на обычной фотопластинке, но и фаза исходящего от объекта света. Именно информация о фазе волны необходима для формирования при восстановлении трехмерного пространства, а не двухмерного, даваемого обычной фотографией. Таким образом, голография основана на восстановлении волнового фронта.

Голографический процесс состоит из двух этапов - записи и восстановления.

• Волна от объекта интерферирует с "опорной" волной, и образующаяся при этом картина записывается.
• Второй этап - формирование нового волнового фронта и получение изображения исходного объекта.

Запись информации о фазе волны, идущей от объекта, может быть осуществлена только источником света со стабильными фазовыми характеристиками. Идеальным для этой цели являетсялазер - когерентный источник света высокой интенсивности и высокой монохроматичности.

Принцип суперпозиции

Повседневный опыт показывает, что освещенность, создаваемая двумя или несколькими обычными некогерентными источниками света, является простой суммой освещенностей, создаваемой каждым из них в отдельности. Это явление называют принципом суперпозиции .

Еще Гюйгенс в своем "Трактате" писал: "Одно из чудеснейших свойств света состоит в том, что, когда он приходит из разных сторон, лучи его производят действие, проходя один сквозь другой без всяких помех". Причина этого в том, что каждый источник, состоящий из множества атомов и молекул, излучает одновременно огромное количество волн, не связанных по фазе. Разность фаз меняется быстро и беспорядочно, и, несмотря на то, что между некоторыми волнами возникает интерференция, интерференционные картины сменяются с такой частотой, что глаз не успевает заметить изменения освещенности. Поэтому интенсивность результирующего колебания воспринимается как сумма составляющих исходных колебаний, а излучение источника представляет собой "белый" свет , т. е. не монохроматический, а состоящий из различных длин волн. По той же причине этот свет является неполяризованным, а естественным, т. е. не имеет преимущественной плоскости колебания.

Когерентные колебания

В особых условиях принцип суперпозиции не соблюдается. Это наблюдается, когда разность фаз световых волн остается постоянной в течение достаточно длительного для наблюдения времени. Волны как бы "звучат в такт". Такие колебания называются когерентными.

Основным признаком когерентности является возможность интерференции. Это значит, что при встрече двух волн они взаимодействуют, образуя суммарно новую волну. В результате этого взаимодействия результирующая интенсивность будет отличаться от суммы интенсивностей отдельных колебаний - в зависимости от разности фаз образуется или более темное, или более светлое поле, или вместо равномерного поля чередующиеся полосы разной интенсивности интерференционные полосы.

Монохроматические волны всегда когерентны, однако светофильтры, часто называемые монохроматическими, в действительности никогда не дают строго монохроматического излучения, а только сужают спектральный диапазон и, конечно, не превращают обычного излучения в когерентное.

Получение когерентного излучения

Ранее был известен только один способ получения когерентного излучения - с помощью специального прибора - интерферометра . Излучение обычного источника света разделялось на два пучка, когерентных между собой. Эти пучки могли интерферировать. Теперь известен другой способ, использующий индуцированное излучение. На этом принципе основаны лазеры.

Дифракция в голографии

Основным физическим явлением, на котором основана голография, является дифракция - отклонение от своего первоначального направления света, проходящего вблизи краев непрозрачных тел или сквозь узкие щели. Если на экране нанесена не одна, а несколько щелей, то возникает интерференционная картина, состоящая из серии чередующихся светлых и темных полос, более ярких и узких, чем при одной щели. В середине расположена самая яркая полоса "нулевого порядка", по обе стороны от нее - полосы постепенно убывающей интенсивности первого, второго и прочих порядков. С увеличением числа щелей на экране полосы становятся все уже и ярче. Экран с большим количеством тонких параллельных щелей, количество которых часто доводят до 10 000, называется дифракционной решеткой.

Решетка, представляющая собой голограмму, характеризуется прежде всего тем, что дифракция происходит не на щели, а на кружке. Дифракционная фигура от круглого непрозрачного объекта представляет собой яркий центральный кружок, окруженный постепенно ослабевающими кольцами. Если вместо непрозрачного диска на пути волны поместить диск с окружающими его кольцами, то кружок на изображении станет ярче, а полосы бледнее. Если прозрачность от темного к светлому участку меняется не скачками, а постепенно, по синусоидальному закону, то такая решетка образует полосы только нулевого и первого порядков, а помехи в виде полос высших порядков не появляются. Это свойство очень важно при записи голограммы. Если переход от темного кольца к светлому будет осуществляться строго по синусоидальному закону, то кольца на изображении пропадут и изображение будет представлять собой маленький яркий кружок, почти точку. Таким образом, круглая синусоидальная решетка будет формировать из параллельного пучка лучей (плоской волны) такое же изображение, как собирательная линза.

Такая решетка, называемая зонной решеткой (пластинкой Сорэ, пластинкой Френеля), используется иногда вместо линзы. Например, она применяется в очках, заменяя тяжелые очковые линзы высоких рефракций. Получение зонных решеток возможно различными путями, как механическими, так и оптическими, интерференционными. Использование этих решеток, полученных интерференционным путем, и положено в основу голографии.

Запись голограммы

Чтобы записать голограмму сложного несамосветящегося объекта, его освещают излучением лазера. На ту же пластинку, на которую падает рассеянный отраженный объектом свет, направляют когерентную опорную волну. Эта волна отделяется от излучения лазера с помощью зеркал.

Свет, отраженный каждой точкой объекта, интерферирует с опорной волной и образует голограмму этой точки. Так как любой объект представляет собой совокупность рассеивающих свет точек, то на фотопластинку накладывается множество элементарных голограмм - точек, которые в совокупности дадут сложную интерференционную картину объекта.

Проявленную голограмму помещают в то место, где она находилась при записи, и включают лазер. Так же как при восстановлении голограммы точки, при освещении голограммы пучком света лазера, участвовавшего в записи, происходит восстановление световых волн, исходивших от объекта при записи. Там, где при записи находился объект, видно мнимое изображение. Сопряженное с ним действительное изображение формируется по другую сторону от голограммы, со стороны наблюдателя. Оно обычно незаметно, но в отличие от мнимого может быть получено на экране.

Ю. Н. Денисюк (1962) разработал метод, в котором для регистрации голограммы вместо тонкослойной эмульсии используются трехмерные среды. В такой толстой голограмме возникают стоячие волны, что существенно расширило возможности метода. Трехмерная дифракционная решетка, кроме описанных ранее свойств голограммы, обладает рядом важных особенностей. Наиболее интересна возможность восстановления изображения с помощью обычного источника сплошного спектра - лампы накаливания, солнца и других излучателей. Кроме того, в трехмерной голограмме отсутствуют волны нулевого порядка и действительное изображение, а следовательно, снижаются помехи.