Odblaskowy hologram Yu.N. Denisyuk

Schemat rejestracji hologramu Gabora

W tej pozycji (pozycja 1 na rys. 1.1) promienie główne obiektu i wiązki odniesienia rozchodzą się w tym samym kierunku. Uzyskane w ten sposób hologramy nazywane są hologramami osiowymi lub hologramami Gabora. Podczas ich rejestracji różnica w drodze obiektu i fal odniesienia na powierzchni płyty jest minimalna w porównaniu do wszystkich innych możliwych położeń, co pozwala na wykorzystanie jej do formowania pola holograficznego jako źródła promieniowania o niskim stopniu konsekwencja. Stosunkowo duża odległość pomiędzy sąsiednimi powierzchniami maksymalnymi zmniejsza wymagania dotyczące rozdzielczości nośnika zapisu.

Ryż. 1.3

Schematyczny diagram rejestracji hologramów Gabora pokazano na ryc. 1.3.1. Tutaj S jest źródłem promieniowania spójnego, T jest przezroczystością z obrazem obiektu, H jest hologramem. Zgodnie z powyższym wykresem całkowitą zespoloną amplitudę U światła padającego na ośrodek światłoczuły w płaszczyźnie rejestracji hologramu można przedstawić jako sumę zespolonej amplitudy tła lub fali odniesienia, która nie uległa ugięciu na strukturze obiektu R i zespoloną amplitudę fali ugiętej na obiekcie – O

U = R + O, (1.3.2)

Stąd natężenie promieniowania I w płaszczyźnie rejestracji hologramu można opisać następująco:

Przy liniowym przetwarzaniu hologramu i odtwarzaniu go falą odniesienia o złożonej amplitudzie R, amplitudę pola w płaszczyźnie hologramu, bezpośrednio za nią - A, można opisać aż do współczynnika proporcjonalności w następujący sposób:

Jeżeli amplituda fali odniesienia jest taka sama na całej płaszczyźnie hologramu, to pierwszy wyraz po prawej stronie wyrażenia (1.3.4.) opisuje czoło fali, którego złożona amplituda jest proporcjonalna do amplitudy pierwotna fala U w wyrażeniu (1.3.2).

Schemat optyczny rejestracji hologramów Leitha-Upatnieksa

Interferencję obserwuje się, gdy doda się dwie fale, o ile są one spójne, tj. przy stałej różnicy faz pomiędzy tymi falami powstaje charakterystyczny przestrzenny rozkład natężenia światła – wzór interferencyjny. Płytka detektora fotograficznego rejestruje to w postaci naprzemiennych jasnych i ciemnych pasków, czyli interferogramu.

Do określenia naprężeń własnych wykorzystano także konwencjonalną interferometrię, jednak prace te można było przeprowadzić jedynie w dobrze wyposażonym laboratorium: wymagane było specjalne przygotowanie powierzchni badanego obiektu, nadanie jej prawidłowego kształtu, specjalne oświetlenie i wyposażenie.

Kiedy powstał laser, tj. jako źródło promieniowania o dużej spójności przestrzenno-czasowej zaczęła rozwijać się holografia optyczna – metoda rejestracji i rekonstrukcji fal świetlnych rozproszonych przez obiekt i niosąca informację o jego kształcie (tj. trójwymiarowym obrazie obiektu). Niektóre techniki interferometrii uległy znacznemu uproszczeniu, gdyż wyeliminowano problemy oświetlenia i przygotowania powierzchni.

Podstawowy obwód optyczny do rejestracji hologramu według Leitha-Upatnieksa pokazano na rys. 1.3.2. Wiązka lasera (1) jest rozszerzana przez soczewkę (2) i dzielona na dwie części przez półprzezroczyste lustro (3). Jedna część – jest to wiązka odniesienia (RL) – przechodzi przez zwierciadło i natychmiast spada na płytkę detektora fotograficznego (5). Druga część, odbita od lustra, oświetla obiekt (4) i rozproszona przez nią rozproszonie przechodzi przez soczewkę (6) i również spada na detektor. To jest wiązka obiektowa (SL).

Ryż. 1.4 - Schemat ideowy rejestracji hologramu Leitha-Upatnieksa: 1 - laser, 2 - soczewka, 3 - zwierciadło półprzezroczyste, 4 - obiekt, 5 - detektor płyt fotograficznych, 6 - soczewka w trybie powiększającym, OL - wiązka odniesienia, PL - wiązka obiektu

Należy pamiętać, że obecność soczewki (6) nie jest niezbędna do rejestracji hologramów, ale jest konieczna do pomiaru naprężeń szczątkowych. Soczewka znajduje się w odległości ogniskowej od obiektu i dlatego działa w trybie lupy: na kliszy fotograficznej zapisywany jest nie cały obraz obiektu, ale jego niewielka część, ale powiększona 2-5 razy - pole powierzchni z dziurą. Pomaga to uwzględnić dość gęsto rozmieszczone (szczególnie na krawędzi otworu) paski interferogramu.

W tym schemacie nagrywania wiązka lasera jest dzielona przez specjalne urządzenie, rozdzielacz (w najprostszym przypadku dowolny kawałek szkła może pełnić rolę dzielnika) na dwie części. Następnie promienie są rozszerzane za pomocą soczewek i kierowane za pomocą lusterek na obiekt i nośnik zapisu (na przykład kliszę fotograficzną). Obie fale (obiektowa i referencyjna) padają na płytkę z jednej strony. W tym schemacie nagrywania powstaje hologram transmisyjny, który do odtworzenia wymaga źródła światła o tej samej długości fali, przy której wykonano nagranie, najlepiej lasera.

Hologramy uzyskane na nośnikach zapisu o stosunkowo dużej grubości w porównaniu z okresem maksymalnego natężenia pola holograficznego reprezentują wolumetryczną siatkę dyfrakcyjną złożoną z ciągu częściowo odbijających powierzchni.

Wiadomo, że taka sieć jest selektywna, tj. w zależności od kąta padania i długości fali rekonstrukcji, odpowiedź opisana przez prawo Bragga. Hologramy posiadające takie właściwości nazywane są hologramami wolumetrycznymi lub hologramami Bragga. Jeżeli nośnik zapisu, który jest gruby w porównaniu z okresem maksimów pola holograficznego, ustawiony jest w pozycji 3, wówczas fale sferyczne odniesienia i obiektu padają na niego z różnych stron. W tym przypadku odległość pomiędzy powierzchniami maksimów natężenia pola holograficznego wynosi w przybliżeniu połowę długości fali promieniowania rejestrującego, a powierzchnie te znajdują się blisko płaszczyzn równoległych do powierzchni nośnika rejestrującego.

Ryż. 1,5

Ten schemat rejestracji hologramów został zaproponowany przez Yu.N. Denisyuk i nosi jego imię.

Podczas rejestracji hologramu w takim schemacie w objętości nośnika rejestrującego tworzy się duża liczba częściowo odbijających powierzchni promieniowania, zwanych warstwami, działających jak odblaskowy filtr zakłócający. Nawet przy rejestrowaniu średnich grubości 10 - 12 mikronów liczba tych warstw może przekraczać 50. Duża liczba powierzchni częściowo odbijających światło zawartych w hologramie decyduje o ich dużej selektywności widmowej, co pozwala na odtworzenie zapisanego na nich obrazu w białym świetle. Takie hologramy nazywane są hologramami Yu.N. Denisyuk lub odblaskowe hologramy wolumetryczne. Warto zaznaczyć, że znana z zajęć fizyki fotografia Lippmanna jest w istocie szczególnym przypadkiem hologramu Denisyuka.

Holografia z nachyloną wiązką odniesienia z rozproszoną i nierozproszoną wiązką obiektową.

Uzyskanie hologramu za pomocą fali odniesienia padającej na płaszczyznę nośnika zapisu pod kątem innym niż kąt padania fali obiektowej. Analiza przestrzenno-częstotliwościowa tej metody opiera się na koncepcji fali nośnej, czyli fali odniesienia, której częstotliwość przestrzenna jest modulowana przez informację o obiekcie. Zatem wyrażenie „hologram częstotliwości nośnej” jest równoważne wyrażeniu „hologram pozaosiowy”. Stosując metodę częstotliwości nośnej, nie ma potrzeby uzyskiwania fali odniesienia ze względu na przejście światła przez obiekt. Dzięki temu, w przypadku stosowania hologramów pozaosiowych, w przeciwieństwie do hologramów Gabora, nie ma konieczności ograniczania się do przezroczystości z dużymi przezroczystymi obszarami. Na ryc. 1.3.4. Pokazano prosty sposób podziału czoła fali, który pozwala oświetlić przezroczystą przezroczystość spójną falą płaską i uzyskać ukośną falę płaską z tego samego źródła. Możesz przyjąć przezroczystość rastrową jako obiekt. Niech O(x, y) będzie zespoloną amplitudą fali obiektowej w płaszczyźnie hologramu, R = r exp(2рiоrx) = r exp(ikx sinи) będzie zespoloną amplitudą płaskiej fali odniesienia. Z porównania tych wyrażeń, które stwierdza, że faza fali jest odwrotnie proporcjonalna do przebytej drogi optycznej, otrzymujemy wyrażenie na częstotliwość przestrzenną fali odniesienia, przedstawione na rys. 1.3.4.

Ryż. 1.6

Częstotliwość przestrzenna fali odniesienia pokazana na ryc. 1.3.4. Częstotliwość przestrzenna fali odniesienia odpowiada wektorowi falowemu fali odniesienia skierowanemu w dół od osi z, gdzie u jest kątem utworzonym przez nią w płaszczyźnie xz z osią z.

Metoda oświetlania częściowo przezroczystej przezroczystości falą płaską, którą rozważaliśmy wcześniej, ma szereg wad, do których należą:

* trudność obserwacji zrekonstruowanego obrazu wirtualnego, polegająca na konieczności zeskanowania źrenicą obserwatora całej płaszczyzny hologramu;

* silna nierównomierność natężenia fali obiektowej w płaszczyźnie rejestracji hologramu, utrudniająca dobór natężenia fali odniesienia.

Wady te można wyeliminować stosując rozproszone oświetlenie przezroczystości holograficznej. W tym celu pomiędzy źródłem lasera a przezroczystością umieszcza się zwykle ekran dyfuzyjny, taki jak matowe szkło. Ponieważ rozproszony ekran rozprasza światło pod szerokim kątem bryłowym, obserwator nie musi już skanować źrenicą całej powierzchni hologramu, aby zobaczyć cały obraz przezroczystości. Chociaż faza światła rozproszonego przez ekran rozproszony i przechodzącego przez obiekt jest szybko zmieniającą się funkcją przestrzenną współrzędnych w płaszczyźnie hologramu, światło w tej płaszczyźnie może zachować spójne właściwości. Dzieje się tak, jeśli:

* fala początkowa oświetlająca ekran rozproszony jest spójna przestrzennie na całej powierzchni ekranu;

* maksymalna długość drogi światła od źródła do hologramu przez ekran dyfuzyjny różni się od długości drogi wiązki odniesienia nie więcej niż długość koherencji;

* ekran pozostaje nieruchomy.

Hologram uzyskany w świetle rozproszonym ma szereg niezwykłych właściwości. Faktem jest, że ekran rozproszony ma szerszy zakres częstotliwości przestrzennych niż przezroczystość holograficzna; rozprasza światło pod szerokim kątem bryłowym, tak że każdy punkt apertury hologramu otrzymuje światło ze wszystkich punktów przezroczystości. Dzięki temu na etapie rekonstrukcji cały wirtualny obraz obiektu można obserwować przez dowolną część hologramu. Po przesunięciu kierunku patrzenia obraz jest widoczny z drugiej strony. Jeśli dysponujemy hologramem o dwuwymiarowej przezroczystości i chcemy obserwować jego obraz, będziemy w stanie go w całości odtworzyć, nawet jeśli hologram został złamany lub uszkodzony, tak że zachował się tylko niewielki obszar. Oczywiście rozdzielczość obrazu jest tym gorsza, im mniejsza jest powierzchnia pozostałej części hologramu. Należy pamiętać, że rozproszone oświetlenie obiektu, oprócz wymienionych powyżej zalet, ma również szereg istotnych wad. Należy do nich ziarnista, plamkowata struktura obrazów rekonstruowanych za pomocą takich hologramów. Dzięki temu zrekonstruowane obrazy składają się z pojedynczych punktów świetlnych oddzielonych absolutnie ciemnymi przestrzeniami. Wielkość plamek mieści się w granicy rozdzielczości hologramu, a ich kontrast (widzialność) V, definiowany jako stosunek różnicy maksymalnego i minimalnego natężenia elementów obrazu do ich sumy, wynosi 1.

Przyczyną pojawienia się plamek jest brak możliwości zarejestrowania całego pola rozproszonego przez dyfuzor. Utrata i brak rejestracji części pola obiektu na hologramie prowadzi do redystrybucji intensywności zrekonstruowanego obrazu, który ma wygląd plamistej struktury. Obecność plamek ogranicza praktyczne zastosowanie hologramów przy rozproszonym oświetleniu obiektu. Na przykład w fotolitografii plamki są niedopuszczalne, ponieważ prowadzą do pęknięcia obrazowanych struktur. Do dziś nie wynaleziono radykalnej metody zwalczania plam. Jedyne, co proponuje się zrobić w tym kierunku, to zastosować metodę akumulacji, tj. metoda sekwencyjnej rejestracji wielokrotnych realizacji tego samego zrekonstruowanego obrazu, charakteryzujących się różnymi wzorami plamek. Metodę tę w praktyce realizuje się poprzez zamontowanie w wiązce promieni przywracającej obrotowego dyfuzora. Obecność obrotowego dyfuzora umożliwia uśrednienie w czasie różnych realizacji wzorów plamkowych i redukcję ich do szumu stałego wzdłuż płaszczyzny obrazu. Jednocześnie rozpraszacz powoduje zmianę struktury wiązki rekonstrukcyjnej, a co za tym idzie, prowadzi do zmniejszenia rozdzielczości rekonstruowanego obrazu. Porozmawiamy o tym bardziej szczegółowo później.

Materiały do rejestracji hologramów

Obecnie większość hologramów wolumetrycznych rejestruje się przy użyciu fotopolimerów. Spośród nich fotopolimery firmy Du Pont są najbardziej rozpowszechnione i znane. Produkowane są na skalę przemysłową i znajdują szerokie zastosowanie do produkcji bezpiecznych przywieszek holograficznych, takich jak hologramy na kartach kredytowych, banknotach itp. Fotopolimery można wykryć w niemal każdym zakresie widma widzialnego. Ich rozdzielczość również przekracza 3000 mm-1, co pozwala na wykorzystanie tych nośników do rejestracji hologramów odbiciowych według Yu.N. Denisyuk. Ich światłoczułość wynosi dziesiątki mJ/cm2. Do głównych zalet fotopolimerów należy niski poziom hałasu i łatwość obróbki poekspozycyjnej. Wadą tych mediów jest trudność nałożenia ich na podłoże w postaci folii o jednakowej grubości.

Najpowszechniejszą i powszechnie stosowaną metodą utrwalania obrazu obiektów jest fotografia. W fotografii rozkład natężenia fal świetlnych rejestrowany jest w dwuwymiarowej projekcji obrazu obiektu na płaszczyznę fotografii.

Dlatego niezależnie od tego, pod jakim kątem spojrzymy na zdjęcie, nie zobaczymy nowych kątów. Nie widzimy też obiektów znajdujących się w tle i ukrytych przez te z przodu. Perspektywa na fotografii jest widoczna jedynie poprzez zmiany względnych rozmiarów obiektów i wyrazistość ich obrazu.

Holografia jest jednym z niezwykłych osiągnięć współczesnej nauki i technologii. Nazwa pochodzi od greckich słów holos – kompletny i grapho – pisać, co oznacza pełny zapis obrazu.

Holografia zasadniczo różni się od konwencjonalnej fotografii tym, że światłoczuły materiał rejestruje nie tylko intensywność, ale także fazę fal świetlnych rozpraszanych przez obiekt i niesie ze sobą pełną informację o jego trójwymiarowej strukturze. Jako sposób wyświetlania rzeczywistości hologram ma wyjątkową właściwość: w przeciwieństwie do fotografii, która tworzy płaski obraz, obraz holograficzny może odtworzyć dokładną trójwymiarową kopię oryginalnego obiektu. Nowoczesne hologramy obserwuje się przy oświetleniu konwencjonalnymi źródłami światła, a pełna wolumetryczność w połączeniu z dużą dokładnością oddania faktury powierzchni daje pełny efekt obecności.

Holografia opiera się na dwóch zjawiskach fizycznych - dyfrakcji i interferencji fal świetlnych.

Fizyczna koncepcja polega na tym, że kiedy dwie wiązki światła nakładają się na siebie, w pewnych warunkach pojawia się wzór interferencyjny, to znaczy w przestrzeni pojawiają się maksima i minima natężenia światła. Aby wzór interferencji był stabilny w czasie wymaganym do obserwacji i aby został zarejestrowany, obie fale świetlne muszą być skoordynowane w przestrzeni i czasie. Takie spójne fale nazywane są spójnymi.

Wynikowe dodanie dwóch spójnych fal zawsze będzie falą stojącą. Oznacza to, że wzór interferencji będzie stabilny w czasie. Zjawisko to leży u podstaw produkcji i rekonstrukcji hologramów.

Konwencjonalne źródła światła nie mają wystarczającego stopnia spójności, aby można je było zastosować w holografii. Dlatego kluczowe dla jego rozwoju było wynalezienie w 1960 roku optycznego generatora kwantowego lub lasera – niesamowitego źródła promieniowania, które ma niezbędny stopień spójności i może emitować ściśle jedną długość fali.

Dennis Gabor, studiując problematykę rejestracji obrazu, wpadł na świetny pomysł. Istota jego realizacji jest następująca. Jeśli wiązkę spójnego światła podzielimy na dwie części i zarejestrowany obiekt oświetlimy tylko jedną częścią wiązki, kierując drugą część na kliszę fotograficzną, wówczas promienie odbite od obiektu będą interferować z promieniami padającymi bezpośrednio na kliszę od źródła światła. Nazywa się wiązkę światła padającą na płytkę wspierający, a wiązka odbiła się lub przeszła przez obiekt temat. Biorąc pod uwagę, że wiązki te pozyskiwane są z tego samego źródła promieniowania, można mieć pewność, że są one spójne. Fotograficzny zapis wzoru interferencyjnego fali obiektowej i fali odniesienia ma tę właściwość, że przywraca obraz obiektu, jeśli fala odniesienia zostanie ponownie skierowana na taki zapis. Te. Gdy obraz zarejestrowany na płycie zostanie oświetlony wiązką odniesienia, odtworzony zostanie obraz obiektu, którego wizualnie nie da się odróżnić od rzeczywistego. Jeśli spojrzysz przez płytkę pod różnymi kątami, możesz zobaczyć perspektywiczny obraz obiektu z różnych stron. Oczywiście otrzymanej w tak cudowny sposób kliszy fotograficznej nie można nazwać fotografią. To jest hologram.

W 1962 roku I. Leith i J. Upatnieks uzyskali pierwsze hologramy transmisyjne obiektów wolumetrycznych wykonane za pomocą lasera. Wiązka spójnego promieniowania laserowego kierowana jest na półprzezroczyste zwierciadło, za pomocą którego uzyskuje się dwie wiązki – wiązkę obiektową i wiązkę odniesienia. Wiązka referencyjna kierowana jest bezpośrednio na kliszę fotograficzną. Wiązka obiektowa oświetla obiekt, którego hologram zostaje zarejestrowany. Wiązka światła odbita od obiektu – wiązka obiektu – uderza w kliszę fotograficzną. W płaszczyźnie płytki dwie wiązki – obiekt i wiązki odniesienia – tworzą złożony wzór interferencyjny, który dzięki spójności obu wiązek światła pozostaje niezmienny w czasie i jest obrazem fali stojącej. Pozostaje tylko zarejestrować go w zwykły fotograficzny sposób, a powstały wzór interferencyjny to zakodowany obraz opisujący obiekt tak, jak jest on widoczny ze wszystkich punktów kliszy fotograficznej. Obraz ten przechowuje informacje zarówno o amplitudzie, jak i fazie fal odbitych od obiektu.

Jeśli hologram zostanie zarejestrowany w określonym ośrodku wolumetrycznym, wówczas powstały model fali stojącej jednoznacznie odtwarza nie tylko amplitudę i fazę, ale także skład widmowy zarejestrowanego na nim promieniowania. Ta okoliczność była podstawą do stworzenia trójwymiarowych (objętościowych) hologramów. Działanie hologramów wolumetrycznych opiera się na efekcie dyfrakcji Bragga: w wyniku interferencji fal rozchodzących się w grubowarstwowej emulsji powstają płaszczyzny oświetlane światłem o większym natężeniu.

Po wywołaniu hologramu na odsłoniętych płaszczyznach tworzą się warstwy zaczernienia. W wyniku tego powstają tzw. płaszczyzny Bragga, które mają właściwość częściowego odbijania światła.

Te. w emulsji powstaje trójwymiarowy wzór interferencyjny.

Taki grubowarstwowy hologram zapewnia skuteczną rekonstrukcję fali obiektu pod warunkiem, że kąt padania wiązki odniesienia nie ulegnie zmianie podczas rejestracji i rekonstrukcji. Niedozwolona jest również zmiana długości fali światła podczas renowacji. Ta selektywność hologramu z transmisją wolumetryczną umożliwia zapis na płycie nawet kilkudziesięciu obrazów, zmieniając odpowiednio kąt padania wiązki odniesienia podczas rejestracji i rekonstrukcji.

Podczas rekonstrukcji hologramu wolumetrycznego, w przeciwieństwie do hologramów o płaskiej transmisji, powstaje tylko jeden obraz w wyniku odbicia wiązki rekonstrukcyjnej od hologramu tylko w jednym kierunku, określonym przez kąt Bragga.

Odblaskowe hologramy wolumetryczne rejestrowane są według innego schematu. Pomysł stworzenia tych hologramów należy do Yu.N. Denisyuk. Dlatego hologramy tego typu znane są z nazwiska ich twórcy.

Wiązki światła referencyjnego i przedmiotowego formowane są za pomocą rozdzielacza i kierowane przez lustro z obu stron na płytkę. Fala obiektowa oświetla kliszę fotograficzną od strony warstwy emulsyjnej, natomiast fala odniesienia oświetla kliszę fotograficzną od strony podłoża szklanego. W takich warunkach rejestracji płaszczyzny Bragga położone są niemal równolegle do płaszczyzny kliszy fotograficznej. Zatem grubość fotowarstwy może być stosunkowo mała.

9.4. Elementy układów scalonych.

Początek formularza

UKŁAD SCALONY(IC), obwód mikroelektroniczny utworzony na maleńkiej płytce (krysztale lub „chipie”) z materiału półprzewodnikowego, zwykle krzemu, który służy do kontrolowania i wzmacniania prądu elektrycznego. Typowy układ scalony składa się z wielu połączonych ze sobą elementów mikroelektronicznych, takich jak tranzystory, rezystory, kondensatory i diody, wykonanych na warstwie powierzchniowej chipa. Rozmiary kryształów krzemu wahają się od około 1,3 x 1,3 mm do 13 x 13 mm. Postęp w obwodach scalonych doprowadził do rozwoju technologii układów scalonych na dużą i bardzo dużą skalę (LSI i VLSI). Technologie te umożliwiają produkcję układów scalonych, z których każdy zawiera wiele tysięcy obwodów: pojedynczy chip może składać się z ponad 1 miliona elementów.Układy scalone mają szereg zalet w stosunku do swoich poprzedników - obwodów, które zostały zmontowane z pojedynczych elementów zamontowanych na podwozie. Układy scalone są mniejsze, szybsze i bardziej niezawodne; Są także tańsze i mniej podatne na awarie spowodowane wibracjami, wilgocią i starzeniem. Miniaturyzacja obwodów elektronicznych była możliwa dzięki szczególnym właściwościom półprzewodników. Półprzewodnik to materiał, który ma znacznie większą przewodność elektryczną (przewodność) niż dielektryk, taki jak szkło, ale znacznie mniejszą niż przewodniki, takie jak miedź. Sieć krystaliczna materiału półprzewodnikowego, takiego jak krzem, ma zbyt mało wolnych elektronów w temperaturze pokojowej, aby zapewnić znaczną przewodność. Dlatego czyste półprzewodniki mają niską przewodność. Jednakże wprowadzenie do krzemu odpowiedniego domieszki zwiększa jego przewodność elektryczną. Domieszki wprowadza się do krzemu dwoma metodami. W przypadku silnego domieszkowania lub w przypadkach, gdy nie jest konieczna precyzyjna kontrola ilości wprowadzanych zanieczyszczeń, najczęściej stosuje się metodę dyfuzyjną. Dyfuzja fosforu lub boru zwykle odbywa się w atmosferze domieszki w temperaturze od 1000 do 1150 C przez od pół godziny do kilku godzin. Podczas implantacji jonów krzem jest bombardowany jonami domieszkowymi o dużej prędkości. Ilość implantowanych zanieczyszczeń można regulować z dokładnością do kilku procent; dokładność w niektórych przypadkach jest ważna, ponieważ wzmocnienie tranzystora zależy od liczby atomów zanieczyszczeń wszczepionych na 1 cm2 podstawy.

Co pokrywa się z bardzo dużą dokładnością, powstaje stojąca fala elektromagnetyczna. Podczas rejestracji hologramu w pewnym obszarze przestrzeni dodawane są dwie fale: jedna z nich pochodzi bezpośrednio ze źródła (fala odniesienia), a druga odbija się od rejestrowanego obiektu (fala obiektowa). W obszarze stojącej fali elektromagnetycznej (lub innego materiału rejestrującego) umieszcza się na tej płycie złożony wzór ciemniejących pasm, który odpowiada rozkładowi energii elektromagnetycznej (wzorowi) w tym obszarze przestrzeni. Jeśli teraz tę płytkę oświetli fala zbliżona do referencyjnej, wówczas przekształci tę falę w falę bliską obiektowej. Zobaczymy zatem (z różną dokładnością) to samo światło, które odbiłoby się od rejestrowanego obiektu.

Źródła światła

Podczas nagrywania hologramu niezwykle ważne jest, aby długości (częstotliwości) obiektu i fal odniesienia pokrywały się ze sobą z maksymalną dokładnością i nie zmieniały się przez cały czas rejestracji (w przeciwnym razie na płycie nie zostanie zarejestrowany wyraźny obraz) . Można to osiągnąć jedynie po spełnieniu dwóch warunków:

obie fale były początkowo emitowane przez to samo źródło
źródło to emituje falę o bardzo stabilnej długości fali (promieniowanie)

Jedynym źródłem światła, które dobrze spełnia drugi warunek jest . Przed wynalezieniem laserów holografia praktycznie się nie rozwinęła. Obecnie holografia stawia jedne z najbardziej rygorystycznych wymagań w zakresie spójności lasera.

Najczęściej koherencję charakteryzuje się długością koherencji – czyli różnicą w drogach optycznych dwóch fal, przy której klarowność obrazu interferencyjnego spada o połowę w porównaniu z obrazem interferencyjnym wytwarzanym przez fale, które przebyły tę samą odległość od źródła . W przypadku różnych laserów długość koherencji może wynosić od kilku milimetrów (lasery dużej mocy przeznaczone do spawania, cięcia i innych zastosowań, które nie wymagają tego parametru) do kilkudziesięciu metrów (specjalne, tzw. lasery jednoczęstotliwościowe do zastosowań wymagających konsekwencja).

Historia holografii

Pierwszy hologram uzyskano rok (na długo przed wynalezieniem laserów) podczas eksperymentów mających na celu zwiększenie rozdzielczości. Ukuł także samo słowo „holografia”, którym kładł nacisk na pełne zarejestrowanie właściwości optycznych przedmiotu. Niestety jego hologramy były kiepskiej jakości. Nie da się uzyskać wysokiej jakości hologramu bez spójnego źródła światła.

Schemat notacji Leitha-Upatnieksa

W tym schemacie nagrywania wiązka lasera jest dzielona przez specjalne urządzenie, rozdzielacz (w najprostszym przypadku dowolny kawałek szkła może pełnić rolę dzielnika) na dwie części. Następnie promienie są rozszerzane za pomocą soczewek i kierowane na obiekt i płytkę za pomocą luster. Obie fale (obiektowa i referencyjna) padają na płytkę z jednej strony. Przy takim schemacie rejestracji powstaje hologram transmisyjny, który do swojej rekonstrukcji wymaga źródła emitującego światło w bardzo małym zakresie długości fal (promieniowanie monochromatyczne), w idealnym przypadku - .

Schemat nagrywania Denisyuka

Na tym schemacie wiązka lasera jest rozszerzana i kierowana w stronę. Część wiązki przechodzącej przez nią oświetla obiekt. Światło odbite od obiektu tworzy falę obiektową. Jak widać obiekt i fale odniesienia padają na płytkę z różnych stron. Na tym schemacie rejestrowany jest odblaskowy hologram, który niezależnie wycina wąski przekrój (sekcje) z widma ciągłego i tylko to odzwierciedla. Dzięki temu obraz hologramu jest widoczny w zwykłym białym świetle lub lampie (patrz zdjęcie na początku artykułu). Hologram początkowo wycina długość fali, z jaką został zarejestrowany (jednak w trakcie przetwarzania i przechowywania hologramu może zmieniać jego grubość, zmienia się także długość fali), co umożliwia nagranie trzech hologramów jednego obiektu na jednym płytkę i za pomocą laserów, uzyskując ostatecznie kolorowy hologram, który jest prawie niemożliwy do odróżnienia od samego obiektu.

Schemat ten charakteryzuje się niezwykłą prostotą i w przypadku zastosowania (posiada wyjątkowo małe wymiary i wytwarza wiązkę rozbieżną bez użycia ) ogranicza się do tylko jednego lasera i pewnej podstawy, na której zamocowany jest laser, płyta i przedmiot. To właśnie te schematy są stosowane podczas nagrywania amatorskich hologramów.

Materiały fotograficzne

Holografia jest niezwykle wymagająca w zakresie rozdzielczości materiałów fotograficznych. Odległość między dwoma maksimami wzoru jest tego samego rzędu wielkości co długość fali lasera, przy czym ta ostatnia wynosi najczęściej 633 (laser helowo-neonowy) lub 532 (laser drugiej harmonicznej) nanometrów. Zatem wartość ta jest rzędu 0,0005 mm. Aby uzyskać wyraźny obraz wzoru interferencyjnego, potrzebne były klisze fotograficzne o liczbie linii od 3000 (Leit-Upatnieks) do 5000 (Denisyuk) na milimetr.

Głównym materiałem fotograficznym do rejestracji hologramów są specjalne klisze fotograficzne na bazie tradycyjnego bromku srebra. Dzięki specjalnym dodatkom i specjalnemu mechanizmowi rozwojowemu udało się osiągnąć rozdzielczość ponad 5000 linii na milimetr, ale odbyło się to kosztem wyjątkowo niskiej czułości płytki i wąskiego zakresu widmowego (precyzyjnie dopasowanego do promieniowania lasera ). Czułość płytek jest na tyle niska, że można je wystawić na bezpośrednie działanie światła słonecznego na kilka sekund bez ryzyka odblasku.

Ponadto czasami stosuje się płyty fotograficzne na bazie żelatyny dwuchromowanej, które mają jeszcze większą rozdzielczość i pozwalają na rejestrację bardzo jasnych hologramów (nawet 90% padającego światła zamieniane jest na obraz), ale są jeszcze mniej czułe i są czuły tylko w zakresie krótkich fal (niebieska i w mniejszym stopniu zielona część widma).

W tej chwili na świecie istnieje tylko jedna przemysłowa (poza kilkoma małymi) produkcją klisz fotograficznych do holografii - rosyjska firma Slavich.

Niektóre schematy zapisu umożliwiają zapis na płytach o niższej rozdzielczości, nawet na zwykłych kliszach fotograficznych o rozdzielczości około 100 linii na milimetr, jednak schematy te mają wiele ograniczeń i nie zapewniają wysokiej jakości obrazu.

Amatorska holografia

Jak już napisano powyżej, schemat Denisyuka przy wykorzystaniu diody laserowej jako źródła spójnego światła okazuje się niezwykle prosty, co umożliwiło rejestrację takich hologramów w domu bez użycia specjalnego sprzętu.

Aby zarejestrować hologram, wystarczy stworzyć odpowiednią ramę, na której na stałe zostanie zamontowany laser, klisza fotograficzna (najczęściej PFG-03M) oraz obiekt rejestrujący. Jedynym poważnym wymogiem nałożonym na projekt są minimalne wibracje. Instalację należy zamontować na wspornikach tłumiących drgania, na kilka minut przed i w trakcie naświetlania nie wolno dotykać instalacji (zwykle pomiar narażenia odbywa się poprzez otwieranie i zamykanie wiązki lasera za pomocą ekranu nie połączonego mechanicznie z instalacją) ; w najprostszym przypadku możesz po prostu trzymać go w dłoni).

Amatorska holografia wykorzystuje tanie i łatwo dostępne lasery półprzewodnikowe:

wskaźniki laserowe
moduły laserowe
oddzielne diody laserowe

Wskaźniki laserowe to najłatwiejsze w użyciu i niedrogie źródło spójnego światła. Można je kupić za niewielkie pieniądze niemal wszędzie. Po odkręceniu lub odpiłowaniu soczewki skupiającej wiązkę, wskazówka zaczyna świecić jak latarka (z tą różnicą, że jej plamka jest wydłużona w jedną stronę), pozwalając oświetlić kliszę fotograficzną i znajdującą się za nią scenę. Wystarczy w jakiś sposób zabezpieczyć przycisk (na przykład spinaczem do bielizny) w stanie włączonym. Wadami wskaźników jest ich nieprzewidywalna jakość i konieczność ciągłego zakupu nowych baterii.

Bardziej zaawansowanym źródłem jest moduł laserowy, którego soczewkę skupiającą ponownie trzeba odkręcić lub odpiłować. W odróżnieniu od wskaźnika, moduł nie jest zasilany z znajdujących się w nim baterii, lecz z zewnętrznego źródła, którym może być stabilizowany zasilacz 3V. Taki zasilacz, podobnie jak sam moduł laserowy, sprzedawany jest zwykle w sklepach z częściami radiowymi za stosunkowo niewielkie pieniądze. Brak słabych akumulatorów przyczynia się do stabilnej pracy. Z reguły moduły laserowe są wykonane lepiej niż wskaźniki, ale ich spójność jest również nieprzewidywalna.

Wreszcie, pojedyncze diody laserowe są najtrudniejszymi w obsłudze źródłami światła. W przeciwieństwie do modułów i wskaźników nie mają one wbudowanego zasilacza, więc trzeba będzie go złożyć lub kupić (to drugie jest bardzo drogie). Faktem jest, że diody laserowe z reguły wykorzystują niestandardowe napięcie zasilania, na przykład 1,8 V, 2,7 V itp. Poza tym ważniejsze jest dla nich nie napięcie zasilania, a prąd. Najprostszy zasilacz składa się z miliamperomierza, rezystora zmiennego i standardowego zasilacza stabilizowanego 3-5V. Ponadto dioda laserowa nie jest w stanie sama się ochłodzić, należy ją zamontować na grzejniku. Moc cieplna diod stosowanych w holografii amatorskiej nie przekracza setek miliwatów, więc wystarczy promiennik o minimalnych rozmiarach, jednak im większy promiennik, tym temperatura jest stabilniejsza, a spójność bezpośrednio zależy od stabilności temperatury.

Jak już napisano powyżej, spójność wskaźników i modułów jest całkowicie nieprzewidywalna, ponieważ parametr ten nie jest istotny dla ich normalnego użytkowania. Jest całkiem możliwe, że będziesz musiał kupić kilka modułów/wskaźników, zanim natkniesz się na instancję o wysokiej spójności. Z zarejestrowanego hologramu można zrozumieć, że spójność jest niewystarczająca: jeśli ma charakterystyczne paski, które poruszają się podczas obrotu, to laser generuje kilka długości fal i jego spójność jest niska.

W przypadku diod laserowych sytuacja jest zauważalnie lepsza. Po pierwsze, jeśli dioda w normalnym trybie pracy wykazuje słabe widmo emisyjne (tj. niską koherencję), to nieznacznie zmniejszając lub zwiększając przepływający przez nią prąd, można spróbować uzyskać dobre widmo. Po drugie, niektóre diody są produkowane przez producenta z uwzględnieniem wymagań wysokiej koherencji. Są to lasery o pojedynczym trybie podłużnym (Single longitudinal mode) lub lasery o jednej częstotliwości. Ich długość koherencyjna znacznie przekracza metr, co znacznie przekracza potrzeby amatorskiej holografii. Co więcej, cena takich laserów zaczyna się od kilkudziesięciu dolarów, co jest dość przystępne dla większości amatorów. W szczególności takie diody laserowe są produkowane przez Opnext wspólnie z Hitachi.

Czerwone lasery półprzewodnikowe o długości fali 650 nm są najczęściej stosowane w szerokiej gamie zastosowań. Te same lasery są najczęściej stosowane w amatorskiej holografii. Wyróżniają się niską ceną, dość dużą mocą, a czułość oka (i klisz fotograficznych PFG-03M używanych do rejestracji hologramów Denisyuka) na tę długość fali jest dość duża. Mniej powszechne w holografii są lasery o długości fali 655-665 nm. Czułość kliszy fotograficznej (i oka) na ten zakres jest zauważalnie (około 2 razy) mniejsza niż do 650 nm, ale takie lasery mają wielokrotnie większą moc przy podobnej cenie. Lasery 635 nm są jeszcze mniej rozpowszechnione. Ich widmo jest niezwykle zbliżone do widma czerwonego lasera He-Ne (633 nm), dla którego ostrzone są klisze fotograficzne, co zapewnia maksymalną czułość (czułość oka również jest znacząco, dwukrotnie większa niż przy 650 nm). Lasery te mają jednak wysoką cenę, niską wydajność i rzadko kiedy mają dużą moc. Dodatkowo polaryzacja tych laserów jest prostopadła do polaryzacji laserów o większej długości fali, ale nie jest to ani zaletą, ani wadą, po prostu trzeba to wziąć pod uwagę przy montażu lasera, aby zapewnić minimalne odbicie światła od szkła płytę fotograficzną.

Spinki do mankietów

Holografia - Wirtualna Galeria- największa witryna poświęcona holografii w WNP

Schemat rejestracji hologramu pokazano na rysunku 1. Denisyuk zarejestrował hologram w trójwymiarowym środowisku, łącząc w ten sposób pomysł Gabora z kolorową fotografią Lippmanna. Wtedy odcinki hologramu o maksymalnej przepuszczalności światła będą odpowiadać tym fragmentom czoła fali obiektowej, w których jej faza pokrywa się z fazą fali odniesienia. Dlatego też, gdy hologram zostanie następnie oświetlony falą odniesienia, w jego płaszczyźnie powstaje taki sam rozkład amplitudy i fazy jak w przypadku fali przedmiotowej, co zapewnia przywrócenie...

55. Holografia. Schemat nagrywania i odtwarzania hologramów. Rejestracja hologramów na emulsjach grubowarstwowych. Zastosowanie hologramów

Holografia (od greckich holos – cały, kompletny i grapho piszę) metoda rejestracji i rekonstrukcji pola falowego, polegająca na rejestracji wzoru interferencyjnego, jaki tworzy fala odbita od obiektu oświetlonego przez źródło światła S (fala obiektowa) i fala spójna pochodząca bezpośrednio ze źródła (fala odniesienia). Zarejestrowany wzór interferencji nazywany jest hologram . Schemat rejestracji hologramu pokazano na rysunku 1.

Podwaliny holografii położył w 1948 roku fizyk D. Gabor (Wielka Brytania). Chcąc ulepszyć mikroskop elektronowy, Gabor zaproponował rejestrowanie informacji nie tylko o amplitudach, ale także o fazach fal elektronowych poprzez nałożenie spójnej fali odniesienia na falę obiektową. Jednak ze względu na brak potężnych źródeł spójnego światła nie był w stanie uzyskać wysokiej jakości obrazów holograficznych. Holografia przeżyła swoje odrodzenie w latach 1962–1963, kiedy amerykańscy fizycy E. Leith i J. Upatnieks wykorzystali laser jako źródło światła i opracowali schemat z nachyloną wiązką odniesienia, a Yu.N. Denisyuk zarejestrował hologram w trójwymiarowym środowisku, łącząc w ten sposób pomysł Gabora z kolorową fotografią Lippmanna. Do 1965 r. 1966 r Stworzono teoretyczne i eksperymentalne podstawy holografii. W kolejnych latach rozwój holografii przebiegał głównie w kierunku doskonalenia jej zastosowań.

Niech struktura interferencyjna utworzona przez fale referencyjne i obiektowe zostanie utrwalona na pozytywowym materiale fotograficznym. Wtedy odcinki hologramu o maksymalnej przepuszczalności światła będą odpowiadać tym fragmentom czoła fali obiektowej, w których jej faza pokrywa się z fazą fali odniesienia. Obszary te będą tym bardziej przezroczyste, im większe będzie natężenie fali obiektowej. Dlatego też, gdy hologram zostanie następnie oświetlony falą odniesienia, w jego płaszczyźnie powstaje taki sam rozkład amplitudy i fazy, jak w przypadku fali obiektowej, co zapewnia jej przywrócenie.

Powrót do zdrowia fala obiektowa, hologram zostaje oświetlony przez źródło tworzące kopię wspierający fale. W wyniku dyfrakcji światła na strukturze interferencyjnej hologramu w wiązce dyfrakcyjnej Pierwsze zamówienie kopia fali obiektowej zostaje przywrócona, tworząc się niezniekształcony wirtualny obrazobiektu, znajdującego się w miejscu, w którym obiekt znajdował się podczas holografii. Jeśli hologram jest dwuwymiarowy, jednocześnie rekonstruowana jest fala sprzężonaminus pierwszego rzędu, formowanie zniekształcony rzeczywisty obraztemat (rysunek 2).

Kąty, pod którymi rozchodzą się wiązki dyfrakcyjne zerowego i pierwszego rzędu, wyznaczane są przez kąty padania obiektu i fal odniesienia na kliszę fotograficzną. W schemacie Gabora źródło fali referencyjnej i obiekt znajdowały się na osi hologramu ( schemat osiowy ). W tym przypadku wszystkie trzy fale rozchodziły się za hologramem w tym samym kierunku, powodując wzajemne zakłócenia. W schemacie Leitha i Upatnieksa zakłócenia takie eliminowano poprzez nachylenie fali odniesienia ( schemat pozaosiowy).

Struktura interferencyjnamożna utrwalić na materiale światłoczułym na jeden z następujących sposobów:

w postaci zmian w przepuszczalności lub odbiciu światła. Hologramy takie podczas rekonstrukcji czoła fali modulują amplitudę fali oświetlającej i nazywane są amplituda;
w postaci zmian współczynnika załamania światła lub grubości (relief). Hologramy takie podczas rekonstrukcji czoła fali modulują fazę fali świetlnej i dlatego nazywane są faza.

Często modulacja fazy i amplitudy jest wykonywana jednocześnie. Na przykład konwencjonalna płyta fotograficzna rejestruje strukturę interferencyjną w postaci zmian zaczernienia, współczynnika załamania światła i reliefu. Po wybieleniu hologramu pozostaje jedynie modulacja fazowa.

Struktura interferencyjna zarejestrowana na kliszy fotograficznej zazwyczaj trwa długo, tznproces nagrywania jest oddzielony od procesu odzyskiwania (stacjonarne hologramy). Istnieją jednak media światłoczułe (niektóre barwniki, kryształy, opary metali), które niemal natychmiast reagują na oświetlenie charakterystyką fazową lub amplitudową. W tym przypadku hologram istnieje podczas oddziaływania obiektu i fal odniesienia na ośrodek, a odtworzenie czoła fali odbywa się jednocześnie z rejestracją, w wyniku oddziaływania fali odniesienia i obiektu z interferencją utworzona przez nie struktura (dynamiczne hologramy). Na zasadach holografia dynamicznamożna tworzyć systemy pamięci trwałej i o dostępie swobodnym, korektory promieniowania laserowego, wzmacniacze obrazu, urządzenia kontrolujące promieniowanie laserowe i urządzenia inwersyjne czoła fali.

Jeżeli grubość warstwy światłoczułej jest znacznie większa niż odległość pomiędzy sąsiednimi powierzchniami maksimów interferencyjnych, to hologram należy uznać za wolumetryczny . Jeżeli na powierzchni warstwy zarejestrowana jest struktura interferencyjna lub jeżeli grubość warstwy jest porównywalna z odległością D pomiędzy sąsiednimi elementami konstrukcji nazywane są wówczas hologramami płaski. Kryterium przejścia od hologramów dwuwymiarowych do hologramów trójwymiarowych: .

Hologramy objętościoweto trójwymiarowe struktury, w których powierzchnie węzłów i antywęzłów są rejestrowane jako zmiany współczynnika załamania światła lub współczynnika odbicia ośrodka. Powierzchnie węzłów i antywęzłów są skierowane wzdłuż dwusiecznej kąta tworzącego obiekt i belki odniesienia. Takie wielowarstwowe struktury oświetlone falą odniesienia zachowują się jak trójwymiarowe siatki dyfrakcyjne. Światło odbite lustrzanie od warstw przywraca falę obiektu.

Wiązki odbite od różnych warstw wzmacniają się wzajemnie, jeśli są w fazie, to znaczy różnica dróg między nimi jest równa (Warunek Lippmanna Bragga). Warunek jest automatycznie spełniony tylko dla długości fali, w świetle której zarejestrowano hologram. Określa to selektywność hologramu ze względu na długość fali źródła, w świetle którego przywracany jest czoło fali. Możliwe staje się przywrócenie obrazu za pomocą źródła widma ciągłego (Słońce, lampa żarowa). Jeżeli naświetlanie przeprowadzono światłem zawierającym kilka linii widmowych (czerwona, niebieska, zielona), to dla każdej długości fali powstaje jej własna trójwymiarowa struktura interferencyjna. Odpowiednie długości fal zostaną oddzielone od widma ciągłego po oświetleniu hologramu, co doprowadzi do przywrócenia nie tylko struktury fali, ale także jej składu widmowego, czyli uzyskania kolorowego obrazu. Trójwymiarowe hologramy tworzą jednocześnie tylko jeden obraz (urojony lub rzeczywisty) i nie wytwarzają fal zerowego rzędu.

Właściwości hologramów.

A) Główną właściwością hologramów, która odróżnia go od fotografii, jest to, że na fotografii rejestrowany jest jedynie rozkład amplitudy padającej na nią fali obiektu, natomiast na hologramie dodatkowo rozkład fazy obiektu Rejestrowana jest również fala w stosunku do fazy fali odniesienia. Informacja o amplitudzie fali obiektowej jest zapisywana na hologramie w postaci kontrastu reliefu interferencyjnego, a informacja o fazie w postaci kształtu i częstotliwości prążków interferencyjnych. W rezultacie hologram oświetlony falą odniesienia odtwarza kopię fali obiektowej.

B) Właściwości hologramu, rejestrowanego zwykle na negatywowym materiale fotograficznym, pozostają takie same jak w przypadku zapisu pozytywowego: jasne obszary obiektu odpowiadają jasnym obszarom rekonstruowanego obrazu, a ciemne obszary odpowiadają ciemnym obszarom. Łatwo to zrozumieć, biorąc pod uwagę, że informacja o amplitudzie fali obiektowej zawarta jest w kontraście struktury interferencyjnej, której rozkład na hologramie nie zmienia się przy zastąpieniu procesu dodatniego procesem ujemnym. Przy takiej wymianie przechodzi jedynie do fazy przywróconej fali obiektu. Nie jest to zauważalne poprzez obserwację wzrokową, ale czasami pojawia się w interferometrii holograficznej.

W) Jeżeli podczas rejestracji hologramu światło z każdego punktu obiektu pada na całą powierzchnię hologramu, to każdy jego niewielki fragment jest w stanie zrekonstruować cały obraz obiektu. Jednakże mniejsza część hologramu zrekonstruuje mniejszą część czoła fali niosącą informację o obiekcie. Jeżeli obszar ten jest bardzo mały, jakość rekonstruowanego obrazu ulegnie pogorszeniu.

W przypadku hologramów z obrazem skupionym każdy punkt obiektu wysyła światło do odpowiadającego mu małego obszaru hologramu. Dlatego fragment takiego hologramu odtwarza tylko odpowiednią część obiektu.

G) Całkowity zakres jasności transmitowany przez kliszę fotograficzną z reguły nie przekracza jednego lub dwóch rzędów wielkości, podczas gdy rzeczywiste obiekty często mają znacznie większe różnice jasności. Hologram o właściwościach skupiających wykorzystuje całe światło padające na całą jego powierzchnię do skonstruowania najjaśniejszych obszarów obrazu i jest w stanie przekazywać gradację jasności do pięciu i sześciu rzędów wielkości.

D) Jeżeli podczas rekonstrukcji czoła fali hologram zostanie oświetlony źródłem odniesienia umieszczonym względem hologramu w taki sam sposób, jak podczas jego naświetlania, wówczas zrekonstruowany obraz wirtualny pokrywa się kształtem i położeniem z samym obiektem. Kiedy zmienia się położenie źródła rekonstrukcji, kiedy zmienia się jego długość fali lub orientacja hologramu i jego rozmiar, zgodność zostaje naruszona. Zmianom takim z reguły towarzyszą aberracje w rekonstruowanym obrazie.

MI) Nazywa się minimalną odległość między dwoma sąsiednimi punktami obiektu, którą można nadal widzieć osobno podczas obserwacji obrazu obiektu za pomocą hologramurozdzielczość hologramu. Rośnie wraz ze wzrostem rozmiaru hologramu. Rozdzielczość kątowa okrągłego (średnica D ) hologramu określa się wzorem: . Rozdzielczość kątowa kwadratowego hologramu o boku kwadratu równym L , wyznacza się ze wzoru: .

W większości schematów holograficznych maksymalny rozmiar hologramu jest ograniczony rozdzielczością rejestrowanego materiału fotograficznego. Wynika to z faktu, że wzrost wielkości hologramu wiąże się ze wzrostem kąta pomiędzy obiektem a wiązkami odniesienia oraz częstotliwości przestrzennej. Wyjątkiem jest schemat bezsoczewkowej holografii Fouriera, w którym nie zwiększa się ona wraz ze wzrostem rozmiaru hologramu.

I) Określana jest jasność zrekonstruowanego obrazuefektywność dyfrakcyjna, który definiuje się jako stosunek strumienia świetlnego w rekonstruowanej fali do strumienia świetlnego padającego na hologram podczas rekonstrukcji. Decyduje o tym rodzaj hologramu, warunki jego rejestracji, a także właściwości materiału rejestrującego.

Maksymalna osiągalna skuteczność dyfrakcyjna hologramów wynosi:

Dla transmisja dwuwymiarowa hologramy

amplituda 6,25%,

faza 33,9 5;

Dla dwuwymiarowy odblaskOdpowiednio 6,25 i 100%;

Dla transmisja trójwymiarowahologramy 3,7 i 100%;

dla trójwymiarowego odblaskowy 7,2 i 100%.

Zastosowania holografii. Podczas przywracania hologramów powstaje całkowita iluzja istnienia obiektu, nie do odróżnienia od oryginału. Tę właściwość hologramów wykorzystuje się podczas wykładów demonstracyjnych, podczas tworzenia trójwymiarowych kopii dzieł sztuki i portretów holograficznych. Trójwymiarowe obrazy holograficzne wykorzystuje się do badania poruszających się cząstek, kropel deszczu lub mgły, a także śladów cząstek jądrowych w komorach pęcherzykowych i iskrowych.

Za pomocą urządzeń holograficznych przeprowadza się różne transformacje fal, w tym odwrócenie czoła fali, w celu wyeliminowania aberracji optycznych. Jedno z pierwszych zastosowań holografii było związane z badaniem naprężeń mechanicznych. Holografia służy do przechowywania i przetwarzania informacji. Zapewnia to wysoką gęstość zapisu i niezawodność nagrywania.

Trójwymiarowość obrazu sprawia, że tworzenie holograficznego kina i telewizji jest obiecujące. Główną trudnością w tym przypadku jest stworzenie ogromnych hologramów, które mogłaby oglądać jednocześnie duża liczba widzów. Ponadto hologram musi być dynamiczny. Aby stworzyć telewizję holograficzną, należy pokonać trudność wynikającą z konieczności poszerzenia pasma częstotliwości o kilka rzędów wielkości w celu przesyłania trójwymiarowych ruchomych obrazów.

Hologram można wytworzyć nie tylko metodą optyczną, ale także zaprojektować komputerowo (hologram cyfrowy). Hologramy maszynowe służą do uzyskania trójwymiarowych obrazów obiektów, które jeszcze nie istnieją. Hologramy maszynowe złożonych powierzchni optycznych stosowane są jako standardy w badaniach interferencyjnych powierzchni produktów.

Znana jest także holografia akustyczna, którą można połączyć z metodami wizualizacji pól akustycznych.

Dodatkowy materiał

Kiedy fala referencyjna i obiektowa spotykają się w przestrzeni, powstaje system fal stojących. Maksima amplitudy fal stojących odpowiadają strefom, w których fale zakłócające znajdują się w tej samej fazie, a minima odpowiadają strefom, w których fale zakłócające są w przeciwfazie. Dla źródła odniesienia punktowego O 1 i obiekt punktowy O 2 powierzchnie maksimów i minimów reprezentują system hiperboloidów obrotowych. Częstotliwość przestrzenną struktury interferencyjnej (odwrotność jej okresu) wyznacza kąt, pod jakim promienie świetlne wychodzące ze źródła odniesienia i wychodzące z obiektu zbiegają się w danym punkcie: , gdzie jest długością fali. Płaszczyzny styczne do powierzchni węzłów i antywęzłów w każdym punkcie przestrzeni przecinają kąt na pół. W schemacie Gabora źródło odniesienia i obiekt znajdują się na osi hologramu, kąt jest bliski zeru, a częstotliwość przestrzenna jest minimalna. Hologramy osiowe nazywane są również hologramami pojedyncza belka , ponieważ wykorzystuje się jedną wiązkę światła, której jedna część jest rozpraszana przez obiekt i tworzy falę obiektową, a druga część, która przechodzi przez obiekt bez zniekształceń, jest falą odniesienia.

W schemacie Leitha i Upatnieksa spójna nachylona belka odniesienia tworzona jest oddzielnie (hologram z podwójną wiązką). W przypadku hologramów z podwójną wiązką częstotliwość przestrzenna jest wyższa niż w przypadku hologramów z pojedynczą wiązką. Dlatego też rejestracja hologramów dwuwiązkowych wymaga materiałów fotograficznych o wyższej rozdzielczości przestrzennej.

Jeżeli wiązka referencyjna i obiektowa padają na warstwę światłoczułą z różnych stron (~ 180 0 ), to jest maksimum i blisko 2/ (hologramy w zderzających się wiązkach). Maksima interferencji zlokalizowane są wzdłuż powierzchni materiału w jego grubości. Schemat ten został po raz pierwszy zaproponowany przez Denisyuka. Ponieważ przy oświetleniu takiego hologramu wiązką odniesienia, fala zrekonstruowanego obiektu rozchodzi się w kierunku wiązki oświetlającej, hologramy takie nazywane są czasem odblaskowy.

Rodzaje hologramów. Struktura hologramu zależy od sposobu generacji obiektu i fal odniesienia oraz od sposobu rejestracji wzoru interferencyjnego. W zależności od względnego położenia przedmiotu i płytki oraz obecności pomiędzy nimi elementów optycznych, zależność pomiędzy rozkładami amplitudowo-fazowymi fali obiektu w płaszczyznach hologramu i obiektu jest inna. Jeżeli obiekt leży w płaszczyźnie hologramu lub jest na nim skupiony, to rozkład amplitudowo-fazowy na hologramie będzie taki sam jak w płaszczyźnie obiektu (skupiony hologram obrazu; Rysunek 3).

Kiedy obiekt znajduje się wystarczająco daleko od płytki lub w ognisku soczewki L, wówczas każdy punkt obiektu wysyła równoległą wiązkę światła do płytki. W tym przypadku związek pomiędzy rozkładami amplitudowo-fazowymi fali obiektowej w płaszczyźnie hologramu i w płaszczyźnie obiektu wyznacza transformata Fouriera (zespolona amplituda fali obiektowej na płycie to tzw. obraz Fouriera obiekt). Hologram w tym przypadku nazywa sięHologram Fraunhofera(Rysunek 4).

Jeśli złożone amplitudy obiektu i fal odniesienia są obrazami Fouriera obiektu i źródła odniesienia, wówczas hologram nazywa sięHologram Fouriera. Podczas rejestracji hologramu Fouriera obiekt i źródło odniesienia zwykle znajdują się w płaszczyźnie ogniskowej soczewki (ryc. 5).

W przypadku hologramu Fouriera bez soczewki źródło odniesienia znajduje się w płaszczyźnie obiektu (rysunek 6). W tym przypadku czoło fali odniesienia i czoło fal elementarnych rozproszonych w poszczególnych punktach obiektu mają tę samą krzywiznę. W rezultacie struktura i właściwości hologramu są prawie takie same jak hologramu z transformacją Fouriera.

Hologramy Fresnelapowstają, gdy każdy punkt obiektu wysyła falę sferyczną do płyty. Wraz ze wzrostem odległości między obiektem a płytą hologramy Fresnela zamieniają się w hologramy Fraunhofera, a wraz ze zmniejszaniem się tej odległości w hologramy skupionego obrazu.

Prawdziwy obraz

Wirtualny obraz

Rysunek 6 Schemat bezsoczewkowej rejestracji hologramu Fouriera

Hologram

Rysunek 5 Schemat rejestracji hologramu Fouriera

Źródło odniesienia

Belka nośna

L

Belka nośna

Rysunek 4 Schemat rejestracji hologramu Fraunhofera

Rysunek 3 Schemat rejestracji hologramu z skupionym obrazem

Rysunek 1 Schemat zapisu hologramu

Rysunek 2 Schemat odzyskiwania

holograficzny obraz obiektu

Belka nośna

Hologram

Holografia- zespół technologii umożliwiających dokładne rejestrowanie, odtwarzanie i przekształcanie pól falowych optycznego promieniowania elektromagnetycznego, specjalna metoda fotograficzna, w której za pomocą lasera rejestrowane są obrazy trójwymiarowych obiektów, a następnie rekonstruowane bardzo podobnie do rzeczywistych.

Metodę tę zaproponował w 1947 roku Dennis Gabor, który również ukuł ten termin hologram i otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1971 r. „za wynalezienie i rozwój zasady holograficznej”.

Historia holografii

Otrzymano pierwszy hologram w 1947 r (na długo przed wynalezieniem laserów) przez Dennisa Gabora podczas eksperymentów mających na celu zwiększenie rozdzielczości mikroskopu elektronowego. Ukuł także samo słowo „holografia”, którym kładł nacisk na pełne zarejestrowanie właściwości optycznych przedmiotu. Niestety jego hologramy były kiepskiej jakości. Nie da się uzyskać wysokiej jakości hologramu bez spójnego źródła światła.

Cechy schematu:

Po stworzeniu w 1960 r roku pojawienia się laserów czerwonego rubinu (długość fali 694 nm, działanie w trybie impulsowym) i helu-neonu (długość fali 633 nm, działanie ciągłe) holografia zaczęła się intensywnie rozwijać.

W 1962 r roku powstał klasyczny schemat rejestracji hologramów autorstwa Emmetta Leighta i Jurisa Upatnieksa z Michigan Institute of Technology (hologramy Leith-Upatnieks), w którym rejestrowane są hologramy transmisyjne (podczas odtwarzania hologramu światło przechodzi przez kliszę fotograficzną, choć w praktyce część światła odbija się od niego i jednocześnie tworzy obraz widoczny z przeciwnej strony).

Schemat Leitha-Upatnieksa

W 1967 r Pierwszy holograficzny portret został zarejestrowany za pomocą lasera rubinowego.

W wyniku długiej pracy w 1968 roku Jurij Nikołajewicz Denisjuk otrzymał wysokiej jakości (do tego czasu brak niezbędnych materiałów fotograficznych uniemożliwiał uzyskanie wysokiej jakości) hologramy, które odtwarzały obraz poprzez odbicie światła białego. Aby to zrobić, opracował własny schemat nagrywania hologramów. Schemat ten nazywa się schematem Denisyuka, a hologramy uzyskane za jego pomocą nazywane są hologramami Denisyuka.

Cechy schematu:

obserwacja obrazów w świetle białym;
niewrażliwość na wibracje elementu „obiekt-RS”;
nośnik zapisu o wysokiej rozdzielczości.

W 1977 r Lloyd Cross stworzył tak zwany hologram multipleksowy. Różni się zasadniczo od wszystkich innych hologramów tym, że składa się z wielu (od kilkudziesięciu do setek) pojedynczych płaskich widoków, widocznych pod różnymi kątami. Taki hologram oczywiście nie zawiera pełnych informacji o obiekcie, ponadto z reguły nie ma paralaksy pionowej (to znaczy nie można patrzeć na obiekt z góry i z dołu), ale wymiary rejestrowany obiekt nie są ograniczone długością koherencji lasera (która rzadko przekracza kilka metrów, a najczęściej tylko kilkadziesiąt centymetrów) i rozmiarem kliszy fotograficznej.

Co więcej, możesz stworzyć multipleksowy hologram obiektu, który w ogóle nie istnieje, na przykład rysując fikcyjny obiekt pod różnymi kątami. Holografia multipleksowa przewyższa jakością wszystkie inne metody tworzenia trójwymiarowych obrazów w oparciu o indywidualne kąty (na przykład rastry soczewkowe), ale nadal daleko jej do tradycyjnych metod holograficznych pod względem realizmu.

W 1986 r Abraham Secke wysunął pomysł stworzenia źródła spójnego promieniowania w obszarze przypowierzchniowym materiału poprzez napromieniowanie go promieniami rentgenowskimi. Ponieważ rozdzielczość przestrzenna w holografii zależy od wielkości źródła promieniowania spójnego i jego odległości od obiektu, okazało się, że możliwa jest rekonstrukcja atomów otaczających emiter w przestrzeni rzeczywistej.

W odróżnieniu od holografii optycznej, we wszystkich zaproponowanych dotychczas schematach holografii elektronowej, przywracanie obrazu obiektu odbywa się metodami numerycznymi na komputerze.

W 1988 r Barton zaproponował taką metodę rekonstrukcji obrazu trójwymiarowego, opartą na wykorzystaniu całek Fouriera i wykazał jej skuteczność na przykładzie teoretycznie wyliczonego hologramu dla klastra o znanej strukturze. Pierwszą rekonstrukcję trójwymiarowego obrazu atomów w przestrzeni rzeczywistej na podstawie danych eksperymentalnych przeprowadził Harp w 1990 roku dla powierzchni Cu(001).

Zasady fizyczne

Podstawowe prawo holografii

Jeśli materiał światłoczuły, na którym zarejestrowany zostanie wzór interferencji kilku fal świetlnych, zostanie umieszczony w pozycji, w której znajdował się podczas rejestracji i ponownie oświetlony częścią tych fal, to reszta zostanie przywrócona. Cechę tę tłumaczy się faktem, że na hologramie, jak na zwykłej kliszy fotograficznej, rejestrowana jest nie tylko intensywność, ale także faza światła wychodzącego z obiektu. Jest to informacja o fazie fali, która jest niezbędna do powstania podczas rekonstrukcji przestrzeni trójwymiarowej, a nie dwuwymiarowej, jaką zapewnia zwykła fotografia. Zatem holografia opiera się na rekonstrukcji czoła fali.

Proces holograficzny składa się z dwóch etapów – rejestracji i restauracji.

Fala pochodząca z obiektu interferuje z falą „odniesienia” i powstały wzór jest rejestrowany.
Drugi etap to utworzenie frontu nowej fali i uzyskanie obrazu pierwotnego obiektu.

Zarejestrowanie informacji o fazie fali pochodzącej z obiektu można wykonać wyłącznie przy użyciu źródła światła o stabilnej charakterystyce fazowej. Idealny do tego celu jest laser- spójne źródło światła o dużej intensywności i wysokiej monochromatyczności.

Zasada superpozycji

Codzienne doświadczenie pokazuje, że natężenie oświetlenia wytwarzane przez dwa lub więcej zwykłych, niespójnych źródeł światła jest prostą sumą natężenia oświetlenia wytwarzanego przez każde z nich z osobna. Zjawisko to nazywa się zasada superpozycji.

Huygens napisał także w swoim Traktacie: „Jedną z najwspanialszych właściwości światła jest to, że gdy przychodzi z różnych kierunków, jego promienie wywołują efekt, przechodząc przez siebie bez żadnej interferencji”. Dzieje się tak dlatego, że każde źródło składające się z wielu atomów i cząsteczek emituje jednocześnie ogromną liczbę fal przesuniętych w fazie. Różnica faz zmienia się szybko i losowo i mimo że pomiędzy niektórymi falami dochodzi do interferencji, to wzory interferencji zmieniają się z taką częstotliwością, że oko nie ma czasu zauważyć zmian w oświetleniu. Dlatego intensywność powstałych oscylacji jest postrzegana jako suma składników pierwotnych oscylacji, a promieniowanie źródła jest "Białe światło, tj. nie monochromatyczny, ale składający się z różnych długości fal. Z tego samego powodu światło to jest niespolaryzowane, ale naturalne, to znaczy nie ma dominującej płaszczyzny wibracji.

Spójne oscylacje

W specjalnych warunkach zasada superpozycji nie jest przestrzegana. Obserwuje się to, gdy różnica faz między falami świetlnymi pozostaje stała przez wystarczająco długi czas, aby można ją było zaobserwować. Fale zdają się „brzmieć w czasie”. Takie oscylacje nazywane są spójnymi.

Główną cechą spójności jest możliwość interferencji. Oznacza to, że kiedy spotykają się dwie fale, wchodzą w interakcję, tworząc nową falę. W wyniku tego oddziaływania powstałe natężenie będzie się różnić od sumy natężeń poszczególnych oscylacji – w zależności od różnicy faz powstanie albo ciemniejsze, albo jaśniejsze pole, albo zamiast pola jednolitego, naprzemienne pasma o różnym natężeniu powstają prążki interferencyjne.

Fale monochromatyczne są zawsze spójne, Jednak filtry światła, często nazywane monochromatycznymi, w rzeczywistości nigdy nie wytwarzają promieniowania ściśle monochromatycznego, a jedynie zawężają zakres widmowy i oczywiście nie przekształcają zwykłego promieniowania w promieniowanie spójne.

Uzyskanie spójnego promieniowania

Wcześniej znany był tylko jeden sposób wytwarzania spójnego promieniowania – za pomocą specjalnego urządzenia – interferometr. Promieniowanie konwencjonalnego źródła światła podzielono na dwie spójne ze sobą wiązki. Te promienie mogą przeszkadzać. Obecnie znana jest inna metoda, wykorzystująca promieniowanie stymulowane. Na tej zasadzie działają lasery.

Dyfrakcja w holografii

Głównym zjawiskiem fizycznym, na którym opiera się holografia, jest dyfrakcja- odchylenie od pierwotnego kierunku światła przechodzącego w pobliżu krawędzi ciał nieprzezroczystych lub przez wąskie szczeliny. Jeśli na ekranie zostanie zastosowanych nie jedna, ale kilka szczelin, pojawi się wzór interferencyjny składający się z szeregu naprzemiennych jasnych i ciemnych pasków, jaśniejszych i węższych niż w przypadku pojedynczej szczeliny. W środku znajduje się najjaśniejsze pasmo „porządku zerowego”, po obu jego stronach znajdują się pasma o stopniowo malejącej intensywności pierwszego, drugiego i pozostałych rzędów. Wraz ze wzrostem liczby szczelin na ekranie paski stają się węższe i jaśniejsze. Siatkę dyfrakcyjną nazywa się ekranem o dużej liczbie cienkich równoległych szczelin, których liczbę często zwiększa się do 10 000.

Siatka będąca hologramem charakteryzuje się przede wszystkim tym, że dyfrakcja zachodzi nie na szczelinie, ale na okręgu. Obraz dyfrakcyjny okrągłego, nieprzezroczystego obiektu to jasny centralny okrąg otoczony stopniowo słabnącymi pierścieniami. Jeśli zamiast nieprzezroczystego dysku na drodze fali umieścimy dysk z otaczającymi go pierścieniami, okrąg na obrazie stanie się jaśniejszy, a paski bledsze. Jeżeli przezroczystość z obszaru ciemnego do jasnego nie zmienia się gwałtownie, ale stopniowo, zgodnie z prawem sinusoidalnym, to taka siatka tworzy jedynie paski zerowego i pierwszego rzędu, a ingerencja w postaci pasków wyższych rzędów nie pojawić się. Ta właściwość jest bardzo ważna podczas nagrywania hologramu. Jeśli przejście z ciemnego pierścienia do jasnego zostanie przeprowadzone ściśle według prawa sinusoidalnego, wówczas pierścienie na obrazie znikną, a obraz będzie małym jasnym kółkiem, prawie kropką. W ten sposób okrągła siatka sinusoidalna utworzy z równoległej wiązki promieni (fali płaskiej) ten sam obraz, co soczewka zbierająca.

Ta krata, tzw siatka strefowa(płytka Soreta, płytka Fresnela), czasami używana zamiast soczewki. Na przykład stosuje się go w okularach, zastępując ciężkie soczewki okularowe o wysokim współczynniku refrakcji. Uzyskanie siatek strefowych możliwe jest na różne sposoby, zarówno mechaniczne, jak i optyczne, interferencyjne. Zastosowanie tych siatek, uzyskanych w drodze interferencji, stanowi podstawę holografii.

Nagranie hologramowe

Aby zarejestrować hologram złożonego, nieświecącego obiektu, naświetla się go promieniowaniem laserowym. Spójna fala odniesienia kierowana jest na tę samą płytkę, na którą pada rozproszone światło odbite od obiektu. Fala ta jest oddzielana od promieniowania laserowego za pomocą zwierciadeł.

Światło odbite przez każdy punkt obiektu interferuje z falą odniesienia i tworzy hologram tego punktu. Ponieważ każdy obiekt jest zbiorem punktów rozpraszających światło, na kliszę fotograficzną nakłada się wiele elementarnych hologramów - punktów, które razem dają złożony obraz interferencyjny obiektu.

Wywołany hologram umieszcza się w miejscu, w którym znajdował się podczas nagrywania, a laser zostaje włączony. Podobnie jak przy odtwarzaniu hologramu punktu, gdy hologram zostanie oświetlony wiązką światła lasera biorącego udział w rejestracji, przywracane są fale świetlne wychodzące z obiektu podczas rejestracji. W miejscu, w którym podczas nagrywania znajdował się obiekt, widoczny jest obraz wirtualny. Powiązany z nim rzeczywisty obraz powstaje po drugiej stronie hologramu, po stronie obserwatora. Zwykle jest niewidoczny, ale w przeciwieństwie do wyobrażonego, można go zdobyć na ekranie.

Yu N. Denisyuk (1962) opracowali metodę, w której do rejestracji hologramu zamiast cienkowarstwowej emulsji wykorzystuje się trójwymiarowe media. W tak grubym hologramie powstają fale stojące, co znacznie rozszerzyło możliwości metody. Trójwymiarowa siatka dyfrakcyjna, oprócz opisanych wcześniej właściwości hologramu, posiada szereg istotnych cech. Najciekawsza jest możliwość rekonstrukcji obrazu przy użyciu konwencjonalnego źródła widma ciągłego - żarówki, słońca i innych emiterów. Ponadto w trójwymiarowym hologramie nie ma fal zerowego rzędu i obrazu rzeczywistego, dzięki czemu zakłócenia są zmniejszone.