Холография

Холография(от гръцки,Όλος—holos— пълен +γραφή—graphe— запис) — технологии за запис, възпроизвеждане и реформиране на вълнови полета. Методът е предложен през 1948 г. от Денис Габор, който също въвежда термина холограма [1] и получава Нобелова награда по физика през 1971 г. „за изобретяването и развитието на холографския принцип“ [2]

Най-разпространени са техническите методи за оптична холография във видимата област.

Съдържание

История на холографията[редактиране]

Първата холограма е получена през 1947 г. (много преди изобретяването на лазерите) от Денис Габор по време на експерименти за увеличаване на разделителната способност на електронен микроскоп. Той измисля и самата дума "холография", с която подчертава пълното записване на оптичните свойства на даден обект. За съжаление холограмите му бяха с лошо качество. Невъзможно е да се получи висококачествена холограма без източник на кохерентна светлина.

След създаването през 1960 г. на червен рубин (дължина на вълната 694 nm, работи в импулсен режим) и хелий-неон (дължина на вълната 633 nm, работи непрекъснато), холографията започва да се развива бързо.

През 1962 г. е създадена класическата схема за запис на холограми от Emmett Leith и Juris Upatnieks от Мичиганския технологичен институт (Leith-Upatnieks holograms) [3], при която се записват трансмисивни холограми (при възстановяване на холограма светлината преминава през фотографска плака, въпреки че на практика част от светлината се отразява от нея и също създава изображение, видимо от противоположната страна).

През 1967 г. първият холографски портрет е записан с рубинен лазер.

В резултат на дълга работа през 1968 г. Юрий Николаевич Денисюк получава висококачествени (преди товавреме липсата на необходимите фотографски материали възпрепятства производството на висококачествени холограми, които възстановяват изображението чрез отразяване на бяла светлина. За да направи това, той разработи своя собствена схема за запис на холограми. Тази схема се нарича схема на Денисюк, а получените с нейна помощ холограми се наричат холограми на Денисюк.

През 1977 г. Лойд Крос създава така наречената мултиплексна холограма. Основно се различава от всички други холограми по това, че се състои от множество (от десетки до стотици) отделни плоски ракурси, гледани от различни ъгли. Такава холограма, разбира се, не съдържа пълна информация за обекта, освен това, като правило, тя няма вертикален паралакс (т.е. невъзможно е да се гледа обекта отгоре и отдолу), но размерите на записвания обект не са ограничени от кохерентната дължина на лазера (която рядко надвишава няколко метра, а най-често е само няколко десетки сантиметра) и размера на фотографската плака. Не само това, можете да създадете мултиплексна холограма на обект, който изобщо не съществува! Например, като нарисувате измислен обект от много различни ъгли. Мултиплексната холография превъзхожда по качество всички други методи за създаване на триизмерни изображения въз основа на индивидуални ъгли (например растери на лещи), но все още е далеч от традиционните холографски методи по отношение на реализма.

Физически принципи на холографията[редактиране]

Когато няколко електромагнитни вълни с подобни честоти се добавят в определена област на пространството, възниква стояща електромагнитна вълна. За записване на холограми в определена област на пространството се добавят две вълни: едната идва директно от източника (референтна вълна), а другата се отразява от записващия обект (обектна вълна). В районафотографска плака (или друг записващ материал) се поставя върху стояща електромагнитна вълна, в резултат на което върху тази плака се появява сложен модел, състоящ се от потъмняващи ленти, съответстващи на разпределението на електромагнитната енергия (модел на смущение) в тази област на пространството. Ако сега тази пластина се облъчи със светлина с честота на трептене, близка до честотата на референтния лъч, то тя ще преобразува тази вълна във вълна, близка до тази на обекта. Така ще видим (с различна степен на точност) същия поток от светлина, който би бил отразен от записващия обект.

Как да получите холограми [редактиране]

Нотационна схема на Leith-Upatnieks[редактиране]

При тази схема на запис [4] лазерният лъч се разделя от специално устройство, разделител (в най-простия случай всяко парче стъкло може да действа като разделител) на две. След това лъчите се разширяват с помощта на лещи и се насочват към обекта и носителя на запис (например фотографска плака) с помощта на огледала. И двете вълни (обективна и референтна) падат върху плочата от едната страна. При такава схема на запис се формира трансмисивна холограма, която изисква за реконструкцията си източник на светлина със същата дължина на вълната, на която е направен записът, в идеалния случай лазер.

Схемата за писане на Денисюк[редактиране]

През 1962 г. българският физик Юрий Николаевич Денисюк предлага перспективен метод за холография със запис в триизмерна среда. [5] В тази схема лазерният лъч се разширява от леща и се насочва върху фотографска плака от огледало. Част от лъча, преминаващ през него, осветява обекта. Светлината, отразена от обекта, образува вълната на обекта. Както може да се види, обектната и еталонната вълни падат върху плочата от различни страни (така наречената схема на сблъскващ лъч). В тази схема е записана отразяваща холограма, коятосамостоятелно изрязва тесен участък (участъци) от непрекъснатия спектър и отразява само него (действайки по този начин като светлинен филтър). Благодарение на това изображението на холограмата се вижда в обичайната бяла светлина на слънцето или лампата (вижте илюстрацията в началото на статията). Първоначално холограмата изрязва дължината на вълната, на която е записана (обаче, по време на обработката и по време на съхранението на холограмата, емулсията може да промени дебелината си, както и дължината на вълната също), което прави възможно записването на три холограми на един обект с червен, зелен и син лазери на една пластина, което води до една цветна холограма, която е почти невъзможно да се различи от самия обект.

Тази схема е изключително проста и в случай на полупроводников лазер (който има изключително малък размер и дава разсейващ се лъч без използване на лещи) се свежда само до един лазер и някаква основа, върху която са фиксирани лазерът, плочата и обектът. Именно тези схеми се използват при запис на аматьорски холограми.

Среди за регистриране[редактиране]

Холографията е изключително взискателна към разделителната способност на фотографските материали. Разстоянието между двата максимума на интерференционната картина е от същия порядък като дължината на вълната на лазера, като последната най-често е 632,8 nm (хелий-неонов лазер), 532 nm (неодимов лазер с втора хармоника), 514 nm и 488 nm (хелий-аргонов лазер). Така тази стойност е около 0,0005 mm. За да се получи ясно изображение на интерферентната картина, бяха необходими носители за запис с разделителна способност до 6000 линии на милиметър (при запис по схемата на сблъскващи се лъчи с ъгъл на сближаване на лъча 180 °). Носителите за запис са разделени на плоски (двуизмерни) и обемни (триизмерни или дебели). За класификация се използва параметър, който понякога еКритерият на Klein се нарича в литературата:

където n е средният индекс на пречупване на слоя; d е дебелината на слоя; λ е дължината на вълната; Λ е разстоянието между интерферентните равнини. Обемни (дебели) холограми са тези, при които Q > 10. Обратно, холограмата се счита за тънка (плоска), когато Q сребърен халид фотографски материали [редактиране]

Основният фотографски материал за запис на холограми са специални фотографски плаки на основата на традиционния сребърен бромид. Благодарение на специални добавки и специален механизъм за проявяване беше възможно да се постигне разделителна способност от повече от 5000 линии на милиметър, но това се дължи на изключително ниска чувствителност на плочата и тесен спектрален диапазон (точно съобразен с лазерното лъчение). Чувствителността на плочите е толкова ниска, че те могат да бъдат изложени на пряка слънчева светлина за няколко секунди без риск от отблясъци.

Освен това понякога се използват фотографски плаки на базата на бихромиран желатин, които имат дори по-висока разделителна способност, позволяват запис на много ярки холограми (до 90% от падащата светлина се преобразува в изображение), но те са още по-малко чувствителни и са чувствителни само в областта на късата дължина на вълната (синя и в по-малка степен зелена част от спектъра).

В момента в света има само едно промишлено (с изключение на известен брой малки) производство на фотоплаки за холография - българската компания Славич.

Някои схеми за запис ви позволяват да пишете върху плочи с по-ниска разделителна способност, дори върху обикновени фотографски филми с разделителна способност около 100 реда на милиметър, но тези схеми имат много ограничения и не осигуряват високо качество на изображението.

Фотохромни кристали[редактиране]

Заедно сочевидни материали - използваните фотографски финозърнести сребърнохалогенни среди са така наречените фотохромни среди: промяна на спектъра на поглъщане под действието на записваща светлина. Едни от най-ефективните сред тях са алкално-халогенидните кристали, от които най-добри резултати са получени при адитивно оцветени кристали от калиев хлорид (KCl). Холограмите, записани върху такива кристали, постигат 40% относителна ефективност на дифракция, докато 60% е теоретично възможно в тази среда. В същото време холограмите в този материал са по същество обемни с дебелина до няколко милиметра и по принцип могат да достигнат няколко сантиметра. Холографският запис в адитивно оцветени KCl кристали се основава на фототермичната трансформация на F-центрове в X-центрове, тоест действителното сливане на единични анионни свободни места в по-големи клъстерни образувания с нанометров размер. В този случай холографският запис в такива кристали е обратим и много стабилен във времето [6] .

Източници на светлина[редактиране]

При запис на холограма е изключително важно дължините (честотите) на обекта и референтните вълни да съвпадат помежду си с максимална точност и да не се променят през цялото време на запис (в противен случай върху плаката няма да бъде записан ясен интерференчен модел). Това може да се постигне само ако са изпълнени две условия:

и двете вълни първоначално са били излъчвани от един и същи източник
този източник излъчва електромагнитно излъчване с много стабилна дължина на вълната (кохерентно излъчване)

Изключително удобен източник на светлина, който добре удовлетворява второто условие, е лазерът. Преди изобретяването на лазерите холографията практически не се развива (вместо лазер, в емисионния спектър на газоразрядните лампи са използвани много тесни линии, коитозначително усложнява експеримента). Към днешна дата холографията налага едно от най-строгите изисквания към кохерентността на лазерите.

Най-често кохерентността обикновено се характеризира с кохерентната дължина - тази разлика в оптичните пътища на две вълни, при която контрастът на интерферентната картина е наполовина в сравнение с интерферентната картина, която се дава от вълни, изминали същото разстояние от източника. За различни лазери кохерентната дължина може да варира от части от милиметър (мощни лазери, предназначени за заваряване, рязане и други приложения, които не изискват този параметър) до десетки метри (специални, така наречените едночестотни лазери за взискателни кохерентни приложения).