Физические основы голографии

Голография

Голография (др.-греч. γὅλος - полный + γραφω - запись, изображение) – это набор технологий для точной записи, воспроизведения и переформирования волновых полей.

Основоположником голографии считается профессор государственного колледжа в Лондоне Деннис Габор, получивший в 1947 г. первую голограмму. Открытие голографии было сделано им в ходе экспериментов по увеличению разрешающей способности электронного микроскопа. Названием «голография» Д. Габор подчеркнул, что метод позволяет зарегистрировать полную информацию об исследуемом объекте. В 1971 г. он получил Нобелевскую премию по физике «за изобретение и развитие голографического принципа».

Голография начала бурно развиваться и приобрела большое практическое значение после того, как советскими физиками - академиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым - и американским ученым Чарльзом Таунсом, в 1960 г. был создан первый лазер. В том же году профессором Т. Маймамомбыл сконструированимпульсный лазер на рубине. Эта система дает мощные и короткие, длительностью в несколько наносекунд (10^-9 сек), лазерные импульсы, позволяющие фиксировать на голограмме подвижные объекты.

Первый портрет человека был снят с помощью рубинового лазера в 1967г.

Решающее значение для развития изобразительной голографии имели работы советского академика Ю.Н. Денисюка, выполненные в 60-70-х годах. Он впервые получил отражательные голограммы, позволяющие воспроизводить объемные изображения в обычном, белом свете. Практически вся современная изобразительная голография базируется на методах, предложенных Ю. Н. Денисюком. Первые высококачественные голограммы по его методу были выполнены в 1968 г.

В 1969 г. Стивен Бентон из Polaroid Research Laboratories (США) изготовил пропускающую голограмму, видимую в обычном белом свете. Голограммы, изобретенные Бентоном, были названы радужными, так как они переливаются всеми цветами радуги, из которых состоит белый свет. Открытие Бентона позволило начать массовое производство недорогих голограмм путем «штамповки» интерференционных картин на пластик. Голограммы именно такого типа применяются сегодня для защиты от подделок документов, банковских карточек и т.д. Благодаря Стивену Бентону голография обрела популярность в широких слоях общества.

В 1977 г. Ллойд Кросс получил мультиплексную голограмму,состоящую из множества обычных фотографий объекта, снятых с множества точек зрения, лежащих в горизонтальной плоскости. При перемещении такой голограммы в поле зрения можно увидеть все запечатленные кадры.

Голография заинтересовали и живописцем, первым из которых стал Сальвадор Дали. В 1960-х годах художник активно увлекался стереоскопией, а в 1972-м, воспользовавшись советами Д. Габора, он создал три композиции, которые вскоре были выставлены в Нью-Йорке.

С 1970-х годов на основе голографического метода научились снимать кино. Сотрудники Научно-исследовательского кино-фото-института (НИКФИ) в Москве под руководством профессора Виктора Комара создали и показали первый в мире голографический одноцветный 20-секундный фильм на специальном голографическом экране в конце 1976 года в Москве. Голографический экран размером 60х80 см формировал четыре зрительские зоны, из которых можно было наблюдать одноцветное объемное изображение движущегося человека.

В 2000 году на рынке технологий хранения данных возникла новая компания InPhase Technologies, приступившая к созданию устройств записи данных принципиально нового типа. InPhase занялась созданием голографических систем хранения на основе технологии, разработанной в бюро Bell Labs. В отличие от существующих методов записи информации на поверхность диска, новая технология позволяет использовать всю толщину материала, то есть запись ведется не по поверхности, а по объему. Помимо многократного увеличения плотности записи, данная разработка предоставляет возможность повысить скорость считывания информации — за один «машинный отсчет» с носителя можно скачать до 1 млн. бит информации.

Физические основы голографии

Голография основывается на двух физических явлениях - дифракции и интерференции 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. Если волны встречаются в фазе, то они складываются друг с другом и дают результирующую волну с амплитудой, равной сумме их амплитуд. Если же они встречаются в противофазе, то будут гасить одна другую. 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.

Рис 14.1. Интерференционная картина.

 

 

Профессор Деннис Габор, изучая проблему записи изображения, выдвинул 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. В данном случае интерференционная картина, образующаяся на пластинке, будет устойчива во времени, т.е. образуется изображение стоячей волны. Трудность в получении голограмм во времена Габора состояла в том, что необходим был источник когерентного излучения, алазера в это время еще не изобрели. Обычные же источники света не обладают достаточной степенью когерентности для использования в голографии. Поэтому для получения высокого контраста интерференционной картины Д. Габор использовал одну из ярких линий спектра излучения ртутной лампы, выделяя ее с помощью специального светофильтра (рис. 14.2).

Рис. 14.2. Запись голограммы методом Д. Габора.

 

 

Формируемые таким способом голограммы называют осевыми или голограммами Габора, поскольку главные лучи опорного и объектоного лучей распространяются по одному направлению.

Решающее значение для развития голографии имело изобретение в 1960 г. оптического квантового генератора (лазера), обладающего необходимой степенью когерентности и излучающего строго одну длину волны.

В отличии от фотографии голограмма сохраняет не только информацию об интенсивности волн, пришедших от источника, но и о фазе этих волн. Если осветить голограмму когерентным светом, то изображение источника восстанавливается в том же месте, где он находился при записи голограммы (рис. 14.3). Причём восстановленное изображение трёхмерное. Помимо мнимого восстановленного изображения предмета P₁ имеется его действительное изображение P₂, расположенное симметрично с противоположной стороны фотопластинки, а также часть прошедшей плоской волны, освещающей голограмму.

Если разглядывать восстанавливающий источник сквозь голограмму, то будут видны источник, мнимое изображение объекта и сопряженное действительное изображение. Если наблюдатель сфокусирует глаз на мнимом изображении, то действительное окажется расфокусированным. Наоборот, если разместить экран в той плоскости, где дифрагированные на структуре голограммы лучи создают действительное изображение, то на нем будет присутствовать паразитная засветка от расфокусированного мнимого изображения объекта. Эти взаимные световые помехи на изображении двойника в направлении наблюдения являются основным, наиболее значимым, недостатком голограмм, получаемых по осевой схеме Габора.

Рис. 14. 3. Голограмма Габора, полученная с помощью лазера

 

В 1962 г. американские ученые-физики Мичиганского университета Эммет Лейт и Юрис Упатниекс получили первые пропускающие голограммы объемных объектов, выполненные с помощью лазера. Схема, предложенная ими, показана на рис. 14.4. Полученные таким способом голограммы называются внеосевыми.

Рис. 14.4. Схема записи голограмм по методу И. Лейта и Ю. Упатниекса.

 

 

Внеосевые голограммы характеризуются значительно более высокими, по сравнению с осевыми, требованиями к разрешающей способности регистрирующих сред и степени когерентности излучения, используемого для формирования голографического поля.

Голография крайне требовательна к разрешающей способности фотоматериалов. Расстояние между двумя максимумами интерференционной картины того же порядка, что и длина волны лазера, а последняя чаще всего составляет 632,8 нм для гелий-неонового лазера, 532 нм для неодимового лазера на второй гармонике, 514 нм и 488 нм для гелий-аргонового лазера. Таким образом, это величина порядка 0.0005 мм. Чтобы получить чѐткое изображение картины интерференции, потребовались регистрирующие среды с разрешающей способностью до 6000 линий на миллиметр (при записи по схеме на встречных пучках с углом схождения лучей 180°).

Регистрирующие голографические среды – этосветочувствительные материалы, в которых записываемое интерференционное поле инициирует возникновение соответственной ему пространственной модуляции по крайней мере одного из параметров: коэффициента поглощения a, показателя преломления n или толщины материала d.

Регистрирующие среды подразделяются на плоские (двумерные) и объѐмные (трѐхмерные или толстые). Для классификации используется параметр, который иногда в литературе называют критерий Клейна:

 

где λ – длина волны; d – толщина слоя; n – средний коэффициент преломления слоя; Λ – расстояние между интерференционными плоскостями. Объѐмными (толстыми) голограммами считаются такие, у которых Q > 10. И наоборот, голограмма считается тонкой (плоской), когда Q < 1.

Как видно из схемы (рис. 14.4), пучок когерентного излучения лазера направляется на полупрозрачное зеркало, с помощью которого получают два пучка - предметный и опорный. Опорный пучок волны 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. Полученные таким образом голограммы и называются внеосевыми голограммами. Внеосевое расположение регистрирующей среды, хотя и требует использования лазерных источников излучения для формирования голографического поля, позволяет пространственно разделить порядки дифракции голограммы и, тем самым, позволяет избежать переналожения изображений.

Схема Лейта и Упатниекса позволяет в зависимости от толщины регистрирующей среды и ширины спектра пространственных частот регистрировать как тонкие, так и объемные голограммы. Если толщина регистрирующей среды мала по сравнению с расстоянием между поверхностями максимумов интенсивности регистрируемого голографического поля, то голограмма, полученная в этом положении, действует как двумерная дифракционная решетка. При этом голограмма, по существу, представляет собой систему полос на поверхности регистрирующей среды. То же самое справедливо, конечно, и для габоровских осевых голограмм. Голограммы, получаемые на относительно толстых, по сравнению с периодом следования, регистрирующих средах представляют собой объемную дифракционную решетку, состоящую из последовательности частично отражающих поверхностей. Такая решетка, как известно, обладает селективным, т.е. зависящим от угла падения и длины волны восстанавливающей волны, откликом, описываемым законом Брэгга. Голограммы, обладающие такими свойствами, называют объемными или брэгговскими.

Условие Вульфа – Брэгга определяет направление максимумов дифракции упруго рассеянного на кристалле рентгеновского излучения. Выведено в 1913 независимо У.Л. Брэггом и Г.В. Вульфом. Имеет вид:

2 d sinθ = n λ,

где d - межплоскостное расстояние; θ – дифракционный угол (брэгговский), n – порядок дифракционного максимума, λ – длина волны.

Рис. 14.5. Иллюстрация условия Вульфа-Брэгга

 

 

Это условие определяет пики интенсивности дифракционной картины. При n = 1 мы наблюдаем пик взаимного усиления волн дифракции, удаленных друг от друга на одну длину волну, при n = 2 — второй пик дифракции (разность хода составляет две длины волны) и т. д.

В результате интерференции волн, распространяющихся в толстослойной эмульсии, образуются плоскости, засвеченные светом большей интенсивности. После проявления голограммы на засвеченных плоскостях образуются слои почернения. На их основе создаются так называемые брэгговские плоскости, которые обладают свойством частично отражать свет. То есть, создается трехмерная интерференционная картина.

Рис. 14. 6. Схема воспроизведение пропускающей голограммы, полученной методом Е. Лейта и Дж. Упатниекса

 

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

Схема записи пропускающих объемных голограмм аналогична схеме Лейта-Упатниекса для двумерных голограмм. 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 θ.

В 1962 г. русский физик Юрий Николаевич Денисюк предложил весьма перспективный метод голографии с записью в трехмерной среде (рис. 14.7). В этой схеме луч лазера 1(опорная волна) расширяется линзой 2 и направляется зеркалом на фотопластинку 3. Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект 4. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну 5. Как видно, объектная 5 и опорная 6 волны падают на пластинку с разных сторон (т.н. схема на встречных пучках).

Рис. 14.7. Схема получения отражательных голограмм, предложенная Ю.Н. Денисюком 1 – лазер; 2 - рассеивающая линза; 3 - прозрачная голографическая пучком фотопластинка; 4 – объект; 5 – объектный пучок; 6 - опорный пучок; 7 - элементарные объектные волны; 8 - элемент поверхности объекта

 

 

При просвечивании голограммы в отраженном свете восстанавливается изображение объекта. Важное для практического применения свойство голограмм Денисюка заключается в возможности восстановления голограммы с помощью расходящегося пучка белого света. Это объясняется тем, что при освещении голограммы условия дифракции выполняются только для тех длин волн и тех направлений распространения света, которые удовлетворяют условиям дифракции. Весь остальной свет проходит сквозь голограмму, не взаимодействуя с ней. Поэтому голограмма видна в том цвете, в котором она была записана. Возможно также получение цветных голографических изображений. Для этого в фотопластинке нужно зарегистрировать три элементарных голограммы при длинах волн синего, зеленого и красного света. При восстановлении голограммы белым светом каждая из элементарных голограмм формирует свое изображение в соответствующем цвете. Эти три изображения образуют полноцветную картину, подобно тому, как это происходит на экране цветного телевизора. Таково упрощенное описание этого метода.

Для записи голограмм по методу Денисюка используют стеклянные фотопластины, политые слоем желатины, в котором распределены микрокристаллы галогенидов серебра. Эти фотопластинки должны обладать полной прозрачностью до проявления. Толщина желатинового слоя порядка 10 мкм достаточна, чтобы регистрировать объемную интерференционную картину, поскольку эта величина много больше, чем длина волны света, порядка 0,5 мкм.

Схема Денисюка отличается предельной простотой и в случае применения полупроводникового лазера (имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применения линз) сводится к одному лишь лазеру и некоторой основе, на которой закрепляются лазер, пластинка и объект. Именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

Практические аспекты применения голограмм Денисюка состоят в следующем. Наиболее широкое распространение получили голограммы, изображающие предметы искусства. Отсюда, кстати, пошло общеупотребительное наименование голограмм этого типа как «изобразительные». Существуют целые галереи изобразительных голограмм редких золотых украшений и прочих раритетов из коллекций различных музеев. Более того, когда лет двадцать назад появились сравнительно недорогие импульсные лазеры, появилась возможность съемки голографических портретов. Существуют коммерческие студии, которые осуществляют запись портретов людей и животных, но, в силу достаточно высокой стоимости процесса и материалов, этот бизнес эксклюзивен и не имеет широкого распространения. Дополнительные трудности, обусловленные необходимостью снабдить каждую голограмму источником света, капризность желатиновых фотоматериалов к условиям хранения (они очень чувствительны к влажности) и неудобство обращения с хрупким стеклянным носителем, наряду с дороговизной процесса и материалов существенно ограничивают область применимости таких проектов.

Около десяти лет назад корпорацией «Дюпон» был разработан фотополимер, который, подобно галогенид-серебряной желатиновой эмульсии способен регистрировать голографические изображения при использовании данной методики записи. Это событие позволило реализовать массу проектов, связанных с производством сувенирной продукции, поскольку разрешило проблему прочности и безопасности продукта. Теперь стало возможным изготовление изобразительных голограмм в картонных паспарту, а также в виде открыток, и, даже, самоклеящихся этикеток. Самоклеящиеся голограммы этого типа нашли применение, в том числе, и для защиты от подделок. Наиболее крупный проект реализован в России для маркировки голограммами из фотополимера контрольно-кассовых машин. Для большего распространения этой технологии в сфере защиты от подделки существуют препятствия, связанные как с низкой производительностью изготовления таких голограмм, дороговизной монопольного материала, так и с конкуренцией со стороны голографической продукции, изготовленной другими методами.