Голография и ее применение

 
Рис. Техника воспроизведения при вертикальном и горизонтальном расположении изобразительных голограмм

 

Горизонтальное или вертикальное положение голограммы определяется ее содержанием и условиями съемки. При установке света необходимо учесть и блик от стекла.

Изобразительные голограммы находят  все большее применение в экспозициях  музеев. Есть и еще один аспект изобразительной  голографии - голографический портрет, для получения которого помимо выше сказанного приходится учитывать особенности  импульсных лазеров и требования техники безопасности, когда предпочтительна  схема освещения с рассеивающей пластиной и двустадийная запись. Но сначала рассмотрим следующую тему.

 

2. Копирование голограмм.

Иногда бывает необходимо получить копию голограммы или размножить ее. Копии могут потребоваться  для архивных или коммерческих целей, для научных исследований (когда  объект имеет слишком короткое время  жизни). Есть два основных типа копирования - контактное или почти контактное и копирование при восстановлении.

Копирование методом контактной печати более легкое и предпочтительно  при массовом производстве реплик. В идеальном случае отпечатанную контактным способом реплику голограммы получают как контактный отпечаток  с обычного фотообъекта. Голограмма-оригинал прикладывается вплотную к фотоматериалу и засвечивается однородным освещением. Обращение контраста при обработке не влияет на вид изображения. Существенный недостаток: одновременно будут восстанавливаться два изображения - действительное и мнимое.

Предпочтителен другой метод копирования, когда восстанавливают с голограммы изображение и используют его  в качестве объекта для записи новой голограммы. Используемая на практике схема копирования позволяет  приблизить изображение к голограмме и даже вынести его вперед, расположив частично или полностью перед  ней (рис.).

Голограмма-оригинал 5 освещается пучком света, прямо противоположным опорному при получении голограммы-оригинала. Дифрагированный пучок формирует в пространстве действительное изображение объекта 6. Воспроизводимое

изображение имеет обратный рельеф (псевдоскопично). Опорный пучок для записи отражательной голограммы-копии падает на фотопластинку с обратной стороны. Последняя перемещается относительно восстановленного с голограммы-оригинала изображения, при этом можно разместить и записать сюжетно важную часть объекта 6 плоскости голограммы-копии, обеспечивая максимальную резкость при восстановлении.

 
Рис. Получение отражательной копии с отражательного оригинала.

При восстановлении изображения с  копии голограммы сопряженный пучок  дает полный эффект наблюдения реального  объекта, поскольку теперь нет "окна" между наблюдателем и объектом.

В ряде случаев целесообразно иметь  голограмму-оригинал пропускающую, а  копированием получать с нее отражательные  голограммы (рис.). Это оправдано, когда  объект живой или достаточно велик. Восстановленный с пропускающей голограммы 5 пучок строит действительное изображение 6 перед голограммой-копией 10, с другой стороны на нее падает опорный пучок. При восстановлении изображения с голограммы-копии за счет двукратного обращения именно действительное изображение ортоскопично.

 
Рис. Получение отражательной копии с пропускающего оригинала

 

При копировании с пропускающей голограммы можно использовать несколько  меньшую фотопластинку, так как  при освещении не образуется тени. При копировании с отражательной  голограммы образуются тени от рамы и края стекла и часть пластинки голограммы-копии оказывается нерабочей.

 

3 Радужная голография.

В 1969 году Бентон, сотрудник фирмы "Polaroid Corporation" предложил свой способ копирования голограмм. Лейта с последующим восстановлением копии полихроматическим светом (рис. ). Это двухступенчатый процесс. На первом этапе записывается просветная голограмма во внеосевой схеме. Это голограмма служит оригиналом (мастер-голограмма) и восстанавливается сопряженным лазерным пучком с получением действительного изображения. В непосредственной близости от области локализации этого изображения устанавливается светочувствительный материал, на котором регистрируется голограмма-копия. Особенность данного процесса, позволяющая свести к минимуму смещение цветов при восстановлении белым светом, состоит в отсутствии вертикального параллакса, для чего на голограмму Н1, записанную на первом этапе, накладывают диафрагму в виде горизонтальной щели, и уже действительное изображение, спроецированное щелевой диафрагмой, используется для регистрации второй голограммы.

 
Рис. Схема записи (а) и восстановления (б) радужной голограммы

 

То есть на фотопластинке H2 регистрируется голограмма сфокусированного изображения. При освещении голограммы источником расходящегося освещения наблюдают  изображение, причем источник освещения  может быть неточечным и полихроматическим. Каждая спектральная компонента излучения  за счет дисперсии голограммы-решетки  строит смещенное по вертикали изображение  щелевой диафрагмы 1, 2 и 3, которая служит окном наблюдения изображения в одном цвете, соответствующем данной спектральной компоненте. Если глаза наблюдателя расположены горизонтально (параллельно щели), то он видит объемное изображение (со всеми его свойствами) в одном цвете, а при смещении глаз по вертикали цвет изображения меняется по радуге (поэтому и "радужная"), но изображение остается резким. Наблюдается разделение, а не смешение цветов в вертикальном направлении, поскольку каждое окрашенное изображение -результат раздельного восстановления информации, содержащейся в узкой щели. Наибольшая резкость имеет место для точек изображения, лежащих в непосредственной близости от голограммы, точки же, находящиеся на некотором расстоянии от голограммы, будут относительно нерезкими. Степень не резкости зависит от размера щелевой диафрагмы. Ширина щели а определяется по формуле :

,где r12 - расстояние между щелью и второй голограммой;

ri -расстояние между второй голограммой и объектом (его действительным изображением) - "выход". При r12 ri

Реально же размер щели может быть больше рассчитанного в 2-3 раза.

Если для восстановления щелевой  голограммы взять цилиндрическую линзу, позволяющую использовать весь восстанавливающий  пучок, а для улучшения дифракционной  эффективности применить отбеливание, то при освещении голограммы источником белого света можно наблюдать  очень яркое изображение.

В отличие от голограмм Денисюка, требующих высокоразрешающих сред, радужные голограммы, также наблюдаемые  в белом свете, требуют гораздо  более низкоразрешающих фотоматериалов. Поэтому такие голограммы могут быть переведены в рельефно-фазовые путем отбеливания либо сразу зарегистрированы на фоторезисте с последующим вытравлением экспонированных участков.

В случае использования задубленного фоторезиста реплика (копия) голограммы может быть сделана непосредственно с голограммы. Однако для получения большего количества копий с голограммы делают металлическую матрицу-штамп. Это выполняется методами гальванопластики, аналогичными тем, которые используются при производстве никелевых штампов для грампластинок. Никелевый штамп (или комплект штампов) позволяет формировать реплики на любом термопластичном материале от пленок и ламинированной бумаги до поверхности шоколада. При напылении на пленку зеркального металлического слоя ДЭ голограммы-копии повышается до 35.. .40% и даже до 85 %. В сочетании с дешевым сырьем и огромной производительностью созданного оборудования для тиражирования данный метод копирования может и уже с успехом применяется для получения высококачественного объемного иллюстрированного материала массовых тиражей (журнал "Америка", художественные альбомы, открытки, марки и т.д.).

 

4 Голографические оптические  элементы.

Голографические (или голограммные) оптические элементы (ГОЭ) представляют собой голограммы, на которых записаны волновые фронты специальной формы. Голографические оптические элементы можно сконструировать для преобразования любого входного волнового фронта в  любой другой выходной фронт независимо от параметров материала подложки, например от кривизны или показателя преломления. С их помощью возможна коррекция аберрации оптических систем, в таком случае ГОЭ выступают как составные элементы сложных оптических приборов. ГОЭ используют и как самостоятельные оптические элементы в качестве линз, зеркал, дифракционных решеток, мультипликаторов и др.

Далее рассмотрим некоторые случаи применения ГОЭ в оптике и оптическом приборостроении.

 

4.1. Голограмма-линза.

Голограмму можно рассматривать  не только как результат записи волнового  поля, но также как изображающий оптический элемент. Известно, что свойства линзы проявляют зонные пластинки (решетки). Под этим термином обычно понимают зонную пластинку Френеля, состоящую из чередующихся светлых  и темных колец, которые ограничены окружностями с радиусами ρп = √nλzf , где п - целое число, λ - длина волны света с плоским волновым фронтом, которая, падая на пластину, фокусируется на расстояние zf от нее.

Если nλ=zf то совокупность окружностей, которым соответствуют четные п, можно рассматривать как зонную пластину, имеющую двойное фокусное расстояние 2zf, совокупность окружностей с п, кратным 3, - как пластинку с утроенным фокусным расстоянием и т.д. Такая пластинка Френеля с прямоугольным радиальным распределением почернения может выполнять функцию изображающего оптического элемента. Ее недостаток - возникновение большого числа изображений, расположенных на оси, совпадающей с главным лучом пучка нулевого дифракционного порядка.

Зонную пластинку с косинусоидальным распределением почернения можно получить в виде голограммы, на которой записан результат интерференции плоской и сферической волн по схеме Габора при условии линейности процесса регистрации. В этом случае образуются только ±1-с дифракционные порядки, т.е. только два фокуса. В случае схемы Лейта оба изображения пространственно разделены между собой и с пучком нулевого порядка.

При освещении голограммы-линзы  плоской волной возникают две  сферические волны: сходящаяся и  расходящаяся. Голографическая линза  одновременно выполняет функции  двух линз - выпуклой (положительной) и  вогнутой (отрицательной). Направления  распространения образованных сферических  волн зависят от направления восстанавливающей  плоской волны.

Схема получения голографической  линзы приведена на рис. 8.10. С помощью  линзы Л и микродиафрагмы Д создается точечный источник сферической волны. На заданном расстоянии zs от точечного источника устанавливают фотопластинку Ф, освещаемую также опорной плоской волной Р. Интерференционная картина регистрируется на фотопластине с последующей фотохимической обработкой, предусматривающей, как правило, отбеливание. В результате ДЭ полученной фазовой голограммы достаточно высока (до нескольких десятков процентов).

 
Рис. Схема получения голографической линзы (а) и построения изображения (б).

 

При построении изображения предмета Т, помещенного в восстанавливающий пучок С, возникают основное изображение Iр - действительное и вторичное Ik - мнимое. Если повернуть голограмму на 180°, то характер изображений изменится.

Голографическая линза - это оптический элемент с двумя фокусными  расстояниями: для основного (fp) и сопряженного (fk) изображений. Положения двух изображений связаны формулой l/zp + l/zk = 2/zT.

Как видим, это выражение не зависит  от положения источника сферической  волны при получении и определяется только положением предмета Т относительно голографической линзы.

 

4.2. Голографические дифракционные  решетки.

Наиболее распространенный вид  ГОЭ - именно голографические дифракционные  решетки (ДР), представляющие собой зарегистрированную на светочувствительном материале картину интерференции двух световых пучков. Параметры голографических решеток можно изменять в широком диапазоне с помощью схемы записи и формы поверхности, на которой регистрируется решетка.

Так, при изготовлении голографической  решетки ей можно придавать любые  фокусирующие свойства, например, получать плоские голограммы, аналогичные  по своему действию вогнутой решетке, но лишенные астигматизма последней. Голографический  метод позволяет формировать  ДР с любым распределением эффективности по дифракционным порядкам. Для этой цели может быть использована оптическая схема пространственной фильтрации.

В случае падения на светочувствительный  слой двух параллельных пучков под  углами φ друг к другу расстояние между интерференционными полосами определяется как d = λ/2sin (φ/2). При увеличении угла φ и уменьшении длины волны λ расстояние между штрихами уменьшается. В пределе при φ→π d→λ/2. Есть сообщения о промышленном изготовлении ДР с пространственной частотой до 6000 линий/мм.

Преимущество голографического метода еще и в том, что решетки  могут быть изготовлены весьма больших  размеров (до 600 × 400 мм). Дифракционные  решетки превосходят обычные, нарезанные механическим способом, по таким параметрам, как максимальная пространственная частота и размеры, отношение сигнал/шум, возможность коррекции аберрации и др.

На практике наиболее пригодны голографические  ДР на БХЖ, что обусловлено свойствами последней (высокая ДЭ, низкие зернистость, потери и т.д.). Голографические ДР используют в лазерной технике. Будучи введены в лазерный резонатор, они служат хорошими селекторами длин волн излучения. Две скрещенные голографические ДР делят световой пучок на несколько равных по интенсивности пучков. Таким образом, могут быть созданы мультиплицирующие элементы (размножители) с эффективностью до 85%. Такие мультипликаторы обеспечивают любой шаг мультипликации от единиц до десятков миллиметров.

 

4.3. Голографические мультипликаторы.

Мультипликация (размножение) изображений занимает важное место в технологии производства интегральных схем для микроэлектроники. Мультиплицирование требуется при использовании группового метода изготовления изделий, в многоканальных системах обработки информации, а также в системах хранения и размножения информации и др.