Интересные и необычные свойства голограмм
3.1. Параллакс.
После своего изобретения голография привлекла к себе внимание в первую очередь как изобразительное средство.
В отличие от фотографии голограмма формирует трехмерное объемное изображение сцены. Надо сказать, что способы получения объемных изображений были известны и раньше. Для этого использовались методы стереопроекции, заключающиеся в том, что зафиксированные с двух разных точек фотографии предмета или сцены затем с помощью специального оптического устройства проецировались так, чтобы одна из них была видна только левым глазом наблюдателя, а другая – только правым. Для этой цели чаще всего использовали специальные очки или растровый экран, формирующий ограниченную область наблюдения, где пространственно разделены зоны для левого и правого глаза. Пользоваться такими оптическими устройствами не очень удобно.
Восстановленное голографическое изображение является полной оптической копией предмета. Оно не требует каких-либо специальных устройств для наблюдения и создает полную иллюзию реальности предмета. Наблюдатель, если позволяют размеры голограммы, может оглядывать объект с разных ракурсов. Перемещая точку зрения, он может заглянуть за предмет и частично увидеть, что находится за ним. Такое изменение взаимного расположения разно удаленных предметов называют параллаксом. На стереофотографиях зафиксирован один единственный ракурс и параллакс отсутствует.
3.2. Распределенность и избыточность информации.
Если при записи голограммы предмет находится на некотором удалении от голограммы, то сферическая волна от каждой точки предмета расходится и освещает всю поверхность голограммы, то есть каждая точка предмета записана на всей голограмме. Этим голограмма принципиально отличается от фотографии. Каждая точка фотографии отображает лишь одну конкретную точку предмета.
С распределенностью информации неразрывно связано еще одно свойство голограмм – избыточность записи. Поскольку информация о любой точке предмета распределена по всей голограмме, то разделение голограммы на части или утеря отдельных ее частей не приводит к потере информации. Каждый участок голограммы позволяет наблюдать через него весь объект. Образно можно сказать, что в каждой точке голограммы записан весь предмет, и наоборот, каждая точка предмета записана на всей голограмме.
Избыточность голографической записи создает высокую надежность хранения информации. Действительно, частичное повреждение голограммы практически не сказывается на изображении предмета, даваемом голограммой, в то время как любая царапина на фотографии приводит к невосполнимой утрате информации.
3.3. Суперпозиция записей.
На один и тот же участок голограммы может быть наложено несколько записей. Например, можно записать несколько разных предметов. Для того, чтобы иметь возможность раздельно восстанавливать изображения этих предметов, каждый из них записывают со своей опорной волной. Для восстановления нужного изображения предмета используют соответствующую опорную волну.
Чтобы наложить большое число записей на один участок голограммы, используют объемные регистрирующие среды. При каждой последующей записи изменяют направление опорной волны. В результате может быть достигнута высокая объемная плотность информации.
3.4. Ассоциативный принцип памяти.
При записи голограммы в качестве опорной волны можно использовать не только простейшую плоскую или сферическую волну, но и произвольную волну, у которой волновой фронт промодулирован какой-либо сложной функцией. С такой голограммы изображение предмета может быть восстановлено только той же самой модулированной опорной волной. Можно наложить на одну голограмму несколько записей, причем для каждой использовать свою модулированную особым образом волну. Такая голограмма является фактически элементом ассоциативной памяти, поскольку на определенную входную информацию (модулированная опорная волна) она откликается ассоциированной выходной информацией (конкретное записанное изображение).
Многие философы, психологи и нейрофизиологи полагают, что человеческий мозг и человеческая память действуют на голографических принципах. И действительно для этого предположения есть основания, поскольку установлено, что запоминаемая в мозгу информация обычно не сосредоточена в каких-либо конкретных элементах, то есть распределена. При этом принцип организации памяти носит не адресный, а ассоциативный характер, то есть человек может вспомнить одно событие по ассоциации с другим или по предъявленному фрагменту информации вспомнить всю информацию целиком.
4. Экспериментальные аспекты голографии
4.1. Источники излучения
Главные принципы голографии, основанные на явлениях интерференции и дифракции, выглядят достаточно просто. Сами эти явления были подробно изучены и описаны еще в первой половине XIX века, поэтому может возникнуть недоумение, почему голографию изобретали так долго? В настоящем разделе мы познакомимся с теми существенными трудностями, с которыми приходится сталкиваться при попытках экспериментального воплощения принципов голографии.
Мы уже упоминали, что голография была изобретена Д. Габором в 1947 году, однако на практике реализовать голографический способ записи и восстановления световой волны удалось только после изобретения лазеров в 1962 году. Такая задержка в реализации голографии обусловлена высокими требованиями к когерентности излучения, используемого при записи голограммы.
На голограмме должна быть зафиксирована картина интерференции опорной и предметной волн. Для этого необходимо, чтобы эти волны были когерентными. В любой схеме записи голограммы (см., например, схему на рис. 2) в произвольной точке голограммы встречаются и накладываются друг на друга два луча (предметный и опорный), прошедшие разную длину пути от источника до голограммы. Выровнять длинны этих лучей для различных точек предмета и голограммы невозможно. Поэтому необходимо, чтобы длина когерентности используемого излучения, определяющая предельно допустимую для наблюдения интерференции разность хода волн, превосходила бы разницу в длине предметного и опорного лучей. Практически длина когерентности излучения должна быть сопоставимой с размерами предмета. Этому требованию не удовлетворяет излучение обычных тепловых и люминесцентных источников света. Лишь лазерные источники могут иметь длину когерентности от сантиметров до сотен метров (в зависимости от типа лазеров).
Для записи голограмм используют главным образом три типа лазеров:
· газовые лазеры непрерывного излучения, например гелий-неоновые и аргоновые;
· импульсные твердотельные лазеры, например, рубиновый, неодимовый;
· полупроводниковые лазеры.
Все конструктивные и технологические меры, направленные на достижение высокой когерентности излучения этих лазеров, существенно ограничивают мощность их излучения. Поэтому лазеры, предназначенные для голографии, имеют, как правило, сравнительно невысокую мощность. Для гелий-неоновых и полупроводниковых лазеров она составляет десятки мВт. Мощность ионного аргонового лазера может составлять единицы Вт. Энергия импульса твердотельного лазера составляет единицы Дж. Длина волны излучения лазеров, используемых для голографии лежит в пределах видимого и инфракрасного диапазонов.
К излучению, используемому для восстановления изображения, записанного на голограмму, предъявляются менее жесткие требования. Во многих случаях требуется монохроматическое излучение, создаваемое точечными источниками. Этим требованиям удовлетворяет излучение любых лазеров. Для голограмм Денисюка, а также для радужных голограмм, которые мы рассмотрим ниже, на стадии восстановления может использоваться полихроматическое излучение, например белый свет.
4.2. Регистрирующие среды
Для записи голограмм используются различные фоточувствительные материалы. Наиболее традиционные из них – фотопластинки, представляющие собой желатиновую фотоэмульсию, нанесенную на стекло. Фоточувствительным элементом эмульсии являются кристаллы бромида серебра. Эти кристаллы под воздействием световой энергии активируются. Активированные кристаллы с помощью химической реакции, называемой проявлением, восстанавливаются до металлического серебра в виде мельчайших черных хлопьев. В результате области фотопластинки, на которые исходно попадал свет, после проявления выглядят почерневшими. Степень почернения зависит от величины световой экспозиции (произведению освещенности на время экспозиции). В результате прозрачность фотопластинки оказывается функцией освещенности во время экспонирования. Таким образом, пространственное распределение прозрачности фотопластинки передает картину интерференции опорной и предметной волн во время экспонирования голограммы. Записанную таким образом голограмму называют амплитудной голограммой, поскольку на стадии восстановления изображения она модулирует прошедшую через нее восстанавливающую волну по амплитуде.
Важной характеристикой голограммы является ее дифракционная эффективность. Эта величина показывает, какая доля световой энергии восстанавливающей волны после дифракции на голограмме переходит в восстановленную волну, распространяющуюся в первом порядке дифракции. Соответствующие расчеты показывают, что максимально достижимая дифракционная эффективность амплитудной голограммы составляет 6,25%.
Амплитудная голограмма, полученная на фотопластинке, может быть преобразована в так называемую фазовую голограмму. Для этого проявленную фотопластинку, подвергают химической реакции отбеливания. В ходе этой реакции металлическое серебро превращают в прозрачную соль серебра, имеющую высокий показатель преломления. В результате фотопластинка оказывается всюду в равной степени прозрачной, но пространственно модулирует восстанавливающую волну по фазе, так как набег фазы в экспонированных участках оказывается из-за высокого показателя преломления большим, чем в неэкспонированных участках. Такую голограмму называют фазовой. Ее максимальная дифракционная эффективность составляет 33,4%. Таким образом, отбеливание позволяет существенно повысить дифракционную эффективность.
Фазовые голограммы можно изготовлять напрямую, минуя промежуточную стадию амплитудной голограммы. Для этой цели применяют фотопластинки с бихроматной желатиной. Эмульсия таких пластинок содержит бихромат калия или аммония, который под действием света вызывает полимеризацию (твердение) эмульсии. В итоге на голограмме возникает пространственная модуляция показателя преломления эмульсии. Существенно, что пространственная фазовая модуляция света в бихроматной желатине достигается без потерь энергии световой волны. Благодаря этому такие эмульсии особенно эффективны для записи голограмм Денисюка. При восстановлении изображений с таких голограмм используется дифракция Брэгга на трехмерной решетке, сформированной в объеме эмульсии, поэтому важно, чтобы поглощение света в объеме эмульсии было незначительным. Дифракционная эффективность голограмм Денисюка, изготовленных на бихроматной желатине может быть близкой к 100%.
Имеются также другие светочувствительные материалы, полимеризующиеся под действием света. Их объединяют общим названием фотополимеры. Они используются для записи фазовых голограмм.
Важнейшими характеристиками всех фотоматериалов являются светочувствительность и разрешающая способность. В голографии светочувствительность определяют как среднюю световую энергию, которой необходимо облучить 1см2 фотоматериала для получения максимального значения дифракционной эффективности голограммы. За разрешающую способность материала принимают максимальную пространственную частоту интерференционных полос, которые могут быть раздельно зарегистрированы на этом материале. Эти две характеристики взаимосвязаны. Чем выше разрешение материала, тем ниже его светочувствительность. Такое противоречие создает серьезные экспериментальные трудности при записи голограмм.
Дело в том, что пространственные частоты интерференционных полос в плоскости голограммы обычно лежат в пределах 1000 ÷ 2000 линий/мм, а для голограмм Денисюка достигают 5000 линий/мм. Фотоматериалы, обеспечивающие такое разрешение имеют крайне низкую светочувствительность. Так как мощность лазеров для голографии сравнительно невелика, для записи голограмм требуется большое время экспозиции, за которое будет набрана необходимая энергия. Оно может составлять десятки секунд и даже минуты. При таком большом времени экспонирования возникает проблема обеспечения стабильности всех элементов, формирующих волновые поля.
За последние десятилетия наблюдается существенный прогресс в сфере матричных фотоприемников (ПЗС-матриц). Он открыл весьма интересные возможности их использования при регистрации голограмм. Они будут подробно рассмотрены в последующих лекциях.
4.3. Голографические установки
Чтобы записать голограмму, нужно сформировать две волны – опорную и предметную и направить их на фотопластинку. Для этого лазерный луч пропускают через ряд оптических элементов, формирующих эти волны. Совокупность оптических элементов образует оптическую схему записи голограммы. Пример оптической схемы для записи голограммы отражающего объекта приведен на рис. 9
Рис. 7
Луч лазера 1 с помощью зеркала 2 направляют в светоделитель 3, расщепляющий его на два луча. Луч, прошедший сквозь светоделитель напрямую, направляют зеркалом 7 на линзу 10. После прохождения через линзу луч расширяется и освещает предмет 12, регистрируемый на голограмму 13. В итоге эта ветвь оптической схемы формирует предметную волну. Другой луч, выходящий из светоделителя (отраженный в светоделителе), с помощью зеркал 4, 5 и 6 направляют на расположенные софокусно линзы 9 и 11. Эти линзы образуют коллиматор, увеличивающий диаметр лазерного луча до размеров голограммы 13. Эта ветвь оптической схемы формирует опорную волну. Обе волны накладываются друг на друга в плоскости голограммы. Наличие в опорной ветви двух зеркал 4 и 5 необходимо для выравнивания длины оптического пути обеих ветвей схемы от светоделителя до голограммы (что выполняется изменением расстояния между этими зеркалами). Элемент 8 представляет собой ослабитель (темное стекло), необходимый для установления оптимального соотношения интенсивностей опорной и предметной волн.
Этот пример наглядно показывает, что схема записи голограммы содержит большое число оптических элементов. Во время экспонирования голограммы все элементы должны быть неподвижны относительно друг друга. Если какой-либо элемент во время экспозиции сместить на ¼ длины волны, то это вызовет изменение положения интерференционных полос, и картина полос на голограмме полностью смажется. В обычных условиях в помещениях всегда наблюдаются вибрации пола и стен (от оборудования, транспорта, движения людей и т.п.). Уровень этих вибраций, как правило, превышает указанную выше величину ¼ λ, поэтому элементы оптической схемы должны быть тщательно защищены от вибраций. С этой целью их располагают на массивном (порядка 1000 кг) жестком основании, размером от одного до нескольких метров. Основание устанавливают на амортизаторы и все это располагают в подвальных помещениях с малым уровнем вибраций. Фотография одной из голографических установок приведена на рис. 10.
Рис. 8
Если для записи голограммы используют излучение импульсного лазера, необходимость в виброзащите отпадает, так как за время импульса, обычно не превышающее десяти наносекунд, элементы оптической схемы не успеют сместиться вследствие вибраций.