Голография, виды и применение

Что такое голография?

"Голография — это метод записи и воспроизведения трехмерных изображений с помощью интерференции света..."

Введение

Голография - это класс методов записи и восстановления трехмерных изображений, которые основаны на явлениях интерференции. Голографические изображения называются голограммами. 

В отличие от обычных фотографических изображений, они не используют отображение отдельных точек объектов на отдельные точки голограммы, в этом смысле они не являются изображениями. 

Вместо этого свет от каждой точки изображения влияет на всю голограмму, и каждая точка голографической записи влияет на каждую восстановленную деталь изображения. 

Реконструкция видимых картинок возможна только при определенных обстоятельствах, например, при освещении лазерным лучом, идущим с определенного направления.

Существуют также голограммы, которые генерируются не путем записи световых полей от реальных объектов, а с помощью компьютерных методов. Точно так же, как изображения фотографического типа могут быть созданы искусственно (например, с помощью компьютерной графики).

Нобелевская премия 1971 года по физике была присуждена Деннису Габору за его изобретение и разработку голографических методов. Его первая демонстрация была проведена в 1947 году.

Основные принципы

Основные принципы работы голографии объясняются следующим образом.

Сначала мы рассмотрим, когда два взаимно когерентных коллимированных монохроматических лазерных луча, исходящих с разных направлений, накладываются друг на друга в некоторой прозрачной среде. Предположим, что первый луч исходит с левой стороны, а второй - с верхнего правого края. Второй луч обычно генерируется из другого луча, например, с использованием светоделителя и двух зеркал.

Там, где лучи накладываются, возникает интерференционная картина. Ориентация зависит от направления двух лучей. Колеблющаяся картина интенсивности может быть описана вектором, который получается как разность между волновыми векторами двух лучей. Его величина определяет, насколько быстрыми являются колебания, а его направление перпендикулярно точкам постоянной интенсивности.

Теперь представьте, что интерференционная картина каким то образом записывается в среду, так что образуется голографическая решетка. Существуют различные физические механизмы, которые могут приводить к таким эффектам. Например, носитель может содержать светочувствительные частицы, как в фотопленке, так что освещенные части становятся светопоглощающими после некоторого процесса проявления. 

Другие физические механизмы могут приводить к изменениям показателя преломления, а это приводит к фазовым решеткам в среде. В простой рассмотренной ситуации мы получаем объемную решетку Брэгга.

Как только среда имеет такую голографическую решетку внутри, она становится отражающей для лазерных лучей с правильной угловой ориентацией и длиной волны. Например, если мы возьмем только первый лазерный луч, часть его оптической мощности будет отражена в нижнем левом направлении, без другого лазерного луча.

Конечно, тот же механизм будет работать для других направлений второго луча. Ориентация записанной голографической решетки изменится соответствующим образом, так что отраженный луч, полученный только с одним входящим лучом, всегда будет иметь соответствующее исходящее направление.

Мы можем сделать это также с двумя разными лучами, идущими сверху одновременно в разных направлениях.

Теперь интерференционная картина становится более сложной. Предполагая, что локальные изменения показателя поглощения или преломления пропорциональны оптической интенсивности во время записи, результирующая решетка будет отражать свет в двух разных направлениях, когда применяется только первый луч.

Аналогично, принцип работы будет работать для расходящихся или сходящихся лучей.

Наконец, мы можем заменить одно из зеркал для второго луча каким-либо объектом (например, человеческим лицом). Вместо простого отраженного луча мы получим гораздо более сложное пространственное распределение рассеянного света, распространяющегося в широком диапазоне различных направлений. 

Часть этого света попадет в среду, где он может быть наложен на первый луч. И он снова будет мешать ему: его пространственная когерентность обычно теряется, но не ее временная когерентность, предполагая, что объект не движется.

Обратите внимание, что рассеянный свет можно рассматривать как суперпозицию многих плоских волн, каждая из которых вносит свой вклад в голограмму. Математически мы можем разложить рассеянное световое поле на плоские волны с преобразованием Фурье. Реконструкция будет работать для каждого компонента плоской волны, и вместе эти плоские волны будут формировать изображение объекта.

Голографическое изображение имеет трехмерный вид, потому что оно дает наблюдателю определенные сигналы восприятия глубины. Это происходит потому, что восстанавливается все световое поле, которое изначально было рассеяно объектом. 

Напротив, обычная двумерная фотография может представлять вид только для одного заданного ракурса, выбранного при записи. Очевидно, что голограмма может содержать гораздо больше информации об объекте или сцене, чем 2D-изображение.

Принцип был объяснен с помощью объемных голограмм. Однако также возможно работать с тонкой голограммой, имеющей достаточно сильный индекс или модуляцию поглощения в тонком слое.

Условия для записи голограмм

Запись голограммы, как объяснено выше, может работать только при соответствующих обстоятельствах. Важнейшим условием является то, что генерируется стабильная интерференционная картина, которую можно записать с достаточной точностью. Это имеет следующие последствия:

• Используемый лазерный источник должен иметь достаточно большую длину когерентности – намного выше максимально возможных различий в длине пути в записывающем устройстве. Это связано с достаточно малой полосой пропускания (или шириной линии) лазера. Обычно используются лазеры с узкой шириной линии в форме одночастотных лазеров. 
• Все оптические элементы, а также записанный объект должны оставаться неподвижными во время записи – с точностью, составляющей малую долю оптической длины волны. В противном случае интерференционная картина будет размыта. Для объектов, подобных живым существам, которые не могут быть точно зафиксированы с такой точностью, возможно, придется использовать очень короткую длительность записи. Например, длительность одного наносекундного лазерного импульса. Конечно, задействованные различия в длине пути должны быть значительно ниже длительности импульса.
• Носитель записи должен иметь достаточно высокое пространственное разрешение для точной записи интерференционной картины. Это условие не будет выполнено, например, обычной фотопленкой или ПЗС-детектором.

Виды голографических методов

Для восстановления объемной голограммы, записанной, как описано выше, требуется лазер с узкой шириной линии. Конечно, это будет отображаться только в цвете этого лазера, а не в виде полноцветного изображения.

Существуют пропускающие и отражающие голограммы для наблюдения либо с помощью проходящего, либо отраженного света. Как упоминалось выше, некоторые из них представляют собой объемные голограммы, в то время как для некоторых приложений требуются тонкие голограммы. Как также упоминалось, голограммы могут быть записаны в виде амплитудных или фазовых решеток.

Были разработаны различные носители голографической записи, в том числе фотографические эмульсии (оптимизированные для гораздо более высокого разрешения, чем обычные фотопленки), фоторефрактивные материалы, светочувствительные полимеры и фоторезисты.

Существуют различные методы создания голограмм не в виде оригинальных записей, а в виде копий одной записи или в виде сгенерированных компьютером изображений. Например, тонкофазные голограммы могут быть изготовлены путем формирования точно контролируемых рельефных рисунков поверхности на термопластичных подложках с использованием прецизионных технологий тиснения.

Существуют радужные голограммы, которые можно восстановить с помощью белого света, что, очевидно, может быть существенным практическим преимуществом. (Например, различные виды применения защитных голограмм были бы непрактичными, если бы для просмотра требовался лазер.) 

Однако наблюдаемые градуированные цвета в этом случае не соответствуют цветам исходного объекта. В конце концов, записанная голограмма не содержит такой цветовой информации. Кроме того, вертикальный параллакс должен быть принесен в жертву этому методу, т. е. полное 3D-изображение невозможно.

Возможно даже создавать полноцветные голограммы, которые можно просматривать с помощью источников белого света. Такие методы обычно основаны на довольно сложных принципах работы, которые значительно сложнее понять, чем основные принципы, описанные выше. Кроме того, они обычно не могут достичь высокого качества изображения.

Другой технической проблемой является создание движущихся 3D-изображений (объемных дисплеев). Здесь голография конкурирует с другими методами, которые кажутся более практичными.

Применение голографии

Хотя, очевидно, было бы привлекательно заменить обычную двумерную фотографию и видео голографической 3D-визуализацией, строгие требования, характерные для голографических методов, все еще сильно ограничивают диапазон практических применений. Даже после десятилетий развития мы, похоже, далеки от использования голографических цветных 3D-фотографий в потребительских приложениях или высококачественных объемных дисплеях. Тем не менее, некоторые приложения уже установлены; некоторые примеры:

• Существуют защитные голограммы, например, для паспортов, удостоверений личности и кредитных карт, которые, по сути, используются для того, чтобы существенно затруднить изготовление убедительных нелегальных копий, поскольку требуемую технологию копирования трудно приобрести и дорого, а детали требуемой голограммы трудно измерить.
• Несмотря на типичные недостатки изображения, голограммы могут быть привлекательными как произведения искусства.
• В исследовательских целях голографические изображения крошечных объектов можно создавать не только с помощью света, но и с помощью когерентных рентгеновских лучей, которые можно генерировать с помощью лазеров на свободных электронах.

В будущем голография может использоваться для хранения данных высокой плотности. В отличие от используемых в настоящее время оптических носителей информации, где используется только тонкий двумерный слой, голографические запоминающие устройства могут хранить данные в 3D-формате, потенциально достигая огромных объемов при довольно ограниченных объемах. Однако разработка практических реализаций остается серьезной проблемой.