«Экспериментальное исследование записи голограмм» - umotnas.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Лабораторная работа №3 Исследование преобразователя частоты 1 75.36kb.
Исследование характеристик малогабаритной гировертикали мгв-1 2 617.87kb.
Атомнойнаукиитехник и 1 267.16kb.
Исследование автоколебаний в кавернах с отрицательным числом кавитации 1 73.36kb.
Тип данных boolean 2 238.99kb.
Исследование помехоустойчивости матричного кода цель работы. 1 457.96kb.
Психический автоматизм экспериментальное исследование низших форм... 8 2695.25kb.
Шифр специальности: 01. 04. 07 Физика конденсированного состояния... 1 20.43kb.
!!!Установка выполняется из учетной записи администратора 1 60.02kb.
Программа : экспериментальное и теоретическое исследование свойств... 1 15.95kb.
Руководство по настройке параметров записи, инсталляция, устранение... 10 3009.56kb.
Место: 16 Побед (дома/выезд): 2/1 Ничьих (дома/выезд): 1/2 Поражения... 1 114.35kb.
Викторина для любознательных: «Занимательная биология» 1 9.92kb.

«Экспериментальное исследование записи голограмм» - страница №1/1

«Экспериментальное исследование записи голограмм»

Торгушина М.А.


1. Общие сведения.

ГОЛОГРАФИЯ (от греч. холос – полный и графо – пишу) – способ получения объемных изображений предметов на фотопластинке (голограмме) при помощи когерентного излучения лазера. Голограмма фиксирует не само изображение предмета, а структуру отраженной от него световой волны (ее амплитуду и фазу). Для получения голограммы необходимо, чтобы на фотографическую пластинку одновременно попали два когерентных световых пучка: предметный, отраженный от снимаемого объекта, и опорный – приходящий непосредственно от лазера. Свет обоих пучков интерферирует, создавая на пластинке чередование очень узких темных и светлых полос – картину интерференции. В задачу голографии входит регистрация не только распределения энергетической освещенности изображения, но и полного волнового поля в плоскости записи ( регистрацию как фазы, так и амплитуды). Интерференционная структура может быть зарегистрирована светочувствительным материалом одним из следующих способов: 1) в виде вариаций коэффициента пропускания света или его отражения. Такие голограммы при восстановлении волнового фронта модулируют амплитуду освещающей волны и называются амплитудными. 2) в виде вариаций коэффициента преломления или толщины (рельефа). Такие голограммы при восстановлении волнового фронта модулируют фазу освещающей волны и поэтому называются фазовыми.



Голографию изобрел (и придумал название) английский физик Деннис Габор в 1947. Первые голограммы были получены им при помощи ртутной лампы, из спектра излучения которой «вырезалась» очень узкая полоса частот. Между источником света и фотопластинкой помещался либо прозрачный объект, либо предмет небольшого размера, так что излучение источника выполняло одновременно функции и предметного, и опорного пучков. Поэтому при восстановлении голограммы возникали сразу два изображения на одной линии, которые создавали взаимные помехи при регистрации. Все это делало невозможным практическое применение голографии, и о ней надолго забыли.
После появления мощного источника когерентного света – лазера интерес к голографии вспыхнул вновь. В 1962 американские оптики и радиофизики Эммет Лейт и Дж. Юрис Упатниекс усовершенствовали схему Габора, разделив предметный и опорный пучки, которые стали теперь пересекаться непосредственно перед фотопластинкой. Это позволило, во-первых, голографировать непрозрачные предметы сложной формы, а во-вторых, разнести восстановленные изображения в пространстве. Схема Лейта – Упатниекса стала основой современных голографических установок.


В это же время на голографические методы записи изображения обратил внимание российский физик Юрий Николаевич Денисюк. Он создал принципиально новый способ записи голограмм в толстом слое фотографической эмульсии. Предметный и опорный пучки приходят к пластинке с разных сторон и интерферируют. В объеме ее эмульсионного слоя на разной высоте в областях максимумов интерференции возникают микроскопические пятна почернения. Падающий на проявленную голограмму свет отражается от них и, интерферируя, формирует восстановленное изображения предмета. При этом из голограммы выходят только свет, частота которого равна частоте записывающего лазерного излучения, а все остальные частоты автоматически подавляются. Объемную голограмму восстанавливают обычным белым светом, получая монохромное изображение.

Для записи голограмм очень важна когерентность лазерного излучения. Газовые лазеры – наиболее простые и широкоиспользуемые источники света для формирования голограмм и восстановления с них изображения. По сравнению с остальными типами лазеров газовые лазеры обеспечивают наилучшие характеристики когерентности. Высокая степень когерентности получается в режиме одномодовой генерации – генерация только на частотах нескольких продольных мод, однако лучших результатов можно добиться при использовании лазера, генерирующего только на одной частоте - одночастотный режим генерации.

Еще одним важным параметром, является длина когерентности, которая равна Lg=λ2/2∆λ, где λ-длина волны, ∆λ – ширина спектра излучения. Для различных лазеров она разная и изменяется в широком диапазоне. Например, для HE-NE лазера с длиной волны λ=0,6238 мкм, шириной спектра 1,5ГГц она составляет примерно 20см. У другого газового лазера, используемого для записи голограмм, - у аргонового генерация возникает на нескольких спектральных линия, ширина рабочего контура каждой из них существенно больше ширины контура линии HE-NE лазера. Следовательно, длина когерентности уменьшается до нескольких сантиметров. Ширина излучения полупроводникового лазера составляет примерно 4 нм, а длина когерентности равна 4-5 см.

Длину когерентности можно охарактеризовать как разность оптических путей двух волн, при которой контраст интерференционной картины уменьшается в два раза по сравнению с интерференционной картиной, которую дают волны, прошедшие от источника одинаковое расстояние. Роль когерентности для различных схем записи голограмм разная. Рассмотри схему Денисюка. Опорный пучок и пучок, освещающий объект, проходят пути разной длины,
прежде чем они встречаются на фотографической пластинке и накладываются друг на друга, создавая

Схема Денисюка

интерференционную картину. Опорный пучок, идущий от лазера и падающий на пластинку, проходит путь L1, а предметный - L2+L3. Из рисунка видно, что путь опорной волны меньше предметного. Если разность этих путей оказывается больше длины когерентности лазера, то интерференционная


картина не получится либо ее контраст будет незначительным По этой причине при использовании лазеров с малой длиной
когерентности (порядка 0,5 м) глубина сцены, которую удается
удовлетворительно голографировать, довольно мала. В этой схеме выдвигаются серьезные требования к величине длины когерентности.

Схема Габора

В схеме Габора требования к длине когерентности минимальные, так как опорная и предметная волны проходят пути одинаковой длины.

В схеме Лейта- Упатниекса волна с помощью призмы разделяется на предметную и опорную. Здесь волны проходят разный путь прежде чем встретиться перед фотопластинкой. Однако разница эта не велика, к тому же, в зависимости от конструкции схемы записи, она может быть сокращена с помощью дополнительных зеркал.

Схема Лейта-Упатниекса

Другими словами, здесь тоже важна величина длины когерентности, но требования к ней не такие жесткие как в схеме Денисюка.

В голографии предъявляются высокие требования к механической стабильности элементов голографической системы и всей системы в целом во время экспонирования. Это очевидно из того факта, что голограмма представляет собой записанную на материал интерференционную картину. Если во время экспонирования относительная фаза ∆φ между объектом и опорной волной изменится на π, то интерференционные линии перекроются и интерференционная картина разрушится. Величина π в относительной фазе эквивалентна разности длин оптических путей опорного и объектного пучков, равной λ/2, поскольку ∆φ=к∆l,а ∆l=∆φ/k=π/k; следовательно, а ∆l=λ/2. Таким образом, механическая нестабильность, вызывающая за время экспонирования изменение длины оптического пути на λ/2, недопустима.

Голограммы можно записывать не только на фотографических пластинках, но и в других средах. Существует множество разнообразных материалов, обладающих необходимыми для этого чувствительностью и разрешающей способностью. Но они реагируют на свет совершенно иначе, чем фотопластинка. Например, вместо того, чтобы темнеть в том месте, куда падает свет, они изменяют свою толщину, и в соответствии с толщиной материала в точке отражения изменяется фаза отраженной световой волны. Таким образом, при восстановлении изображения фаза опорного волнового фронта изменяется от точки к точке на поверхности голограммы. В результате на выходе голограммы формируется волновой фронт, который, как это и требуется, точно воспроизводит волновой фронт, отраженный от предмета. К голографическим регистрирующим материалам относятся: фотографические материала, задубленная бихромированная желатина, фоторезисты, фотополимеры, фотопластинки.
2. Экспериментальная запись голограммы.

Экспериментальная схема записи голограммы на основе голограммы Денисюка.

Схема Денисюка – относительно простая из голографических схем, но с ее помощью можно записывать голограммы самого высокого качества. Свое название схема получила по

имени известнейшего российского ученого - Юрия Николаевича Денисюка, который в начале семидесятых годов изобрел метод записи отражающих голограмм на прозрачных фотопластинках.

Схема лабораторной установки

На рисунке показана схема записи голограмм Денисюка, а на фотографиях — схема реальной установки.. Узкий световой пучок 2 от лазера 1 направляется зеркалом 3 на пространственный фильтр 4, который расширяет пучок до нужной величины и одновременно повышает его однородность. Расширенный пучок 5 освещает фотопластинку 6 и объект 7. Лазерный свет отражается от объекта на фотопластинку с обратной стороны. В плоскости фотопластинки встречаются два пучка: идущий от лазера, он называется опорным, и от объекта, он называется предметным (сигнальным). Эти пучки создают интерференционную картину, которая и регистрируется на фотопластинке. Картина интерференции - это мельчайшие перепады интенсивности света с периодом менее 1 микрона. Чтобы зарегистрировать такую мелкую картину требуется полная неподвижность объекта и фотопластинки во время экспонирования.





Фотография лабораторной установки

Фотопластинки для голографии, как правило, чувствительны (сенсибилизированы) не ко всему спектру белого света, а только к той области, в которой излучает лазер. Во-вторых, разрешающая способность фотопластинок для голографии очень высокая. В нашем эксперименте мы использовали фотопластинки -ПФГ-03м - галоидосеребряные фотопластинки для записи отражающих голограмм в схеме Денисюка, сенсибилизированые к красной области спектра для записи голограмм He-Ne лазером.

Рассмотрим подробнее свойства пластинок ПФГ-03. Фотопластинки выпускаются на подложке из плоского полированного оптического стекла толщиной 2,65 мм. Толщина эмульсионного слоя 7 мкм. По внешнему виду фотопластинки ПФГ-03 похожи на прозрачное стекло с голубоватым оттенком, из-за введенного в слой красителя (сенсибилизатора), повышающего чувствительность к красной области спектра. Эмульсионный слой слабо задублен, поэтому обращаться с фотопластинками надо крайне осторожно, особенно при водной химико-фотографической обработке. Поясним смысл двух важнейших параметров фотопластинок - дифракционной эффективности (DE) и чувствительности (S). DE измеряется как отношение энергии восстановленного голограммой светового пучка Ii к энергии падающего на голограмму восстанавливающего пучка Ic: DE= Ii/Ic. Чем большая часть энергии падающего пучка преобразуется голограммой в энергию восстановленного пучка, или, говоря другими словами, чем больше яркость голографического изображения, тем больше DE. Обычно DE отражающих голограмм, записанных на фотопластинках ПФГ-03, не превышает 50% для зеркальных объектов и 30% для диффузных объектов. Чувствительность фотопластинки S - это величина поверхностной плотности энергии записывающего пучка Er в плоскости фотопластинки, соответствующая максимальной DE. Чем больше чувствительность фотопластинки, тем меньше энергии записывающего пучка требуется для записи голограммы и тем меньше время экспонирования фотопластинки Практическое использование последних партий фотопластинок ПФГ-03 (эмульсии 87-88) дают реальное значение чувствительности 0,5-0,6 мДж/см2 и даже меньше.

Для записи голограмм мы использовали специальный источник излучения - лазер. Две главные особенности отличают излучение лазера от излучения других источников света - монохроматичность и когерентность.



Гелий-неоновый (He-Ne) лазер ГН-15-1 ИП

- длина волны излучения - 632,8 нм (красный цвет)
- мощность излучения - до 15 мвт
- длина когерентности - 20 см

Для освещения объекта или фотопластинки лазерный пучок необходимо расширить. Лучше всего использовать для этого объективы от микроскопа, которые мы и использовали в нашей работе. Чем выше кратность объектива (и, соответственно, чем меньше его фокусное расстояние) тем сильнее расширяется пучок. Однако, если на линзах объектива имеются пылинки и царапины, лазерный пучок дифрагирует и частично рассеивается. При этом появляется паразитная интерференционная картина в виде контрастных концентрических колец. Эта картина нарушает однородность освещения фотопластинки или объекта и качество записанной голограммы ухудшается. Перед записью необходимо настроить установку, т.е. добиться равномерного распределения пучка.

Для записи голограмм лазером непрерывного действия требуется подбирать жесткие объекты, изготовленные из металла, стекла, камня и т.д. Если объект сделан из мягкого материала, например, из бумаги, в процессе записи голограммы он будет неизбежно смещаться от тепловых и воздушных потоков. Интерференционная картина от опорного и объектного пучков также сместится и не запишется на фотопластинку - объект на голограмме будет выглядеть черным. В качестве объекта мы использовали керамические фигурки. Важным моментом является способ крепления фотопластинки и объекта к основанию в схеме записи голограммы. Объект можно прикрепить с помощью эпоксидной смолы, а пластинку зафиксировать с помощью железных зажимов - «лапок», которые должны быть не очень тугими и располагаться на одном уровне для равномерного распределения силы.

В результате получились голограммы хорошего качества, некоторые из которых наиболее интересны как примеры голографической интерферометрии. В частности, мы наблюдали некоторые интерференционные эффекты:




  1. метод двух экспозиций;

  2. голография вибрирующих поверхностей.

1-ый метод – метод двух экспозиций: на одну и ту же пластинку записывают сначала голограмма исходного предмета, затем, не проявляя пластинки, сразу записывают голограмму измененного предмета, изменением может служить деформация или смещение объекта относительно его первоначального положения. Далее следует обработка пластинки. Эта пластинка при освещении ее опорным пучком одновременно восстановит две световые волны, соответствующие двум положениям предмета. Эти волны будут интерферировать.

2-ой метод – метод вибрирующих поверхностей: записывается голограмма вибрирующего объекта. При гармоническом колебании отдельные точки предмета (в пучностях) большую часть времени находятся в крайних положениях, а узловые точки почти не смещаются. С учетом усреднения наблюдается картина интерференционных полос, характеризующая расположение узлов и пучностей.

В итоге были записаны три голограммы, наглядно иллюстрирующие некоторые интерференционные эффекты.



1-ый объект – юбилейная медаль РУДН с рельефной диффузно-отражающей поверхностью желтовато-красного цвета. В процессе экспонирования она была смещена на несколько мкм, следовательно, были записаны голограммы двух положений объекта. В итоге на плоскости медали получились интерференционные полосы, вся медаль на голограмме – черная, кроме небольшой полосы, в которой видна часто рельефа этой медали.

2-ой объект –композиция из двух фигурок. В процессе голографирования одна из фигур – собака белого цвета- сместилась на величину порядка λ/2., в итоге были записаны две голограммы от смещенного и несмещенного объектов. В результате наложения восстановленных волн в противофазе, мы наблюдали гасящую интерференцию, в связи с чем цвет фигурки изменился на черный. Изменение цвета произошли почти по всей фигурке, кроме деталей вблизи основания, которые не подверглись смещению.

1- жестко закрепленная фигура;

2- фигурка белой собаки, которая подверглась смещению;

3- деталь вблизи основания фигуры, которая оставалась неподвижной в процессе экспонирования.




3-ий объект – пьезоэлектрический вибратор в виде мембраны, к которой подводилось переменное напряжение и возбуждались колебания при частоте 2 кГц, 4 кГц и 6 кГц. Моды были видны на голограмме в виде потемнения в середине мембраны, что иллюстрирует наиболее интенсивные колебания в этой области.

Все результаты зафиксированы на голограммах, которые полезны для наглядной демонстрации эффектов, как иллюстрация к курсу лекций «Когерентная оптика и голография»для специальности НР.



Вывод: запись голограммы – процесс трудоемкий, требующий внимания, четкости и аккуратности. Даже соблюдая все необходимые требования, можно столкнуться с рядом интересных и неожиданных явлений.

Однако было получен ряд положительных результатов:



  • создана установка и налажен процесс записи голограмм;

  • запись изобразительных голограмм;

  • получение 3 голограмм, наглядно иллюстрирующих интерференционные эффекты.

Работа выполнена

в лаборатории оптоэлектроники

на кафедре радиофизики

Российского Университета Дружбы Народов

студенткой 5 курса

Торгушиной М.А.



Научный руководитель

доктор технических наук Комоцкий В.А.