Голографичечские оптические элементы

           СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………..............3

1.Научные основы голографии………………………...............................5

1.1.Физические принципы голографии……………………………...…....5

1.2.Исследования Дениса Габора……………………………………........8

1.3.Работы Юрия Денисюка……………………………………….…..….12

2.Практическое применение голографии………………………….….…14

2.1.Голограмма-линза……………………………………………….…....14

2.2.Голографические дифракционные решетки…………………….......18

2.3.Голографические мультипликаторы…………………………....…...20

2.4.Голографические компенсаторы……………………………………..22

2.5.Голографический микроскоп………………………………………....23

2.6.Цветные голограммы……………………………………………....….26

2.7.Голографическая коррекция оптических аберраций………….……30

Заключение…………………………………………………………..….….32

Список использованных источников…………………………..…......….33

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время голография стала неотъемлемой частью жизни каждого человека. Актуальность голографии постепенно возрастает.

Голография (от греч. holos - весь и grapho – пишу, т.е. «полная запись») – особый способ записи и последующего восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины. Она обязана своим возникновением законам волновой оптики – законам интерференции и дифракции. Этот принципиально новый способ фиксирования и воспроизведения пространственного изображения предметов изобретен английским физиком Д. Габортом  в 1947г.  Экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка этого способа советским ученым Ю.Н.Денисюком в 1962г. и американскими физиками Э. Лейтом и Ю. Упатниексом в 1963г. стали возможными после появления в 1960г. источников света высокой степени когерентности – лазеров.

Область применения голографии постепенно расширяется. В настоящее время голография нашла применение в следующих отраслях жизни человечества.

• защита подлинности ценных бумаг, финансовых и конфиденциальных документов;
• защита от несанкционированного вскрытия оборудования, пакетов с документацией;
• защита технической, эксплуатационной документации от несанкционированного тиражирования и распространения;
• изготовление голограмм с музейных экспонатов, различного рода исторических и художественных ценностей;
• создание голографического электронного микроскопа;

Научный интерес представляют свойства голограмм, новые виды их применения, а также внедрение голографии в телевидение.

Проблема борьбы с подделками на сегодняшний день обусловлена тем, что современные полиграфические и компьютерные технологии позволяют легко копировать внешний вид практически любого документа. Даже самая сложная полиграфия не в состоянии обеспечить должный уровень защиты от подделок.

При снятии голограмм с музейных экспонатов оказалось, что голограммы настолько реально передают образ предмета, что возникает полная иллюзия его присутствия. На голограммах очень хорошо смотрятся рельефные вещи. Очень хорошо передается, например, фактура всех фрагментов иконы. Технология цветной голографии для неподвижных объектов уже существует в лабораторных вариантах и, по-видимому, получит широкое распространение в ближайшие годы.

1. Голографические оптические элементы представляют собой голограммы, на которых записаны волновые фронты специальной формы. С их помощью возможна коррекция аберрации оптических систем, в таком случае голографические оптические элементы выступают как составные элементы сложных оптических приборов. Голографические оптические элементы используют и как самостоятельные оптические элементы в качестве линз, зеркал, дифракционных решеток, мультипликаторов, которые рассмотрены в курсовой работе. 
   НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ГОЛОГРАФИИ
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ГОЛОГРАФИИ

Физическая основа голографии – учение о волнах, их интерференции и дифракции, зародившееся еще в XVII веке при Гюйгенсе. Уже в начале XIX века Юнг, Френель и Фраунгофер располагали достаточными познаниями, чтобы сформулировать основные принципы голографии. Этого, однако, не случилось вплоть до работ Габора, хотя многие ученые во второй половине XIX и начале XX века – Кирхгоф, Рэлей, Аббе, Вольфке, Бе6рш, и Брэгг – подходили к принципам голографии достаточно близко. Можно было объяснить это тем, что они не имели технических средств для реализации голографии. Однако это не так: Габор в 1947 году также не имел лазера и делал свои первые опыты со ртутной лампой в качестве источника света. И тем не менее Габор смог с полной определенностью сформулировать идею восстановления волнового фронта и указать метод ее осуществления. Не смотря на это, трудности связанные с получением голограмм, оставались столь существенными и развитие голографии шло так медленно, что к 1963 году Габор «почти забыл о ней». В 1963году американцы Э. Лейт и Ю. Упатниекс впервые получили лазерные голограммы. За год до этого они предложили свою «двулучевую схему», значительно усовершенствовав исходную схему Габора.

Согласно принципу Гюйгенса — Френеля, можно восстановить картину волнового поля, образованного электромагнитной волной, в любой момент времени и в любой точке пространства. Для этого надо записать распределение амплитуд и фаз волн (в данном случае световых) на произвольной поверхности или ее части, охватывающей источник волн. Иными словами, чтобы «заморозить» электромагнитные волны во всем пространстве, достаточно «заморозить» их только на некоторой поверхности. Для восстановления в пространстве световой волны нужно задать параметры, характеризующие среду. Предположим, нужно восстановить плоскую волну. Для этого мы должны задать для любой плоскости равномерно распределенные источники колебаний с определенной начальной фазой. Элементарные источники колебаний должны находиться на поверхности, перпендикулярной направлению распространения волн. Но это не обязательно. Все будет зависеть от типа волн. Возьмем для примера сферические волны, излучаемые точечным источником. Зададим в качестве поверхности, на которой «замораживаются» волны, сферу с центром в источнике. Амплитуды и фазы элементарных источников волн будут одинаковыми для всей поверхности. В случае с круговыми волнами при «замораживании» световых волн надо расположить элементарные источники колебаний с одинаковой фазой и амплитудой на концентрических окружностях.

Иными словами, мы должны зарегистрировать на некоторой поверхности мгновенные картины линий постоянной фазы в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных областей. В этом нам помогает интерференция: мы получаем интерференционную картину, состоящую из светлых, (прозрачных) и темных (непрозрачных) полос. Интерференция и есть способ сравнения пространственной структуры двух пучков света. Вначале происходит их сравнение, а затем — регистрация их на фотопластинку.

Чтобы восстановить изображение предмета, достаточно осветить голограмму только опорным пучком, используемым при записи. Этот способ регистрации волнового поля ценен тем, что допускает простое восстановление исходной волны. Как только мы направляем на голограмму опорную волну, использованную при записи, за голограммой восстанавливается («размораживается») исходное волновое поле предмета. Согласно принципу Гюйгенса — Френеля, восстановлением мы обязаны эквивалентным источникам, образованным светлыми местами интерференционной картины. По этой причине волны «размораживаются», и наблюдатель видит пространственное изображение предмета.

Голографическое изображение отличается от фотографии не только своей объемностью, но и еще несколькими важными свойствами:

1. В любую точку голограммы  «по Габору» попадает свет, отраженный от всех точек предмета. Это означает, что любой, самый маленький ее участок содержит зрительную информацию обо всем предмете. Голограмму можно разбить на несколько кусков, и каждый будет полностью воспроизводить целостное изображение. Позитив и негатив голограммы, где черные полосы стали прозрачными и наоборот, дает то же изображение, что исходная голограмма.

2. Голографическое изображение  можно увеличить на стадии  восстановления. Когда голограмму  записывают параллельным световым  пучком, а восстанавливают расходящимся, изображение увеличивается пропорционально  углу расхождения (геометрический  коэффициент увеличения k). Если запись  ведется излучением длиной волны , а восстановление – кратной ему > ,  изображение станет больше в раз.

Следует помнить, что при линейном изменении поперечного масштаба изображения, глубина сцены изменяется по квадратичному закону.

3. Если на одну пластинку записать  несколько голограмм, используя  разные, но не кратные, длины волн, все они могут быть считаны  независимо при помощи лазеров  с соответствующим излучением. Таким  же образом можно записать  и полноцветное изображение.

4. Голограмму можно рассчитать  и нарисовать при помощи компьютера  и даже вручную. Так, зонную пластинку  Френеля нетрудно начертить, получив  простейшую голограмму одной  точки, но чем сложнее объект, тем более запутанной становится  такая искусственная голограмма.

5. Голографические изображения  можно получать при помощи  любых когерентных волн, например, акустических, возбужденных в жидкости  синхронно работающими вибраторами. Интерференция звуковых волн  создает на поверхности жидкости  рябь, с которой эту акустическую  голограмму восстанавливают лазерным  лучом.

Итак, можно сделать вывод о том, что голография— это фотографический метод. Но он существенно отличается от метода классической фотографии. Это радикально иной, двухступенчатый метод. В отличие от обычной фотографии изображения, которые получаются при восстановлении записанного на голограмме, полностью неотличимы от изображений реального предмета. Голография позволяет воспроизвести в пространстве действительную картину электромагнитных волн, т.е. волновую картину предмета тогда, когда самого предмета уже нет.

2. ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕНИСА ГАБОРА

В середине двадцатого века (1947 год) Денис Габор, английский физик, занимаясь поисками способа повышения резкости изображений электронного микроскопа, открыл поистине новый способ записи изображений - голографию. Если фотография означает буквально светопись, то голография - полная запись.

В 1927 году Габор окончил Высшее техническое училище в Берлине и поступил на службу в лабораторию фирмы "Сименс", производящей электронную технику. Работая над катодной системой электронно-лучевой трубки, он изобретает магнитную линзу. При этом ученый почти вплотную подходит к изобретению электронного микроскопа. Хотя электронный микроскоп появился позже, после работ физиков Буша и Вольфа, но именно эта работа стимулировала Габора к созданию принципиально нового метода изображений.

В 1947 году им было сделано научное открытие, которое первоначально восприняли просто как очередное доказательство волновых свойств света, но впоследствии оказалось, что оно более фундаментально. Именно тогда была создана голография.

Габор на стадии исследований изготовил несколько примитивных голограмм фазовых (светопреломляющих и прозрачных) объектов.

Рис.1. Схема записи голограммы Габора.

При записи голограммы он фиксировал структуру интерференции волн монохроматического источника света и света, рассеянного фазовым объектом, помещенным перед фотопластиной. Для получения высокого контраста интерференционной картины Габор использовал одну из самых ярких линий спектра излучения  ртутной лампы.

Рис.2. Схема воспроизведения голограммы Габора.

После проявления и отбеливания фотопластинка восстанавливала трехмерное изображение этого объекта. Результат был ошеломляющий, но мог взволновать только ученых. К сожалению, на голограмме можно было видеть и мнимое, и действительное изображения, и восстанавливающий источник света одновременно, что мешало комфортному восприятию трехмерной сцены. Эти первые голограммы Габора назывались осевыми.

Для того, что бы понять, как происходит запись и восстановление голограммы, рассмотрим самый простой пример – голограмму точки.

Рис.3. Схемы записи и восстановления голограммы точки.

Рассеянная точечным объектом сферическая (рис.3.) и плоская записывающая волны  одновременно падают на фоточувствительный слой, на котором регистрируется  суммарная интерференционная картина.

Рис.4. Голограмма точки.

Распределение света на фотопластине наблюдается  в виде системы концентрических тёмных и светлых колец очень похожих на зонную пластинку Френеля.

Интерференционную картину можно записать в светочувствительной эмульсии. Результат и будет являться голограммой. А если рассматривать маленький участок записанной голограммы, то можно с уверенностью назвать его элементарной дифракционной решеткой (рис.5.).  При просвечивании миниатюрного элемента голограммы монохроматической световой волной, возникает множество новых волновых фронтов.

Рис.5.Дифракционная решетка.

Эти волны – результат дифракции, так называемые симметричные порядки дифракции: (-1 порядок) и (+1 порядок).

Так как голографические эмульсии имеют конечную толщину, соизмеримую с периодом записанных в ней решеток, дифрагирующие лучи более высокого порядка очень слабы,  поэтому в нашем случае так называемых «толстых голограмм» мы их учитывать не будем.

Два симметричных дифракционных порядка формируют действительное и мнимое изображения точки (А), которые можно наблюдать под различными углами. Возникшая в результате дифракции на голограммной структуре сферическая волна создаёт мнимое изображение (Аi) и наблюдатель видит изображение точки Ai за голограммой в том месте, где находился реальный объект (Об) во время регистрации. Вторая сходящаяся сферическая волна  создаёт действительное изображение точки (Аd), которое расположено перед голограммой. 

Восстановление изображения голограммой происходит благодаря тому, что интерференция и дифракция инвариантны, эти два явления описываются практически одинаковыми уравнениями. Результат сложения интерференционных картин от множества точек материального тела будет обладать всеми вышеперечисленными свойствами. Голограмму протяженного объекта можно рассматривать как суперпозицию (сумму) элементарных голограмм множества геометрических точек, составляющих объект. Это и является принципом голографии, предложенным Денисом Габором.

Особенности голографической схемы Габора:

• впервые реализована идея «восстановления волн»;
• позволяет восстановить амплитуду и фазу объектной волны;
• низкая пространственная частота регистрируемой

интерференционной картины;

• при освещении голограммы наблюдаются два изображения,

накладывающиеся друг на друга;

• возможна регистрация только прозрачных объектов;
• использование источников монохроматического излучения при

считывании.

В настоящее время голограммы Габора применяются для

регистрации пространственных ансамблей частиц малых размеров, при

изготовлении осевых голограммных элементов. На рис.6 показана

возможность использования схемы Габора для получения

непрозрачных объектов.

Рис.6. Практическая реализация схемы Габора для получения

голограмм непрозрачных рассеивающих объектов.

3. РАБОТЫ ЮРИЯ ДЕНИСЮКА

Изучив опыт Габриэля Липпмана и теорию Дениса Габора, в 1961 году свои первые голограммы получил в Советском Союзе молодой ученый Юрий Николаевич Денисюк.

Голограммы Денисюка, так же, как у Габора, в силу низкой когерентности источников света были осевыми, но при их записи свет интерферировал во встречном направлении.

Рис.7. Схема записи и восстановления голограммы Денисюка.

В схеме Денисюка картина интерференции световых фронтов, бегущих навстречу друг другу позволяла фиксировать не только амплитуду и фазу (информацию о трехмерной сцене), но и частоту волны (цвет), как в методе Липпмана. Это открывало перспективу записи цветных голограмм и восстановления их источниками "белого" цвета.

Схема регистрации голограммы, когда фотопластина с прозрачной фотоэмульсией устанавливается между объектом и источником света, с тех пор называется "запись голограммы во встречных пучках" или схемой Денисюка. Результат тогда мало кого впечатлил, так как по причине низкой когерентности света, использованного при записи, объем в изображении только угадывался. В начале шестидесятых годов двадцатого века появились лазеры - удивительные источники излучения высокой когерентности.

Особенности схемы Денисюка:

• положила начало объемной голографии;
• позволяет восстановить амплитуду, фазу и спектральный состав

объектной волны;

• позволяет наблюдать изображение объекта при освещении

голограммы белым светом;

• нечувствительна к вибрациям элемента «объект-регистрирующая

среда»;

• требует высокой разрешающей способности регистрирующей

среды.

На рис.8 приведены примеры практической реализации схемы

Денисюка при получении голограмм.

Рис.8. Возможные практические реализации схемы Денисюка.

Для получения голограмм Денисюка используют прозрачные регистрирующие материалы с высоким разрешением (порядка 5000 мм-1) и методы постэкспозиционной обработки, пригодные для получения фазовых либо амплитудно-фазовых голограмм. Голограммы Денисюка широко используются для получения изобразительных голограмм и голограммных оптических элементов. Голограмма Денисюка, впервые полученная автором в 1962г на липпмановских прозрачных галоидосеребряных фотоматериалах с использованием в качестве источника излучения ртутной лампы, явилась экспериментальным обоснованием метода Денисюка.

2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГОЛОГРАФИИ
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 термином зонная пластинка обычно понимают зонную пластинку Френеля, состоящую  из чередующихся светлых и темных колец, которые ограничены окружностями с радиусами

,                                                                                        (1)

где п – целое число, λ - длина волны света с плоским волновым фронтом, которая, падая на пластинку, фокусируется на расстоянии . Выражение (1) справедливо в предположении, что n λ очень мало по сравнению с расстоянием . Из соотношения (1) далее видно, что совокупность окружностей, которым соответствуют четные п можно рассматривать как зонную пластинку, которая имеет двойное фокусное расстояние 2, совокупность окружностей с n, кратными трем – как пластинку с утроенным r фокусным  расстоянием и т. д.

Вследствие симметрии перед зонной пластинкой также существует соответствующие фокусы, расположенные симметрично тем, которые расположены за пластинкой.

Такая пластинка Френеля с прямоугольным радиальным распределением почернения может выполнить функцию изображающего оптического элемента. Недостатком, однако, является возникновение большего числа изображений, расположенных на оси, совпадающей с главным лучом пучка нулевого порядка дифракции.

Косинусоидальное распределение почернения в зонной пластинке может быть получено при регистрации голограммы точки по схеме Габера в случае, если процесс регистрации и проявления будет линейным. При выполнении этих условий образуется только дифракционные порядки, а значит, и только два фокуса.

Рис. 9. Зонная пластинка Френеля.

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.

Рис.10. Голограмма точки как оптический элемент.

На рис. 10 представлен пример построения изображения прозрачного предмета Т, помещенного в восстанавливающий пучок С.

При этом возникают основное изображение , которое является действительным, и вторичное изображение , которое является мнимым. Характер изображений изменится, если повернуть голограмму на вокруг оси, перпендикулярной к плоскости чертежа. Своеобразной формой зонной пластинки является так называемый киноформ. Это такая искусственно изготовленная зонная пластинка, которая дает только одно изображение. При этом почти вся энергия восстанавливающего излучения сосредоточена в этом изображении.

Киноформом также считают объемную голограмму, образующую единственное изображение и обладающую низкой угловой селективностью. Такими свойствами обладает отражающая фазовая объемная голограмма, которая должна быть достаточно толстой, чтобы большая часть энергии восстанавливающего пучка приняла участие в формировании изображения, а пучок нулевого порядка имел как можно меньшую интенсивность,

Настоящий киноформ, однако, является фазовой голограммой точки, ход изменения фазы которой таков, чтобы все излучение, при восстановлении дифрагировало в один из первых порядков.

Рис. 11. Профиль рельефа киноформа.

Поскольку тонкая фазовая голограмма обычно имеет некоторый рельеф, то в качестве регистрирующей среды для ее получения используется бихромированная желатина. Профиль ее рельефа очень сходен с зонной линзой Френеля, имеющей малую толщину (рис.11).

Необходимый профиль киноформа можно изготовить искусственно с помощью электронной вычислительной машины либо, посредством фотографирования ньютоновых полос равной толщины, когда во время экспозиции производят программированное, передвижение оптических деталей, которые образуют кольца Ньютона таким образом, чтобы получалась необходимая зависимость почернения.

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.12. С помощью линзы Л и микродиафрагмы Д создается точечный источник сферической волны. На заданном расстоянии 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.

Рис.12. Схема получения голографической линзы (а) и построения изображения (б).

Голографическая линза - это оптический элемент с двумя фокусными расстояниями: для основного () и сопряженного () изображений. Положения двух изображений связаны формулой .

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

2. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ

Наиболее распространенный вид голографических оптических элементов - именно голографические дифракционные решетки, 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 дифракционные решетки 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 . При увеличении угла φ и уменьшении длины волны λ расстояние между штрихами уменьшается. В пределе при φ→π, d→. Есть сообщения о промышленном изготовлении дифракционные решетки 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).

Производство голографических решеток существенно дешевле, чем изготовление нарезных решеток, поскольку они изготавливаются как единое целое без использования сложных механических устройств. Также   дифракционные решетки превосходят обычные, нарезанные механическим способом, по таким параметрам, как максимальная пространственная частота и размеры, отношение сигнал/шум, возможность коррекции аберрации и др. Кроме того, голографические решетки не имеют дефектов, которые могут иметь место при нарезании отдельных штрихов.

Голографические дифракционные решетки, изготовленные на фотографическом материале, показали принципиальные возможности голографии при создании спектроскопических решеток. Однако их практическое использование до сих пор остается проблематичным, поскольку oни имеют относительно малую дифракционную эффективность и обладают большим светорассеянием.

Более пригодны в практическом отношении голографические решетки, полученные на бихромированной желатине, которая не имeeт зернистой структуры, что дает возможность регистрировать пространственные частоты более 4000 лин/мм. Кроме того, в этом случае дифракционная эффективность достигает величины 90%, т. е. получаются профилированные решетки с большим числом линий на миллиметр, которые практически невозможно изготовить классическими методами. Рассеяние излучения не должно превышать величины интенсивности сигнала.

Решетки могут изготавливаться с использованием материала разной толщины. При этом могут быть получены решетки, которые при фиксированном угле падения позволяют одновременно исследовать больший или меньший диапазон спектра. Посредством вращения решетки можно последовательно пройти более широкую спектральную область. Поэтому было бы весьма целесообразным применять объемные голографические решетки в монохроматорах. Работающие на пропускание решетки, зарегистрированные на бихромированной желатине, не очень удобны при работе в близкой инфракрасной области спектра, поскольку обладают поглощением в диапазоне от 2,6 до 5,8 мкм и от 5,8 до 8,5 мкм. Это поглощение в основном обусловлено наличием воды в слое.

Голографические решетки являются стабильными в отношении воздействия окружающей среды, кроме относительной влажности, превышающей 50%. Термическая обработка голографических решеток с целью исключения влияния влажности не приводит к изменению их свойств.

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.