Голография

Принцип голографии

Голография — это метод записи, хранения и воспроизведения трёхмерной информации о волновом фронте света, отражённого или прошедшего через объект. В отличие от обычной фотографии, фиксирующей только амплитуду световой волны, голограмма содержит как амплитуду, так и фазу. Это достигается путём интерференции когерентных световых волн.

В основе метода лежит интерференционная картина, создаваемая в результате наложения двух когерентных пучков света: объектного (рассеянного от предмета) и опорного (направленного напрямую от источника). Эта интерференционная картина фиксируется на светочувствительном носителе — фотопластинке или цифровом сенсоре высокой разрешающей способности.

После проявления голограммы освещение её тем же опорным пучком (или аналогичным по направлению и длине волны) вызывает дифракцию записанной интерференционной структуры. В результате восстанавливается волновой фронт, идентичный исходному, что создаёт у наблюдателя иллюзию наличия реального объекта в пространстве.

Когерентность и необходимость лазеров

Ключевое условие записи голограммы — высокая степень когерентности света. Только когерентные волны сохраняют постоянную разность фаз, что необходимо для устойчивой интерференционной картины. Наиболее подходящими источниками света являются лазеры. Они обеспечивают как временную, так и пространственную когерентность, а также высокую интенсивность и узкую спектральную полосу излучения.

Применение лазеров (например, гелий-неоновых, Nd:YAG и диодных) дало мощный импульс развитию голографии, сделав возможной запись сложных и качественных голограмм даже в лабораторных и производственных условиях.

Процесс записи голограммы

Стандартная схема записи включает следующие элементы:

лазерный источник света;
делитель пучка (полупрозрачное зеркало);
зеркала для формирования нужных направлений пучков;
объект для голографирования;
светочувствительная пластинка.

Лазерный луч делится на два пучка. Один освещает объект и, отражаясь, попадает на пластинку — это объектный пучок. Второй направляется на пластинку напрямую — это опорный пучок. На фотопластинке интерференция этих пучков формирует сложную стоячую волну, структура которой фиксируется в результате экспонирования.

После проявления и фиксации голограмма становится средой с пространственно меняющимся показателем преломления или коэффициентом поглощения (в зависимости от типа носителя), которая при освещении воспроизводит волновую картину исходного объекта.

Виды голограмм

Голограммы классифицируют по нескольким признакам:

1. По способу записи:

Трансмиссионные — опорный и объектный пучки проходят через пластинку. Используются чаще в лабораторных условиях. Требуют точного совпадения углов воспроизведения.
Отражательные — пучки направлены с противоположных сторон, интерференционная картина формируется внутри материала. Обеспечивают устойчивость изображения и позволяют использовать белый свет при воспроизведении.

2. По типу носителя:

Фотографические (фотопластинки, плёнки) — основаны на химической обработке.
Дифракционные структуры в пластике или стекле — часто применяются в защите документов.
Цифровые голограммы — записываются с помощью цифровых сенсоров и обрабатываются численно.

3. По характеру изображения:

Амплитудные — модулируют амплитуду световой волны.
Фазовые — модулируют фазу световой волны.
Объёмные (глубокие) — имеют многослойную интерференционную структуру.

Воспроизведение изображения

При освещении голограммы опорным пучком возникает дифракция на записанной структуре. В результате формируются два основных изображения:

Реальное изображение — формируется за голограммой. Оно может быть проецировано на экран или сфотографировано. Иногда его называют конъюгированным.
Мнимое изображение — располагается перед голограммой, в том же месте, где находился исходный объект. Оно видимо глазом и создаёт эффект объёмности.

Мнимое изображение обладает всеми признаками трёхмерности: глубиной, параллаксом, изменением перспективы при перемещении наблюдателя.

Цифровая голография

Развитие цифровых технологий позволило отказаться от традиционных фотопластинок. В цифровой голографии используется матрица ПЗС или CMOS-сенсор для регистрации интерференционной картины. Далее эта картина обрабатывается численно с применением алгоритмов дискретного преобразования Фурье и других методов численного восстановления фазовой информации.

Цифровая голография обладает рядом преимуществ:

возможность последующего численного фокусирования на различных глубинах объекта;
высокая точность измерений;
быстрая обработка и возможность автоматического анализа.

Цифровая голография активно применяется в микроинтерферометрии, биомедицине, неразрушающем контроле.

Голографическая интерферометрия

Голография позволяет регистрировать мельчайшие изменения формы и положения объектов. При этом методах голографической интерферометрии используется сравнение двух голограмм одного объекта: до и после его изменения (например, деформации под нагрузкой, изменения температуры).

На выходе получают интерференционные полосы, указывающие на изменение фазы отражённого света, что позволяет измерить микроизменения поверхностей с точностью до долей длины волны.

Применение:

исследование деформаций материалов;
температурные поля;
вибрационные режимы;
дефекты конструкций.

Голографическая память и хранение информации

Голография предлагает принципиально иной подход к записи и хранению данных. Вместо традиционного хранения битов на поверхности, голографическая память использует объём среды и позволяет записывать множество голограмм в одном и том же объёме, изменяя угол опорного пучка или длину волны.

Это обеспечивает:

высокую плотность записи (до терабайт на см³);
параллельное считывание целых массивов данных;
высокую скорость чтения.

Используемые материалы: фотополимеры, фоторефрактивные кристаллы (например, LiNbO₃), материалы на основе азокрасителей.

Применение голографии

Оптическая метрология — измерение микродеформаций, вибраций, температурных полей.
Микроскопия — цифровая голографическая микроскопия позволяет получать фазовые изображения живых клеток без окрашивания.
Безопасность и защита — голографические наклейки на паспортах, банковских картах, товарах.
Архивирование и визуализация — хранение трёхмерных изображений объектов, музейные экспозиции, искусство.
Обработка сигналов — голографические процессоры и корреляционные системы.
Голографические дисплеи — перспективная область развития отображающих устройств с истинной трёхмерной визуализацией.

Физические основы формирования голограммы

Запись голограммы можно формализовать через суперпозицию полей. Пусть объектный пучок описывается комплексной амплитудой

U_o(r⃗) = A_o(r⃗)e^iφ_o(r⃗),

а опорный —

U_r(r⃗) = A_r(r⃗)e^iφ_r(r⃗).

Интенсивность, регистрируемая на носителе:

I(r⃗) = |U_o + U_r|² = |U_o|² + |U_r|² + U_oU_r^* + U_o^*U_r.

Последние два слагаемых отвечают за интерференционную составляющую, которая содержит информацию о фазе. Именно она фиксируется на голограмме.

Дифракция на голограмме и восстановление волнового фронта

После записи структура голограммы действует как дифракционная решётка. При освещении голограммы опорным пучком происходит дифракция, при которой один из порядков воспроизводит исходную объектную волну. В случае трансмиссионной голограммы дифракция реализуется по принципу Брегга, и угол освещения строго влияет на яркость и чёткость восстановления.

Воспроизведение изображения сопровождается полным восстановлением формы, ориентации, перспективы и глубины, поскольку волновой фронт, выходящий из голограммы, идентичен исходному фронту, исходившему от объекта.

Перспективы развития

Голография активно развивается в направлениях:

голографические телевизоры и мониторы;
дополненная и виртуальная реальность с голографическим интерфейсом;
квантовая голография и взаимодействие с квантовыми состояниями света;
биоголография для мониторинга биопроцессов в реальном времени;
голография в телемедицине и хирургической навигации.

Современные методы микрофабрикации, развитие фоточувствительных материалов и цифровой обработки сигналов открывают новые горизонты применения голографии в науке, технике и повседневной жизни.