Голография

В частности при интерференции двух встречных волн () плоскости максимального почернения параллельны волновым фронтам интерферирующих волн. Поэтому .

От каждой плоскости максимального почернения, в которой сосредоточен максимум плотности восстановленного серебра, волны частично отражаются и частично проходят через нее. Однако от системы параллельных плоскостей отражение возможно лишь в том случае, если отраженные от соседних плоскостей волны усиливают друг друга, т.е. выполняется условие Вульфа-Брэгга: , где - угол падения волны.

На рис.3.3.50 представлена схема голограммы плоской волны, волновой вектор которой образует с волновым вектором опорной волны угол . Плоскости максимального почернения расположены перпендикулярно направлению вектора .

Нормаль к поверхности составляет с вектором угол 2, расстояние между поверхностями равно . Тогда , и . Отсюда следует, что имеется только первый порядок отражения (т=1) и . Следовательно, отражается только волна с волновым вектором , а отраженная волна имеет волновой вектор . Другими словами, если голограмму плоской волны записать с помощью опорной волны той же частоты, то, облучая голограмму опорной волной, восстановим плоскую волну, информация о которой содержится в голограмме.

В случае сферической волны на небольшом участке вдали от источника волна может рассматриваться как плоская. Поэтому облучая толстослойную фотопластинку и точечный объект А одной и той же опорной волной с волновым вектором (рис.3.3.49) , получим в толще эмульсии совокупность поверхностей максимального почернения, расстояние между которыми . Таким образом, при облучении голограммы плоской волной с волновым вектором полностью восстанавливается записанная на голограмме сферическая волна как результат отражения плоской волны от дифракционной структуры, созданной в тоще эмульсии при записи голограммы.

В случае произвольного объекта при облучении фотопластинки и объекта одной и той же волной каждая точка объекта создает в толще эмульсии дифракционную структуру, которая рассмотрена выше. Совокупность дифракционных структур всех точек объекта составляет голограмму объекта.

Восстановление изображения производится облучением голограммы волной, совпадающей с опорной при записи голограммы . Изображение объекта – мнимое, расположенное в том месте, где находился реальный объект при записи голограммы. Такое восстановление изображения имеет существенный недостаток: восстанавливающая волна пространственно совпадает с восстановленной. Для устранения этого недостатка можно облучать голограмму волной с волновым вектором , направленным под подходящим углом к поверхности голограммы. Отраженная от дифракционной структуры волна образуется под углом отражения, равным углу падения. В результате восстановленная волна и восстанавливающая оказываются разделенными пространственно. Изображение объекта- мнимое, а его положение зависит от угла, под которым производится облучение голограммы.

Поскольку расстояние между поверхностями максимального почернения примерно равно , получаем т=1. При восстановлении нет необходимости облучать голограмму монохроматическим светом. При облучении голограммы белым светом отразится лишь та волна, длина которой удовлетворяет условию . Это упрощает восстановление толстослойных голограмм и дает возможность получить цветное изображение.

Регистрация голограмм может быть реализована на целом ряде веществ, в которых происходят различные физические процессы при взаимодействии с лазерным излучением. Наиболее часто используются следующие материалы: аморфные полупроводники, термопластические материалы, магнитные пленки, окислы ванадия, фотохромные материалы, сегнетоэлектрические фотопроводники. Первые голограммы создавались на обычных фотоносителях, допускавших только однократную запись. Использование серебра в фототехнике повышало стоимость записи информации. Наряду с фотографическими мелкозернистыми галогенсеребряными средами, применяются так называемые фотохромные среды, изменяющие спектр поглощения под действием записывающего света. Одними из эффективнейших среди фотохромных кристаллов являются щёлочно-галоидные кристаллы, из которых наилучшие результаты были получены на аддитивно окрашенных кристаллах хлорида калия (KCl). Голограммы, записанные на таких кристаллах, достигают 40% относительной дифракционной эффективности при теоретически возможной в данной среде 60%. При этом голограммы в данном материале весьма толстые (толщиной до нескольких миллиметров, и могут в принципе достигать единиц сантиметров). Голографическая запись в аддитивно окрашенных кристаллах KCl базируется на фототермическом F-X преобразовании центров окраски, то есть фактической коалесценции одиночных анионных вакансий в более крупные кластерные образования размером десятки нанометров. При этом голографическая запись в таких кристаллах реверсивна (обратима) и очень устойчива по времени.

В настоящее время наиболее интенсивно исследуются и используются аморфные полупроводники, в частности, халькогенидные полупроводниковые стекла, технология изготовления которых проста и дешева. К ним относятся соединения, содержащие один или несколько халькогенов, к которым относятся сера, селен и теллур. При их взаимодействии с кремнием, германием, висмутом, мышьяком создаются разнообразные аморфные системы -халькогенидные стекла, характеризующиеся тем, что лазерное излучение влияет на их оптические, электрические и структурные параметры. Тонкие слои халькогенидных стекол в виде пленки получают напылением на подложки из слюды или окисных стекол.

Также возможна голографическая запись с помощью легирования кристаллов соответствующей примесью.

При голографической записи, в качестве регистрирующей среды, широко используются сегнетоэлектрические кристаллы. Явление изменения показателя преломления под действием света вызвано электрооптическим эффектом. При записи голограмм сегнетоэлектрические кристаллы обладают теми же преимуществами, что и фотохромные материалы. Кроме того, после множества циклов "запись – стирание" не наблюдается эффекта усталости. Поскольку получаемые голограммы являются фазовыми, их дифракционная эффективность может быть на порядок выше, чем у голограмм на фотохромных материалах.

В последние годы интенсивно разрабатываются регистрирующие среды на базе голографических фотополимерных материалов, представляющих собой многокомпонентную смесь органических веществ, нанесенную в виде аморфной пленки толщиной 10-150 мкм на стеклянную или пленочную подложку. Поскольку фотополимеры не обладают зернистым строением, то разрешающая способность такого материала достаточна для сверхплотной записи информации. Чувствительность фотополимера сравнима с чувствительностью фотохромных кристаллов. Записанные голограммы являются фазовыми, что позволяет получать высокую дифракционную эффективность. Такие материалы позволяют хранить информацию длительное время, устойчивы к воздействию температур, а также отличаются улучшенными оптическими характеристиками.

Для получения цветных голограмм, правильно воспроизводящих в едином изображении детали объекта разного цвета, необходимо регистрировать и затем воспроизводить в простейшем случае три цветоотделенных изображения объекта, например красное, зеленое и синее. Желательно изготавливать цветные голограммы на цветных однослойных полихроматических голографических фотоматериалах. В этом случае экспонирование ведется одновременно в трех длинах волн. При съемке цветной пропускающей голограммы объект освещается тремя лазерами. Далее возможны два случая: во-первых, когда опорные пучки трех цветов суммируются и падают на фотопластинку под одним и тем же углом, во-вторых, опорные пучки направляются на фотопластинку под разными углами.

Для записи высококачественных цветных голограмм применяют способ последовательной регистрации трех отдельных цветных голограмм. Для этого по одной из схем последовательно получают частичные голограммы на различных пластинках с фотослоями, чувствительными к зеленому, красному и синему свету. Другой способ - изготовление частичных голограмм в отдельных слоях многослойного фотоматериала на одной подложке. Каждый слой сенсибилизируется к одному участку спектра, причем зелено- и красночувствительные слои десенсибилизируются к синей зоне спектра. Последнее относится как к съемке отражательных, так и пропускающих голограмм.

Важно, чтобы при воспроизведении цветного изображения из трех частей не возникло ложных изображений из-за дифракции света разных длин волн на разноименных голограммных структурах.

При восстановлении цветных голограмм на достаточно толстых слоях подавление ложных изображений обеспечивается спектральной селективностью, что позволяет использовать для восстановления изображения источник белого света. В случае пропускающей голограммы нет возможности обеспечить спектральную селективность, поэтому для устранения ложных изображений используют угловую селективность голограмм (для чего при записи опорные пучки заводятся под разными углами).

Для всех схем получения цветных голограмм имеются следующие общие требования:

- необходимо точное соблюдение взаимного углового расположения источников света и голограммы в процессах съемки и восстановления;

- процесс обработки и условия хранения голограммы не должны приводить к изменениям толщины слоев частичных голограмм.