Голографія - це ... Поняття, принцип дії, застосування
Голографічне зображення сьогодні знаходить все більше застосування. Деякі навіть вважають, що воно може з часом замінити відомі нам засоби зв`язку. Так це чи ні, але вже зараз воно активно використовується в самих різних галузях. Наприклад, всім нам знайомі голографічні наклейки. Безліч виробників використовує їх як засіб захисту від підробки. На фото нижче представлені деякі голографічні наклейки. Їх застосування - дуже ефективний спосіб захисту товарів або документів від підробки.
Відео: Принцип роботи фотодіода. ази електроніки
Історія вивчення голографії
Об`ємне зображення, що отримується в результаті заломлення променів, початок вивчатися відносно недавно. Однак ми вже можемо говорити про існування історії його вивчення. Денніс Габор, англійський учений, в 1948 році вперше визначив, що таке голографія. Це відкриття було дуже важливим, але його велике значення в той час не було ще очевидним. Працювали в 1950-ті роки дослідники страждали від відсутності джерела світла, що володіє когерентністю, - дуже важливою властивістю для розвитку голографії. Перший лазер був виготовлений в 1960 році. За допомогою цього приладу можна отримати світло, що має достатню когерентність. Юріс Упатнієкс і иммет Лейт, американські вчені, використовували його для створення перших голограм. З їх допомогою виходили тривимірні зображення предметів.
У наступні роки дослідження тривали. Сотні наукових статей, в яких вивчалося поняття про голографії, з тих пір були опубліковані, а також видано безліч книг, присвячених цим методом. Однак ці праці адресовані фахівцям, а не широкому читачеві. У даній статті ми постараємося розповісти про все доступною мовою.
Що таке голографія
Можна запропонувати наступне визначення: голографія - це отримується за допомогою лазера об`ємна фотографія. Однак дане визначення не зовсім задовільно, так як є безліч інших видів тривимірної фотографії. Проте в ньому відображено найбільш істотне: голографія - це технічний метод, який дозволяє "записувати" зовнішній вигляд того чи іншого об`єкта-з її допомогою виходить тривимірне зображення, що виглядає так, як реальний предмет-застосування лазерів зіграло вирішальну роль для її розвитку.
Голографія та її застосування
Дослідження голографії дозволяє прояснити багато питань, пов`язаних зі звичайною фотографією. Як образотворчого мистецтва об`ємне зображення може навіть кинути виклик останньої, оскільки воно дозволяє відображати навколишній світ більш точно і правильно.
Вчені іноді виділяють епохи в історії людства по засобам зв`язку, які були відомі в ті чи інші століття. Можна говорити, наприклад, про існуючі в Стародавньому Єгипті ієрогліфах, про винахід в 1450 році друкарського верстата. У зв`язку з спостерігаються в наш час технічний прогрес нові засоби зв`язку, такі як телебачення і телефон, зайняли панівне становище. Хоча голографічний принцип знаходиться ще в дитячому стані, якщо говорити про його використання в засобах інформації, існують підстави припускати, що засновані на ньому пристрою в майбутньому зможуть замінити відомі нам засоби зв`язку або хоча б розширити область їх застосування.
Науково-фантастична література і масова друк нерідко підносять голографію в невірному, викривленому світлі. Вони часто створюють хибне уявлення про даний метод. Об`ємне зображення, побачене вперше, заворожує. Однак не менше враження справляє фізичнапояснення принципу його пристрою.
інтерференційна картина
Здатність бачити предмети заснована на тому, що світлові хвилі, заломлюючись ними або відбиваючись від них, потрапляють в наше око. Відбиті від деякого об`єкта світлові хвилі характеризуються формою хвильового фронту, що відповідає формі цього об`єкта. Картину темних і світлих смуг (або ліній) створюють дві групи світлових когерентних хвиль, які інтерферують. Так утворюється об`ємна голографія. При цьому дані смуги в кожному конкретному випадку становлять комбінацію, що залежить лише від форми хвильових фронтів хвиль, які взаємодіють один з одним. Таку картину називають інтерференційної. Її можна зафіксувати, наприклад, на фотографічній пластинці, якщо помістити її в місце, де спостерігається інтерференція хвиль.
різноманіття голограм
Способом, що дозволяє записувати шлях (як) відбитий від предмета хвильовий фронт, після чого відновлювати його так, що спостерігачеві здається, що він бачить реальний предмет, і є голографія. Це ефект, який пояснюється тим, що отримується зображення трехмерно в такій же мірі, що і реальний предмет.
Є безліч різних типів голограм, в яких легко заплутатися. Щоб однозначно визначити той чи інший вид, слід вжити чотири або навіть п`ять прикметників. З усього їх безлічі ми розглянемо тільки основні класи, які використовує сучасна голографія. Однак спочатку потрібно розповісти трохи про такий хвильовий явище, як дифракція. Саме вона дозволяє нам конструювати (вірніше, реконструювати) хвильовий фронт.
дифракція
Якщо який-небудь предмет виявляється на шляху світла, він відкидає тінь. Світло огинає цей предмет, заходячи частково в область тіні. Цей ефект називають дифракцією. Він пояснюється хвильової природою світла, але пояснити його строго досить складно.
Відео: Використання модуля Пельтьє для отримання ...
Тільки в дуже малому куті проникає світло в область тіні, тому ми майже не помічаємо цього. Однак якщо на його шляху є безліч дрібних перешкод, відстані між якими становлять лише кілька довжин світлової хвилі, даний ефект стає досить помітним.
Якщо падіння хвильового фронту доводиться на велике одиничне перешкоду, "випадає" відповідна його частина, що практично не впливає на решту область даного хвильового фронту. Якщо ж безліч дрібних перешкод знаходиться на його шляху, він змінюється в результаті дифракції так, що поширюється за перешкодою світло буде володіти якісно іншим хвильовим фронтом.
Трансформація настільки сильна, що світло починає навіть поширюватися в іншому напрямку. Виходить, що дифракція дозволяє нам перетворити вихідний хвильовий фронт в абсолютно відмінний від нього. Таким чином, дифракція - механізм, за допомогою якого ми отримуємо новий хвильовий фронт. Пристрій, що формує його вищеописаним шляхом, іменується дифракційної гратами. Розповімо про неї докладніше.
дифракційна решітка
Це невелика пластинка з нанесеними на ній тонкими прямими паралельними штрихами (лініями). Вони відстоять один від одного на соту або навіть тисячну частину міліметра. Що відбувається, якщо лазерний промінь на своєму шляху зустрічає грати, яка складається з декількох розмитих темних і яскравих смуг? Його частина буде прямо проходити через ґрати, а частина - загинатися. Так утворюються два нових пучка, які виходять з решітки під певним кутом до вихідного променю і знаходяться по обидва боки від нього. У разі якщо один лазерний пучок володіє, наприклад, плоским хвильовим фронтом, два утворилися з боків від нього нових пучка також матимуть плоскі хвильові фронти. Таким чином, пропускаючи через дифракційну решітку лазерний промінь, ми формуємо два нових хвильових фронту (плоских). Мабуть, дифракційну решітку можна розглядати як найпростіший приклад голограми.
Реєстрація голограми
Знайомство з основними принципами голографії слід почати з вивчення двох плоских хвильових фронтів. Взаємодіючи, вони утворюють інтерференційну картину, яку реєструють на вміщеній там же, де знаходився екран, фотографічної платівці. Ця стадія процесу (перша) в голографії називається записом (або реєстрацією) голограми.
відновлення зображення
Будемо вважати, що одна з плоских хвиль - А, а друга - В. Хвиля А іменується опорної, а В - предметної, тобто відображеної від того предмета, зображення якого фіксується. Вона може не відрізнятися нічим від опорної хвилі. Однак при створенні голограми тривимірного реального об`єкта формується значно складніший хвильовий фронт світла, відбитого від предмета.
Інтерференційна картина, представлена на фотографічній плівці (тобто зображення дифракційної решітки), - це і є голограма. Її можна помістити на шляху опорного первинного пучка (пучка лазерного світла, що володіє плоским хвильовим фронтом). У цьому випадку по обидва боки формуються 2 нових хвильових фронту. Перший з них являє собою точну копію хвильового предметного фронту, який поширюється в тому ж напрямку, що і хвиля В. Вищеописана стадія іменується відновленням зображення.
голографічний процес
Інтерференційна картина, яку створюють дві плоскі когерентні хвилі, після її запису на фотопластинці являє собою пристрій, що дозволяє в разі освітлення однієї з цих хвиль відновити іншу плоску хвилю. Голографічний процес, таким чином, має наступні стадії: реєстрацію та подальше "зберігання" хвильового предметного фронту у вигляді голограми (інтерференційної картини), і його відновлення через будь-який час при проходженні опорної хвилі через голограму.
Предметний хвильовий фронт в дійсності може бути будь-яким. Наприклад, він може відбиватися від деякого реального предмета, якщо він при цьому є когерентним опорної хвилі. Утворена двома будь-якими хвильовими фронтами, що володіють когерентністю, інтерференційна картина - це і є пристрій, що дозволяє завдяки дифракції перетворити один з даних фронтів в інший. Саме тут і захований ключ до такого явища, як голографія. Денніс Габор першим виявив цю властивість.
Спостереження формованого голограмою зображення
У наш час для читання голограм починає використовуватися спеціальний електронний пристрій - голографічний проектор. Він дозволяє перетворити картинку з двох в тривимірну. Однак для того щоб переглядати прості голограми, голографічний проектор зовсім не потрібно. Коротенько розповімо про те, як розглядати такі зображення.
Щоб спостерігати формується найпростішої голограмою зображення, потрібно помістити її приблизно на відстані 1 метра від ока. Крізь дифракційну решітку потрібно дивитися в тому напрямку, в якому плоскі хвилі (відновлені) виходять з неї. Так як саме плоскі хвилі потрапляють в око спостерігача, голографічне зображення також є плоским. Воно постає перед нами ніби "глуха стіна", Яку рівномірно висвітлює світло, що має той же колір, що і відповідне лазерне випромінювання. Так як специфічних ознак ця "стіна" позбавлена, неможливо визначити, наскільки далеко вона знаходиться. Здається, ніби дивишся на розташовану в нескінченності протяжну стіну, але при цьому бачиш лише її частина, яку вдається розгледіти крізь невелике "вікно", Тобто голограму. Отже, голограма - це рівномірно світиться поверхню, на якій ми не помічаємо нічого гідного уваги.
Дифракційна решітка (голограма) дозволяє нам спостерігати кілька найпростіших ефектів. Їх можна продемонструвати і з використанням голограм іншого типу. Проходячи крізь дифракційну решітку, пучок світла розщеплюється, формуються два нових пучка. За допомогою пучків лазерного випромінювання можна висвітлювати будь дифракційну решітку. При цьому випромінювання повинне відрізнятися кольором від використаного при її записи. Кут вигину пучка кольору залежить від того, який колір він має. Якщо він червоний (самий довгохвильової), то такий пучок згинається під великим кутом, ніж пучок синього кольору, який має найменшу довжину хвилі.
Крізь дифракційну решітку можна пропустити суміш всіх кольорів, тобто білий. У цьому випадку кожна колірна компонента цієї голограми викривляється під своїм власним кутом. На виході формується спектр, аналогічний створюваному призмою.
Розміщення штрихів дифракційної решітки
Штрихи дифракційної решітки слід робити дуже близькими один до одного, щоб було помітно викривлення променів. Наприклад, для викривлення червоного променя на 20 ° потрібно, щоб відстань між штрихами не перевищувало 0,002 мм. Якщо їх розмістити тісніше, промінь світла починає згинатися ще сильніше. для "запису" даної решітки потрібна фотопластинка, яка здатна реєструвати настільки тонкі деталі. Крім того, необхідно, щоб пластинка в процесі експозиції, а також при реєстрації залишалася абсолютно нерухомою.
Картина може значно змазатися навіть при найменшому русі, причому настільки, що буде зовсім невиразною. В цьому випадку ми побачимо не интерференционную картину, а просто скляну пластинку, по всій своїй поверхні однорідно чорну або сіру. Звичайно, в цьому випадку не будуть відтворюватися ефекти дифракції, що формуються дифракційної гратами.
Пропускають і відбивні голограми
Розглянута нами дифракційна решітка іменується пропускає, оскільки вона діє в світі, що проходить крізь неї. Якщо ж нанести лінії грати не на прозору пластинку, а на поверхню дзеркала, ми отримаємо дифракційну решітку відбивну. Вона відображає під різними кутами світло різних кольорів. Відповідно, є два великі класи голограм - відбивні і пропускають. Перші спостерігаються у відбитому світлі, а другі - в що проходить.
