1. Схема записи голограмм Денисюка

Итак, мы начинаем практический курс по голографии. Первые занятия будут посвящены ознакомлению с работой на схеме Денисюка - самой популярной голографической схеме. И это неудивительно, ведь схема Денисюка - самая простая из голографических схем. Тем не менее, 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. До этого голограммы записывались по методу Лейта -Упатниекса , и для их наблюдения требовался лазер. Чтобы голограммы можно было видеть в обычном, белом свете, Денисюк предложил освещать фотопластинку и объект одним и тем же лазерным пучком. Для этого потребовалась разработка специальных фотопластинок, которые должны быть прозрачными и иметь очень большую разрешающую способность. Задача была успешно решена.

На первом рисунке показана схема записи голограмм Денисюка, а на втором - фотография 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 , закрепленный на жестком основании 8 . 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 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. Поэтому мягкие предметы и живые объекты, например, портрет человека, в схеме с лазером непрерывного действия записать нельзя.

Дата публикации материала: 06/12/2003

«Девочка с фотоаппаратом» - импульсная отражательная голограмма 30х40 см. 1994 год. Автор - Александр Акилов.

Давным-давно, в 1968 году, когда я еще учился в 10 классе, мне посчастливилось побывать в лаборатории голографического кино НИКФИ. Виктор Григорьевич Комар, возглавлявший тогда самое передовое направление в изобразительной голографии, показал мне крупноформатные голограммы, кадры из голографических кинороликов, лазеры и познакомил с коллективом своих талантливых сотрудников. Кроме сногсшибательных впечатлений я привез домой коробочку фотопластин ПЭ-2 для регистрации отражательных голограмм.

Я долго искал, где можно раздобыть хоть какой-нибудь лазер, и, в конце концов, нашел его в политехническом институте. Выпросил прибор на пару дней и, не мешкая, приступил к созданию голограммы по схеме Юрия Денисюка.

Притащил домой бордюрную плиту из бетона и заворотил ее на свою кровать (для гашения вибраций). Из тисочков, струбцин и линз от старого микроскопа соорудил схему записи. А в качестве первого объекта взял серебряную солонку, наполненную доверху солью. Проявитель составил по рецепту, записанному в НИКФИ, благо химикатов для фотографии дома было в достатке. Рассчитал экспозицию. Она составила около 5 минут.

Со второй попытки на фотопластинке будь-то из гиперпространства, появилась копия солонки. Вы не представляете, я чувствовал себя в тот момент Эйнштейном, Капицей, не меньше. В будущем эти юношеские впечатления определили многое в моей жизни.

Сейчас, спустя 35 лет с того знаменательного для меня вечера, я с сожалением отмечаю, что до сих пор любительской голографии днем с огнем не отыщешь. И дело здесь не в цене лазеров или сложности оборудования, отсутствия фотоматериалов в продаже. Просто для того, что бы в домашних условиях заниматься изготовлением голограмм, нужно не только физику хорошо знать, но и быть одержимым идеей писать пространство на плоскости.

Немного физики.

Принцип голографической записи изображений заключается в том, что картина интерференции стоячих световых волн высокой когерентности двух источников может быть записана на фоточувствительной эмульсии. Дифракция световых волн одного из этих источников, на структуре, зафиксированной в проявленной эмульсии, восстанавливает волновой фронт второго источника. Другими словами дифракция и интерференция инвариантны.

Для тех, у кого нелады с физикой, постараюсь объяснить «на пальцах».

Представьте себе бассейн, наполненный водой. В бассейне с помощью широкой доски мы создаем волны. Хорошие волны, с очень равномерным шагом. Волны достигают противоположной стенки бассейна, отражаются и бегут обратно. В результате наложения двух потоков волн мы получим удивительную картину. Гребни будут подниматься и опускаться, но бега их мы не увидим. И самое интересное, между гребнями окажутся точки, которые не будут ни подниматься, ни опускаться относительно уровня воды в спокойном бассейне. Это и есть стоячие волны. А эффект, вызвавший это явление, физики называют ИНТЕРФЕРЕНЦИЕЙ.

Свет – это тоже волна, только электромагнитная. И здесь будет аналогичная картина.

Допустим, что световая волна прошла сквозь прозрачную фотоэмульсию, затем отразилась от некоторой точки объекта и направилась обратно. Должна возникнуть та же картина, что и в бассейне. Там, где расположены неподвижные узлы возникшей стоячей волны, будет всегда темнота, а там, где «эфир» колеблется, будет свет. И самое главное, эта «зебра» остается неподвижной в пространстве.

Картину из света и темноты мы научились фиксировать фотографическими методами. В объеме фотоэмульсии можно записать картину стоячих световых волн. Это и будет голограмма. Но представьте себе, что фотопластинка или объект во время экспозиции немного двигались (на величину полуволны). Картина интерференции будет смазана, а это значит, что голограммы мы просто не получим.

Для экспозиций порядка минуты мы должны обеспечить высокую стабильность схемы. Это первейшее условие получения голограмм с помощью маломощных лазеров.

Второй не менее важный момент. Частота световой волны (как и волны в бассейне) должна оставаться постоянной, иначе мы получим не стоячие, а бегущие волны интерференции. Картинку в этом случае зафиксировать так же не удастся. Вот почему для записи голограмм нужны лазеры – источники излучения стабильной частоты. Физики называют их источниками высоко когерентного излучения.

Каждая точка фотоэмульсии будет фиксировать сложнейшую паутину интерференционной картины. Если осветить проявленную эмульсию светом того же источника, голограмма восстановит причудливую форму светового фронта, который при записи голограммы отражался от реального объекта. Зрительное восприятие восстановленной световой волны неотличимо от наблюдения реального объекта.

Но самое удивительное, что голограммы, записанные по этой схеме можно восстанавливать источником белого света. Дело в том, что пространственные дифракционные структуры избирательны к спектру излучения. Картинка будет восстановлена только теми частотами волн, которые использовались при записи, а остальные лучи поглотятся голограммой.

Не так страшен черт, как его малюют.

Итак, мы выяснили, что для успешной записи отражательной голограммы по схеме Денисюка требуется лазер, например гелий неоновый мощностью от 10 до 25 миливат. Платформа, защищенная от вибраций, линза для расширения лазерного пучка, держатель фотопластины, зеркала с наружным отражающим покрытием (иначе отражение луча от двух отражающих поверхностей зркала вызовет низкочастотную интерференцию, которая будет выглядеть ввиде полос на голограмме). И конечно же нужны фотопластины для записи голограмм.

Обычные фотоматериалы для этого не годятся, т.к. частота интерференционной картины соизмерима с длиной световой волны, поэтому разрешающая способность фотоматериала должна быть не менее 6000 линий на милиметр (фототехническая пленка «микрат» имеет разрешение не более 300 линий на миллиметр, а обычная фотопленка не более 75).

Сегодня Переславское объединение «СЛАВИЧ» выпускает фотопластины для голографии, чувствительные к излучению гелий-неонового лазера (623 нанометра) марки ПФГ-03М. Фотоматериалы поставляются вместе с набором химикатов для их обработки. Для любительской голографии лучше использовать небольшие форматы:
- 102х127 мм
- 127х127 мм
- 130х180 мм

Фотопластинку такого формата легко закрепить. Экспозиции при использовании маломощного лазера составят от 15 до 45 секунд. Чем короче экспозиция, тем меньше вероятность смещения интерференционной картины при записи голограммы, а вероятность успеха выше.

Опыт работы в области голографии доказал, что самое чувствительное к вибрациям звено включает в себя объект и фотопластину. Следовательно, крепление этих элементов друг относительно друга должно быть особенно надежным. Второе по чувствительности к смещениям звено – линза для расширения лазерного пучка, третье значительно менее чувствительное – сам лазер.

Исходя из этого будем строить оптическую схему. Самая простая и надежная схема - вертикальная, когда предмет и фотопластина фиксируются силой собственной тяжести, а их неподвижность во время съемки обеспечиваются хорошей виброизоляцией.

Установка будет состоять из жесткой платформы (1), опирающейся на пневматические опоры (2) для гашения внешних вибраций, регистрируемого предмета (6), держателя фотоплатины (4) в виде трех точек опоры (3), экрана (5) для защиты торца фотопластины от попадания на него лазерного излучения (свет, проникающий в торец фотопластины многократно переотражается и создает неприятные помехи), лазера, зеркала с наружным отражающим покрытием (7) и короткофокусной линзы (8) для формирования когерентного пучка света, освещающего сцену.

Несколько советов для любителей изобразительной голографии.

Как получить голограмму?

Во-первых, нужен лазер, а он, как мы знаем, стоит не дешево. См. ссылку:
http://foto-service.ru/advices/1808.php
Во-вторых, нужны специальные фотопластинки с очень высоким разрешением (от 1500 до 6000 линий на миллиметр).
В-третьих, чувствительность фото пластин для записи голограмм очень низкая (гораздо ниже самой низко чувствительной фотопленки для обычной фотографии).
В-четвертых, запись голограммы – это регистрация интерференционной картины световой волны, где расстояния между соседними деталями изображения меньше длины волны практически в два раза, поэтому колебания элементов оптической схемы записи должны быть на порядок меньше.

Действительно, прежде чем сделать свою первую голограмму, придется пройти сквозь тернии и звезды физического эксперимента. Но можно сократить путь к успеху, для чего советую воспользоваться опытом первопроходцев и при этом не наступать на их грабли. См. ссылку:
http://foto-service.ru/advices/1793.php

Глубина сцены, которую можно записать на голограмме определяется так называемой длиной когерентности лазера. Обычно она составляет от сантиметра (для лазерных указок) до четверти метра (для гелий неоновых лазеров).

При записи голограммы с помощью непрерывного лазера малой мощности (а именно такие приборы по цене доступны для простого любителя) особое внимание следует уделять вопросам виброизоляции, ибо в масштабах интерференционной картины даже в спокойной квартире буквально штормит. Если профессионалы могут позволить себе голографические столы на пневматических опорах весом в несколько тонн, то в обычной квартире без особого ущерба для остальных жильцов можно выделить для занятия голографией площадь не более письменного стола.

Рекомендую для создания скелета малогабаритной голографической установки использовать трубы из алюминия, заполненные вязким гудроном. Практически все детали установки следует проектировать в виде тел вращения, т.к. токарная обработка много дешевле фрезерной, а тем более - шлифовальной.

Подобная конструкция позволяет из одинаковых элементов, как из конструктора, собирать самые разнообразные конфигурации достаточной жесткости. Кстати, многие считают жесткость главным критерием работоспособности установки, но это не так. Даже чугунный стол будет вибрировать в резонанс слабым звуковым колебаниям благодаря высокой упругости материала. Другое дело, когда колебания будут быстро затухать. Благодаря вязкому наполнителю, резонансов не будет, а, следовательно, продолжительных колебаний так же не возникнет.

Рама из труб жестко крепится к нижней платформе на шести мячах – виброизолирующих опорах. Конструкция основания установки выполнена в виде металлического полого короба, который в последствии заполняется сухим песком или гудроном. Верхняя часть каркаса стягивается металлической рамой, на которой размещаются лазер и часть оптических элементов. Расположение лазера сверху так же обоснованно. В этом случае исключены конвективные потоки от излучающих тепло элементов. Несложный полиэтиленовый чехол для устранения турбулентных потоков воздуха здесь будет не лишним. Крепить отдельные детали оптической схемы лучше клеем типа «холодная сварка».

Запись голограммы во встречных пучках более всего подходит для новичков. Фотопластинка крепится перед объектом и освещается расходящимся лучом лазера. Проще не придумаешь. Но обеспечить стабильность всех элементов простой, на первый взгляд, схемы не так-то просто.

Как объекты, так и фотопластинка при записи голограмм малого формата прекрасно фиксируются на трех точках опоры под собственной тяжестью (следует только помнить, что вектор силы тяжести должен проходить примерно через центр этого треугольника, иначе самая малая вибрация приведет к колебаниям этих элементов).

Для трубчатого каркаса держатель голографической фотопластинки будет выглядеть примерно так.

Важно не допускать попадания лазерного пучка в торец стекла фотопластинки, так как это приведет к переотражениям и испортит голограмму. Для этого фотопластинку следует утопить ниже поверхности металлического держателя на 1-2 миллиметра.

Конструкция установки для регистрации голограмм "во встречных пучках". См. ссылку:
http://foto-service.ru/advices/1796.php

Пинхол и держатели оптики с микро юстировкой советую проектировать из элементов, имеющих форму тел вращения (с целью экономии затрат, разумеется). См. ссылку:
http://foto-service.ru/advices/1798.php

Запись радужных голограмм - хорошее начало для будущих художников, желающих работать в технике голографии.

Тот, кто хоть раз в жизни самостоятельно записал голограмму, не забудет, как во время сушки из чернеющей плоскости мокрой фотопластинки рождается сверкающая бликами объемная сцена. Но фиксировать грудку монет, фотоаппарат, статуэтку, часы или свой мобильный телефон скоро надоест, и захочется сотворить что-то потрясающее воображение.

Схема Денисюка достаточна для записи множества интересных эффектов, например, различного рода интерферограмм, последовательной регистрации нескольких предметов с целью получения эффекта фантастического пересечения материальных объемов, создание локальной усадки эмульсии для псевдоокрашивания неглубоких сцен с черным фоном и ряд других эффектов. Но поистине фантастические возможности для создания выразительных художественных приемов, вплоть до создания цветных композиций, дает техника радужной голограммы.

Схема записи мастер-голограммы

1 - лазер, 2 - цилиндрическая линза (стеклянная палочка), 3 и 5 - зеркала, 4 - светоделитель в виде дифракционной решетки, который можно синтезировать голографическим способом (при этом требуется максимально снизить шумы), 6 - диффузор в виде матового стекла, 7 - фотопластинка, 8 - регистрируемая сцена.

Сперва перечислю преимущества, которые дает приведенная схема записи исходной голограммы в виде узкой горизонтальной полосы:
- низкая частота интерференционной картинки позволяет использовать более высокочувствительные фотоматериалы и на порядки сократить время экспозиции;
- получать рассеянное освещение для более эффектной регистрации зеркальных и сильно бликующих поверхностей;
- записывать псевдоцветные композиции;
- значительно снизить контраст интерференционных полос при записи лазерными диодами (этому способствует протяженность освещающей поверхности диффузора);
- приведенная схема имеет меньшее количество элементов по сравнению с классической схемой записи по Бентону.

Схема записи радужной копии.

1 - лазер, 2 - цилиндрическая линза, 3 и 5 зеркала, 4 - дифракционная решетка, 6 - сферическая линза, 7 - мастер-голограмма, 8 - большая цилиндрическая линза с фокусом в плоскости мастер - голограммы, 9 - фотопластинка для записи радужной копии.

Создание радужной голограммы происходит в две ступени:
- запись мастер - голограммы;
- регистрация радужной копии (мастер при этом следует развернуть так, что бы получить действительное изображение в плоскости цилиндрической линзы)

Качественную радужную голограмму на толстой эмульсии (так называемую 3D голограмму) можно записать только с использованием большой цилиндрической линзы, которая позволяет восстанавливать действительное изображение апертуры одного цвета без неприятного изменения яркости изображения по всей апертуре (имеется в виду эффект Брегга в толстой эмульсии). Большую цилиндрическую линзу найти не просто, а заказать - дорого. Лучше ее сделать самому в виде жидкостной линзы, вроде той, что использовалась в первых телевизорах. Для этого можно изогнуть лист органического стекла, обрезать его так, что бы можно было вставить в прямоугольный черный каркас и загерметизировать. Переднюю плоскую поверхность линзы можно сделать из отмытой от эмульсии голографической пластины. Заливать в полученную из прозрачных стенок оптическую емкость лучше дистиллированную воду. Крепить фотопластинку для регистрации радужной копии можно прямо к плоскому стеклу, смоченному прозрачной жидкостью. Капиллярный эффект сможет фиксировать фотоматериал лучше любой пружины.

Приведенная схема допускает использование самых простых оптических элементов, так как после отбеливания дифракционный шум от пылинок практически не виден, а яркость изображения будет отменной.

Запись одной радужной копии с двух и более мастер - полосок, смещенных по вертикали (рассматриваем их положение в координатах схемы), создает эффект разноцветных элементов синтезированной сцены.

Восстанавливать такие радужные голограммы можно обычной лампой накаливания как отражательные, прижав сзади обычное зеркало.

Предлагаемая схема записи радужных голограмм прекрасно работает с твердотельным зеленым лазером с диодной накачкой (20 мВт при длине когерентности около 10 метров). Использование отечественных фотопластинок ВРП или ФПР (чувствительность 0,5 Дж/м2) более чем достаточно для профессиональной работы художника-голографиста. Стоимость такого лазера будет порядка 1200$, но эти затраты окупаются высоким качеством изобразительных голограмм.
http://www.laser-compact.ru/products/LCMS111.shtml

И если у Вас есть одновременно и дар художника, и увлеченность естественными науками - ничто не помешает Вам творить настоящие шедевры.

Вопросы: § Голография как способ записи и восстановления светового волнового поля § Опорная и предметная волны § Запись и воспроизведение голограмм § Свойства голограмм § Применение голографии

ГОЛОГРАФИЯ КАК СПОСОБ ЗАПИСИ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ СВЕТОВОГО ВОЛНОВОГО ПОЛЯ Голографией называют способ записи и восстановления структуры световых волн (светового волнового поля), основанный на явлениях дифракции и интерференции когерентных световых пучков. В переводе с греческого «голография» означает «полная запись» . В отличие от обычной фотографии, голография – это принципиально иной метод получения объемных изображений предметов.

ОПОРНАЯ И ПРЕДМЕТНАЯ ВОЛНЫ В этом методе регистрируется не оптическое изображение предмета, а интерференционная картина, возникающая при наложении световой волны, рассеянной (отраженной) предметом съемки (это так называемая предметная волна) и когерентной с последней опорной волны, идущей непосредственно от того же источника света. Эта интерференционная картина фиксирует на фотопластинке информацию о распределении не только амплитуд (и, соответственно, интенсивности), но и фаз колебаний в предметной волне. Зарегистрированную интерференционную картину принято назвать голограммой. Вывод. Голограмма несет в себе значительно более полную информацию об объекте съёмки, нежели обычный фотоснимок.

Опорная и предметная волны Историческая справка о голографии Основы голографии были заложены в 1947 году в экспериментах английского физика Д. Габора. Желая усовершенствовать электронный микроскоп, Габор предложил регистрировать информацию не только об интенсивностях, но и о фазах электронных волн, отраженных от кристаллических узлов исследуемых образцов. Однако отсутствие мощных источников света с высокой степенью временной и пространственной когерентности (это требование диктовалось большой оптической разностью хода опорной и предметной волн), не позволило ему получить качественных голографических изображений. «Второе рождение» голография пережила в в начале 60 -х годов 20 в. , когда американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс применили в качестве источника света лазер и разработали схему с наклонным опорным пучком. А вскоре (в середине 60 -х годов) советский физик Ю. Н. Денисюк предложил идею и осуществил запись голограммы в трехмерной среде, положив начало объемной, цветной голографии.

ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ГОЛОГРАММ Суть голографического метода можно пояснить с помощью рисунка 1. Фотопленка (ФП) регистрирует интерференционную картину, которая возникает при наложении предметной волны 1, рассеянной объектом съемки и когерентной с ней опорной волны 2, имеющей фиксированные значения амплитуды и фазы. Волна испускается тем же источником света (лазером), что освещает объект (А), и после отражения от зеркала (З) падает на фотопластинку. Зафиксированная на (ФП) интерференционная картина после «проявки» дает голограмму, которая представляет собой очень мелкий и замысловатый узор из чередующихся максимумов и минимумов почернения фотоэмульсии и, в отличие от обычного фотоснимка, не имеет общего сходства с объектом (А).

ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ГОЛОГРАММ Полученная голограмма в закодированной форме содержит полную информацию об амплитудах и фазах рассеянной предметной волны. Восстановление изображения объекта (А) по его голограмме (Г) осуществляют, просвечивая последнюю как диапозитив (слайд) опорной волной (2) от того же самого лазера (причем при той же ориентации, которая была использована при снятии голограммы). (см. Рис. 2)

ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ГОЛОГРАММ Волна 2 дифрагирует на голограмме (на интерференционной структуре), в результате чего наблюдаются два объемных изображения объекта съемки – мнимое (А’) и действительное (А”). Мнимое изображение (А’) находится в том месте (по отношению к голограмме), где был реальный объект (А) при съемке. (А’) – видно сквозь голограмму, как через окно. Действительное изображение (А”) расположено по другую сторону голограммы. Оно как бы «висит» в воздухе перед голограммой (Г) и является зеркальным изображением объекта. Обычно пользуются мнимым голографическим изображением (А’), которое по своему зрительному восприятию тождественно самому объекту. Оно не только обладает свойством объемности, но и его перспектива изменяется в зависимости от положения глаза наблюдателя по отношению к голограмме. Например, перемещая голову вдоль голограммы, можно «заглянуть» за предмет, находящийся на переднем плане голографии изображения.

Запись и воспроизведения голограмм Замечание. Изменение положения объекта (А) [или его отдельных частей] приводит к изменению не только интенсивности интерференционных максимумов, но и расстояния между ними. Последнее же характеризует, как известно, определенную разность хода, или разность фаз между интерферирующими пучками. Поэтому и говорят, что голограмма содержит информацию об амплитуде волны и ее фазе. Этого достаточно, чтобы восстановить предметную волну в том виде, в каком она была действительности в месте распределения. Таким образом, зафиксированная волна «оживает» с помощью голограммы и создает полную иллюзию реальности наблюдаемых предметов.

Свойства голограмм Основное свойство голограммы, отличающее ее от фотоснимка, где регистрируется только распределение амплитуды падающей на фотослой предметной волны, - состоит в том, что на голограмме регистрируется также и распределение фазы предметной волны относительно фазы опорной волны. Информация об амплитуде предметной волны записана на голограмме в виде контраста интерференционного рельефа, а информация о фазе – в виде формы и частоты интерференционных полос. В результате голограмма при освещении ее опорной волной восстанавливает полную копию предметной волны. Голограмма, регистрируемая обычно на негативном фотоматериале, подобна позитивной записи, т. е. светлым местам объекта соответствуют светлые места восстановленного изображения, а темным – темные.

Свойства голограмм Интерференционная картина в каждой точке голограммы определяется светом, рассеянным всеми точками снимаемого объекта. Поэтому любой участок голограммы содержит информацию обо всем объекте и позволяет восстановить изображение всего объекта, если при повреждении голограммы сохранился только один этот ее участок. Следует иметь ввиду, что чем меньше размеры сохранившейся части голограммы, тем меньше света дифрагирует на ней на стадии воспроизведения изображения. Соответственно снижается яркость и ухудшается четкость голографического изображения объекта (как говорят, уменьшается дифракционная эффективность голограммы). Замечание. Таким образом, голограмма значительно превосходит обычный фотоснимок (фотонегатив) по надежности хранения полной информации (в фотоснимке каждый элемент содержит запись только об изображенной на ней части снимаемого объекта).

СВОЙСТВА ГОЛОГРАММ Голографическая запись информации отличается большой емкостью и компактностью. Так, на одной фотопластинке можно записать достаточно много голограмм от разных объектов, причем изображение каждого объекта можно восстановить без помех со стороны других изображений. Это можно сделать, изменяя каждый раз, например, угол падения опорной волны на фотопластинку. Голография позволяет получить цветные объемные изображения объектов. Для изготовления цветной голограммы используется монохроматический свет лазеров трех основных цветов (красный, зеленый, синий). Запись интерференционных картин, соответствующих свету трех длин волн, может производиться либо одновременно, либо последовательно на одной и той же пластинке. Для воспроизведения цветного объемного изображения объекта нужно одновременно направить на голограмму под соответствующими углами три опорных пучка, использованных при записи.

СВОЙСТВА ГОЛОГРАММ Особыми свойствами обладают объемные голограммы, получаемые с помощью толстослойных фотоэмульсий. На такой голограмме фиксируется не плоская, а пространственная интерференционная картина, возникающая при наложении предметной и опорной волн. Эта голограмма подобна пространственной дифракционной решетке. Здесь должно выполняться условие: толщина светочувствительного слоя (δ) много больше расстояния между поверхностями интерференционных максимумов. В этом случае голограмму считают объемной. Такая голограмма способна выделять из падающего на нее белого света монохроматический свет такой длины волны, который был использован при записи голограммы. Поэтому восстановление изображения, записанного в виде объемной голограммы, можно осуществить как в соответствующем монохроматическом, так и в белом свете. Для объемной «цветной» голограммы достаточно только белого света. [ Это идеи Н. Денисюка]

ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ Трехмерные свойства голографических изображений используются: в лекционных демонстрационных аппаратах; при создании объемных копий произведений искусства, голографических портретов; при исследовании движущихся частиц, капель жидкости, треков ядерных частиц в пузырьковых камерах (или в искровых камерах) Объемность изображения делает перспективным создание голографического кино и телевидения. Однако здесь еще существуют технические трудности по созданию больших, динамических голограмм (для кинозалов) и трудности с передачей по телеканалам трехмерных движущихся сцен (необходимо увеличить на несколько порядков полосу пропускания канала).

Голография – метод записи и последующего восстановления пространственной структуры световых волн, основанный на явлениях интерференции и дифракции когерентных пучков света.

Фото-пластика, на которой записана эта информация, называется голограммой .

На голограмме регистрируется не оптическое изображение объекта, а интерференционная картина, возникающая при наложении световой волны, рассеянной объектом (предметной волны), и когерентной с ней опорной (или референтной) волны.

Основные области применения голографии:

Запись и хранение информации в т.ч. и визуальной (оптическая голографическая память);

Оптическая обработка информации и система распознавания объектов;

Голографическая интерферометрия.

Построить схему, рассмотреть процесс записи голограммы.

В этом процессе на фотоматериале (например, фотопленке) записывается и фиксируется сложная интерференционная картина, которая создается наложением (взаимодействием) двух световых волн - базовой (опорной) монохроматической волны и вторичной волны, отраженной или рассеянной объектом. Запись голограммы происходит по схеме, представленной на рис.1.

Монохроматический когерентный лазерный луч расширяется коллиматором и далее делится расщепителем на два луча. Один (опорный) луч отражается от зеркала и направляется непосредственно на фотопленку. Другой (объектный) луч направляется соответствующим зеркалом на объект, отражается от него и воспринимается (регистрируется) фотопленкой. Именно этот (отраженный, рассеянный) луч несет разнообразную изобразительную информацию об объемных (трехмерных) параметрах и характеристиках (размерах, поверхности, контуре, неровностях, прозрачности) объекта. Такой луч по существу создает объемный образ объекта, который человек может видеть и наблюдать непосредственно (естественным зрением).

Световые волны опорного и рассеянного объектного лучей создают на поверхности фотопленки интерференционную картину, состоящую из множества пятен, форма и интенсивность которых зависят от амплитуды и фазы падающих и взаимодействующих световых волн. Фотопленка экспонируется и затем проявляется по стандартным рецептам. Полученная (проявленная) пленка является голограммой, сохраняющей интерференционную картину регистрируемого объекта. Голограмма имеет вид туманного негатива, на котором детали объекта явно не просматриваются.

Построить схему, рассмотреть процесс восстановления (воспроизведения) голограммы.

Восстановление объемного изображения объекта по его голограмме (проявленной фотопленке) осуществляется по схеме, представленной на рис.2.

Голограмма освещается одним опорным лучом, причем сохраняются исходные условия, прежняя относительная ориентация опорного луча и фотопленки. При соблюдении указанных условий лазерного освещения голограммы из-за дифракции света возникают два изображения. Следует учитывать, что ранее, в процессе начального образования голограммы объекта, возникла определенная дифракционная картина с тесно расположенными интерференционными полосами, точный вид которых определяется трехмерной структурой объекта. При повторном освещении этой дифракционной картины по схеме (рис.2) дифрагированный свет будет иметь параметры и характеристики, заданные исходным объектом голографической съемки.

Одно из двух изображений, полученных при воспроизведении голограммы, является мнимым (рис.2), поскольку для его наблюдения требуется линза. Однако для этого достаточна естественная линза человеческого глаза и наблюдатель может видеть мнимое (но неискаженное и трехмерное) изображение объекта, рассматривая его непосредственно через голограмму.

Второе (действительное, реальное) изображение формируется в другом направлении лазерного луча, проходящего через голограмму. Это изображение можно проецировать на экран и наблюдать без промежуточной линзы. Часть воспроизводящего луча проходит через голограмму без дифракции, не изменяя направления. Заметной практической ценности этот недифрагированный луч не представляет.

Рассмотренные схемы записи (рис.1) и воспроизведения (рис.2) голограммы, предложенные Э.Лейтом и Дж.Упатниексом, относятся к разряду оптимальных (технически совершенных). В этих схемах используется внеосевая геометрия, в которой опорный и объектный лучи падают на фотопленку под углом друг к другу. Поэтому при воспроизведении голограммы реальное и мнимое изображения оказываются по разные стороны опорного луча, что существенно облегчает раздельное наблюдение изображений.

Наиболее распространенным и широко применяемым способом регистрации изображения предметов является фотография. В фотографии регистрируется распределение интенсивности световых волн в двумерной проекции изображения объекта на плоскости фотоснимка.

Поэтому, под каким углом мы ни рассматривали бы фотографию, мы не видим новых ракурсов. Не можем увидеть также предметы, расположенные на заднем плане и скрытые впереди стоящими. Перспектива на фотографии видна лишь по изменению относительных размеров предметов и четкости их изображения.

Голография - одно из замечательных достижений современной науки и техники. Название происходит от греческих слов holos - полный и grapho - пишу, что означает полную запись изображения.

Голография принципиально отличается от обычной фотографии тем, что в светочувствительном материале происходит регистрация не только интенсивности, но и фазы световых волн, рассеянных объектом и несущих полную информацию о его трехмерной структуре. Как средство отображения реальной действительности, голограмма обладает уникальным свойством: в отличие от фотографии, создающей плоское изображение, голографическое изображение может воспроизводить точную трехмерную копию оригинального объекта. Современные голограммы наблюдают при освещении обычными источниками света, и полноценная объемность в комбинации с высокой точностью передачи фактуры поверхностей обеспечивает полный эффект присутствия.

Голография основывается на двух физических явлениях - дифракции и интереференции световых волн.

Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина, то есть, в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света. Для того, чтобы эта интерференционная картина была устойчивой в течение времени, необходимого для наблюдения, и ее можно было записать, эти две световых волны должны быть согласованы в пространстве и во времени. Такие согласованные волны называются когерентными.

Результирующая сложения двух когерентных волн будет всегда стоячей волной . То есть интерференционная картина будет устойчива во времени. Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм.

Обычные источники света не обладают достаточной степенью когерентности для использования в голографии. Поэтому решающее значение для ее развития имело изобретение в 1960 г. оптического квантового генератора или лазера - удивительного источника излучения, обладающего необходимой степенью когерентности и могущего излучать строго одну длину волны.

Деннис Габор, изучая проблему записи изображения, выдвинул замечательную идею. Сущность ее реализации заключается в следующем. Если пучок когерентного света разделить на два и осветить регистрируемый объект только одной частью пучка, направив вторую часть на фотографическую пластинку, то лучи, отраженные от объекта, будут интерферировать с лучами, попадающими непосредственно на пластину от источника света. Пучок света, падающий на пластину, назвали опорным , а пучок, отраженный или прошедший через объект, предметным. Учитывая, что эти пучки получены из одного источника излучения, можно быть уверенным в том, что они когерентны. Фотографическая запись картины интерференции предметной волны и опорной волны обладает свойством восстанавливать изображение объекта, если на такую запись снова направить опорную волну. Т.е. при освещении записанной на пластине картины опорным пучком восстановится изображение объекта, которое зрительно невозможно отличить от реального. Если смотреть через пластинку под разными углами, можно наблюдать изображение объекта в перспективе с разных сторон. Конечно, полученную таким чудесным способом фотопластинку нельзя назвать фотографией. Это - голограмма.

В 1962 г. И. Лейт и Ю. Упатниекс получили первые пропускающие голограммы объемных объектов, выполненные с помощью лазера. Пучок когерентного излучения лазера направляется на полупрозрачное зеркало, с помощью которого получают два пучка - предметный и опорный. Опорный пучок направляют непосредственно на фотопластинку. Предметный пучок освещает объект, голограмму которого регистрируют. Отраженный от объекта световой пучок - объектный попадает на фотопластинку. В плоскости пластинки два пучка - объектный и опорный образуют сложную интерференционную картину, которая вследствие когерентности двух пучков света остается неизменной во времени и представляет собой изображение стоячей волны. Остается только зарегистрировать ее обычным фотографическим путем Полученная интерференционная картина является кодированным изображением, описывающим объект таким, каким он виден из всех точек фотопластинки. В этом изображении сохранена информация как об амплитуде, так и о фазе отраженных от объекта волн.

Если голограмму записать в некоторой объемной среде, то полученная модель стоячей волны однозначно воспроизводит не только амплитуду и фазу, но и спектральный состав записанного на ней излучения. Это обстоятельство было положено в основу создания трехмерных (объемных) голограмм. В основу работы объемных голограмм положен дифракционный эффект Брэгга: в результате интерференции волн, распространяющихся в толстослойной эмульсии, образуются плоскости, засвеченные светом большей интенсивности.

После проявления голограммы на засвеченных плоскостях образуются слои почернения. В результате этого создаются так называемые брэгговские плоскости, которые обладают свойством частично отражать свет.

Т.е. в эмульсии создается трехмерная интерференционная картина.

Такая толстослойная голограмма обеспечивает эффективное восстановление объектной волны при условии, что угол паденияопорного пучка при записи и восстановлении останется неизменным. Не допускается также изменение длины волны света при восстановлении. Такая избирательность объемной пропускающей голограммы позволяет записать на пластинке до нескольких десятков изображений, изменяя угол падения опорного пучка соответственно при записи и восстановлении.

При восстановлении объемной голограммы, в отличие от плоских пропускающих голограмм, образуется только одно изображение вследствие отражения от голограммы восстанавливающего пучка только в одном направлении, определяемом углом Брэгга.

Отражательные объемные голограммы записываются по иной схеме. Идея создания данных голограмм принадлежит Ю.Н. Денисюку. Поэтому голограммы этого типа известны под именем их создателя.

Опорный и предметный световые пучки образуются с помощью делителя и посредством зеркала направляются на пластину с двух сторон. Предметная волна освещает фотографическую пластину со стороны эмульсионного слоя, опорный - со стороны стеклянной подложки. Плоскости Брэгга в таких условиях записи располагаются почти параллельно плоскости фотопластины. Таким образом, толщина фотослоя может быть сравнительно небольшой.

9.4. Элементы интегральных микросхем.

Начало формы

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА (ИС), микроэлектронная схема, сформированная на крошечной пластинке (кристаллике, или «чипе») полупроводникового материала, обычно кремния, которая используется для управления электрическим током и его усиления. Типичная ИС состоит из множества соединенных между собой микроэлектронных компонентов, таких, как транзисторы, резисторы, конденсаторы и диоды, изготовленные в поверхностном слое кристалла. Размеры кремниевых кристаллов лежат в пределах от примерно 1,31,3 мм до 1313 мм. Прогресс в области интегральных схем привел к разработке технологий больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). Эти технологии позволяют получать ИС, каждая из которых содержит многие тысячи схем: в одном чипе может насчитываться более 1 млн. компонентов.. Интегральные схемы обладают целым рядом преимуществ перед своими предшественниками – схемами, которые собирались из отдельных компонентов, монтируемых на шасси. ИС имеют меньшие размеры, более высокие быстродействие и надежность; они, кроме того, дешевле и в меньшей степени подвержены отказам, вызываемым воздействиями вибраций, влаги и старения. Миниатюризация электронных схем оказалась возможной благодаря особым свойствам полупроводников. Полупроводник – это материал, обладающий гораздо большей электропроводностью (проводимостью), чем такой диэлектрик, как стекло, но существенно меньшей, чем проводники, например, медь. В кристаллической решетке такого полупроводникового материала, как кремний, при комнатной температуре имеется слишком мало свободных электронов, чтобы обеспечить значительную проводимость. Поэтому чистые полупроводники обладают низкой проводимостью. Однако введение в кремний соответствующей примеси увеличивает его электрическую проводимость. Легирующие примеси вводят в кремний двумя методами. Для сильного легирования или в тех случаях, когда точное регулирование количества вводимой примеси необязательно, обычно пользуются методом диффузии. Диффузию фосфора или бора выполняют, как правило, в атмосфере легирующей примеси при температурах между 1000 и 1150 С в течение от получаса до нескольких часов. При ионной имплантации кремний бомбардируют высокоскоростными ионами легирующей примеси. Количество имплантируемой примеси можно регулировать с точностью до нескольких процентов; точность в ряде случаев важна, поскольку коэффициент усиления транзистора зависит от числа примесных атомов, имплантированных на 1 см 2 базы.