Запись голограммы в условиях школьного кабинета физики.

1. Введение.

Зафиксировать изображение можно и без объектива - к такому выводу в 1947 году пришел венгерский физик Деннис Габор. Новый метод стал называться голографией, а изображение, получаемое таким способом - голограммой.

Иногда историки считают целесообразным делить историю человечества на эпохи по типам средств связи, известным в те или иные века. С этой точки зрения можно говорить, например, об иероглифах Древнего Египта или изобретении печатного станка (1450 г.). В последнее время в связи с техническим прогрессом господствующее положение заняли новые средства связи: телефон и телевидение. Хотя  голография  как средство информации пока еще пребывает в младенческом состоянии, есть основания ожидать, что в будущем она в значительной степени заменит существующие средства связи или, по крайней мере, расширит сферу их действия. [3]

Голография , как изобразительное средство, способна даже бросить вызов фотографии, так как она позволяет более правильно и точно отражать окружающий нас мир.

В фотографии регистрируется распределение интенсивности световых волн в двумерной проекции изображения объекта на плоскости фотоснимка.
Однако, информация об объемности объекта заложена не только в амплитуде, но и в фазе световых волн, распространяющихся от точек регистрируемого объекта. 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.[4] 

Голография, представляющая собой фотографический процесс в широком смысле этого слова, 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. Такое изображение со множеством ракурсов, изменяющихся с изменением точки наблюдения, обладает удивительной реалистичностью и зачастую неотличимо от реального объекта.

Голограмма сохраняет свои свойства очень долго, и при надлежащем обращении переживет любые фотографии или печатные издания.

В последние годы процесс получения фотографии стал настолько изученным и автоматизированным, что возможностей исследования в нём становится всё меньше. В этом плане получение голограмм намного интереснее и даёт больше возможностей для творчества. Увиденная впервые
голограмма завораживает, но физическое объяснение того, как она
работает, производит не меньшее впечатление. Только после этого
начинаешь понимать как потенциальные возможности, так и пределы
применимости  голографии  – не только сегодня, но и в будущем.
Нас заинтересовала возможность получения голограммы в условиях школьного кабинета физики.

Мы познакомились со статьями по любительской голографии и поняли, что это возможно.

Основными этапами нашей работы стали:

1. Изучение теории голографии.
2. Сравнение различных методов записи и воспроизведения голограмм, выбор оптимального метода.
3. Изучение записи голограмм по методу Ю. Н. Денисюка.
4. Запись голограммы в школьном кабинете физики.

2. Применение голографии.

Благодаря своим удивительным свойствам голограмма нашла самое широкое применение в нашей повседневной жизни. Изображение, полученное методом голографии, объемное и динамическое, поэтому необычно и привлекательно.

Посмотрите по сторонам. Вы можете увидеть голографические наклейки на деньгах, на кредитных карточках, на товарах в магазине. Голограмма будет гарантировать то, что в Ваших руках оригинал, будь то купюра или любимый сок. Голографические наклейки защитят Вас от подделки, а производителя от того, что под его именем будут выпускаться некачественные товары.

В голографии используется сложное и редкое оборудование, для работы с которым требуется специальная квалификация и опыт.

Уникальные свойства голографических изображений, сложность оборудования и технологического процесса делают процесс подделки голограмм крайне затруднительным.

Голографию взяла на вооружение и реклама. Яркие, необычные объявления или этикетки сразу же привлекут внимание. Человек не сможет оторвать от них взгляд до тех пор, пока не рассмотрит голографическую наклейку[2]

Машинно-генерируемые голограммы позволяют инженерам и проектировщикам наблюдать их творения в трехмерном виде.

Голография также используется на предприятиях для контроля качества в течение производства. Это так называемый голографический неразрушающий контроль. Голограммы используются в некоторых самолетах гражданской и военной авиации. Эти голограммы дают пилоту возможность оценки критической информации, когда он смотрит в окно кабины.

Художники используют голографию для артистического выражения. Многие художники чувствуют, что трехмерное пространство и чистый свет, которые предлагает голография, позволит им передавать образы, которые никогда не были столь возможны с традиционными средствами отображения.

Первым художником, использовавшим удивительные свойства голограмм, был Сальвадор Дали. Оптика вообще и возможности ее применения для создания иллюзии объема всегда привлекали Дали.  Когда Деннис Габор получает Нобелевскую премию за открытие голографии, Дали видит в этом изобретении наилучшее средство для своего продвижения по пути к рельефному изображению. В начале 1972 года благодаря советам Денниса Габора он создает три композиции, которые будут представлены с 5 апреля по 13 мая в нью-йоркской галерее Нёдлер. Во вступлении к каталогу выставки, он поясняет, чем является голография для художника: “Теперь, благодаря гению Габора, использование голографии сделало возможным художественное возрождение, и передо мной открылись двери новой области творчества”.[4]

3. История голографии.

Основоположником голографии является профессор государственного колледжа в Лондоне Деннис Габор, получивший в 1947 г. первую голограмму. Открытие голографии было им сделано в ходе экспериментов по увеличению разрешающей способности электронного микроскопа.   Названием "голография" Д. Габор подчеркнул, что метод позволяет зарегистрировать полную информацию об исследуемом объекте.

Название происходит от греческих слов holos - полный и grapho - пишу, что означает полную запись изображения.

Голография начала бурно развиваться и приобрела большое практическое значение после того, как в результате фундаментальных исследований по квантовой электронике, выполненных советскими физиками - академиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым - и американским ученым Чарльзом Таунсом, в 1960 г. был создан первый лазер. В том же году профессором Т. Маймамом был сконструирован импульсный лазер на рубине. Эта система (в отличие от непрерывного лазера) дает мощные и короткие, длительностью в несколько наносекунд (10-9 сек), лазерные импульсы, позволяющие фиксировать на голограмме подвижные объекты. Первый портрет человека был снят с помощью рубинового лазера в 1967 году.

Начало изобразительной голографии было положено работами Эмметта Лейта и Юриса Упатниекса из Мичиганского Технологического Института (США), получившими в 1962 г. первую объемную пропускающую голограмму, восстанавливаемую в лазерном свете. Схема записи голограмм, предложенная этими учеными, теперь используется в голографических лабораториях повсюду в мире. 

Решающее значение для развития изобразительной голографии имели работы академика Ю.Н. Денисюка, выполненные в 60-70-х годах. Он впервые получил отражательные голограммы, позволяющие воспроизводить объемные изображения в обычном, белом свете. Практически вся современная изобразительная голография базируется на методах, предложенных Денисюком.
Первые высококачественные голограммы по методу Ю.Н. Денисюка были выполнены в 1968 г. в СССР - Г.А. Соболевым и Д.А. Стаселько, а в США - Л. Зибертом.

В 1969 г. Стивен Бентон из Polaroid Research Laboratories (США) изготовил пропускающую голограмму, видимую в обычном белом свете. Голограммы, изобретенные Бентоном, были названы радужными, так как они переливаются всеми цветами радуги, из которых состоит белый свет. Открытие Бентона позволило начать массовое производство недорогих голограмм путем "штамповки" интерференционных картин на пластик. Голограммы именно такого типа применяются сегодня для защиты от подделок документов, банковских карточек и т.д. Благодаря Бентону голография обрела популярность в широких слоях общества.

В 1977 г. Ллойд Кросс получил мультиплексную голограмму, состоящую из множества обычных фотографий объекта, снятых с множества точек зрения, лежащих в горизонтальной плоскости. При перемещении такой голограммы в поле зрения можно увидеть все запечатленные кадры. 

С середины 70-х годов ведутся разработки систем голографического кинематографа. В нашей стране значительные успехи в этом направлении были достигнуты специалистами Научно-исследовательского кино-фото института (НИКФИ) в Москве под руководством В.Г. Комара.

В настоящее время голография продолжает активно развиваться, и с каждым годом в этой области появляются новые интересные решения. Нет сомнения, что в будущем изобразительной голографии предстоит занять в жизни людей еще более значительное место.[4]

4. Принципы получения голограммы.

В  основе получения голограмм лежат два физических явления: интерференция и дифракция, изучаемые в школьном курсе физики.

Интерференция.

Мы видим предметы благодаря тому, что световые волны отражаются от них или преломляются ими и попадают в наш глаз. Световые волны, отраженные от какого-либо объекта, характеризуются определенной формой волнового фронта, которая соответствует форме данного объекта. [3]

Физическая идея голографии 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.
Если волны встречаются в фазе, то они складываются друг с другом и дают результирующую волну с амплитудой, равной сумме их амплитуд. Если же они встречаются в противофазе, то будут гасить одна другую. Между двумя этими крайними положениями наблюдаются различные ситуации сложения волн. 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 оптического квантового генератора или лазера - удивительного источника излучения, обладающего необходимой степенью когерентности и могущего излучать строго одну длину волны. [4]

Дифракция.

Если на пути света оказывается какой-либо предмет, то он отбрасывает
тень. Однако свет не распространяется строго по прямой линии, но, огибая
предмет, частично заходит в область тени. Этот эффект, называемый дифракцией, т. е. огибанием волной препятствий сравнимых с длиной волны, обусловлен волновой природой света. Именно дифракция дает нам возможность реконструировать (восстанавливать) волновой фронт любого типа. Свет, распространяющийся за препятствием, будет иметь качественно иной волновой фронт. Он настолько сильно трансформируется, что даже начинает распространяться в ином направлении. Иными словами, дифракция – это механизм, посредством которого мы можем создавать новый волновой фронт света[3]

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. 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 и, следовательно, заложена информация о трехмерном (объемном) объекте.
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[4].

5. Сравнение методов получения голограмм.

Преимущества и недостатки:

1. Схема Габора:

+ Впервые реализована идея «восстановления волн».

+ Низкая пространственная частота регистрируемой итерференционной картины.

- При освещении голограммы наблюдается два изображения, накладываемые друг на друга.

- Возможна регистрация только прозрачных объектов.

- использование монохромных источников излучения при считывании.

2. Схема Лейта и Упатниекса:

+Возможность наблюдения только одного изображения

-  использование монохроматических источников излучения при считывании

- более высокая пространственная частота интерференционной картины[6]

Описанные выше голограммы относятся к типу пропускающих, поскольку в этом случае предметный волновой фронт восстанавливается при прохождении света через голограмму. Схема, используемая для их получения, называется внеосевой (или схемой с наклонным опорным пучком) и несколько отличается от той, которую использовал Деннис Габор. Основные принципы голографирования в обоих случаях одинаковы, однако внеосевая схема – ее предложили в начале 60-х годов американские ученые Иммет Лейт и Юрис Упатниекс, работавшие в Мичиганском университете, - обладает рядом преимуществ по сравнению со схемой Габора. [3]

3 Схема Денисюка:

+ Наблюдение изображения в белом свете.

+ Нечувствительность к вибрациям элемента «объект - РС».

- Требуется высокая высокая разрешающая способность     регистрирующей среды.[6]

Еще в 1962 г. было обнаружено, что двумерная голограмма – это лишь частный случай трехмерной и что запись в трехмерной среде обладает гораздо более полным комплексом отображающих свойств.

В 1962 в СССР было зарегистрировано открытие  Ю.Н. Денисюка.
Формула открытия Ю.Н. Денисюка №88 с приоритетом от 1 февраля

1962 года: «Установлено ранее неизвестное явление возникновения

пространственного неискаженного цветного изображения объекта при

отражении излучения от трехмерного элемента прозрачной материальной среды, в которой распределение плотности вещества соответствует распределению интенсивности поля стоячих волн, образующихся вокруг объекта при рассеянии на нем излучения» [7]

6.  Ю.Н. Денисюк – основоположник объемной голографии.

Чрезвычайно интересен рассказ Ю.Н. Денисюка о том, как он пришел к

данному открытию, изложенный в его работе «Мой путь в голографию»,

которая воспроизведена в сборнике его трудов:

«Одним из главных увлечений в те годы было чтение научно-

фантастических рассказов. В числе таких рассказов я натолкнулся на рассказ известного советского писателя Ю.Ефремова «Звездные корабли». На меня произвел большое впечатление один из эпизодов этого рассказа: современные археологи, раскапывая место, где инопланетяне охотились на динозавров много миллионов лет тому назад, случайно находят странную пластинку.

«Оба профессора невольно содрогнулись, когда удалили пыль с поверхности пластинки. Из глубокого совершенно прозрачного слоя, увеличенное неведомым оптическим ухищрением до своих естественных размеров, на них взглянуло странное лицо. Изображение было сделано трехмерным, а главное, невероятно живым, особенно это относилось глазам».

   У меня возникла дерзкая мысль: нельзя ли создать такую фотографию

средствами современной оптики? Или, если быть более точным, нельзя ли

создать фотографии, воспроизводящие полную иллюзию реальности

зарегистрированных на них сцен?

   Первые шаги в решении этой задачи были достаточно просты. Было

очевидно, что полностью обмануть зрительный аппарат человека и создать

у него иллюзию того, что он наблюдает истинный предмет, можно, если бы

удалось воспроизвести волновое поле света, рассеянного этим объектом.

Было также понятно, что задача воспроизведения волнового поля могла бы

быть решена, если бы удалось найти метод регистрации и воспроизведения

распределения фаз этого поля.» [1].

Денисюк обобщил принципы голографии на случай записи в трехмерных средах - открыл трехмерную голографию и метод трехмерных отражательных голограмм (1962, 1963).[7]

 Денисюк внес существенный вклад в становление и развитие голографии не только в России и в СССР, но и во всем мире.

Вся жизнь и деятельность Ю.Н. Денисюка неотделимы от развития голографии – научно-технического направления второй половины ХХ-го века, признанным лидером которой он являлся в течение последних десятилетий.

                     Биография Ю.Н. Денисюка

                      27.07.1927 – 14.05.2006

1927        – родился в г. Сочи.

1935        – переезд в г. Ленинград и поступление в школу.

1942        – переезд в г. Коломну Московской области.

1942-1943   – окончание семилетки и первого курса техникума

              транспортного машиностроения.

1944        – возвращение в г. Ленинград и поступление в

              Судостроительный техникум.

1947-1948 – окончание Судостроительного техникума и работа в ЦКБ-17

            Судпрома.

1949-1954 – учеба в Ленинградском институте точной механики и

            оптики (ЛИТМО) на инженерно-физическом факультете по

            специальности    «физическая оптика» и окончание его с

            отличием. Решением ГЭК от 23 февраля 1954 года

            присвоена квалификация инженера-физика.

1954-2005 – работа в Государственном Оптическом Институте им. С.И.

            Вавилова (ГОИ).

1964      – защита кандидатской диссертации на тему: «Об

            отображении оптических свойств объекта в волновом поле

            рассеянного им излучения».

1970      – присуждение ученой степени доктора физ.-мат. наук и

            избрание членом-корреспондентом АН СССР.

        Лауреат Ленинской премии.

1975-1988 – создание голографического отдела в Государственном

            Оптическом Институте им. С.И.Вавилова и руководство им.

             Присуждение Государственных премий СССР.

1988-2005 – переход в ФТИ им. А.Ф. Иоффе и руководство лабораторией

            оптической обработки информации одновременно с

            руководством лабораторией фотофизики голографических

            процессов в ГОИ.

1992      – избрание действительным членом РАН.[5]

7. Голографический  метод Ю.Н. Денисюка.  

Схема записи голограмм Денисюка широко известна. Ее основные достоинства – простота конструкции и высокое качество записываемых голограмм. Пучок света 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, опорный, и от объекта, сигнальный. Эти пучки создают интерференционную картину, которая и регистрируется на фотопластинке. В случае использования полупроводникового лазера не требуется даже пространственного фильтра 4, повышающего равномерность пучка, так как он сам излучает достаточно однородный, расходящийся пучок света. Поэтому для сборки схемы Денисюка, кроме лазера 1 требуются только жесткие опоры для крепления фотопластинки 6 и объекта 7 и, в случае необходимости, поворотное зеркало 3, направляющее пучок в требуемом направлении.[4]

8. Запись голограммы по схеме Денисюка в школьном кабинете физики.

1. Используемый лазер: Полупроводниковый лазер из набора по измерению постоянной Планка с использованием лазера системы учебного оборудования «L-микро».

Характеристики:

- напряжение питания 3 в.

- длина волны излучаемой лазером 650-670 нм.

2. Рассеивающая линза из школьного набора по оптике

3. Зеркало на подставке

4. Фотопластинка ПФГ-03м для записи отражающих голограмм.

5. Проявитель:

Состав концентрата:

На 1 литр воды:

- метилфенидон 0,2 г

- гидрохинон 5 г

- сульфит натрия 100 г

- едкий калий 25 г

- роданид аммония 45 г

Описание работы:

Все голографические схемы с лазерами непрерывного действия монтируются на жестких металлических или железобетонных плитах, положенных на камеры от автомобилей, мячах или на специальных виброгасящих подставках. Изготовить такую конструкцию в школьных или домашних условиях довольно проблематично. Поэтому была проверена другая, более подходящая идея – использование обычного кварцевого песка. Известно, что песок или мелкий гравий хорошо гасят механические колебания и вибрации. Это свойство песка или мелкого гравия оказалось решающим при создании школьной голографической установки.

Регистрирующая пластинка должна находиться как можно ближе к объекту.

Поскольку в паспорте лазера не указана его выходная мощность, то время экспозиции необходимо подбирать экспериментально, методом проб и ошибок. Мы записали голограммы с экспозицией 3, 5, 7, 10, 15 и 20 сек и пришли к выводу, что оптимальная экспозиция – 5-7 сек. При большей экспозиции вибрации делают изображение нечётким.

Далее следует процесс проявки, который длится 6 мин в проявителе (60мл концентрата на 400мл дистиллированной воды) и 10 мин в воде (промывка). Для ускорения процесса сушки мы выдерживали пластинки последовательно в 40%→70%→96% спирте по несколько секунд.

При просмотре голограммы очень важно, каким будет источник освещения. Лучше всего подходит галогеновая лампочка с рефлектором. Если использование галогеновой лампы невозможно, вы должны использовать обычную яркую лампу. Важно, чтобы эта лампочка была яркой и не матовой. Матовый источник света размоет изображение. Также нельзя использовать никакие люминесцентныелампы, "лампы дневного света".

Установка:

9. Выводы.

В результате нашей работы мы убедились в возможности создания голограмм в условиях школьного кабинета физики и на оборудовании, имеющемся в нем. В дальнейшем мы будем совершенствовать методику и условия эксперимента

10. Литература.

1.  Денисюк Ю.Н. Мой путь в голографии. В кн.: Ю.Н.Денисюк –

 основоположник    отечественной    голографии:  Сборник    трудов  Всероссийского семинара / СПб: СПбГУИТМО. 2007. – с. 7-14.

2.   http://www.h-shop.ru/  (12 декабря)

3.  http://www.erudition.ru/referat/ref/id.21214_1.html (12 декабря)

4.  http://www.holography.ru (12января)

5.  http://window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt?p_id=30739&p_page=1

(14 января)

6.  phoi.ifmo.ru/data_warehouse/hall/AH/Lection_4.pdf  (14 января)

7. http://museum.ifmo.ru/?out=person&per_id=227&letter=196(19 января)