23.2 Фізичні принципи голографії.

Голографія ( др.-греч. ὅλος - Повний + γραφή - Пишу) - набір технологій для точного запису, відтворення та переформування хвильових полів.

Даний метод був запропонований в 1947 ^[1] Деннісом Габором, він же ввів термін голограма ^[2] і отримав "за винахід і розвиток голографічного принципу"Нобелівську премію з фізики в 1971 ^[3].

Дві голограми, зроблені Воробйовим С. П. за методомДенисюка, відновлені світлом галогенової лампи

1. Фізичні принципи

Розсіяні об'єктом хвилі характеризуються амплітудою і фазою. Реєстрація амплітуди хвиль не становить труднощів; звичайна фотографічна плівка реєструє амплітуду, перетворюючи її значення у відповідне почорніння фотографічної емульсії. Фазові співвідношення стають доступними для реєстрації за допомогою інтерференції, перетворюючої фазові співвідношення у відповідні амплітудні. Інтерференція виникає, коли в деякій області простору складаються кілька електромагнітних хвиль, частоти яких з дуже високим ступенем точності збігаються. Коли записують голограму, у певній галузі простору складають дві хвилі: одна з них йде безпосередньо від джерела (опорна хвиля), а інша відбивається від об'єкта записи (об'єктна хвиля). У цій же області розміщують фотопластинку (або інший реєструючий матеріал), в результаті на цій платівці виникає складна картина смуг потемніння, які відповідають розподілу електромагнітної енергії (картиніінтерференції) у цій області простору. Якщо тепер цю пластинку висвітлити хвилею, близької до опорної, то вона перетворює цю хвилю у хвилю, близьку до об'єктної. Таким чином, ми будемо бачити (з тією чи іншою мірою точності) такий же світло, який відбивався б від об'єкта записи.

2. Джерела світла

Голограма є записом інтерференційної картини, тому важливо, щоб довжини хвиль (частоти) об'єктного і опорного променів з максимальною точністю збігалися один з одним, і різниця їх фаз не змінювалася протягом усього часу запису (інакше на платівці не запишеться чіткої картини інтерференції). Тому джерела світла повинні випускати електромагнітне випромінювання з дуже стабільною довжиною хвилі в достатньому для запису часовому діапазоні.

Вкрай зручним джерелом світла є лазер. До винаходу лазерів голографія практично не розвивалася (замість лазера використовували дуже вузькі лінії в спектрі випускання газорозрядних ламп, що дуже ускладнює експеримент). На сьогоднішній день голографія пред'являє одні з найжорсткіших вимог до когерентності лазерів.

Найчастіше когерентність прийнято характеризувати довжиною когерентності - тієї різниці оптичних шляхів двох хвиль, при якій контраст інтерференційної картини зменшується в два рази в порівнянні з інтерференційної картиною, яку дають хвилі, що пройшли від джерела однакову відстань. Для різних лазерів довжина когерентності може складати від часток міліметра (потужні лазери, призначені для зварювання, різання та інших застосувань, невимогливих до цього параметру) до сотень і більше метрів (спеціальні, так звані одночастотні лазери).

3. Історія голографії

Перша голограма була отримана в 1947 (задовго до винаходу лазерів) Деннісом Габором в ході експериментів по підвищенню роздільної здатності електронного мікроскопа. Він же придумав саме слово "голографія", яким він підкреслив повний запис оптичних властивостей об'єкта. На жаль, його голограми відрізнялися низькою якістю. Отримати якісну голограму без когерентного джерела світла неможливо.

Після створення в 1960 червоних рубінового (довжина хвилі 694 нм, працює в імпульсному режимі) і гелій-неонового (довжина хвилі 633 нм, працює безперервно) лазерів, голографія почала інтенсивно розвиватися.

В 1962 була створена класична схема запису голограм Емметта Лейта і Юріса Упатнієкс з Мічиганського Технологічного Інституту (голограми Лейта-Упатнієкс)^[4], в якій записуються пропускають голограми (при відновленні голограми світло пропускають через фотопластинку, хоча на практиці деяка частина світла від неї відбивається і також створює зображення, видиме з протилежного боку).

В 1967 рубіновим лазером був записаний перший голографічний портрет.

В результаті тривалої роботи в 1968 Юрій Миколайович Денисюк отримав високоякісні (до цього часу відсутність необхідних фотоматеріалів заважало отриманню високої якості) голограми, які відновлювали зображення, відображаючи білий світло. Для цього їм була розроблена своя власна схема запису голограм. Ця схема називається схемою Денисюка, а отримані з її допомогою голограми називаються голограмами Денисюка.

В 1977 Ллойд Кросс створив так звану мультиплексную голограму. Вона принципово відрізняється від всіх інших голограм тим, що складається з безлічі (від десятків до сотень) окремих плоских ракурсів, видимих ​​під різними кутами. Така голограма, природно, не містить повну інформацію про об'єкт, крім того, вона, як правило, не має вертикального паралакса (тобто не можна подивитися на об'єкт зверху і знизу), але зате розміри записуваного об'єкта не обмежені довжиною когерентності лазера (яка рідко перевищує кілька метрів, а найчастіше складає всього кілька десятків сантиметрів) і розмірами фотопластинки. Мало того, можна створити мультиплексную голограму об'єкта, якого зовсім не існує! Наприклад, намалювавши вигаданий об'єкт з безлічі різних ракурсів. Мультиплексна голографія перевершує за якістю всі інші способи створення об'ємних зображень на основі окремих ракурсів (наприклад, лінзові растри), проте вона все одно далека від традиційних методів голографії по реалістичності.

У 1986 році Абрахам Секе ^[5] висунувши ідею створення джерела когерентного випромінювання в приповерхневій області матеріалу шляхом опромінення його рентгенівським випромінюванням. Оскільки просторовий дозвіл у голографії залежить від розмірів джерела когерентного випромінювання та його віддаленості від об'єкту, то виявилося можливим відновити навколишні емітер атоми в реальному просторі. На відміну від оптичної голографії, у всіх запропонованих на сьогоднішній день схемах електронної голографії відновлення зображення об'єкта здійснюється за допомогою чисельних методів на комп'ютері. У 1988 році Бартон запропонував такий метод для відновлення тривимірного зображення, заснований на використанні фур'є-подібних інтегралів, і продемонстрував його ефективність на прикладі теоретично розрахованої голограми для кластера відомої структури. Перше відновлення тривимірного зображення атомів в реальному просторі за експериментальними даними проведено для поверхні Cu (001) Харп в 1990 році.