Голографія

Визначення і загальна характеристика

ГОЛОГРА́ФІЯ (від грец. ὅλος — повний, увесь і ...графія) — метод запису, від­творе­н­ня та пере­творе­н­ня хвильових полів. За­пропонований 1948 угорцем Д. Ґабором. Метод Г. дає можливість записувати та від­новлювати хвильові поля різної фіз. природи, зокрема оптичного та радіодіапазонів, а також акустичні, електрон­ні та ін. Спосіб запису в Г. базується на реєстрації роз­поділе­н­ня інтенсивності в інтерференц. картині, яка виникає при накла­дан­ні (взаємодії) хвилі, що роз­сіялася обʼєктом (обʼєктна, або предметна, хвиля), та когерентною з нею опорною (або референтною) хвилею, — тож, одночасно фіксуються і амплітудні (роз­поділе­н­ня інтенсивності в періодич. структурі інтерференц. картини), і фазові (реєстрація взаємних роз­ташувань областей макс. та мін. інтенсивностей в інтерференц. картині) спів­від­ноше­н­ня обʼєктної хвилі. При освітлен­ні голо­грами опорною хвилею чи хвилею, яка ідентична опорній, від­бувається транс­формація (завдяки записаній структурі голо­грами) цієї хвилі в хвилю, що роз­по­всюджувалася від обʼєкта, й потрапляючи в око людини, вона створює таке ж від­чу­т­тя, як і при без­посередньому спо­гля­дан­ні обʼєкта, тобто він має всі властивості оригінала (напр., паралакс і пер­спективу). Важливою ознакою голо­грам є можливість від­новлювати обʼєктну хвилю при освітлюван­ні опорною хвилею навіть невеликої ділянки. Широкого роз­витку Г. отримала після викори­ста­н­ня лазерів як джерела світла (Е. Лейт і Ю. Упатнієкс, 1962), а також після за­стосува­н­ня для запису голо­грам товстошарових емульсій, що до­зволило від­новлювати зображе­н­ня в білому світлі (Ю. Денисюк, 1962).

Голо­грама може бути зареєстрована на деякій поверх­ні (двовимірна голо­грама) або в деякому обʼємі світлочутливого матеріалу (тривимірна голо­грама). Двовимірний запис здійснюється за умови, коли товщина (h) світлочутливого матеріалу набагато менша від просторового періоду (d) інтерференц. картини, що реєструється. У тривимірних голо­грамах h набагато більша, ніж d. Така голо­грама із суцільного спектра від­творює ви­промінюва­н­ня лише з тією довжиною хвилі, яка була викори­стана для її запису, що спричинено інтерференцією хвиль, які від­биті послідовністю пучностей роз­поділу диференц. картини, присутніх у голо­грамі. Вказані хвилі взаємно під­силюють одна одну тільки в тому випадку, коли їх довжина збігається з довжиною хвилі ви­промінюва­н­ня (l), що раніше була викори­стана для запису голо­грами. Залежно від l роз­різняють оптичну Г. (на голо­грамі реєструються ви­промінюва­н­ня видимого діапазону) та різноманітні види неоптичної Г. (радіоголо­графія, рентґенівська, інфрачервона, ультрафіолетова, акустична, ультра­звукова). Голо­граму можна отримати і за допомогою ЕОМ, роз­рахувавши її структуру та зобразивши результати роз­рахунку у ви­гляді чорно-білого транс­паранта (цифрова голо­грама). За способом запису голо­грам світлочутливим середовищем роз­різняють амплітудні (інтерференц. структура реєструється у ви­гляді варіацій коефіцієнтів пропуска­н­ня чи від­бива­н­ня, при від­новлюван­ні хвильового поля така голо­грама модулює амплітуду освітлюючої хвилі) та фазові (інтерференц. структура фіксується у ви­гляді варіацій товщини або коефіцієнта заломле­н­ня) голо­грами — обидві вони модулюють фазу освітлюючої хвилі. Крім того, існують світлочутливі матеріали, в яких падаюче ви­промінюва­н­ня реєструють за виникне­н­ня анізотропії коефіцієнта по­глина­н­ня (поляризац. голо­грама). Однією з важливих характеристик голо­грами є дифракц. ефективність, яка дорівнює від­ношен­ню потужності світлового потоку у від­новленій хвилі до світлового потоку, що падає на голо­граму. Її значе­н­ня змінюється від 100 % для фазових тривимірних голо­грам до кількох від­сотків у амплітудних і поляризац. голо­грамах. Якщо зареєстрована голо­грама зберігається довго і можливе роз­діле­н­ня у часі процесів запису та від­новлюва­н­ня опорної хвилі, то така голо­грама є статичною. Коли ж голо­грама існує тільки під час опроміне­н­ня середовища обʼєктною та опорною хвилями й від­новлюва­н­ня хвильового фронту здійснюється одночасно з процесом запису, то така голо­грама є динамічною. Динамічні голо­грами записують у середовищах, які мають різноманітні типи нелінійності, це може бути нелінійна поляризованість атомів і молекул середовища в полі світлової хвилі, що зумовлює залежність показника заломле­н­ня (n) середовища від амплітуди хвилі або залежність n від на­гріву, створеного хвилею, що падає (теплова голо­грама); крім того, зміна n можлива у неоднорідному полі пружних напружень, які виникають при неоднорідному освітлен­ні середовища. Для запису динамічних голо­грам використовують деякі сегнето­електрики (ніобат і танталат літію), піро­електрики та пʼєзо­електрики. Динамічні голо­грами також можуть бути записані в результаті по­глина­н­ня світла в середовищі, якщо це су­проводжується виникне­н­ням різноманітних електрон. збуджень (квазічастинок), зокрема електронів провід­ності та дірок, екситонів, фононів тощо. У цьому випадку виникне­н­ня квазічастинок змінює показник заломле­н­ня та коефіцієнт по­глина­н­ня середовища (як середовище використовують різні напів­провід­ники — Si, CdS, CdSe, CdTe, GaAs, ZnO та ін.). Запис амплітудно-фазових динамічних голо­грам можливий також у парі лужних металів у межі смуг резонанс. по­глина­н­ня. Для реєстрації статичних голо­грам використовують світлочутливі середовища, в яких у процесі запису спочатку утворюється т. зв. приховане зображе­н­ня, що виявляється та під­силюється тільки після подальшої спец. обробки фотоматеріалу. До найсвітлочутливіших середовищ належать галоген-срібні емульсії, роз­дільна здатність таких фотоматеріалів сягає декількох тисяч ліній на 1 мм при чутливості порядку тисячної частки Дж на 1 см². Для запису фазових голо­грам використовують біхромовану желатину. Запис голо­грам можливий також шляхом створе­н­ня фазового рельєфу на поверх­ні світлочутливого шару (фоторезиста), у цьому випадку при хім. обробці засвічені ділянки шару фоторезиста роз­чиняються, що призводить до виникне­н­ня на поверх­ні певного рельєфу. Утворе­н­ня рельєфу від­бувається також при записі голо­грам у фототермічних середовищах. Опроміне­н­ня фототермопластику су­проводжується утворе­н­ням у ньому електро­статич. поля, причому роз­поділе­н­ня потенціалу цього поля по поверх­ні по­вторює роз­поділе­н­ня інтенсивності світла в інтерференц. картині. При подальшому на­гріван­ні середовище роз­мʼякшується й деформується під дією сил електро­статичного поля, при цьому зміна оптич. властивостей середовища в певних місцях поверх­ні (фазова рельєфо­графія) ви­значає запис інтерференц. картини. Для запису статичних голо­грам використовують також фотохромні матеріали (зокрема лужно-галоїдні кри­стали, в яких під дією світла можливе пере­творе­н­ня центрів забарвле­н­ня), фотополімери, магнітооптичні середовища, халькогенідні середовища, рідкі кри­стали, термохромні шари на основі окисів, а також фотоматеріал «реоксан». Залежно від взаємного роз­ташува­н­ня реєструючого середовища, обʼєкта й джерела опорної хвилі, роз­різняють декілька схем запису голо­грам: одно­променева (схема Ґабора), дво­променева (схема Лейта та Упатнієкса), схема із зу­стрічними хвилями (схема Денисюка) та схема голо­грами Фурʼє. В одно­променевій схемі використовують пучок світла, частина якого роз­сіюється обʼєктом і формує обʼєктну хвилю, а друга частина вихідного пучка, що про­йшла поза обʼєктом, створює опорну хвилю. У двохвильовій схемі когерентна опорна хвиля формується окремо, і кут між обʼєктом і опорним променем у точках їх паді­н­ня на голо­граму від­мін­ний від нуля. У схемі Денисюка опорна та обʼєктна хвилі падають на світлочутливий шар з різних сторін, і кут між цими світловими пучками бл. 180°. Оскільки при освітлен­ні такої голо­грами опорною хвилею від­новлена обʼєктна хвиля поширюється назу­стріч освітлюючому пучку, то такі голо­грами називаються від­бивними (на від­міну від пропускаючих голо­грам, що можуть бути отримані за схемою Ґабора та схемою Лейта і Упатнієкса). При записі за схемою Фурʼє обʼєкт і джерело опорної хвилі роз­ташовані на однаковій від­стані від голо­грами. Якщо голо­грама знаходиться на значній (нескінчен­ній) від­стані від обʼєкта, то вона називається голо­грамою Фраунгофера.

Г. є заг. методом запису та обробле­н­ня інформації, тому її широко використовують у науці, техніці, мистецтві та медицині. З допомогою голо­грам одержують тривимірні зображе­н­ня обʼєктів. Метод голо­графіч. інтерференції до­зволяє вимірювати малі деформації обʼєктів. Викори­ста­н­ня імпульс. лазерів для запису голо­грам дає змогу реєструвати швидкісні процеси. Якщо на голо­граму, отриману при інтерференції хвиль довжиною l1, спрямувати опорну світлову хвилю довжиною l2 (l2 >l1), то це дасть змогу створити голо­графіч. мікро­скоп, який зберігатиме фазову інформацію про обʼєкт. За допомогою Г. можливе пере­творе­н­ня світлових полів і «пере­качува­н­ня» енергії між хвилями, що роз­по­всюджуються в голо­грамі, тому динамічні голо­грами можуть бути за­стосовані для створе­н­ня лазерів. Нині ведуться дослідж. в напрямі створе­н­ня голо­графіч. кіно та телебаче­н­ня.

В Україні пита­н­ня Г. досліджують в академ. ін­ститутах фізики (М. Бродин, М. Соскін, С. Одулов, В. Вінецький, А. Борщ, А. Хижняк, В. Кравченко, К. Салькова) та прикладної оптики (С. Анохов, В. Марков), Київському (М. Находкін, М. Кувшинський), Ужгородському (О. Кикинеші) та Чернівецькому (О. Ангельський) університетах, НДІ фізики при Одес. університеті (В. Білоус, О. Тюрін).

Літ.: Строук Дж. Введение в когерентную оптику и голо­графию. Москва, 1967; Габор Д. Голо­графия (1948– 1971 гг.) // УФН. 1973. Т. 109; Денисюк Ю. Н. Со­стояние и пер­спективы голо­графии с записью в трехмерных средах // Вест. АН СССР. 1978. Вып. 12; Бахрах Л. Д., Курочкин А. П. Голо­графия в микроволновой технике. Москва, 1979; Одулов С. Г., Соскин М. С., Хижняк А. И. Лазеры на динамических решетках. Москва, 1990.

В. М. Білоус

Завантажити статтю