Opustit studovnu

Využití laserů k holografii

V klasickej fotografii je pomocou optickej sústavy zobrazený trojrozmerný objekt do roviny obrazového senzoru, ktorý túto projekciu intenzitne zaznamená. Intenzitne znamená, že sledujeme iba množstvo energie, ktorá dopadne do daného miesta záznamu, bez ohľadu na to, z ktorého smeru. Tým sa stráca podstatná časť informácie o svetelnej vlne odrazenej od objektu, ktorou je jej fáza.

Vzhľadom na to, že frekvencie viditeľného svetla sú rádovo v stovkách THz, čo je vysoko nad možnosťami najrýchlejších senzorov, nie je možné fázu a fázové rozdiely merať priamo. Pokiaľ teda chceme „odfotiť“ objekt trojrozmerne, musíme nájsť spôsob ako uchovať ako amplitúdovú, tak aj fázovú zložku svetelnej vlny v intenzitnom zázname.

Holografia predstavuje takúto záznamovú a zobrazovaciu techniku, umožňujúcu dokonale uchovať a reprodukovať svetelné pole v rovine záznamu. Z toho vychádza aj samotný názov techniky: holos – úplný, grafein – zaznamenať, i.e. úplný amplitúdovo-fázový záznam.

Záznam a rekonštrukcia hologramu

Holografický záznam trojrozmerného objektu prebieha s použitím svetla rozptýleného na objekte (objektová vlny) a druhej prídavnej (referenčnej) vlny, ktorá dopadá priamo na záznamový materiál/senzor. Tieto dve vlny vytvárajú v rovine záznamu interferenčné pole, ktoré je intenzitne zaznamenané. Podstatné ale je, že tvar tohto poľa závisí nielen od amplitúdy, ale aj od fázy interferujúcich vĺn. Takýto záznam, nazývaný hologram, preto nesie kompletnú informáciu o zaznamenávanom svetelnom poli a teda aj o objekte, z ktorého pochádzalo.

Pre spätnú rekonštrukciu zaznamenaného objektu je potrebné osvetliť spracovaný hologram pôvodnou referenčnou (teraz nazývanou rekonštrukčnou) vlnou. Tá bude difraktovať na zaznamenanej pseudo-periodickej mikroštruktúre hologramu (Obr. 1) čím, medzi iným, spätne vytvorí pôvodnú objektovú vlnu. V prípade obrazového hologramu takto môže pozorovateľ cez hologram vidieť rekonštruovaný objekt dokonale identický originálu.

Obr. 1 Príklad mikroskopickej štruktúry digitálne zaznamenaného hologramu.

Pri samotnom zázname hologramu existuje niekoľko možností vzájomného umiestnenia objektu, referenčnej vlny a záznamovej dosky / senzoru. V každom prípade je ale nutné použiť svetelnú vlnu, ktorá je koherentná, t.j. je schopná interferovať s „podobným žiarením“, ako napríklad dve rôzne časti jednej vlny. Túto požiadavku obecne spĺňa vlna, ktorá je striktne monochromatická (jednofarebná) a šíri sa jedným smerom, čo sú vlastnosti svetla laserových lúčov.

Na obrázku Obr. 2a je znázornená bežne používaná optická konfigurácia pre záznam transmisného hologramu. Zväzok koherentného svetla je rozdelený na dve časti: na a) osvetľovací zväzok, ktorý dopadá na holografický záznam po rozptýlení sa na zaznamenávanom objekte, a na b) referenčnú vlnu dopadajúcu na záznam priamo.

Po expozícií a spracovaní záznamu je fyzický objekt odstránený a hologram v pôvodnej pozícii osvetlený rekonštrukčnou vlnou (Obr. 2b). Tá difrakciou na transmisnom holograme bude reprodukovať divergujúcu vlnu od pôvodného objektu. Pokiaľ osvetlíme hologram konjugovanou vlnou (t.j. vlnou s totožnými vlnoplochami, ale opačným smerom šírenia) k referenčnej, vznikne difrakciou na holograme konvergentná vlna do miesta pôvodného objektu (Obr. 2c). Takýto reálny obraz, t.j. obraz ktorý sa dá zachytiť na plátno, sa dá použiť ako objekt pre ďalší hologram, kde objekt bude umiestnený v rovine hologramu.

Obr. 2 a) Záznam transmisného hologramu. Upravené z [5].

Obr. 2 b)-c) Rekonštrukcia transmisného hologramu. Upravené z [5].

 

Druhým typom hologramu je hologram reflexný. V tomto prípade dopadajú referenčná a objektová vlna na záznam z opačných strán. Pri rekonštrukcii sú tak rekonštrukčná aj objektová vlna na rovnakej strane hologramu. Jeho podstatnou výhodou oproti transmisnému hologramu je, že objemová reflexná štruktúra je vysoko spektrálne selektívna. Ak takýto hologram osvetlíme bielym svetlom bežnej lampy, hologram z celého bieleho spektra odrazí iba jednu vlnovú dĺžku odpovedajúcu farbe laseru použitého pri zázname, a teda na rekonštrukciu nepotrebujeme laserové svetlo. Naproti tomu v transmisnom holograme rekonštruovanom bielym svetlom budú efektívne difraktovať všetky časti spektra. Každá časť vytvorí obraz, ale na inom mieste a v inej veľkosti. Pokiaľ teda nechceme pozorovať farebný fľak, ale pôvodný objekt, musíme transmisný hologram rekonštruovať laserovým svetlom.

Vyššie uvedené hologramy budú z princípu jednofarebné. Plnofarebný reflexný hologram je možné vytvoriť napríklad zložením troch laserov (červeného, zeleného a modrého) počas záznamu. Transmisný hologram, v špeciálnom prípade, že obetujeme vertikálnu paralaxu rekonštruovaného obrazu, môže byť tiež plnohodnotne rekonštruovaný bielym svetlom. Podobne reflexnému hologramu, spojením troch takýchto dúhových hologramov, vznikne plnofarebný záznam.

Záznamové materiály

Záznamový materiál v klasickej obrazovej holografii je umiestnený vo forme tenkej vrstvy na povrchu sklenenej dosky. Tento materiál (halogénstrieborná emulzia, fotorezist, fotopolymér, a iné) musí mať veľmi vysokú priestorovú rozlišovaciu schopnosť, aby dokázal zaznamenať interferenčné pole. Perióda tohto poľa Λ = λ / [2n sin(θ/2)], kde λ je použitá vlnová dĺžka laserového svetla, n index lomu záznamového materiálu a θ uhol medzi obrazovou a referenčnou vlnou, sa pohybuje rádovo v tisícoch čiar na milimeter.

Digitálna holografia

Pri zvolení malého uhlu θ, budú interferenčné prúžky dostatočne veľké na to, aby sa dali zachytiť aj digitálne priamo na obrazový senzor (CCD, CMOS, Obr. 1). V digitálnej holografii je takto zaznamenaný hologram následne rekonštruovaný numericky.

Opačný proces, teda numerický návrh difrakčnej štruktúry, jej fyzická realizácia do optického prvku, alebo zobrazenie na dynamickom priestorovom svetelného modulátore a následná optická rekonštrukcia, je tiež bežne rozšírený. Vzhľadom na vysokú výpočtovú a ešte vyššiu výrobnú náročnosť, sa však táto metóda nepoužíva pre obrazové hologramy.

Použitie

Hologramy majú širokú škálu uplatnení. Denne sa s nimi stretávame napríklad na ochranných prvkoch bankoviek a cenných predmetov, kde ich priestorová premenlivosť znemožňuje jednoduché okopírovanie. Naviac, použitím netriviálnej referenčnej vlny, je možné obrazovú informáciu skryť/zašifrovať a výrazne sťažiť napodobenie takéhoto bezpečnostného prvku.

Ďalej sa holografia uplatní v podobe difrakčných holografických optických elementov (HOE) schopných korekcie vád klasickej optiky, smerovanie svetla LED osvetlenia definovaným smerom pre efektívne využitie výkonu, tvarovania a skenovania laserových zväzkov, dynamickej manipulácie s mikročasticami, v presnej metrológií, vo vysokokapacitnom ukladaní informácií a ďalších aplikáciách.

Fejkové hologramy

Pojem holografia je laicky často nesprávne používaný pre akúkoľvek technológiu spojenú s 3D zobrazovaním, prevažne pre „holografiu“ zo sci-fi filmov a hier. Je nutné poznamenať, že objekt rekonštruovaný hologramom, či už pred alebo za rovinou záznamu, pozorovateľ uvidí len v oblasti ohraničenej okrajom holografického záznamu. Musí sa teda pozerať na fyzický hologram s difrakčnou štruktúrou, nie voľne do vzduchu. Naviac, výpočtový výkon a zobrazovacia technológia pre veľkoformátové hologramy v reálnom čase v súčasnosti neexistuje. To znamená, že 3D objekty voľne sa vznášajúce vo vzduchu neodpovedajú realite holografie.

Našťastie pre fanúšikov sci-fi žánru, v posledných rokoch prebieha vývoj volumetrických a autostereoskopických displejov, ktoré sú podobného 3D zobrazovania pre zábavný priemysel, či medicínske aplikácie schopné. Princíp ich fungovania je ale celkom iný.

Zdroje:

[1] Fiala P., Richter I.: Fyzikální optika. Praha: Vydavatelství ČVUT, (2005), ISBN 80-01-03183-7.

[2] Saxby, G.: Practical holography. 2nd ed. New York: Prentice Hall, (1994), ISBN 01-309-7106-5.

[3] Hariharan P.: Optical holography: principles, techniques, and applications. 2nd ed. New York: [] Cambridge University Press, (1996), ISBN 05-214-3965-5.

[4] Wolverton, M. „Where are all the holograms?“, Photonice Focus, SPIE (2021), online (https://spie.org/news/photonics-focus/novdec-2021/what-happened-to-the-hologram)

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Holography

[6] https://holocenter.org/what-is-holography/different-types-of-holograms