Holografija Uvod Pod holografijom razumijeva se skup metoda

Holografija

Uvod Pod holografijom razumijeva se skup metoda za snimanje i/ili reprodukciju različitih vrsta valnih fronti emitiranih s promatranih objekata. Razmatranje ćemo ograničiti na primjere iz područja elektromagnetskih valova, ili točnije na optičku holografiju, premda se analogne pojave mogu razmatrati i na drugim valnim fenomenima. Na primjer, poznata je i akustička holografija. � Optička holografska metoda podrazumijeva da se snima intenzitet zračenja pošto se s osvijetljenog objekta kompleksna amplituda reflektiranog zračenja prikladnim optičkim elementima superponira na referentni val (val nosač) jednake frekvencije. Fotografska slika te interferentne pojave zove se hologram. Razmotrimo krajnje pojednostavljen primjer kada se val raspršuje samo na jednoj točki (slika 6. 1). �

Uvod Slika 6. 1. Hologram točkastog objekta. Dio koherentnog zračenja pada na fotoemulziju kao ravni val, a dio se reflektirao s točkastog objekta. Rezultantnu superpoziciju registrira emulzija kao hologram.

Uvod Intenzitet zračenja koji emulzija bilježi u bilo kojoj točki površine rezultat je interferencije vala nosača i vala raspršenog s točkastog objekta. To je moguće jer su dva vala međusobno koherentni. Razlika faza u pojedinoj točki površine holograma korespondira optičkoj razlici putova između reflektiranog vala i vala nosača. Očito, unutar konačne površine holograma (a ne samo u jednoj točki) postoji u raspodjeli intenziteta zračenja potpuna trodimenzionalna informacija o položaju reflektirajuće točke. � Kada se val odbija od objekta zamršene površine (ne samo od jedne točke), hologram u svakoj pojedinoj točki sadrži informaciju o odnosu faza referentnog vala i doprinosa svih točaka površine ispitivanog objekta. Za razliku od klasične metode snimanja, u kojoj se formira dvodimenzionalna slika nekoga trodimenzionalnog objekta, holografska metoda bilježi informaciju o valnoj fronti emitiranoj s ozračenog objekta ne formirajući sliku. �

Snimanje holograma � Na slici 6. 2 je shema tipičnog uređaja za snimanje holograma. Laser služi kao izvor koherentnog zračenja. Prolaskom kroz leću snop zračenja načinimo divergentnim. Dobivenim svjetlosnim snopom djelomično se obasjava objekt, a djelomično zrcalo. Rezultanta interferentna slika snima se holografskom pločom. � Praktična napomena uz snimanje holograma: svi dijelovi aparature moraju biti na posebnim nosačima kako bi se aparatura izolirala od vibracija koje mogu razmazati interferentni fenomen.

Snimanje holograma � Slika 6. 2. Snimanje holograma za stvarni objekt Laserski snop pretvoren je lećom u divergentan. Dio snopa putuje kao ravni val nakon refleksije na zrcalu. Drugi dio se odbije od površino objekta. Obje se komponente superponiraju na fotografskoj ploči.

Reprodukciji trodimenzionalne slike � Najprije se snimljeni hologram postavi ponovo u poziciju u kojoj je načinjen, objekt se ukloni a laser ponovo radi. Promatranjem holograma iz smjera suprotnog smjeru iz kojeg dolazi svjetlost opaža se na mjestu uklonjenog objekta njegova virtualna trodimenzionalna slika. Naime, hologram predstavlja snimljeni otisak amplitudne modulacije referentnog vala pomoću vala odbijenog s objekta. Obasjavanjem laserskim snopom oživljuje se taj zapis u koherentno titranje, koje još uvijek sadrži obje komponente: dio od laserskog snopa i dio odbijen s površine. To objašnjenje kasnije će biti potkrepljeno matematičkim opisom procesa reprodukcije holograma.

Reprodukciji trodimenzionalne slike � Uvjeti koherencije. Za dobar rad holografskom metodom potrebno je, osim osiguranja od vibracija, ispuniti zahtjeve za koherenciju izvora. Potrebna je prostorna koherentnost izvora. To znači da izvor svjetlosti ne smije imati geometrijske dimenzije značajne s obzirom na detalje objekta koje se želi snimanjem razlučiti. Drugi je uvjet monokromatičnost svjetlosti. Ako nismo oprezni u ispunjenju tog uvjeta, hologrami za različite valne duljine različito izgledaju i njihova superpozicija vodi nejasnoći zapisa i slike.

Matematički opis snimanja holograma i reprodukcije valne fronte � Promotrimo sliku 6. 2. Na njoj su očite dvije valne fronte koje će interferirati i snimka će biti načinjena na ploči. Optička fronta koja dolazi s objekta opisana je kompleksnom amplitudom a i faza f su realni. f je posebno prostorno veoma zavisna. Član eiwf , zajednički objema � Modul valovima, ispušten je zbog pojednostavnjenja. Referentni val je opisan amplitudom

Matematički opis snimanja holograma i reprodukcije valne fronte � Ao ima konstantnu amplitudu i jednostavnu prostornu varijaciju za fo. Holografska ploča zacrnjuje proporcionalno intenzitetu I, koji rezultira iz superpozicije fronte i referentnog vala: � Pretpostavimo da je propusnost nove ploče proporcionalna tom intenzitetu. Rekonstrukciju provodimo monokromatskom svjetlošću kojom smo se koristili tijekom snimanja. Uz navedene pretpostavke kompleksna amplituda koja prolazi kroz hologram jest

Matematički opis snimanja holograma i reprodukcije valne fronte � Uvrstimo suda u (6. 4) iztaz za I iz (6. 3): � Optičko polje koje izlazi iz holograma sastoji se od tri komponente: ◦ 1. Izuzevši male razlike u amplitudi, taj je term identičan upadnom referentnom valu. Ne sudjeluje u prijenosu informacije i može omesti promatranje. ◦ 2. Taj dio i fazom i amplitudom ima značajke vala odbijenog s objekta. To je valna fronta s objekta koja nam se čini da je izišla iz holograma. ◦ 3. Taj član predstavlja valnu frontu koja se širi suprotno od 2. komponente, a superponirana je na novi val nosač. Ona će tvoriti realnu sliku iza holograma.

Informacijski kapacitet holograma Ako iz klasično snimljene slike predmeta izrežemo neki dio, tada će informaciju o tome dijelu biti uklonjena s preostaloga dijela slike. Naprotiv, ako iz dobivenoga holograma predmeta izrežemo neki dio, ostatak će još uvijek reproducirati valove emitirane s cijelog objekta. Kako je preostali dio manji, rekonstruirana slika bit će lošija, no odnosit će se na cijeli objekt. Tipična je ilustracija: na površini 10 cmx 10 cm fotografske ploče može se zabilježiti informacija koja nakon reprodukcije pokriva po vršinu 1 mx 1 m i pri tome je razlučivanje 0, 1 mm. � Prava mjera informacijskog kapaciteta holograma nije cjelokupna površina holograma, nego količina informacije koje se mogu razlučiti. Taj broj povezan je s dimenzijama zrna emulzije. Uzimajući u obzir dimenzije zrna kao ograničavajućega faktora u razlučivanju interferencijskih krugova, nalazimo da se mogu razlučiti strukture koje potječu od dimenzija 10 -3 mm. �

Primjene holografskih tehnika �U primjeni se upotrebljavaju sljedeće potencijalne mogućnosti optičke holografije: ◦ 1. Rekonstrukcija trodimenzionalne valne fronte osigurava potanko studiranje površinskih struktura. ◦ 2. Holografsko bilježenje informacija o trodimenzionalnom položaju može sc kombinirali za više holograma istog objekta snimljenog uzastopno. � Svojstvo navedeno pod 2. primjenjuje se u interlerometriji za ispitivanje mehaničkih deformacija. Također se može brzim snimkama uzastopnih holograma dobili informacije o finim promjenama u sistemu naslalih u međuvremenu, npr. turbulen » i|c oko metka u letu, vibracije tlaka oko iusektovih krila. To se katkada zove četverodimenzionalnom holografijom. Prvo svojstvo može se koristili, na primjer, u mikroskopiji. Manjim manipulacijama može se postići bolji kontrast i mijenjali kut opažanja. A postoji i niz mogućih primjena (npr. trodimenzionalna televizija), no mi ćemo navesti samo neke.

Holografska interferometrija � Za reflektore u konvencionalnoj interferometriji potrebne su površine visoke kvalitete (glatkoće). Holografska interferometrija može funkcionirati i s grubim površinama. Tu se može načiniti usporedno opažanje fenomena koji su se dogodili u razna vremena. Pretpostavimo: valovi s istog objekta superponirali su se na identičan referentni val u dva različita trenutka, a zatim rezultati snimljeni na istu emulziju. Ako se zatim laserski obasjava hologram, oba reflektirana vala su rekonstruirana i omogućeno im je da interferiraju. To dopušta da se opažaju male razlike u njihovim položajima (reda veličine valne duljine svjetlosti A). Navedena tehnika naziva se tehnikom dvostruke ekspozicije. Kao rezultat interferencije dviju slika objekta vidjet će se interferentne pruge. Prebrajanjem tih pruga može se odrediti razlika dvaju položaja objekta. Takva se tehnika upotrebljava pri ispitivanju malih distorzija nastalih podvrgavanjem komada materijala raznim naprezanjima.

Tehnika snimanja u vremenskom toku � Najprije se načini hologram objekta dok miruje. Rekonstrukcija valne fronte se čini tako da se najprije rekonstruirana slika mirnog objekta superponira na isti objekt koji je također osvijetljen referentnim snopom. Objekt se zatim stavi u pokret, npr. da titra ili da se distordira. Interferentni efekti nastali između mirnog objekta i objekta u pokretu tijekom takve aktivnosti mogu se ili izravno opažati ili fotografirati.

Analiza s vremenskim usrednjenjem �U ovoj se analizi za objekt koji titra načini samo jedna ekspozicija. Vrijeme ekspozicije mnogo je duže nego period titranja objekta. Za jako vibrirajući dio faza vala s objekta varira između -p i p , provodeći otprilike isto vrijeme u svakom području. Ta su područja stoga manje-više izbrisana u konačnoj slici. S druge strane, dijelovi koji miruju nemaju oscilacija u fazi i nakon reprodukcije imat će najbolji kontrast.

Primjena u mikroskopiji � Važno svojstvo holografskog snimanja jest mogućnost kratke ekspozicije. Nakon toga je kompletna trodimenzionalna informacija zabilježena na ploči. Promatrač, dakle, može usmjeriti pozornost na detalje smještene na raznim dubinama objekta. Ta mogućnost "a posteriori" rekonstrukcije posebno je važna za objekte koji se mijenjaju ili se kreću.

Akustička holografija � Danas se holografske metode obilno koriste i u akustici jer je relativno lako dobiti koherentan akustički izvor. Dakako, akustičku holografiju možemo primijeniti samo kada je valna duljina zvuka znatno manja od detalja objekta koji nas zanimaju.

Ultrazvučna holografija � Raširena je primjena holografije u upotrebi ultrazvuka u promatranju i snimanju čovjekovih unutrašnjih organa. Akustička holografija primjenjuje se i u istraživanju podzemlja. U snimanju podmorja ili detekciji podmornica odavno se upotrebljavaju sonari. No, holografija donosi mogućnost studija oblika objekta ili oblika terena pod vodom. Od nekoliko razvijenih metoda snimanja akustičkog holograma prikazujemo jedan na slici 6. 3. Izvor, objekt i "zrcalo" uronjeni su u rezervoar s vodom. Kao rezultat superpozicije referentnog vala i onog odbijenog s objekta na površini vode formiraju se stojni valovi. Nastala pojava snima se običnom kamerom.

Akustička holografija Slika 6. 3. Akustički hologram. Izvor zvuka šalje valove dijelom na ravnu pločo akustičkog zrcala, a dijelom na objekt. Na površini vode pojavljuju se stojni valovi rezultnntnog holograma. Kamerom odozgo hologram se može snimiti.

"Bijeli hologram". � često smo imali priliku vidjeli i trodimenzionalne reprodukcije objekata bez upotrebe lasera s izvorom svjetlosti kontinuiranog spektra zračenja. Ovdje je, međutim, riječ o hologramima snimanim laserskom svjetlošću jedne ili nekoliko diskretnih frekvencija. Za razliku od prve tehnike, reprodukcija je moguća i pri dnevnom svjetlu. Zamisao možemo ovako skicirati: Umjesto tanke fotografsko ploče, koja treba zabilježiti jednodimenzionalni presjek interferentnog uzorka s ravninom fotografske ploče, uzmimo deblju fotografsku ploču u kojoj može postojati trodimenzionalna raspodjela holografskih oblika (trodimenzionalni hologram). Zamislimo da smo za snimanje u debeloj ploči doveli svjetlost s istog lasera, ali sa suprotnih strana ploče. Interferencijski maksimumi mogli bi biti približno ravnine paralelne površinama spomenute ploče s međusobnim razmakom - valnom duljinom svjetlosti.

"Bijeli hologram". � Praktički, moguće je načiniti pedesetak takvih ravnina unutar debljine komercijalne ploče. Razmak među ravninama karakterizira upotrijebljenu frekvenciju svjetlosti. Neka te ravnine imaju sposobnost da reflektiraju. Očito, ako ih obasjamo dnevnom svjetlošću, za samo jednu komponentu svjetlosti ovi slojevi djeluju svi u fazi. Vidimo, ako jalan od dva laserska snopa koji dolaze na debelu ploču zamijenimo snopom koji dolazi s nekog predmeta, imat ćemo vrstu holografskog zapisa. Kada na njega padne bijela svjetlost, u reflektiranoj svjetlosti imamo sliku snimljenog predmeta u boji u kojoj je radio laser. Superponiranjem takvih specijalnih holograma za više boja dobivamo trodimenzionalne efekte uz reprodukciju u bijeloj svjetlosti.

Literatura Yu. N. Denisyuk: Fundamentals of Holography, Mir Publishers, 1984. R. P. Feynman: Feynman Lectures on Physics III, Addison Wesley, 1971. M. Paić: Osnove fizike IV, Liber, 1983.