В любой точке зрения
голографические технологии

+7 (812) 702-61-22

hologram@holograte.com

 

Голография

 

Исторические аспекты разработки теории голографии

 

Голография – это область науки и техники, изучающая и использующая преобразование электромагнитной волны интерференционной структурой, сформированной при когерентном сложении этой электромагнитной волны с другими электромагнитными волнами.

С практической точки зрения, можно сказать, что голография изучает вопросы записи изображений объектов различного типа методом регистрации интерференционной картины полученной при сложении объектной волны и вспомогательной опорной волны и последующим воспроизведением этого изображения в результате дифракции опорной волны на зарегистрированной ранее интерференционной структуре. При этом, как объектная так и опорная волны могут иметь произвольные волновые фронты, однако для большинства применений голографии удобнее использовать плоскую или сферическую опорную волну, а в ряде случаев и объектная волна может быть относительно простой, плоской или сферической. Принципиальным является лишь условие регистрации взаимной интерференции объектной и опорной волн. Только в этом случае мы можем говорить о голографии как о методе «полной» записи изображения объекта (голография с греческого дословно переводится как «полная», то есть, всеобъемлющая запись). Действительно, изображение восстановленное голограммой сохраняет все свойства реального объекта, включая его местоположение и форму, которые тот имел при регистрации. В этом случае возможно не только оценить расстояние до объекта, но и рассмотреть его под разными углами, причем не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости. Ошибочной является нередко встречающаяся точка зрения о том, что метод цветной фотографии изобретенный Габриэлем Липпманом (Gabriel Lippmann, 1845-1921) также использует голографический способ записи. В методе Г. Липпмана объектная волна сфокусированного объективом изображения проходит сквозь прозрачную регистрирующую среду и отражается от плотно прилегающего к ней ртутного зеркала. В результате сложения падающей и отраженной волн в регистрирующей среде образуются интерференционные полосы (так называемые «стоячие» волны) расположенные параллельно плоскости фотопластинки на расстоянии примерно λ/2 (где λ — длина световой волны). После химико-фотографической обработки (Г. Липпман использовал галогенидосеребряные фотопластинки собственного изготовления) внутри эмульсионного слоя возникали чрезвычайно мелкие частицы серебра (размером в несколько десятков нанометров) местоположение которых в точности повторяло интерференционную картину «стоячей» волны. А поскольку расстояние между интерференционными полосами определяется цветом падающей на фотопластинку объектной волны, то при рассмотрении изображения на фотографиях полученных по методу Г. Липпмана мы увидим, что разные части цветного изображения отражают тот цвет, который объект имел при записи. Этот же принцип «селективного» (то есть избирательного) отражения света используется, например, при изготовлении интерференционных зеркал, в которых методом электровакуумного напыления последовательно наносят диэлектрические слои с разными показателями преломления, формируя, таким образом, многослойную структуру, отражающую только тот диапазон спектра, который нужен для данного применения. Таким образом, как видно из описания метода Г. Липпмана, ему удалось записать не только распределение яркости света на объекте, видимом под определенным ракурсом (как в обычной черно-белой фотографии), но также цвета, в которые окрашен объект, но при этом, конечно, изображение объекта плоское и не представляется возможным оценить его положение в пространстве.

Термин «голограмма» был предложен в 1947 году Деннисом Габором (Dennis Gabor, 1900-1979) в то время, когда он работал в компании Thomson-Houston (Рагби, Великобритания). Он изобрел двухступенчатую схему (названную им «голоскоп») для улучшения визуализации изображений полученных с использованием электронных микроскопов. В отличие от своих предшественников (М. Вольфке в 1920 и Л. Брэгга в 1939, предлагавших похожие двухступенчатые схемы) Д. Габор предложил к объектной волне добавить опорную волну для регистрации не только амплитуды, но и фазы объектной волны. Полученную таким образом и зарегистрированную на фотопластинке интерференционную картину он и назвал голограммой. Вследствие низкой когерентности используемой ртутной лампы Д. Габору приходилось располагать источник излучения, объект и регистрирующую фотопластинку на одной оси (осевая схема записи) в результате чего при освещении записанной голограммы действительное и мнимое изображения также находились на одной оси, накладываясь друг на друга.

Результаты первых работ Д. Габора по голографии были недооценены современниками. Лишь позже, в начале 60-х годов 20-го века, после изобретения и создания первых источников когерентного излучения (лазеров), голография получила «второе дыхание».

В 1963 году, используя лазеры, американцы Э. Лейт и Ю. Упатниекс впервые создали голографические изображения, имеющие объем и параллакс недостижимые ранее. При этом, в отличие от осевой схемы Д. Габора, Э. Лейт и Ю. Упатниекс использовали так называемую внеосевую схему записи голограмм, что позволило избавиться от проблемы наложения мнимого и действительного изображений. Голографическое изображение при этом восстанавливается путём прохождения через голограмму лазерного излучения.

Важный вклад в развитие нового направления внес советский ученый Юрий Николаевич Денисюк. В 1958 году, Ю.Н. Денисюк, будучи аспирантом ГОИ (Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова, Ленинград) придумал метод, названный им «волновой фотографией», для того, чтобы записать и затем воспроизвести волновой фронт света. Как и Д. Габор, он использовал ртутную лампу в качестве когерентного источника излучения.

Юрий Николаевич Денисюк

Юрий Николаевич Денисюк

При этом, Ю.Н. Денисюк и его коллеги разработали толстослойные и достаточно светочувствительные фотографические эмульсии высокого разрешения (изготовленные по методу Г. Липпмана) для записи интерференционной картины в объеме эмульсионного слоя. В качестве объектов записи для его первых голограмм были использованы сферические зеркала. При этом, в отличие от голограмм Д. Габора, голограммы Ю.Н. Денисюка можно было рассматривать в белом (не монохроматическом) свете, благодаря их чрезвычайно высокой спектральной селективности, а цвет восстановленного голограммой изображения будет определяться периодом записанной интерференционной картины.

В 1963 году Ван-Хирденом была опубликована статья в которой оценивались перспективы использования голографического метода для записи и хранения информации в объемных средах. Согласно этим теоретическим оценкам плотность записи на голографическом объемном материале может достигать 104 бит/мкм2. Для описания свойств голограмм в объёмных средах Г. Когельником в 1969 году была разработана теория «связанных волн», получившая всеобщее признание и дальнейшее развитие в теоретических работах Б.Я. Зельдовича, В.Г. Сидоровича (СССР) и др.

Таким образом, в 60-е годы голография получила всемирное признание научной общественности, что и было подтверждено присуждением Д. Габору в 1971 году Нобелевской премии по физике за изобретение голографии.

 

Практическое применение голографических технологий

 

В настоящее время голография находит широкое применение в различных областях науки и техники, таких как:

  • Изобразительная голография
  • Защитные технологии
  • Голографические системы записи и обработки информации
  • Голографическая интерферометрия
  • Голографические и дифракционные оптические элементы
  • Голографические системы распознавания образов

Одним из наиболее востребованных применений голографии является изготовление дифракционных решеток. Ю.Н.Денисюк активно поддерживал работы по изготовлению голограммных дифракционных решеток. Голографический способ записи дифракционных решеток позволяет не только снизить трудоемкость их изготовления, но также значительно улучшает их характеристики, а именно, у таких решеток снижается светорассеяние, повышается разрешающая способность. Работы в этом направлении, проводимые под руководством Ю.Н. Денисюка привели к созданию в Санкт-Петербурге в 1991 году компании «ХолоГрэйт». Использование в компании «ХолоГрэйт» неорганического фоторезиста на основе халькогенидного стекла позволило разработать технологии практически бездефектной регистрирующей среды на которой записываются голограммные дифракционные решетки большого формата с частотой линий до 3600 линий/мм. Определяющий вклад в становлении технологии изготовления голограммных дифракционных решеток в «ХолоГрэйте» внесли сотрудники отдела голографии Ю.Н. Денисюка: Герке Рудольф Робертович, Юсупов Игорь Юрьевич, Дубровина Татьяна Григорьевна.

Герке Рудольф Робертович

Герке Рудольф Робертович

Компания «ХолоГрэйт» использует фоторезистивные неорганические материалы также и для записи защитных голограмм различного типа, которые применяются для защиты документов и продукции от подделок и несанкционированного доступа. Важный вклад в разработку технологии записи таких голограмм внесли Гальперн Александр Давыдович, Михайлов Михаил Дмитриевич, Белых Анна Васильевна.

Гальперн Александр Давыдович

Гальперн Александр Давыдович