Holografie. Marek Škereň. Základní praktikum z optiky a optoelektroniky 12ZPOP

Holografie Základní praktikum z optiky a optoelektroniky 12ZPOP

Marek Škereň

Skupina optické fyziky Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská České vysoké učení technické v Praze http://optics.fjfi.cvut.cz

Obsah přednášky

 úvod do holografie – motivace, historie holografie, základní fyzikální principy, difrakce světla, difrakční mřížky, základy holografie, záznam hologramů, rekonstrukce, ...

 typy hologramů – transmisní a reflexní hologramy, duhové hologramy, barevné hologramy, achromatické hologramy, pulzní hologramy, ...

 syntetické hologramy – počítačem generované hologramy, holografické stereogramy, ...

 realizace hologramů – záznamové materiály pro holografii, realizace syntetických hologramů, dynamické hologramy, ...

 závěr – aplikace holografie, budoucnost holografie, ukázky hologramů, ...

2

Obsah přednášky






3

Co je to hologram? Holografie – holos (úplný) grafo (záznam)  metoda záznamu optického signálu, která zohledňuje jeho komplexní charakter  vede na “úplný” záznam amplitudy i fáze  zachovává 3-dimenzionální charakter zaznamenávané scény Historie holografie:  Denis Gabor – 1947 – objev holografie (Nobelova cena v roce 1971)  původní snahou bylo zvýšení rozlišení v mikroskopii  praktická realizace byla v důsledku neexistence dostatečně koherentních zdrojů problematická  k dalšímu rozvoji holografie došlo po objevení laseru v 60. letech  Emmett Leith, Juris Upatnieks – 1962 - mimoosové schema – obecný transmisní hologram  Jurij Denisjuk – 1962 – reflexní hologram na jednosvazkovém principu  Stephen Benton – 1969 – duhový hologram Různé pohledy na holografii  metoda optického záznamu (podobně jako fotografie)  obecnější pohled - metoda realizace obecné transformace vlnoplochy 4

Proč “nestačí” fotografie?  při záznamu fotografie nejsme schopni zachytit informaci o tom, ze kterého směru světlo na film dopadlo  zaznamenáváme pouze intenzitu v daném bodě

2

1

3

fotografovaný objekt

zobrazovací záznamový objektiv materiál (film, CCD)

1 2 3

 při pozorování fotografie z různých úhlů nevidíme objekt z různých stran  každý bod fotografie vysílá při pozorování do celého poloprostoru stejnou informaci

skutečný objekt

fotografie 5

Interferenční proužky a fáze vlny  nechme signální vlnu interferovat s další, tzv. referenční vlnou  zaznamenejme intenzitu interferenčního pole  hustota interferenčních proužků závisí na úhlu mezi vlnami (a vlnové délce světla)  podmínkou vzniku proužků je vzájemná koherence vln  typická periodicita proužků je ~ 300-800 nm

 vložíme-li do jediného svazku skleněnou destičku a provedeme záznam, přítomnost destičky se neprojeví  když postup zopakujeme i s referenční vlnou, přítomnost destičky se projeví posunem proužků  i intenzitní záznam tedy nese informaci o fázi  otázkou je, jestli umíme tuto informaci ze záznamového média posléze správně číst

6

Holografický záznam  zaznamenejme místo signální vlny interferenční pole této vlny s hladkou referenční vlnou referenční vlna r

 záznam je opět intenzitní, ale fáze vln se promítá do posuvu interferenčních proužků  vznik proužků je podmíněný koherencí svazků => prakticky musí oba pocházet ze stejného laseru a délky jejich drah se můžou lišit maximálně o jeho koherenční délku

záznamový materiál

objekt

signální vlna s

 intenzita zaznamenávaného interferenčního pole

Irec = jr + sj2 = jrj2 + jsj2 + rs¤ + r¤ s

r = r0 ei!t e¡ik:r s = s0 (x; y; z)ei!t e¡iÁ(r)

 za předpokladu linearity záznamu platí pro transmitanci hologramu po vyvolání:

t » Irec = jrj2 + jsj2 + rs¤ + r¤ s 7

Rekonstrukce hologramu zaznamenaný hologram

 při rekonstrukci posvítíme na hologram rekonstrukční vlnou identickou s vlnou referenční při záznamu  pole za hologramem sestává ze tří vln

r

|r|2s

u = t:r » r(jrj2 + jsj2) + r2s¤ + jrj2s r(|r|2+|s|2) rekonstrukční vlna r zaznamenaný hologram

r2s*

 jedna z vln za hologramem odpovídá přesně původnímu signálu přícházejícímu od objektu virtuální obraz

 užitečný signál lze od dalších dvou vln separovat prostorově – volbou úhlu dopadu referenční vlny

signální vlna s

8

Jak vypadá hologram “zblízka”  pod mikroskopem hologram připomína pravidelnou mřížku, její periodicita se ale pomalu v prostoru mění  vlastnosti hologramů lze odvodit z vlastností pravidelných mřížek, kterých studium je jednodušší

2μm 20μm

5μm

Difrakční mřížka  při difrakci na pravidelné mřížce dochází ke vzniku tzv. difrakčních řádů  poloha řádů je daná mřížkovou rovnicí

sin µm

¤=

2¼ jK j

k1 k0

¸ = sin µi + m ¤

 směr difrakce závidí na hustotě mřížky a vlnové délce světla  hologram je vlastně “správně zdeformovaná” mřížka, která vytváří místo jednoduchého řádu požadovaný obraz

kix

k¡1 ki

k¡2 k¡3

9

Kopírování hologramů  hologram lze rekonstruovat také tzv. konjugovanou vlnou – v případě rovinné referenční vlny je taková vlna rovněž rovinná, ale dopadající z opačné strany

2

u = t:r¤ » r¤ (jrj2 + jsj2 ) + jrj2 s¤ + r¤ s

 rekonstrukcí hologramu je potom tzv. reálný obraz fokusující se v místě původního objektu  reálný obraz lze jednoduše využít ke kopírování hologramů  přístup umožňuje posunout objekt do těsné blízkosti hologramu, resp. nechat rovinu hologramu procházet objektem

10

Co potřebuji k záznamu hologramu?  požadavky na koherenci zdroje – interferenční proužky vzniknou pouze pokud jsou svazky dostatečně koherentní – nutnost použití laseru jako zdroje světla  vysoká hustota interferenčního pole (až 250 nm) => požadavek vysokého rozlišení (>100 000 dpi)  vysoké rozlišení materiálu = nízká citlivost => dlouhé expoziční časy => nutná vysoká stabilita  existuje široká škála záznamových materiálů  jedním z nejdůležitejších jsou halogenostříbrné emulze vycházející z fotografických materiálů

11

Lze hologram rekonstruovat bílým světlem?  popsaný mechanizmus rekonstrukce funguje přísně vzato pouze pokud je rekonstrukční vlna totožná s vlnou referenční => tzn. je generována laserem  při rekonstrukci klasického transmisního hologramu bílým světlem difraktují díky disperzi světla na mřížce různé barvy pod různými úhly a obraz je rozmazaný

 jednou z možností jak zrekonstruovat hologram běžným bílým světelným zdrojem je použít tzv. reflexní hologram  reflexní hologram při rekonstrukci vytváří obraz v odraženém světle  přirozenou vlastností reflexního hologramu je vysoká citlivost na vlnovou délku rekonstrukční vlny  při rekonstrukci bílým světlem difraktuje do oka pozorovatele pouze úzké spektrum vlnový délek, ostatní nejsou ovlivněny a projdou hologramem beze změny 12

Obsah přednášky






13

Transmisní x reflexní hologramy  když při záznamu hologramu dopadají referenční a signální vlna na médium ze stejné strany, je výsledkem tzv. transmisní hologram  při rekonstrukci transmisního hologramu se obraz formuje z rekonstrukční vlny při průchodu hologramem

 když při záznamu hologramu dopadají referenční a signální vlna na médium z různých stran, je výsledkem tzv. reflexní hologram  při rekonstrukci reflexního hologramu se obraz formuje z rekonstrukční vlny při odrazu od hologramu

14

Duhové hologramy  koncept duhového hologramu navrhl v roce 1969 S. Benton  jedná se o transmisní hologram rekonstruovatelný v bílém světle za cenu omezení jedné paralaxy ➢ záznam primárního masteru

➢ kopie přes štěrbinu

 rekonstrukce zachovává prostorové vlastnosti pouze v horizontálním směru  při rekonstrukci v bílém světle se jednotlivé barvy nemixují, ale fokusují se do štěrbin seřazených nad sebe  ve vertikálním směru se postupně mění barvy hologramu 15

Barevné a pseudobarevné hologramy “Pravé” barevné hologramy  barevný hologram lze realizovat expozicí třemi lasery na tzv. panchromatickou emulzi  expozice můžou probíhat postupně anebo současně  problémem je dostupností vhodných laserů a emulzí s vyváženou citlivostí a vlastnostmi ve viditelném spektru

Pseudobarevné hologramy  hologramy s různou barvou rekonstrukce se mikrostrukturálně liší pouze periodicitou

záznam jediným laserem

rekonstrukce bílým světlem

 změnu periodicity lze dosáhnout nejenom změnou barvy ale také změnou záznamové geometrie  tímto způsobem lze zaznamenat barevný hologram jediným laserem ve tří postupných expozicích s různým úhlem dopadu referenční vlny

16

Pulzní hologramy  dosavadní úvahy o záznamovém procesu vyžadovaly stabilitu celé scény na úrovni ~ desítek nanometrů po celou dobu expozice (při použití dostupných kontinuálních laserů ~ jednotky vteřin)  pro záznam živého objektu je potřebné expoziční dobu výrazně zkrátit  k tomuto účelu lze použít například pulzní rubínový laser (694nm) operující v tzv. Q-switch režimu s délkou pulzu ~ desítky nanosekund a energií pulzu ~ jednotky Joule  v tomto případě není nutné scénu nijak stabilizovat, odpadají náklady na tlumící systémy, atd.

? je expozice nebezpečná pro oči ?

17

Obsah přednášky






18

Počítačová syntéza hologramu  komplikovaný proces záznamu, nutnost použití modelu, atd. vedou k úvahám o počítačové syntéze hologramu  první syntetické hologramy byly vytvořeny již v 70-tych letech dvacátého století  masovější nasazení syntetických prvků začalo až v 90-tych letech díky rozvoji výpočetní techniky a litografických technik  cílem je dospět k hologramu objektu vygenerovaného počítačem  výhodou je, že objekt nemusí reálně existovat, lze jej libovolně transformovat, ...  počítačem je možné modelovat objekt a ten potom zaznamenat klasickou optickou cestou anebo lze přímo napočítavat mikrostrukturu hologramu

19

Přímý výpočet mikrostruktury  dokážeme-li popsat matematicky světelnou vlnu a její interakci s hologramem při rekonstrukci, můžeme numericky napočítat přímo jeho mikrostrukturu  obecným problém je extrémní hustota struktury a s ní spojené výpočetní nároky  strukturu je potřeba nakonec prakticky realizovat s nanometrovými detaily – vysoké nároky na technologii

rekonstrukční vlna

rekonstruovaný objekt

syntetický hologram

20

Holografické stereogramy  při záznamu hologramu v klasickém holografickém schematu musí být k dispozici model objektu  model musí být ve finální velikosti – objekty nelze zmenšovat a zvětšovat  nelze zaznamenat hologramy budov, přírodních scenérií, ...  snaha syntetizovat hologram z pohledů na objekt pořízených fotograficky anebo vygenerovaných počítačem  jedná se vlastně o multikanálový stereogram 2D pohled z daného směru

rovina objektu

společná referenční vlna primární hologram

finální hologram

rovina pozorování

21

Obsah přednášky






22

Záznamové materiály pro holografii Základní požadavky na záznamový materiál  vysoká rozlišovací schopnost – perioda struktury 200 – 900 nm odpovídá rozlišení 1000 - 5000 čar/ mm (30000 – 130000 dpi)  co nejvyšší citlivost v požadované oblasti viditelného spektra  objemová fázová struktura  stabilita, odolnost, ... Podle odezvy záznamového materiálu rozlišujeme  materiály s amplitudovou odezvou  materiály s fázovou odezvou ➢ materiály s prostorovým reliéfem ➢ materiály s objemovou modulací indexu lomu Z hlediska reverzibility rozlišujeme  permanentní záznam  reverzibilní záznam (resp. dynamický záznam měnitelný v reálném čase)

23

Halogenostříbrné emulze – absorpční záznam    

patří sem klasické fotografické procesy jedná se o velice citlivý proces, je založen na fotochemickém zesílení latentního obrazu k zesílení dochází v důsledku poexpozičního procesu – vyvolání primární proces je negativní – vyšší expozice vede na vyšší absorbci

nosič (želatina n=1.53) podložka (sklo, plast)

krystalky (zrna) halogenidů stříbra AgX (zejména AgBr n=2.236)

 velikost zrna souvisí s citlivostí a rozlišovací schopností – větší zrno znamená větší citlivost, ale menší rozlišovací schopnost – velikost zrna volíme i s ohledem na konkrétní aplikaci: ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢

holografické ultrajemnozrnné emulze – velikost zrna ~ 10-30nm holografické jemnozrnné emulze – velikost zrna ~ 30-50nm holografické emulze citlivé – velikost zrna ~ 50-100nm litografické emulze – velikost zrna ~ 200-350nm fotografické jemnozrnné emulze – velikost zrna ~ 350-700nm fotografické citlivé emulze – velikost zrna ~ 1-2μm rentgenovské citlivé emulze - velikost zrna ~ 2-2.5μm

24

Halogenostříbrné emulze – expozice a vyvolání  vlastní citlivost halogenidu je v UV oblasti, citlivost končí v okolí 480nm  spektrální citlivost je možné posunout do viditelné oblasti použitím optických senzibilizátorů – látek adsorbovaných na zrna halogenidu, které zprostředkují vznik potřebného fotoelektronu konverzí z jiného pásma  citlivost halogenostříbrných emulzí je v rozmezí zlomků μJ/cm2 až jednotky mJ/cm2 (typicky ~ stovky μJ/cm2)

expozice

latentní obraz

 při vyvolání dojde ke konverzi celých latentně exponovaných zrn na kovové stříbro – poměr celkového počtu stříbrných atomů k počtu absorbovaných fotonů se nazývá zisk

vyvolání

25

Halogenostříbrné emulze – fázový záznam Bělení – konverze absorbčního fotografického záznamu na fázový  existuje několik způsobů bělení pomocí různých běliček využívajících odlišný postup bělení

26

Další záznamové materiály Dichromovaná želatina  vysoký diferenciální index lomu, nízká absorpce, nízký šum a vysoké rozlišení, nízká citlivost  expozicí dochází ke konverzi Cr6+ na Cr3+ ,které způsobují zesíťování (cross-link) makromolekulární matrice, zesíťovaná místa jsou “tvrdší”, vykazují vyšší hustotu materiálu a vzniká modulace indexu lomu

expozice

hydratace

sušení

Fotorezisty  expozicí dochází ke změnám rozpustnosti polymerního materiálu ve vývojce, po vyvolání vzniká reliéf  citlivost rezistů je poměrně nízká, maximum citlivosti je v UV oblasti  pro holografii se využívá expozice He-Cd (442nm), Arion (458nm), LD (~ 405nm)

vyvolání

Fotopolymery  působením světla dochází k polymeraci monomeru  efekt je zesílen difuzí  procesy probíhají během expozice

expozice

monomér polymér

difúze monoméru

27

Klasický záznam hologramu v optickém schematu

dělič

reflexní matnice

objekt pinhole

záznamové médium laser

28

Rekonstrukce zaznamenaného hologramu

dělič

rekonstruovaný objekt pinhole

vyvolaný hologram laser

29

Kopírování hologramů

dělič

pinhole

pinhole

rekonstruovaný objekt vyvolaný primární hologram

záznamové médium (kopie)

laser

30

Realizace syntetických hologramů laserový (elektronový) zdroj

Litografie tenkým svazkem (direct-write)  zápis fokusovaným svazkem fotonů anebo elektronů  rozlišení laserových litografů je běžně ~ 50 000 dpi

fokusační optika

 rozlišení elektronových litografů běžně > 1 000 000 dpi y rezist

laserový zdroj

x

mikrodisplej fokusační optika (s velkým zmenšením)

rezist

y x

10μm

150μm

ukázky mikrostruktur realizovaných pomocí laserové a elektronové litografie

31

Ukázky mikrostruktury syntetických prvků  ukázky mikrostruktur vyrobených v rezistovém materiálu pomocí různých technologií (laserová a elektronová litografie)

32

Dynamické hologramy  dynamický záznam - interferenční pole lze zaznamenávat kamerou, problém je ale rozlišení (velikost pixelu ~ jednotky um, periodicita proužků ~ stovky nm)  dynamická rekonstrukce - vyžaduje dynamický prvek umožňující měnit mikrostrukturu hologramu v reálném čase

60μm

 využívají se mikrodispleje založené na kapalných krystalech (LCD) a deformovatelných mikrozrcátkách (DLP) s vysokou hustotou pixelů kapalné společná krystaly elektroda

vstupní polarizátor

U

výstupní polarizátor

1cm 40μm

laser 10–30 μm

40μm obraz

SLM adresovací elektrody

PC

PC

33

Obsah přednášky






34

Moderní aplikace hologramů  obrazové hologramy nejsou jedinou a nejdůležitejší aplikací  vzhledem k využívání světla (laseru) v mnohých oblastech slouží hologramy jako nástroj pro ovládání a tvarování světelných svazků  významné aplikace jsou v optických komunikacích, ukládání dat a optickém processingu  přehled vybraných aplikací: ➢ průmyslové aplikace jako řezání, svařování, popisování laserem ➢ optické komunikace a optické procesory ➢ holografické paměti ➢ optické mikromanipulace ➢ hologramy jako ochranné prvky ➢ hologramy pro 3D vizualizaci, head-up dispeje, ...

35

Hologramy pro průmyslové ůčely  lasery jsou využívány jako náhrada obráběcích nástrojů  výhodné pří popisování – bezkontaktní metoda, ...  systémy pro řezáni a svařování materiálů  tvarování a vychylování svazků lze řešit klasicky – mechanické skenery – pro některé aplikace nedostačující  ovládání svazku hologramem – flexibilní, rychlé, ...

laser difrakční prvek

ukázka Ni matrice s reliéfním difraktivním prvkem pro ůčely tvarování svazků

36

Hologramy pro optické komunikace  vzhledem k masivnímu nasazení optických technologií v přenosu informace se difraktivní optika uplatňuje v různých optických přepínačích, atd.  výhodou oproti konvenčním řešením je nízká hmotnost, cena, snadná replikovatelnost, odolnost vůči různým nežádoucím vlivům  difraktivní prvky se začínají využívat také při zpracování informací, kde částečně nahrazují některé funkce elektronických mikroprocesorů

matice optických vláken vstupní vlákno

DOE navržená difraktivní struktura

rekonstrukce

37

Holografické paměti  velice významná oblast aplikace – optické paměti typu CD, DVD, HDDVD, blue-ray ovládají tuto oblast  další zvyšování kapacity zmenšováním “pitů” již není možné

krycí vrstva reflexní kovová vrstva (Al) nosič s vylisovaným reliéfem (polykarbonát)

 holografický přístup umožňuje multiplexování ukládaných dat – v jediném místě média je uložený velký objem dat

compact disc

 snaha o zpětnou kompatibilitu s CD, ... detektor laserová dioda 780-830 nm

➢ technologie využívající holografického principu ➢ kapacita 1TB na médium, prototypy až 3.9 TB ➢ vysoká čtecí rychlost až 1Gbps

38

Hologramy jako ochranné prvky  hologram vykazuje úhlovou variabilitu, která je důsledkem vlastností mikrostruktury  mikrostruktura má periodicitu ~ 250 – 900 nm => nekopírovatelné  barevnost hologram je způsobená disperzí – nenapodobitelné kopírovacími technikami  lisované reliéfní hologramy vyráběné ve velkých sériích  aplikují sa na chráněné produkty jako samolepící etikety anebo prostřednictvím tzv. horké ražby

 snadná laická kontrolovatelnost  možnost zakomponování utajené informace – kryptogramy, mikrotexty  nízká cena  vysoká úroveň zabezpečení

39

Co hologram “neumí” ?  při pozorování rekonstrukce objektu musí spojnice oka pozorovatele a libovolného bodu obrazu protínat hologram  relativní poloha a velikost desky určuje rozsah úhlů, ze kterých je objekt viditelný  holografická deska tudíž nemůže být skryta někde “za rohem”

40

Hologram a 3D vizualizace  rekonstrukce hologramu je pozorovatelná většinou pouze z omezeného prostorového úhlu daného polohou a rozměry desky  hologram je vhodný pro vytvoření statického 3D obrazu, ale rekonstrukce je velmi závislá na poloze a kvalitě světelného zdroje pro rekonstrukci  i když principiálně lze realizovat holografické video (a v minulosti již bylo realizováno), v barvách, rekonstruovatelné v bílém světle: ➢ ve srovnání s jinými primitivnějšími technikami jako jsou polarizační projekce (IMAX), synchronizované závěrkové systémy, monitory s lentikulárním rastrem nebo přímá projekce do oka pozorovatele (virtuální realita) se jedná o cestu velmi náročnou a zbytečně těžkopádnou ➢ pro účely vytvoření iluze pro svým způsobem “nedokonalé” lidské oko jsou výše zmíněné techniky mnohem vhodnější ➢ tyto přístupy navíc můžou mít další výhody jako např. nezávislost na poloze pozorovatele, zpětná vazba na jeho pohyb, ...

 v oblasti dynamické 3D vizualizace nad hologramy pravděpodobně zvítězí jednodušší přístupy  obrazové hologramy se budou dále uplatňovat zejména ve statické sfěře pro umělecké, dokumentační, vědecké a průmyslové aplikace 41

Holografie Základní praktikum z optiky a optoelektroniky 12ZPOP

Marek Škereň

Skupina optické fyziky Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská České vysoké učení technické v Praze http://optics.fjfi.cvut.cz

Holografie. Marek Škereň. Základní praktikum z optiky a optoelektroniky 12ZPOP

Recommend Documents