 |
Виды голограмм и возможности их применения.
|
|
|
|
В ряде технологических процессов можно использовать образуемые голограммами действительные изображения. При просвечивании голограмм мощным лазером можно наносить на обрабатываемые поверхности сложные узоры. В частности, голограммы
уже применялись для бесконтактного нанесения микроэлектронных схем.
Основные преимущества голографических методов перед обычными – контактными или проекционными – достижение практически безаберрационного (неискаженного) изображения на большом поле. Предел разрешения голограммы может достигать долей длины световой волны.
На изображение практически не влияют пылинки, осевшие на голограмму, царапины и другие дефекты, в то время как для контактных или проекционных фотошаблонов это приводит к браку.
Другое применение голограммы в технологии – использование ее в качестве линзы. Фокусирующие свойства зонных решеток известны давно. Однако применение решеток ограничивалось трудностями их изготовления. С помощью голографических линз получали отверстия диаметром до 14 мкм в танталовой пленке, нанесенной на стекло. Голографические решетки совсем не имеют ошибок, свойственных обычным решеткам, нарезанным на делительной машине.
Явление голографии свойственно не только электромагнитным волнам (таким как свет), но и механическим (звуковым).
Соответственно, существует два основных вида голограмм: оптические и акустические. Как показала практика, голографический метод записи информации применим не только к электромагнитным, но и к звуковым волнам. Когерентные звуковые волны известны давно, и ультразвуком можно «освещать» очень большие объекты. Принципы получения звуковой и оптической голографии одни и те же, только вместо изменения интенсивности света измеряется интенсивность давления. Звуковые волны без труда проникают в непрозрачные для света предметы [7].
|
|
|
Перспективный метод акустической голографии ― воздействие на воду звуком высокой частоты. При этом на поверхности воды возникает рябь, заменяющая собой интерференционную решетку оптической голограммы. Ее освещают лазером и получают изображение предмета, «освещаемого» звуковой волной. Однако изображение, полученное таким образом, будет находиться далеко от поверхности воды. Чтобы оно находилось близко нужно сфокусировать его при помощи линз. Также рябь легко разрушается от малейшего внешнего воздействия. Можно также просто фотографировать рябь и проявлять ее обычным способом. Можно улучшить качество голограммы, создав нефтяную пленку на поверхности воды. Другими словами, акустическая голография дает возможность создавать оптический аналог акустическому волновому полю. Такие голограммы имеют многообещающие перспективы во многих областях науки, техники и медицины.
В чем состоят преимущества использования звука вместо света? Взаимодействие звука с твердыми и жидкими телами отличается от взаимодействия с ними электромагнитного излучения. Звук может без заметных потерь энергии проходить большие расстояния в плотной однородной среде, однако он будет терять значительное количество энергии при прохождении поверхности раздела. Эта потеря связана с отражением на границе. Наоборот, электромагнитное излучение, такое, как рентгеновские лучи, теряет значительное количество энергии, проходя через среду, но на поверхности раздела потери незначительны. Поэтому только звук может быть эффективен в медицинской диагностике, при неразрушающих испытаниях, в подводной и подземной локации.
В медицине давно используются аппараты УЗИ, позволяющие при помощи звука увидеть внутренние органы человека. Однако изображение, полученное таким образом, будет двумерным. А при использовании голограммы ― трехмерным.
|
|
|
С помощью голографии успешно решается и проблема визуализации акустических полей, что имеет большое прикладное значение. Возможные применения звуковой голографии: дефектоскопия, изучение рельефа морского дня, звуколокация, звуконавигация, поиск полезных ископаемых, исследование структуры земной коры и т.д. Особое значение имеет ультразвуковая голография для медицинской диагностики.
Регистрация звуковых голограмм производится таким образом, чтобы запись допускала оптическое восстановление. Для этого используются следующие методы: сканирование звукового поля, деформация поверхности жидкости под действием звукового давления, объемнаяголограмма.
Преимущество оптической голограммы над акустической в более неприхотливой поверхности записи. Фотографическая пластинка и интерференционная картина не портятся от встряхивания и даже от разлома пополам.
Голография стала для инженеров настоящим подарком: теперь они могут исследовать и регистрировать процессы и явления, описанные порой только теоретически [5].
Например, лопатки турбореактивного авиационного двигателя во время работы нагреваются до сотен градусов и деформируются. Каким образом распределяется при этом напряжение в детали, где находится ее слабое место, угрожающее разрушением, – определить это прежде было либо крайне сложно, либо вообще невозможно. С помощью голографических методов такие исследования проводят без особого труда.
Освещенная лазерным светом, голограмма восстанавливает световую волну, отраженную деталью при съемке, и изображение появляется там, где раньше находилась деталь. Если же деталь осталась на месте, возникают сразу две волны: одна идет непосредственно от объекта, другая – от голограммы. Эти волны когерентны и могут интерферировать. В том случае, если объект во время наблюдения подвергся деформации, его изображение покрывается полосами, по которым судят о характере изменений.
У современных технологов появилась новая идея. Она основана на способности лазера по заданной программе «сделать» из заготовки деталь любой формы и размера. Достаточно внутрь технологического лазера вставить голограмму эталонной детали, чтобы избавиться от необходимости писать программу и настраивать лазерную установку. Голограмма сама «подберет» такую конфигурацию луча и распределение его интенсивности, что «вырезанная» деталь будет точной копией эталона [5].
|
|
|
Надо обратить внимание на еще один, очень похожий способ выделения полезных сигналов, который называется оптической фильтрацией, или распознаванием образов. Подобным образом можно отыскивать нужные изображения среди множества других похожих, например отпечатков пальцев (например, в криминолистике). Для этого с эталона необходимо сделать голограмму, а затем поставить на пути светового пучка, отраженного от проверяемого объекта. Голограмма пропустит свет только от объекта, полностью идентичного эталону, «бракуя» другие изображения. Яркое пятно на выходе оптического фильтра – сигнал, что объект обнаружен. Примечательно, что поиск ведется с огромной скоростью, недостижимой при использовании других методов, поскольку он может вестись автоматически.
Голограммы музейных редкостей уже сделались довольно обычной вещью. Начинают появляться, хотя еще редко, объемные книжные иллюстрации. В то же время, возможность создания объемных изображений открывает новые направления в искусстве – изобразительную голографию и оптический дизайн.
Радужные голограммы Бентона зарегистрированные на тонкослойных светочувствительных материалах (толщиной менее 20мкм) и допускающие восстановление белым светом, меняют цвет при изменении угла наблюдения. Такие голограммы получили широкое распространение в качестве изобразительных голограмм, различных элементов кодирования, маркировки, украшения полиграфической продукции и для повышения защищенности от подделок документов, ценных бумаг и товарных знаков.
Очень перспективна идея голографических носителей, которая заключается в записи информации с помощью лазерного луча на трехмерную подложку, вместо нескольких гигабайт, такая среда могла потенциально сохранять терабайты данных на носителе не больший чем компакт-диск. Голографические данные могут считываться на очень высоких скоростях.
|
|
|
В настоящее время технология этих устройств в достаточной степени отработана, а наиболее сложной задачей стал подбор вещества-носителя информации. В январе 2001 года компания Lucent сообщила о создании носителя, способного выдержать до 1000 циклов перезаписи без ущерба сохранности данных и скорости доступа к ним. Внешне носитель напоминает прозрачный компакт-диск. По данным Imation первые голографические диски смогут хранить около 125 Гб информации, а скорость передачи данных составит до 30 Мб/с.
Однако, голография − вещь не только практического применения, но и важная составляющая современной физики, возможный путь к пониманию устройства нашей Вселенной.
Информационная емкость устройств типа жестких дисков растет год от года, а их размер все уменьшается и уменьшается. Изучая свойства черных дыр физики, вывели абсолютный предел количества информации, которая может содержаться в определенной области пространства или определенное количество вещества. Связанные с этим результаты указывают, что наша Вселенная, которую мы воспринимаем как имеющую три пространственных измерения, на самом деле может быть "написана" на двухмерной поверхности, подобно голограмме.
Заключение.
Основоположниками голографии являются Д. Габор - изобретатель голографии, который впервые сформулировал данное понятие и ввел термин «голография», и Ю.Н. Денисюк - первооткрыватель и основатель голографии в трехмерных средах, чье открытие «трехмерная голограмма» перевело голографический метод из области инструментальной оптики в область фундаментальной физики.
Начало широкому практическому применению голографии положили Э. Лейт и Ю. Упатниекс, применившие для регистрации голограмм лазер и внеосевую схему расположения интерферирующих пучков.
Появились исследования, которые заложили основы ряда современных направлений: цифровая голография, динамическая голография - направление, объединяющее голографию и нелинейную оптику, поляризационная голография, акустическая, изобразительная и другие.
Массовая печать и научно-фантастическая литература часто преподносят голографию в довольно искаженном, неверном свете. Нередко они создают в общем неправильное представление об этом методе. Увиденная впервые голограмма завораживает, но физическое объяснение того, как она работает, производит не меньшее впечатление. Только после этого начинаешь понимать как потенциальные возможности, так и пределы применимости голографии - не только сегодня, но и в будущем.
Голография − очень важная область современной науки и техники. Она может быть использована как в бытовых целях (развлечения, 3-D камеры), так и в разных областях науки: от медицины (изучение внутренностей без хирургического вмешательства) до физики (создание теории, проливающей свет на устройство Вселенной). Сейчас раскрыт не весь потенциал голографии, но огромные перспективы, скорее всего, со временем привлекут множество учёных и инвесторов к развитию этого интересного предмета.
|
|
|
Согласованные усилия многих исследователей позволили накопить ряд сведений и фактов о свойствах трехмерных голограмм. За этими на первый взгляд разрозненными фактами достаточно отчетливо вырисовывается то единое явление природы, которое лежит в их основе. Оказывается, что материализованная объемная картина волн интенсивности способна воспроизводить волновое поле со всеми его параметрами - амплитудой, фазой, спектральным составом, состоянием поляризации и даже с изменениями этих параметров во времени.
В качестве заключения также необходимо указать, что наряду с рядом практических задач, решенных методами голографической проекции, существует целый спектр проблем, решение которых методами голографии является задачей будущего. В основном это связано, что общая картина этого явления пока еще далека от завершения. И дело здесь не только в том, что в ряде случаев мы не знаем полностью набор отображающих свойств некоторых видов голограмм. Есть все основания считать, что будут открыты новые неожиданные оптические свойства голограмм. Вполне вероятно, что ряд новых эффектов будет обнаружен при применении светочувствительных материалов, обладающих специфическими свойствами, подобно тому, как применение резонансных и поляризационных сред открыло возможность записи временных и поляризационных характеристик волновых полей. И наконец, прецедент объединения голографии и нелинейной оптики в динамическую голографию показывает, что внесение идей голографии в смежные с ней области знаний может привести к появлению совершенно новых направлений.
Целью данного реферата являлось изучение явления голографии и возможности ее использования методами. Примененная методика - проведение изучения исторических предпосылок возникновения голографии, описание основных методов голографии и их свойств, а также рассмотрение основных видов голограмм и их свойств. Анализ проделанной работы показывает, что цели, поставленные созданием данного реферата в основной степени достигнуты.
Литература
1. Андреева О. В. Прикладная голография: учебное пособие. /
О. В. Андреева. – СПб: СПбГУИТМО, 2008. – 184 с.
2. Горбунов А. К. Курс физики для довузовской подготовки / А. К. Горбунов и др. – М.:.Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010.
3. Денисюк Ю. Н. Принципы голографии / Ю. Н. Денисюк. – Л.: ГОИ,
1978. – 125 с.
4. Корешев С. Н. Основы голографии и голограммной оптики /
С. Н. Корешев – СПб: СПбГУИТМО, 2009. – 97 с.
5. Мусский С. А. 100 великих чудес техники. – М.: Вече. – 2006.
6. Физика: учеб. для 11 кл. шк. с углубл. изуч. физики / А. Т. Глазунов и др.; под ред. А. А. Пинского. – 5-е изд. – М.: Просвещение, 2000. – 432с.
7. Энциклопедический словарь юного физика / сост. В. А. Чуянов. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Педагогика, 1991. – 336 с.
Интернет ресурсы:
8. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2011.
9. Свободная Интернет-энциклопедия Википедия //ru.wikipedia.org.
Приложение 1.
|
|
|
