Jak Działa Holografia: Nagrywanie Światła jako Fala

Dlaczego światło koherentne jest niezbędne

Zdjęcie rejestruje |E|² – średni prądeność pola elektromagnetycznego – i traci wszelkie informacje o fazie. Jednak faza przenosi informacje o głębokości: dwa punkty w różnych odległościach rozszczepiają fale, które podróżują różnymi ścieżkami i akumulują różne fazy. Rejestracja fazy wymaga interferencji, która z kolei wymaga światła koherentnego, utrzymującego stałą zależność fazową podczas naświetlania. Źródła światła zwykłego mają długość koherencji w mikrometrach; światło laserowe zachowuje koherencję na metry lub nawet kilometry. Dennis Gabor zaprezentował holografię w 1948 roku, wykorzystując przefiltrowany źródło promieniowania rtęciowego przed powszechnym zastosowaniem laserów, ale kontrast był słaby, aż do momentu, gdy Leith i Upatnieks dostosowali technikę do laserów w latach 1960-1962.

Nagrywanie: podział wiązki na ślad i odniesienie

Wyłanczany jest pojedynczy promień lasera, który dzielony jest na promień referencyjny (przechodzi bezpośrednio do filmu) i promień obiektowy (oświetla podmiot). Promień obiektowy rozszepczany jest od podmiotu we wszystkich kierunkach, a każdy punkt staje się źródłem falem z własnym przesunięciem fazowym. Promieniowanie referencyjne i obiektowe spotyka się na filmie holograficznym, tworząc wzorzec interferencji w skali submikrometrów, który emulsią siarczanowa srebra (ziarna 100-1000 nm) rejestruje jako zmienną gęstość po procesie utrwalania. Płytę należy trzymać nieruchomo z dokładnością do około jednej trzeciej długości fali lasera (~300 nm) podczas naświetlania – typowe czasy naświetlania wynoszą 1-30 sekund na wibrowanym stole optycznym.

Interferencyjny wzór i rekonstrukcja

Przy użyciu wiązki odniesienia R i fali obiektu O padających na film, zarejestrowana intensywność wynosi I = |R+O|² = |R|² + |O|² + R*O + RO*. Dwa ostatnie wyrażenia kodują informację holograficzną – R*O stanowi dyfrakcyjną siatkę przenoszącą zarówno amplitudę, jak i fazę fali obiektu, rozłożoną na całej powierzchni płyty. W celu rekonstrukcji należy oświetlić rozwiniętą holografię tą samą wiązką odniesienia R; fala przesyłana R·I zawiera termin |R|²·O, który odpowiada dokładnie oryginalnej fali obiektu, zmierzonej. Rozproszona z płyty, zachowuje się jakby obiekt nadal tam był – idealny, trójwymiarowy obraz wirtualny z pełnym widzeniem binokularnym, a ruch głową ujawnia ukryte powierzchnie tak jak w przypadku rzeczywistego obiektu.

Recorded intensity:   I = |R|² + |O|² + R*O + RO*
Reconstruction:        R·I = R(|R|²+|O|²) + |R|²·O + R²·O*
                                              ↑ this term reconstructs
                                                the object wave exactly

Odkrycie Gabora i przełom z wykorzystaniem kąta nachylenia

Dennis Gabor wynalazł holografię w 1948 roku, podczas ulepszania rozdzielczości mikroskopu elektronowego, i otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1971 roku. Jego pierwotny układ jednobezwiatkowy "in-line" generował nakładające się obrazy rzeczywiste i wirtualne. Emmett Leith i Juris Upatnieks (1962) wprowadzili kątowy promień referencyjny – dzieląc wiązkę pod kątem, tak aby obraz rzeczywisty, obraz wirtualny oraz termin zerowy oddzielały się przestrzennie, konfiguracja wykorzystywana we wszystkich współczesnych hologramach wyświetlających. Yuri Denisyuk (1962, ZSRR) niezależnie opracował holografię odbiciową widoczną w białym świetle, stanowiącą podstawę wypukłych hologramów zabezpieczających stosowanych na kartach kredytowych i banknotach.

Od pasków zabezpieczających po pamięć holograficzną

Wytłaczane hologramy – master hologram naświetlony na folię polimerową z warstwą metalizacyjną – są tanie w produkcji masowej i trudne do podrobienia, występując na kartach kredytowych, paszportach i banknotach. Pamięć holograficzna teoretycznie może osiągnąć 1 TB/cm³ poprzez nakładanie wielu hologramów w tym samym wolumenie za pomocą wielozwiotowego ułożenia (ang. angular multiplexing); InPhase Technologies osiągnął 515 Gbit/in² przed upadkiem firmy w 2010 roku. Polarometryczna tomografia koherentna opartej na optyce wykorzystuje zmienność krysji tkaniny do rozróżniania typów tkanin nieinwazyjnie, a Microsoft HoloLens wykorzystuje łączniki falowodniowe związane z holografią generowaną komputerowo, aby nakładać obrazy na rzeczywistość.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz the simulation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.