Оптика ★★☆ Середній Нове

🔮 Голографія

Запиши голограму, дозволивши об'єктній та опорній хвилям інтерферувати на площині запису, а потім відтвори віртуальне зображення, освітивши голограму лише опорним промінем. Клікни на сцену, щоб перемістити точкове джерело.

Сцена: опорна + об'єктна хвилі
Голограма: картина інтерференції
λ = 532 нм (зелений)
Крок смуг: —
Режим: Запис

Як працює голографія

Голограма записує не лише інтенсивність світла, а й його фазу. Для цього когерентний лазерний промінь розщеплюється на два:

Опорний промінь — плоска хвиля, що падає на середовище запису під фіксованим кутом θ.
Об'єктний промінь — світло, розсіяне об'єктом (тут — точкове джерело), яке також потрапляє на носій.

Там, де ці хвилі зустрічаються, виникає інтерференційна картина — система світлих і темних смуг, крок яких залежить від довжини хвилі λ та кута між пучками: d = λ / (2 sin(θ/2)).

Відтворення: освітлюємо проявлену голограму лише опорним пучком. Інтерференційні смуги діють як дифракційна решітка, що відтворює початкову об'єктну хвилю — виникає уявне зображення за голограмою та дійсне зображення перед нею.

Переміщуй повзуни або клікай на сцені, щоб змінити положення об'єкта.

Про принципи голографії

Голографія — це наука про запис і відтворення повних оптичних хвильових фронтів, яка фіксує як амплітуду, так і фазу світла, розсіяного об'єктами сцени. Денніс Габор запропонував цю ідею ще в 1948 році як спосіб покращити роздільну здатність електронного мікроскопа, але саме винахід лазера в 1960 році зробив практичну оптичну голографію можливою — за що Габор отримав Нобелівську премію з фізики в 1971 році.

В основі фізики лежить оптична інтерференція: об'єктна хвиля та когерентна опорна хвиля накладаються на носії запису, утворюючи мікроскопічні смуги, крок і контраст яких кодують фазу та амплітуду світла в кожній точці. Математичне відтворення через Фур'є-оптику показує, що освітлення проявленої голограми опорною хвилею дифрагує світло саме так, щоб точно відтворити початковий хвильовий фронт.

Сучасна голографія охоплює цілу екосистему застосувань: аналогові голограми на основі галогенідів срібла для захисних етикеток, цифрова голографічна мікроскопія для кількісної біології, голографічні оптичні пінцети для маніпуляції окремими клітинами, голограми з мультиплексуванням довжин хвиль для кольорових 3D-дисплеїв та обчислювальні голографічні проєкції для AR-окулярів. Ця галузь перебуває на перетині оптики, теорії інформації та матеріалознавства.

Часті запитання

Яка властивість лазерного світла робить голографію можливою?

Голографія потребує когерентного світла — фотонів зі сталим фазовим співвідношенням у часі (часова когерентність) і по всьому перерізу пучка (просторова когерентність). Лазери забезпечують обидва види когерентності, що дозволяє утворювати стабільні інтерференційні смуги протягом часу експозиції. Звичайне біле світло має занадто коротку довжину когерентності.

Що таке довжина когерентності і чому вона важлива?

Довжина когерентності — це максимальна різниця довжин ходу між опорним і об'єктним променями, за якої інтерференційні смуги залишаються видимими. Вона має перевищувати глибину сцени, що записується. Гелій-неонові лазери мають довжину когерентності в десятки сантиметрів; діодні лазери — від міліметрів до метрів.

Як створюють кольорові голограми?

Повнокольорові голограми записують одночасно трьома лазерами на червоній, зеленій і синій довжинах хвиль. Кожна довжина хвилі утворює власний набір смуг з дещо іншим кроком; освітлення тими самими трьома довжинами хвиль відтворює всі три кольорові канали, які разом відтворюють початкові кольори.

Що таке голографічна інтерферометрія?

Голографічна інтерферометрія порівнює два хвильові фронти, записані в різний час або за різних умов. Будь-яка деформація чи вібрація об'єкта змінює довжини оптичного ходу, створюючи інтерференційні смуги у відтвореному зображенні, які відображають зміщення з нанометровою точністю.

Що обмежує роздільну здатність голограми?

Роздільна здатність голограми обмежується розміром зерна носія запису (зазвичай 1–3 мкм для плівки високої роздільної здатності), когерентністю джерела світла та механічною стабільністю під час експозиції (вібрації, більші за λ/4, розмивають смуги). Цифрові голограми додатково обмежені кроком пікселів матриці камери.