Физика оптической голографии

Оптическая голография Это метод, который позволяет записывать оптический волновой фронт , а затем реконструировать его. Голография наиболее известна как метод создания трехмерных изображений, но она также имеет широкий спектр других применений .

Голограмма интерференционную создается путем наложения второго волнового фронта (обычно называемого опорным лучом) на интересующий волновой фронт, тем самым генерируя картину , которая записывается на физическом носителе. Когда интерференционную картину освещает только второй волновой фронт, он дифрагируется , воссоздавая исходный волновой фронт. Голограммы также можно создавать с помощью компьютера путем моделирования двух волновых фронтов и их сложения в цифровом виде. Полученное цифровое изображение затем печатается на подходящей маске или пленке и освещается подходящим источником для реконструкции интересующего волнового фронта.

Базовая физика

Чтобы понять этот процесс, полезно понять интерференцию и дифракцию . Интерференция возникает, когда один или несколько волновых фронтов накладываются друг на друга. Дифракция возникает, когда волновой фронт сталкивается с объектом. Ниже процесс создания голографической реконструкции объясняется исключительно с точки зрения интерференции и дифракции. Он несколько упрощен, но достаточно точен, чтобы дать представление о том, как работает голографический процесс.

Тем, кто не знаком с этими концепциями, стоит прочитать эти статьи, прежде чем читать дальше в этой статье.

Простая голограмма может быть получен путем наложения двух плоских волн от одного и того же источника света на световой записывающий носитель, такой как фотоэмульсия. Две волны интерферируют, образуя прямолинейный узор полос , интенсивность которого синусоидально меняется в среде. Расстояние между полосами определяется углом между двумя волнами и длиной волны света.

Записанный световой рисунок представляет собой дифракционную решетку , представляющую собой структуру с повторяющимся рисунком. Простой пример — металлическая пластина с прорезями, прорезанными через равные промежутки времени. Световая волна, падающая на решетку, разделяется на несколько волн; направление этих дифрагированных волн определяется расстоянием между решетками и длиной волны света.

Когда записанный световой узор освещается только одной из плоских волн, использованных для его создания, можно показать, что одна из дифрагированных волн представляет собой реконструкцию другой плоской волны.

Интерференция между точечным источником и плоской волной, падающей нормально на пластину.

Когда к точечному источнику добавляется плоская волна и записывается полученная интерференционная картина, голограмма точечного источника создается . По сути, это зонная пластинка Френеля , действующая как линза. Если плоская волна обычно падает на записывающую пластинку, на пластинке дифрагируются три волны.

исходная плоская волна

волна, которая кажется расходящейся от точечного источника - это реконструкция исходной волны точечного источника

волна, сфокусированная в точку на другой стороне пластины на том же расстоянии, что и исходный точечный источник

Это известно как линейная голограмма. Его полезность ограничена тем фактом, что все три волны накладываются друг на друга.

Если плоская волна освещает записывающую пластинку под ненормальным углом падения, то три дифрагированные волны теперь будут следующими:

исходная плоская волна

волна, которая кажется расходящейся от исходного точечного источника — это восстановленная волна

волна, которая сходится к точке, отклоненной от нормали на угол, в два раза превышающий угол падения плоской волны, - это называется сопряженной волной.

Три волны теперь разделены в пространстве. Это известно как внеосевая голограмма. Впервые он был разработан Лейтом и Упатниексом. и стал жизненно важным шагом на пути создания трехмерных изображений с помощью голографии.

Теория, лежащая в основе голографического процесса

Общая форма

Комплексную амплитуду монохроматической электромагнитной волны можно представить как

$\mathbf {U} (\mathbf {r} )=A\exp {i[\varphi (\mathbf {r} )]}$

где A представляет собой амплитуду вектора, а $\varphi (\mathbf {r} )$ его фаза .

Чтобы создать голограмму, две волны складываются вместе, чтобы получить общую комплексную амплитуду, которую можно представить как

$\mathbf {U} _{\text{T}}=\mathbf {U} _{\text{R}}+\mathbf {U} _{\text{O}}=A_{\text{R}}\exp {i(\varphi _{\text{R}})}+A_{\text{O}}\exp {i(\varphi _{\text{O}})}$

где R относится к записывающему волновому фронту, известному как опорный волновой фронт, а O относится к записываемому волновому фронту. Зависимость от r для ясности опущена.

Интенсивность комбинированных лучей равна среднему значению комплексной амплитуды, умноженной на ее комплексно-сопряженное выражение:

$\mathbf {I} _{T}=\left\langle \mathbf {U} _{\text{T}}\mathbf {U} _{\text{T}}^{*}\right\rangle =A_{\text{R}}^{2}+A_{\text{O}}^{2}+A_{\text{R}}A_{\text{O}}\exp {i(\varphi _{\text{R}}-\varphi _{\text{O}})}+A_{\text{R}}A_{\text{O}}\exp {-i(\varphi _{\text{R}}-\varphi _{\text{O}})}$

Носитель записи подвергается воздействию двух лучей, а затем проявляется. Предположим, что амплитудный коэффициент пропускания $\mathbf {t}$ проявленной фотопластинки линейно связана с интенсивностью интерференционной картины.

$\mathbf {t} =\mathbf {t} _{0}+\beta \left[A_{\text{R}}^{2}+A_{\text{O}}^{2}+A_{\text{R}}A_{\text{O}}\exp {i(\varphi _{\text{R}}-\varphi _{\text{O}})}+A_{\text{R}}A_{\text{O}}\exp {-i(\varphi _{\text{R}}-\varphi _{\text{O}})}\right]$

где $\mathbf {t} _{0}$ представляет собой постоянный фоновый коэффициент пропускания и $\beta$ является постоянным,

Когда проявленная фотопластинка освещается только опорным лучом, $\mathbf {U_{R}}$, амплитуда света, прошедшего через пластинку, U _H , определяется выражением

$\mathbf {U} _{H}=\mathbf {t} A_{\text{R}}\exp {i\varphi _{\text{R}}}=\left[\mathbf {t} _{0}+\beta \left[A_{\text{R}}^{2}+A_{\text{O}}^{2}+A_{\text{R}}A_{\text{O}}\exp {i(\varphi _{\text{R}}-\varphi _{\text{O}})}+A_{\text{R}}A_{\text{O}}\exp {-i(\varphi _{\text{R}}-\varphi _{\text{O}})}\right]\right]A_{\text{R}}\exp {i\varphi _{\text{R}}}$

Это можно разделить на три термина:

${\begin{aligned}\mathbf {U} _{1}&=\left[\mathbf {t} _{0}+\beta A_{\text{R}}^{2}+\beta A_{\text{O}}^{2}\right]A_{\text{R}}\exp {i\varphi _{\text{R}}}\\\mathbf {U} _{2}&=\beta A_{\text{R}}^{2}A_{\text{O}}\exp i\varphi _{\text{O}}\\\mathbf {U} _{3}&=\beta A_{\text{R}}^{2}A_{\text{O}}\exp {i(2\varphi _{\text{R}}-\varphi _{\text{O}})}\end{aligned}}$

$\mathbf {U} _{1}$ представляет собой модифицированную версию опорной волны. Первый член представляет собой версию с уменьшенной амплитудой, второй также является версией с уменьшенной амплитудой, если амплитуда опорной волны однородна. Третий член создает ореол вокруг переданной опорной волны, которым можно пренебречь, когда амплитуда объектной волны намного меньше амплитуды опорной волны.

$\mathbf {U} _{2}$ — это восстановленная объектная волна, которая идентична исходной волне, за исключением того, что ее амплитуда уменьшена. Когда объектная волна генерируется светом, рассеянным от объекта или объектов, виртуальное изображение объекта(ов) формируется, когда линза помещается в восстановленную волну.

$\mathbf {U} _{3}$ известна как сопряженная волна. Она похожа на объектную волну, но имеет противоположную кривизну. Когда объектная волна генерируется светом, рассеянным от объекта или ряда объектов, реальное изображение формируется на стороне пластины голограммы, противоположной той, где находился объект, и отклоняется от нормальной оси на двойной угол между опорная волна и нормальное направление.

Две плоские волны

Интерференционные полосы в перекрывающихся плоских волнах

Опорная и объектная волны представляют собой монохроматические плоские волны одинаковой амплитуды.

${\begin{aligned}\mathbf {U_{\text{R}}} (\mathbf {r} )&=A_{\text{R}}\exp \left[i\mathbf {k_{\text{R}}} \cdot \mathbf {r} \right]\\\mathbf {U_{\text{O}}} (\mathbf {r} )&=A_{\text{O}}\exp \left[i\mathbf {k_{\text{O}}} \cdot \mathbf {r} \right]\end{aligned}}$

где векторы $\mathbf {k}$ связаны с единичными векторами $\mathbf {n}$ которые определяют направление движения и длину волны $\lambda$ из двух волн на

$\mathbf {k} =2\pi {\frac {\mathbf {n} }{\lambda }}$

Выражение для $\mathbf {t}$ в предыдущем разделе можно записать как

$\mathbf {t} =\mathbf {t} _{0}+\beta \left[A_{\text{O}}^{2}+A_{\text{R}}^{2}+A_{\text{O}}A_{\text{R}}\cos {\left([\mathbf {k_{O}} -\mathbf {k_{R}} ]\cdot \mathbf {r} \right)}\right]$

откуда видно, что пропускание голографической записи изменяется синусоидально, т.е. это дифракционная решетка, где расстояние между полосами зависит от угла между двумя волнами и ориентации голографической пластинки.

Восстановленная волна:

$\mathbf {U} _{2}=\beta A_{\text{R}}^{2}A_{\text{O}}\exp i(\mathbf {k} _{O}\cdot \mathbf {r} )$

которая представляет собой плоскую волну, бегущую в направлении $\mathbf {k} _{O}$, т.е. это восстановленная объектная волна с измененной амплитудой.

Сопряженная волна – это:

$\mathbf {U} _{3}=A_{\text{O}}A_{\text{R}}\exp[i(2\mathbf {k} _{R}-\mathbf {k} _{O})\cdot \mathbf {r} ]$

которая представляет собой плоскую волну, бегущую в направлении $2\mathbf {k} _{R}-\mathbf {k} _{O}$

Это показывает, что пропускание фотопластинки изменяется синусоидально, поэтому она действует как дифракционная решетка. Если одна из волн падает на пластинку голограммы нормально, а другая под углом $\theta$, расстояние между полосами $d=\lambda /\sin {\theta }$ и дифрагированные волны первого порядка будут находиться под углами, заданными выражением $\sin {\gamma }=\pm \lambda /d=\sin {\theta }$. Одна из них — реконструированная плоская волна объекта, другая — сопряженная волна.

Плоская волна и точечный источник

Интерференционная картина, создаваемая точечным источником и плоскими волнами, падающими под разными углами.

Рассмотрим точечный источник, расположенный в начале координат, который освещает фотографическую пластинку, расположенную на расстоянии $l$ нормально к оси z. Разность фаз между источником и точкой (x, y, z) приблизительно определяется выражением

$\phi _{O}={\frac {\pi r^{2}}{\lambda l}}$

где $r={\sqrt {x^{2}+y^{2}}}$

Тогда комплексная амплитуда объектного луча определяется выражением

$\mathbf {U_{O}} =A_{0}\exp i{\frac {\pi r^{2}}{\lambda l}}$.

Справа показаны формы интерференционной картины для различных направлений падения опорной волны.

Опорная плоская волна

$\mathbf {U_{\text{R}}} (\mathbf {r} )=A_{\text{R}}\exp[i\mathbf {k_{\text{R}}} \cdot \mathbf {r} ]$

Восстановленная волна описывается вторым членом:

$\mathbf {U} _{2}=\beta A_{\text{R}}^{2}A_{\text{O}}\exp i{\frac {\pi r^{2}}{\lambda l}}$

Сопряженная волна описывается третьим членом

$\mathbf {U} _{3}=A_{\text{O}}A_{\text{R}}\exp i\left(\mathbf {k_{\text{R}}} \cdot \mathbf {r} -{\frac {\pi r^{2}}{\lambda l}}\right)$

Он возникает под углом, вдвое превышающим угол между объектом и опорной волной, и сходится к точке, находящейся на том же расстоянии от пластины, что и исходный точечный источник.

Общий объект и точечный источник

Настройка для создания и воспроизведения голограммы

Когда свет рассеивается от общего объекта, амплитуда рассеянного света в любой точке $(\mathbf {r} )$ может быть представлено

$\mathbf {U_{\text{O}}} (\mathbf {r} )=A_{\text{O}}(\mathbf {r} )\exp {i[\varphi _{\text{O}}(\mathbf {r} )]}$

где как фаза, так и амплитуда изменяются в зависимости от $\mathbf {r}$.

Расстояние, пройденное волной, излучаемой точечным источником, расположенным в точке $\mathbf {r} _{\text{R}}$ в точку $\mathbf {r}$ путешествует на расстояние $\mathbf {r} -\mathbf {r} _{\text{R}}$, так что изменение фазы ${\textstyle \phi _{\text{R}}={\frac {2\pi (\mathbf {r} -\mathbf {r} _{\text{R}})}{\lambda }}}$ так что его амплитуда определяется выражением

$\mathbf {U} _{\text{R}}(\mathbf {r} )=A_{\text{R}}\exp {\frac {2\pi i(\mathbf {r} -\mathbf {r} _{\text{R}})}{\lambda }}$

где $A_{\text{R}}$ является постоянным.

Восстановленная объектная волна

$\mathbf {U} _{2}=\beta A_{\text{R}}^{2}A_{\text{O}}(\mathbf {r} )\exp {i[\varphi _{\text{O}}(\mathbf {r} )]}$

Сопряженная волна определяется выражением

$\mathbf {U} _{3}=\beta A_{\text{R}}\exp {\frac {4\pi i(\mathbf {r} -\mathbf {r} _{\text{R}})}{\lambda }}A_{\text{O}}(\mathbf {r} )\exp {i\varphi _{\text{O}}(\mathbf {r} )}$

Запись голограммы

Требуемые предметы

Создание голограммы

Для изготовления голограммы необходимо следующее:

• подходящий предмет или набор предметов
• часть лазерного луча необходимо направить так, чтобы он освещал объект (объектный луч), а другую часть - чтобы он освещал непосредственно носитель записи (опорный луч), позволяя использовать опорный луч и свет, который рассеивается от объекта на носитель записи для формирования интерференционной картины
• носитель записи, который преобразует эту интерференционную картину в оптический элемент, который изменяет либо амплитуду, либо фазу падающего светового луча в соответствии с интенсивностью интерференционной картины.
• лазерный луч, излучающий когерентный свет одной длины волны .
• среду, которая обеспечивает достаточную механическую и термическую стабильность, чтобы интерференционная картина оставалась стабильной в течение времени, в течение которого интерференционная картина записывается.

Эти требования взаимосвязаны, и чтобы увидеть это, важно понимать природу оптических помех. Интерференция — это изменение интенсивности двух световых волн , которое может возникнуть при наложении . Интенсивность максимумов превышает сумму индивидуальных интенсивностей двух лучей, а интенсивность в минимумах меньше этой и может быть равна нулю. Интерференционная картина отображает относительную фазу между двумя волнами, и любое изменение относительных фаз приводит к перемещению интерференционной картины по полю зрения. Если относительная фаза двух волн изменится на один цикл, то картина сместится на целую полосу. Один фазовый цикл соответствует изменению относительных расстояний, пройденных двумя лучами одной длины волны. Поскольку длина волны света составляет порядка 0,5 мкм, можно видеть, что очень небольшие изменения в оптических путях, проходящих любым из лучей в системе голографической записи, приводят к перемещению интерференционной картины, которая представляет собой голографическую запись. Такие изменения могут быть вызваны относительным перемещением любого из оптических компонентов или самого объекта, а также локальными изменениями температуры воздуха. Для создания четкой и четкой записи интерференции важно, чтобы любые такие изменения были значительно меньше длины волны света.

Время экспозиции, необходимое для записи голограммы, зависит от доступной мощности лазера, от конкретного используемого носителя, а также от размера и характера записываемого объекта (объектов), как и в обычной фотографии. Это определяет требования к устойчивости. Время экспозиции в несколько минут типично при использовании достаточно мощных газовых лазеров и эмульсий галогенидов серебра. Все элементы оптической системы должны быть стабильными до долей мкм в течение этого периода. Можно создавать голограммы гораздо менее стабильных объектов, используя импульсный лазер , который производит большое количество энергии за очень короткое время (мкс или меньше). Эти системы использовались для создания голограмм живых людей. Голографический портрет Денниса Габора был создан в 1971 году с помощью импульсного рубинового лазера.

Таким образом, мощность лазера, чувствительность записывающего носителя, время записи, а также требования к механической и термической стабильности взаимосвязаны. Как правило, чем меньше объект, тем компактнее оптическая схема, поэтому требования к стабильности значительно меньше, чем при изготовлении голограмм крупных объектов.

Еще одним очень важным параметром лазера является его когерентность . Это можно представить, рассмотрев лазер, генерирующий синусоидальную волну, частота которой дрейфует со временем; тогда длину когерентности можно рассматривать как расстояние, на котором она поддерживает одну частоту. Это важно, поскольку две волны разных частот не создают устойчивой интерференционной картины. Длина когерентности лазера определяет глубину резкости, которую можно записать в сцене. Хороший голографический лазер обычно имеет длину когерентности в несколько метров, чего вполне достаточно для глубокой голограммы.

Объекты, образующие сцену, обычно должны иметь оптически шероховатые поверхности, чтобы они рассеивали свет в широком диапазоне углов. Зеркально отражающая (или блестящая) поверхность отражает свет только в одном направлении в каждой точке своей поверхности, поэтому, как правило, большая часть света не будет падать на носитель записи. Голограмму блестящего объекта можно получить, расположив его очень близко к записывающей пластинке.

Классификации голограмм

В этом разделе определены три важных свойства голограммы. Данная голограмма будет обладать тем или иным из каждого из этих трех свойств, например, тонкая пропускающая голограмма с амплитудной модуляцией или объемная отражательная голограмма с фазовой модуляцией.

Голограммы амплитудной и фазовой модуляции

Голограмма амплитудной модуляции это тот, в котором амплитуда света, дифрагированного голограммой, пропорциональна интенсивности записанного света. Ярким примером этого является фотоэмульсия на прозрачной подложке. Эмульсия подвергается воздействию интерференционной картины и впоследствии проявляется, обеспечивая коэффициент пропускания, который варьируется в зависимости от интенсивности рисунка: чем больше света упало на пластину в данной точке, тем темнее проявленная пластина в этой точке.

Фазовая голограмма производится путем изменения либо толщины, либо показателя преломления материала пропорционально интенсивности голографической интерференционной картины. Это фазовая решетка , и можно показать, что когда такая пластинка освещается исходным опорным лучом, она восстанавливает волновой фронт исходного объекта. Эффективность (т.е. доля освещаемого предметного луча, которая преобразуется в восстановленный предметный луч) больше для фазовых, чем для амплитудно-модулированных голограмм.

Тонкие голограммы и толстые (объемные) голограммы

Тонкая голограмма Это тот, в котором толщина носителя записи намного меньше расстояния между интерференционными полосами, из которых состоит голографическая запись. Толщина тонкой голограммы может быть уменьшена до 60 нм при использовании тонкой пленки топологического изолятора Sb ₂ Te ₃ . Ультратонкие голограммы потенциально могут быть интегрированы в повседневную бытовую электронику, например, в смартфоны.

Толстая или объемная голограмма это тот, в котором толщина носителя записи больше, чем расстояние между интерференционной картиной. Записанная голограмма теперь представляет собой трехмерную структуру, и можно показать, что падающий свет дифрагируется решеткой только под определенным углом, известным как угол Брэгга . Если голограмма освещается источником света, падающим под исходным углом опорного луча, но в широком спектре длин волн; реконструкция происходит только на длине волны исходного используемого лазера. Если изменить угол освещения, реконструкция будет происходить на другой длине волны и изменится цвет реконструированной сцены. Объемная голограмма эффективно действует как цветовой фильтр.

Голограммы пропускания и отражения

Голограмма передачи — это голограмма, в которой объектный и опорный лучи падают на носитель записи с одной и той же стороны. На практике для направления лучей в нужных направлениях можно использовать еще несколько зеркал.

Обычно передающие голограммы можно восстановить только с помощью лазера или квазимонохроматического источника, но особый тип пропускающей голограммы, известный как радужная голограмма, можно рассматривать в белом свете.

В отражающей голограмме предметный и опорный лучи падают на пластину с противоположных сторон пластины. Восстановленный объект затем рассматривается с той же стороны пластины, на которую падает реконструирующий луч.

Для создания отражающих голограмм можно использовать только объемные голограммы, поскольку от тонкой голограммы будет отражаться только дифрагированный луч очень низкой интенсивности.

Примеры полноцветных отражательных голограмм образцов минералов:

• 
  Голограмма Эльбаита на кварце
• 
  Голограмма Танзанита на Матрице
• 
  Голограмма турмалина на кварце
• 
  Голограмма Аметиста на Кварце

Голографические носители записи

Носитель записи должен преобразовать исходную интерференционную картину в оптический элемент, который изменяет либо амплитуду , либо фазу падающего светового луча пропорционально интенсивности исходного светового поля.

Носитель записи должен быть способен полностью разрешать все полосы, возникающие в результате интерференции между объектом и опорным лучом. Эти расстояния между полосами могут находиться в диапазоне от десятков микрометров до менее одного микрометра, т.е. пространственные частоты находятся в диапазоне от нескольких сотен до нескольких тысяч циклов/мм, и в идеале носитель записи должен иметь ровный отклик в этом диапазоне. Фотопленка имеет очень низкий или даже нулевой отклик на задействованных частотах и ​​не может использоваться для создания голограммы - например, разрешение профессиональной черно-белой пленки Kodak. начинает падать при 20 линий/мм – маловероятно, что с помощью этой пленки можно будет получить какой-либо реконструированный луч.

Если отклик не является равномерным в диапазоне пространственных частот интерференционной картины, то разрешение восстановленного изображения также может ухудшиться.

В таблице ниже показаны основные материалы, используемые для голографической записи. Обратите внимание, что сюда не входят материалы, используемые при массовом тиражировании существующей голограммы, которые обсуждаются в следующем разделе. Предел разрешения, указанный в таблице, указывает максимальное количество интерференционных линий/мм решетки. Требуемая экспозиция, выраженная в миллиджоулях ( мДж) энергии фотонов, воздействующих на площадь поверхности, рассчитана на длительное время экспозиции. Короткое время воздействия (менее 1 ⁄ 1000 секунды, например, с импульсным лазером) требуют гораздо более высоких энергий воздействия из-за нарушения взаимности .

Общие свойства записывающих материалов для голографии,

Материал	Многоразовый	Обработка	Тип	Теоретический макс. эффективность	Требуемая экспозиция (мДж/см 2 )	Предел разрешения (мм −1 )
Фотоэмульсии	Нет	Влажный	Амплитуда	6%	1.5	5000
			Фаза (отбеленная)	60%
Дихроматированный желатин	Нет	Влажный	Фаза	100%	100	10,000
Фоторезисты	Нет	Влажный	Фаза	30%	100	3,000
Фототермопласты	Да	Зарядка и нагрев	Фаза	33%	0.1	500–1,200
Фотополимеры	Нет	Пост-экспозиция	Фаза	100%	10000	5,000
Фоторефрактивы	Да	Никто	Фаза	100%	10	10,000

Копирование и массовое производство

Существующую голограмму можно скопировать методом тиснения. или оптически.

Большинство голографических записей (например, отбеленный галогенид серебра, фоторезист и фотополимеры) имеют рельеф поверхности, соответствующий исходной интенсивности освещения. Тиснение, похожее на метод, используемый для штамповки пластиковых дисков от мастера аудиозаписи, предполагает копирование этого рельефного рисунка поверхности путем отпечатка его на другом материале.

Первым этапом процесса тиснения является изготовление штампа путем электроосаждения никеля на рельефное изображение , записанное на фоторезисте или фототермопластике. Когда слой никеля становится достаточно толстым, его отделяют от мастер-голограммы и монтируют на металлическую подложку. Материал, используемый для изготовления тисненных копий, состоит из полиэфирной базовой пленки, разделительного слоя смолы и термопластической пленки, составляющей голографический слой.

Процесс тиснения можно осуществлять с помощью простого нагретого пресса. Нижний слой дублирующей пленки (слой термопластика) нагревается выше точки размягчения и прижимается к штампу, чтобы он принял свою форму. Эта форма сохраняется, когда пленка охлаждается и снимается с пресса. Чтобы обеспечить возможность просмотра тисненых голограмм в отражении, на слой записи голограммы обычно добавляется дополнительный отражающий слой алюминия. Этот метод особенно подходит для массового производства.

Первой книгой, на обложке которой была голограмма, была «Скук» (Warner Books, 1984) Дж. П. Миллера с иллюстрацией Миллера. Первой обложкой альбома с голограммой была "UB44", выпущенная в 1982 году для британской группы UB40 компанией Advanced Holographics в Лафборо. На нем была квадратная тисненая голограмма размером 5,75 дюйма, показывающая трехмерное изображение букв UB, вырезанных из полистирола, чтобы выглядеть как камень, и цифр 44, парящих в пространстве на картинной плоскости. На внутреннем конверте было объяснение голографического процесса и инструкции о том, как зажечь голограмму. National Geographic опубликовал первый журнал с голограммной обложкой в ​​марте 1984 года. Тисненые голограммы широко используются на кредитных картах, банкнотах и ​​дорогостоящих продуктах в целях аутентификации.

Возможна печать голограмм непосредственно на стали с помощью листового заряда взрывчатого вещества для создания необходимого рельефа поверхности. Королевский монетный двор Канады производит голографические золотые и серебряные монеты посредством сложного процесса штамповки.

Голограмму можно скопировать оптически, освещая ее лазерным лучом и располагая вторую пластину голограммы так, чтобы она освещалась как реконструированным объектным лучом, так и освещающим лучом. Требования к стабильности и когерентности значительно снижаются, если две пластины расположены очень близко друг к другу. Между пластинами часто используется жидкость , согласующая индекс , чтобы минимизировать паразитные помехи между пластинами. Равномерное освещение можно получить путем сканирования по точкам или с помощью луча, сформированного в тонкую линию.

Реконструкция и просмотр голографического изображения

Голографический автопортрет, выставленный в Национальном политехническом музее, София.

Когда пластина голограммы освещается лазерным лучом, идентичным опорному лучу, который использовался для записи голограммы, получается точная реконструкция волнового фронта исходного объекта. Система визуализации (глаз или камера), расположенная в реконструированном луче, «видит» точно такую ​​же сцену, как и при просмотре оригинала. При перемещении линзы изображение меняется так же, как если бы объект находился на месте. Если при записи голограммы присутствовало несколько объектов, восстановленные объекты перемещаются относительно друг друга, т.е. демонстрируют параллакс , так же, как это было бы в исходных объектах. На заре голографии было очень распространено использовать шахматную доску в качестве объекта, а затем делать фотографии под разными углами, используя реконструированный свет, чтобы показать, как меняются относительные положения шахматных фигур.

Голографическое изображение также можно получить, используя конфигурацию лазерного луча, отличную от исходного луча объекта записи, но восстановленное изображение не будет точно соответствовать оригиналу. Когда для восстановления голограммы используется лазер, изображение становится крапчатым , как и исходное изображение. Это может быть серьезным недостатком при просмотре голограммы.

Белый свет состоит из света широкого диапазона длин волн. Обычно, если голограмма освещается источником белого света, можно считать, что каждая длина волны генерирует свою собственную голографическую реконструкцию, и они будут различаться по размеру, углу и расстоянию. Они будут наложены друг на друга, и суммированное изображение сотрет всю информацию об исходной сцене, как если бы они накладывались на набор фотографий одного и того же объекта разных размеров и ориентаций. Однако при определенных обстоятельствах голографическое изображение можно получить с использованием белого света , например, с помощью объемных и радужных голограмм. Источник белого света, используемый для просмотра этих голограмм, всегда должен приближаться к точечному источнику, то есть точечному источнику света или солнцу. Расширенный источник (например, люминесцентная лампа) не восстановит голограмму, поскольку его свет падает в каждую точку под разными углами, создавая множество реконструкций, которые «стирают» друг друга.

Реконструкции в белом свете не содержат спеклов.

Объемные голограммы

Основная статья: Объемная голограмма

Объемная голограмма отражательного типа может дать приемлемо четкое реконструированное изображение с использованием источника белого света, поскольку сама структура голограммы эффективно отфильтровывает свет с длинами волн за пределами относительно узкого диапазона. Теоретически результатом должно быть изображение примерно того же цвета, что и лазерный свет, использованный для создания голограммы. На практике при использовании носителей информации, требующих химической обработки, в результате обработки обычно происходит уплотнение структуры и последующий сдвиг цвета в сторону более короткой длины волны. Такая голограмма, записанная в желатиновой эмульсии галогенида серебра с помощью красного лазерного света, обычно имеет зеленое изображение. Намеренное временное изменение толщины эмульсии перед экспонированием или постоянное изменение после обработки использовалось художниками для создания необычных цветов и многоцветных эффектов.

Радужные голограммы

Основная статья: Радужная голограмма

Радужная голограмма, показывающая изменение цвета в вертикальном направлении.

яркое, четкое, градиентно окрашенное В этом методе параллаксом в вертикальной плоскости жертвуют, чтобы можно было получить реконструированное изображение с использованием белого света. Процесс записи радужной голографии обычно начинается со стандартной передающей голограммы и копируется с использованием горизонтальной щели для устранения вертикального параллакса в выходном изображении. Таким образом, зритель фактически видит голографическое изображение через узкую горизонтальную щель, но щель расширена до окна за счет той же дисперсии , которая в противном случае размазала бы все изображение. Информация о горизонтальном параллаксе сохраняется, но движение в вертикальном направлении приводит к изменению цвета, а не к изменению вертикальной перспективы. Поскольку эффекты перспективы воспроизводятся только вдоль одной оси, объект будет выглядеть по-разному растянутым или сплющенным, если голограмма не рассматривается на оптимальном расстоянии; это искажение может остаться незамеченным, если глубина невелика, но может быть серьезным, когда расстояние объекта от плоскости голограммы очень велико. Стереопсис и параллакс горизонтального движения, два относительно мощных сигнала глубины, сохраняются.

Голограммы на кредитных картах являются примерами радужных голограмм. Технически это пропускающие голограммы, закрепленные на отражающей поверхности, например, на металлизированной подложке из полиэтилентерефталата, широко известной как ПЭТ .

Точность реконструированной балки

Реконструкции из двух частей сломанной голограммы. Обратите внимание на разные точки обзора, необходимые для просмотра всего объекта.

Чтобы точно воспроизвести исходный объектный луч, реконструируемый опорный луч должен быть идентичен исходному опорному лучу, а носитель записи должен быть способен полностью разрешать интерференционную картину, образовавшуюся между объектным и опорным лучами. Точная реконструкция необходима в голографической интерферометрии , где голографически реконструированный волновой фронт интерферирует с волновым фронтом, исходящим от реального объекта, создавая нулевую полосу, если не было движения объекта, и отображая смещение, если объект переместился. Это требует очень точного перемещения проявленной голографической пластинки.

Любое изменение формы, ориентации или длины волны опорного луча приводит к аберрациям восстановленного изображения. Например, восстановленное изображение увеличивается, если длина волны лазера, используемого для восстановления голограммы, больше, чем у исходного лазера. Тем не менее, при правильных обстоятельствах хорошая реконструкция получается с использованием лазера другой длины волны, квазимонохроматического света или белого света.

Поскольку каждая точка объекта освещает всю голограмму, весь объект можно восстановить по небольшой части голограммы. Таким образом, голограмму можно разбить на небольшие части, и каждая из них позволит отобразить весь исходный объект. Однако при этом теряется информация, и пространственное разрешение ухудшается по мере уменьшения размера голограммы - изображение становится «более размытым». Поле зрения также уменьшается, и зрителю придется менять положение, чтобы увидеть разные части сцены.