Схема записи голограммы представлена на рисунке 1. Денисюк осуществил запись голограммы в трехмерной среде объединив таким образом идею Габора с цветной фотографией Липпмана. Тогда участки голограммы с максимальным пропусканием света будут соответствовать тем участкам фронта предметной волны в которых ее фаза совпадает с фазой опорной волны. Поэтому при последующем освещении голограммы опорной волной в ее плоскости образуется то же распределение амплитуды и фазы которое было у предметной волны чем и обеспечивается восстановление...

55. Голография. Схема записи и восстановления голограмм. Запись голограмм на толстослойных эмульсиях. Применение голограмм

Голография (от греч. holos - весь, полный и grapho пишу) способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины, которая образована волной, отраженной предметом, освещаемым источником света S (предметная волна), и когерентной с ней волной идущей непосредственно от источника (опорная волна). Зарегистрированная интерференционная картина называется голограммой . Схема записи голограммы представлена на рисунке 1.

Основы голографии заложены в 1948 г. физиком Д. Габором (Великобритания). Желая усовершенствовать электронный микроскоп, Габор предложил регистрировать информацию не только об амплитудах, но и о фазах электронных волн путем наложения на предметную волну попутной когерентной опорной волны. Однако из-за отсутствия мощных источников когерентного света ему не удалось получить качественных голографических изображений. Второе рождение голография пережила в 1962 1963 гг., когда американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс применили в качестве источника света лазер и разработали схему с наклонным опорным пучком, а Ю.Н. Денисюк осуществил запись голограммы в трехмерной среде, объединив, таким образом, идею Габора с цветной фотографией Липпмана. К 1965 1966 гг. были созданы теоретические и экспериментальные основы голографии. В последующие годы развитие голографии шло главным образом по пути совершенствования ее применений.

Пусть интерференционная структура, образованная опорной и предметной волнами, зарегистрирована позитивным фотоматериалом. Тогда участки голограммы с максимальным пропусканием света будут соответствовать тем участкам фронта предметной волны, в которых ее фаза совпадает с фазой опорной волны. Эти участки будут тем прозрачнее, чем большей была интенсивность предметной волны. Поэтому при последующем освещении голограммы опорной волной в ее плоскости образуется то же распределение амплитуды и фазы, которое было у предметной волны, чем и обеспечивается восстановление последней.

Для восстановления предметной волны голограмму освещают источником, создающим копию опорной волны. В результате дифракции света на интерференционной структуре голограммы в дифракционном пучке первого порядка восстанавливается копия предметной волны, образующая неискаженное мнимое изображение предмета, расположенное в том месте, где предмет находился при голографировании. Если голограмма двумерная, одновременно восстанавливается сопряженная волна минус первого порядка , образующая искаженное действительное изображение предмета (рисунок 2).

Углы, под которыми распространяются дифракционные пучки нулевых и первых порядков, определяются углами падения на фотопластинку предметной и опорной волн. В схеме Габора источник опорной волны и объект располагались на оси голограммы (осевая схема ). При этом все три волны распространялись за голограммой в одном и том же направлении, создавая взаимные помехи. В схеме Лейта и Упатниекса такие помехи были устранены наклоном опорной волны (внеосевая схема ).

Интерференционная структура может быть зарегистрирована светочувствительным материалом одним из следующих способов:

в виде вариаций коэффициентов пропускания света или его отражения . Такие голограммы при восстановлении волнового фронта модулируют амплитуду освещающей волны и называются амплитудными ;
в виде вариаций коэффициента преломления или толщины (рельефа ). Такие голограммы при восстановлении волнового фронта модулируют фазу освещающей волны и поэтому называются фазовыми .

Часто одновременно осуществляется фазовая и амплитудная модуляция. Например, обычная фотопластинка регистрирует интерференционную структуру в виде вариаций почернения, показателя преломления и рельефа. После отбеливания голограммы остается только фазовая модуляция.

Зарегистрированная на фотопластинке интерференционная структура обычно сохраняется долго, то есть процесс записи отделен от процесса восстановления (стационарные голограммы ). Однако существуют фоточувствительные среды (некоторые красители, кристаллы, пары металлов), которые почти мгновенно реагируют фазовыми или амплитудными характеристиками на освещенность. В этом случае голограмма существует во время воздействия на среду предметной и опорной волн, а восстановление волнового фронта производится одновременно с записью, в результате взаимодействия опорной и предметной волн с образованной ими же интерференционной структурой (динамические голограммы ). На принципах динамической голографии могут быть созданы системы постоянной и оперативной памяти, корректоры излучения лазеров, усилители изображений, устройства управления лазерным излучением, обращения волнового фронта.

Если толщина фоточувствительного слоя значительно больше расстояния между соседними поверхностями интерференционных максимумов, то голограмму следует рассматривать как объемную . Если же запись интерференционной структуры происходит на поверхности слоя, или если толщина слоя сравнима с расстоянием d между соседними элементами структуры, то голограммы называют плоскими. Критерий перехода от двухмерных голограмм к трехмерным: .

Объемные голограммы представляют собой трехмерные структуры, в которых поверхности узлов и пучностей зарегистрированы в виде вариаций показателя преломления или коэффициента отражения среды. Поверхности узлов и пучностей направлены по биссектрисе угла, который составляют предметный и опорный пучки. Такие многослойные структуры при освещении опорной волной действуют подобно трехмерным дифракционным решеткам. Свет, зеркально отраженный от слоев, восстанавливает предметную волну.

Пучки, отраженные от разных слоев усиливают друг друга, если они синфазны, то есть разность хода между ними равна (условие Липпмана Брэгга ). Условие автоматически выполняется только для той длины волны, в свете которой регистрировалась голограмма. Это обусловливает избирательность голограммы по отношению к длине волны источника, в свете которого происходит восстановление волнового фронта. Возникает возможность восстанавливать изображение с использованием источника сплошного спектра (Солнце, лампа накаливания). Если экспонирование проводилось светом, содержащим несколько спектральных линий (красную, синюю, зеленую), то для каждой длины волны образуется своя трехмерная интерференционная структура. Соответствующие длины волн будут выделяться из сплошного спектра при освещении голограммы, что обусловит восстановление не только структуры волны, но и ее спектрального состава, то есть получение цветного изображения. Трехмерные голограммы одновременно образуют только одно изображение (мнимое или действительное) и не дают волны нулевого порядка.

Свойства голограмм .

А) Основное свойство голограмм, отличающее ее от фотографического снимка, состоит в том, что на снимке регистрируется только распределение амплитуды падающей на него предметной волны, в то время как на голограмме, кроме того, регистрируется и распределение фазы предметной волны относительно фазы опорной волны. Информация об амплитуде предметной волны записана на голограмме в виде контраста интерференционного рельефа, а информация о фазе в виде формы и частоты интерференционных полос. В результате голограмма при освещении ее опорной волной восстанавливает копию предметной волны.

Б) Свойства голограммы, регистрируемой обычно на негативном фотоматериале, остаются такими же, как и в случае позитивной записи светлым местам объекта соответствуют светлые места восстановленного изображения, а темным темные. Это легко понять, принимая во внимание, что информация об амплитуде предметной волны заключена в контрасте интерференционной структуры, распределение которого на голограмме не меняется при замене позитивного процесса негативным. При такой замене только сдвигается на фаза восстановленной предметной волны. Это незаметно при визуальном наблюдении, но иногда проявляется в голографической интерферометрии.

В) Если при записи голограммы свет от каждой точки объекта попадает на всю поверхность голограммы, каждый малый участок последней способен восстановить все изображение объекта. Однако меньший участок голограммы восстановит меньший участок волнового фронта, несущего информацию об объекте. Если этот участок будет очень мал, то качество восстановленного изображения ухудшается.

В случае голограмм сфокусированного изображения каждая точка объекта посылает свет на соответствующий ей малый участок голограммы. Поэтому фрагмент такой голограммы восстанавливает только соответствующий ему участок объекта.

Г) Полный интервал яркостей, передаваемый фотографической пластинкой, как правило, не превышает одного двух порядков, между тем реальные объекты часто имеют значительно бóльшие перепады яркостей. В голограмме, обладающей фокусирующими свойствами, используется для построения наиболее ярких участков изображения весь свет, падающий на всю ее поверхность, и она способна передать градации яркости до пяти шести порядков.

Д) Если при восстановлении волнового фронта освещать голограмму опорным источником, расположенным относительно голограммы так же, как и при ее экспонировании, то восстановленное мнимое изображение совпадает по форме и положению с самим предметом. При изменении положения восстанавливающего источника, при изменении его длины волны или ориентации голограммы и ее размера соответствие нарушается. Как правило, такие изменения сопровождаются аберрациями восстановленного изображения.

Е) Минимальное расстояние между двумя соседними точками предмета, которые еще можно видеть раздельно при наблюдении изображения предмета с помощью голограммы, называют разрешающей способностью голограммы . Она растет с увеличением размеров голограммы. Угловое разрешение круглой (диаметра D ) голограммы определяется по формуле: . Угловое разрешение голограммы квадратной формы со стороной квадрата, равной L , определяется по формуле: .

В большинстве схем голографирования предельный размер голограммы ограничивается разрешающей способностью регистрирующего фотоматериала. Это обусловлено тем, что увеличение размеров голограммы сопряжено с ростом угла между предметным и опорным пучками и пространственной частоты. Исключением является схема безлинзовой фурье-голографии, в которой не увеличивается при увеличении размеров голограммы.

Ж) Яркость восстановленного изображения определяется дифракционной эффективностью , которая определяется как отношение светового потока в восстановленной волне к световому потоку, падающему на голограмму при восстановлении. Она определяется типом голограммы, условиями ее записи, а также свойствами регистрирующего материала.

Максимально достижимая дифракционная эффективность голограмм составляет:

Для двумерных пропускающих голограмм

амплитудных 6,25 %,

фазовых 33,9 5;

Для двумерных отражающих соответственно 6,25 и 100 %;

Для трехмерных пропускающих голограмм 3,7 и 100 %;

для трёхмерных отражающих 7,2 и 100 %.

Применения голографии . При восстановлении голограмм создается полная иллюзия существования объекта, неотличимого от оригинала. Это свойство голограмм используется в лекционных демонстрациях, при создании объемных копий произведений искусства, голографических портретов. Трехмерные голографические изображения используются при исследовании движущихся частиц, капель дождя или тумана, треков ядерных частиц в пузырьковых и искровых камерах.

С помощью голографических устройств осуществляются различные волновые преобразования, в том числе обращение волнового фронта в целях исключения оптических аберраций. Одно из первых применений голографии было связано с исследованием механических напряжений. Голография применяется для хранения и обработки информации. При этом обеспечивается большая плотность записи и надежность записи.

Объемность изображения делает перспективным создание голографического кино и телевидения. Главная трудность при этом создание огромных голограмм, которые могло бы наблюдать одновременно большое число зрителей. Кроме того, голограмма должна быть динамической. Для создания голографического телевидения необходимо преодолеть трудность, обусловленную необходимостью расширения на несколько порядков полосы частот, чтобы осуществлять передачу объемных движущихся изображений.

Голограмма может быть изготовлена не только оптическим методом, но и рассчитана на ЭВМ (цифровая голограмма). Машинные голограммы используются для получения объемных изображений не существующих ещё объектов. Машинные голограммы сложных оптических поверхностей используют как эталоны для интерференционного контроля поверхностей изделий.

Известна также акустическая голография, которая может сочетаться с методами визуализации акустических полей.

Дополнительный материал

При встрече опорной и предметной волн в пространстве образуется система стоячих волн. Максимумы амплитуды стоячих волн соответствуют зонам, в которых интерферирующие волны находятся в одной фазе, а минимумы зонам, в которых интерферирующие волны находятся в противофазе. Для точечного опорного источника О 1 и точечного предмета О 2 поверхности максимумов и минимумов представляют собой систему гиперболоидов вращения. Пространственная частота интерференционной структуры (величина, обратная ее периоду) определяется углом, под которым сходятся в данной точке световые лучи исходящий из опорного источника и исходящий из предмета: , где длина волны. Плоскости, касательные к поверхности узлов и пучностей в каждой точке пространства, делят пополам угол. В схеме Габора опорный источник и предмет расположены на оси голограммы, угол близок к нулю и пространственная частота минимальна. Осевые голограммы называют также однолучевыми , так как используется один пучок света, одна часть которого рассеивается предметом и образует предметную волну, а другая часть, прошедшая через объект без искажения, - опорную волну.

В схеме Лейта и Упатниекса когерентный наклонный опорный пучок формируется отдельно (двулучевая голограмма ). Для двулучевых голограмм пространственная частота больше, чем для однолучевых голограмм. Поэтому для регистрации двулучевых голограмм требуются фотоматериалы с более высоким пространственным разрешением.

Если опорный и предметный пучок падают на фоточувствительный слой с разных сторон (~ 180 0 ), то максимальна и близка к 2/ (голограммы во встречных пучках ). Интерференционные максимумы располагаются вдоль поверхности материала в его толще. Эта схема была впервые предложена Денисюком. Так как при освещении такой голограммы опорным пучком восстановленная предметная волна распространяется навстречу освещающему пучку, такие голограммы иногда называют отражательными .

Типы голограмм . Структура голограммы зависит от способа формирования предметной и опорной волн и от способа записи интерференционной картины. В зависимости от взаимного расположения предмета и пластинки, а также от наличия оптических элементов между ними, связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскостях голограммы и предмета различна. Если предмет лежит в плоскости голограммы или сфокусирован на нее, то амплитудно-фазовое распределение на голограмме будет таким же, как и в плоскости предмета (голограмма сфокусированного изображения ; рисунок 3).

Когда предмет находится достаточно далеко от пластинки, либо в фокусе линзы Л, то каждая точка предмета посылает на пластинку параллельный световой пучок. При этом связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскости голограммы и в плоскости предмета дается преобразованием Фурье (комплексная амплитуда предметной волны на пластинке так называемый фурье-образ предмета). Голограмма в этом случае называется голограммой Фраунгофера (рисунок 4).

Если комплексные амплитуды предметной и опорной волн являются фурье-образами предметной и опорного источника, то голограмму называют голограммой Фурье . При записи голограммы Фурье предмет и опорный источник располагают обычно в фокальной плоскости линзы (рисунок 5).

В случае безлинзовой фурье-голограммы опорный источник располагают в плоскости предмета (рисунок 6). При этом фронт опорной волны и фронты элементарных волн, рассеянных отдельными точками предмета, имеют одинаковую кривизну. В результате структура и свойства голограммы практически такие же, как у фурье-голограммы.

Голограммы Френеля образуются в том случае, когда каждая точка предмета посылает на пластинку сферическую волну. По мере увеличения расстояния между объектом и пластинкой голограммы Френеля переходят в голограммы Фраунгофера, а с уменьшением этого расстояния в голограммы сфокусированных изображений.

Действительное изображение

Мнимое изображение

Рисунок 6 Схема безлинзовой записи голограммы Фурье

Голограмма

исунок 5 Схема записи голограммы Фурье

Опорный источник

Опорный пучок

Л

Опорный пучок

Рисунок 4 Схема записи голограммы Фраунгофера

Рисунок 3 Схема записи голограммы сфокусированного изображения

Рисунок 1 Схема записи голограммы

Рисунок 2 Схема восстановления

голографического изображения предмета

Опорный пучок

Голограмма

Интерференция наблюдается при сложении двух волн, когда при условии их когерентности, т.е. постоянной разности фаз этих волн, возникает характерное пространственное распределение интенсивности света - интерференционная картина. Фотопластинка-детектор регистрирует это в виде чередующихся светлых и темных полос, или интерферограммы.

Для определения остаточных напряжений применялась и обычная интерферометрия, но эту работу можно было провести только в хорошо оборудованной лаборатории: требовалась специальная подготовка поверхности исследуемого объекта, придание ей правильной формы, специальное освещение и оборудование.

Когда создали лазер, т.е. источник излучения с высокой пространственной и временной когерентностью, стала развиваться оптическая голография - способ записи и восстановления световых волн, рассеянных объектом и несущих информацию о его форме (т.е. трехмерного образа объекта). Некоторые методики интерферометрии сильно упростились, так как снялись проблемы освещения и подготовки поверхности.

Принципиальная оптическая схема для записи голограммы по Лейту-Упатниексу показана на рисунке 4. Луч лазера 1 расширяется линзой 2 и делится полупрозрачным зеркалом 3 на две части. Одна часть - это опорный луч (ОЛ), он проходит через зеркало и сразу падает на фотопластинку-детектор 5. Вторая часть, отраженная от зеркала, освещает объект 4 и, диффузно рассеянная им, проходит через линзу 6 и тоже падает на детектор. Это предметный луч (ПЛ).

Рисунок 4 - Принципиальная схема записи голограммы Лейта-Упатниекса:

1 - лазер; 2 - линза; 3 - полупрозрачное зеркало; 4 - объект; 5 - фотопластинка-детектор; 6 - линза в режиме лупы.

ОЛ - опорный луч, ПЛ - предметный луч.

Схема регистрации голограмм Ю.Н. Денисюка

Схема регистрации голограммы, предложенная Ю.Н. Денисюком, представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Принципиальная схема записи голограммы Ю.Н. Денисюка.

При регистрации голограммы в такой схеме в объеме регистрирующей среды образуется большое количество частично отражающих излучение поверхностей, называемых стратами, действующих подобно 15 отражательному интерференционному фильтру. Даже для толщин регистрирующей среды 10-12 мкм число этих страт может быть более 50. Большое число содержащихся в голограмме частично отражающих поверхностей обуславливает их высокую спектральную селективность, позволяющую восстанавливать записанное на них изображение в белом свете. Такие голограммы называются голограммами Ю.Н. Денисюка или отражательными объемными голограммами. Следует отметить, что известная фотография Липпмана является, по своей сути, частным случаем голограммы Денисюка.

От многих аналитиков можно слышать еще не совсем уверенный, но постоянно упоминаемый прогноз о возможной тотальной экспансии энергонезависимой NAND флеш-памяти в области хранения данных, причем как в сфере мобильных устройств, так и в стационарных компьютерах. Успехи Blu ray показывают, что оптические диски напрочь списывать не стоит. А, как выяснилось, вовсе не они являются вершиной технологии в данной сфере. Несколько известных компаний ведут активные разработки в области создания новых, в несколько раз более вместительных и быстро читаемых носителей, которые станут выгодной альтернативой имеющимся на сегодняшний день устройствам хранения данных.

История

Первая голограмма была получена задолго до изобретения лазеров. В 1947 г. венгерским физиком Деннисом Габором (Dennis Gabor) был получен патент на изобретение голографической записи, которая была им разработана случайно: в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа, проводившихся в Британской Томсон-Хьюстоновской компании в английском городе Рэгби (British Thomson-Houston Company, Rugby, England). Его работа была награждена Нобелевской премией в 1971 г.

Он же стал автором слова «голография», которым подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Это достижение стало осуществимым во многом благодаря смежным работам таких физиков, как Мечеслав Вольфке (Mieczysław Wolfke).

Исследования в данной области не были продуктивны до 1960 г., когда были изобретены красный рубиновый (длина волны 694 нм, работает в импульсном режиме) и гелий-неоновый (длина волны 633 нм, работает непрерывно) лазеры, так как получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно. Ну а после создания лазера голография начала интенсивно развиваться.

Первая 3D-голограмма была записана Юрием Денисюком (Yuri Denisyuk) в Советском Союзе в 1962 г., а позднее в том же году - Эмметом Лейтом (Emmett Leith) и Юрисом Упатниксом (Juris Upatnieks) в Мичиганском университете в США (University of Michigan, USA).

Усовершенствования в области фотохимии, позволившие создавать высококачественные голограммы, разработаны Николасом Джей Филипсом (Nicholas J. Phillips).

В 1967 году рубиновым лазером был записан первый голографический портрет.

В результате длительной работы в 1968 году Юрий Денисюк (Yuri Denisyuk) получил высококачественные голограммы, которые восстанавливали изображение отражая белый свет. Для этого им была разработана своя собственная схема записи, получившая название схемы Денисюка, а полученные с её помощью голограммы называются голограммами Денисюка.

Наиболее многообещающее изобретение в короткой истории рассматриваемой технологии - массовое производство дешевых твердотельных лазеров, широко применяемых в миллионах DVD-рекордеров, оказавшихся полезными и в области голографии. Эти компактные, дешевые лазеры вполне могут сменить дорогие, большие, газовые лазеры, ранее использовавшиеся для создания голограмм. Потому теперь есть возможность для широкого применения данной разработки в научных исследованиях, для хранения различного рода данных.

Принцип голографической записи

Когда в некоторой области пространства складываются несколько электромагнитных волн, частоты которых с очень высокой степенью точности совпадают, возникает стоячая электромагнитная волна. Когда записывают голограмму, в определённой области пространства складывают две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В области стоячей электромагнитной волны размещают фотопластинку или иной регистрирующий материал, в результате чего на нем возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине интерференции) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует ее в волну, близкую к объектной. Таким образом, зрителю с различной степенью точности будет виден тот же свет, какой отражался бы от объекта записи.

Схемы записи голограмм

Схема записи Ю. Денисюка

В 1962 г. русский физик Юрий Денисюк предложил перспективный метод голографии с записью в трехмерной среде. В этой схеме луч лазера расширяется линзой и направляется зеркалом на фотопластинку. Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну. Объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон, так называемая схема на встречных пучках. В этой схеме записывается отражающая голограмма, которая самостоятельно вырезает из сплошного спектра узкие участки и отражает только их, т.е. выполняет роль светофильтра. Благодаря этому изображение голограммы видно в обычном белом свете солнца или лампы. Изначально голограмма вырезает ту длину волны, на которой её записывали (однако в процессе обработки и при хранении голограммы эмульсия может менять свою толщину, при этом меняется и длина волны), что позволяет записать на одну пластинку три голограммы одного объекта красным, зелёным и синим лазерами, получив тем самым одну цветную голограмму, которую практически невозможно отличить от самого объекта.

Эта схема отличается предельной простотой и в случае применения полупроводникового лазера, имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применения линз, число необходимых для записи голограмм предметов сводится к одному лишь лазеру и некоторой основе, на которую закрепляется лазер, пластинка и объект. Потому именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

Схема записи Лейта-Упатниекса (1962)

В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством — делителем — на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и регистрирующую среду. Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале — лазера.

В 1977 году Ллойд Кросс создал так называемую мультиплексную голограмму. Она принципиально отличается от всех остальных голограмм тем, что состоит из множества (от десятков до сотен) отдельных плоских ракурсов, видимых под разными углами. Такая голограмма, естественно, не содержит полную информацию об объекте, кроме того, она, как правило, не имеет вертикального параллакса (т.е. нельзя посмотреть на объект сверху и снизу), но зато размеры записываемого объекта не ограничены длиной когерентности лазера, которая редко превышает несколько метров, а чаще всего составляет всего несколько десятков сантиметров, и размерами фотопластинки. Мало того, можно создать мультиплексную голограмму объекта, которого вовсе не существует! Например, нарисовав выдуманный объект с множества различных ракурсов. Мультиплексная голография превосходит по качеству все остальные способы создания объёмных изображений на основе отдельных ракурсов, однако она всё равно далека от традиционных методов голографии по реалистичности.

Технология записи голографических дисков

Современные методы записи на носители основаны на последовательных принципах, когда в каждый определенный момент времени на их поверхность может быть записан только один бит информации. В случае с голографией все обстоит иначе: здесь процесс основывается на параллельном методе — единственная вспышка лазера формирует пространственную запись миллионов битов информации в пространстве, ограниченном структурой носителя. Процесс записи данных на поверхности и в глубине носителя называется мультиплексированием.

В общих чертах принцип голографической записи выглядит достаточно просто. Световой поток разделяется на два луча: опорный (reference beam) и объектный (signal beam). Последний обеспечивает запись данных, а опорный остается неизменным. Цифровые данные формируют «образ» объектного луча при помощи пространственного светового модулятора Spatial Light Modulator (SLM), преобразующего последовательность нулей и единиц в массив черных и белых точек — создается подобие решетки (interference pattern), в которой просветы соответствуют очередной порции цифровых данных, а сквозь эту решетку просвечивает объектный луч, имеющий на выходе точную копию текущего состояния решетки пространственного светового модулятора. Чем больше разрешающая способность SLM, тем большую порцию данных может запечатлеть объектный луч в текущий момент времени и на сегодняшний день эта цифра составляет миллионы битов.

После преобразования в SLM уже несущий определенный набор данных объектный луч проецируется на физический носитель (storage medium). В точку проекции направляется и опорный луч, пересекаясь в ней с объектным. В этот момент происходит химическая реакция, которая и лежит в основе записи информации на носитель, причем там, где в SLM была непрозрачная точка. Если изменять длину волны опорного луча, угол его наклона или пространственное положение носителя, в один момент времени можно записать множество разных голограмм.

Есть несколько способов выполнения мультиплексирования, например, при помощи варьирования угла наклона опорного луча. К сожалению, неизвестно, какова степень мультиплексирования и как, например, «толщина» одной записанной голограммы соотносится с толщиной носителя, ведь, если предположить, что один молекулярный или атомарный слой соответствует одной голограмме, это могло бы стать настоящей революцией на рынке хранения данных.

Считывание записанных голограмм обеспечивается одним опорным лучом (reference beam), который создает отражение записанной голограммы и проецирует его на чувствительный элемент (detector array). Этот же элемент преобразует попадающую на него решетку данных в последовательность битов, а чтение голограмм на различной глубине носителя обеспечивается тем же путем, который применяется и при записи, — изменением угла наклона опорного луча, положения носителя.

Для осуществления голографической записи потребовалось разработать особый тип носителя, сочетающий большую светочувствительность, прочность, дешевизну и стабильность. Немаловажным требованием были и приемлемые линейные размеры носителя. Всем этим критериям, по мнению разработчиков, соответствуют фотополимерные диски. Диаметр их ненамного превышает диаметр современных дисков и составляет 130 мм. Они помещены в картриджи наподобие первых моделей DVD-носителей, так как попадание света на поверхность фотополимера вызовет химическую реакцию, которая необратимо разрушит записанные данные.

На сегодня имеются лишь устройства одноразовой записи, но InPhase Technologies уверяет, что в 2008 г. появятся и перезаписываемые носители.

Безопасность данных

Компании-разработчики уделили огромное внимание безопасности информации, что закрепило security-качества, которыми обладают голографические диски уже в силу особенностей технологии записи.

1) При голографическом «чтении» невозможно получить прямой доступ к носителю, в отличие от других оптических и жестких дисков: данные находятся в толще носителя, что уже намного затрудняет несанкционированный доступ.

2) Каждый голографический накопитель снабжен особой микросхемой, в которую занесена информация о размещении данных на диске. При чтении привод прежде всего обращается к этой информации, а если она зашифрована, считывание данных без необходимых сведений будет неосуществимо.

3) Нанесение особых меток, считывание и распознавание которых необходимо. Они расположены глубже, с определенными координатами. Чтобы преодолеть данный тип защиты, требуется лазер с иной длиной волны, которым не оснащаются приводы для массового потребителя.

4) В диапазоне от 403 до 407 нм варьирует длина волны используемого для записи в голографических приводах лазера. На этом может основываться еще один эффективный способ защиты данных: дисковод, использующий лазер с неверной длиной волны не сможет прочитать диск.

5) В качестве еще одного метода защиты от несанкционированного доступа может служить привязка диска к микропрограмме каждого определенного привода и использование встроенных средств защиты.

Преимущества перед Blu ray :

1) больший объем: 1,6 Тб против 50 Гб;

2) большая скорость записи/считывания информации: 120 МБ/cек против 26 МБ/сек;

3) длительный срок службы (до 50 лет).

Сегодняшние наработки

Голографическая система записи Tapestry, на разработку которой потрачено более 8 лет, была представлена на выставке NAB Show 2008 в Лас-Вегасе в апреле, а в мае 2008 г. InPhase Technologies объявили о начале ее продаж.

Система состоит из покрытых специальным материалом пластиковых дисков диаметром 120 мм, размещенных в картриджах. Голографические изображения наносятся на поверхность дисков с помощью голубого лазера с длиной волны 405 нм — аналогичным используемому в Blu ray. Как утверждает InPhase Technologies, такие диски могут служить до 50 лет. В данный момент они могут хранить 300 Гб, 800 Гб и 1,6 Тб данных, чего удалось достичь следующим образом. Можно хранить больше голограмм на том же количестве материала, совмещая не только страницы, но и книги данных. Страница данных — это около 1 млн. бит, записанных при одной экспозиции лазера. Каждая страница данных располагается по своему адресу, а на одном и том же месте материала может быть записано несколько сотен таких страниц (до 252), что составляет книгу. Последние достижения позволяют записывать «внахлест» не только страницы, но и книги — до 15 штук.

Скорость записи и считывания данных с носителей системой Tapestry составляет от 20 до 120 МБ/сек (прямопропорционально объему носителя). Её цена на данный момент составляет $18 000. В линейке приводов InPhase представлено три модели:

WORM Gen 1 tapestry 300r 300 Гб, 20MБ/сек;

WORM Gen 2 tapestry 800r 800 Гб, 80MБ/сек;

WORM Gen 3 tapestry 1600r 1,6 Tб, 120MБ/сек.

По принципу работы данная система во многом схожа с системой UDO от Plasmon, которая использует голубо-фиолетовый лазер для записи и считывания данных. Главные недостатки UDO — меньший объём диска (120 и 240 Гб), более низкая скорость записи/считывания данных, которая составляет всего 12 МБ/с. Правда, прогнозируемый срок службы у неё тот же - 50 лет. На рынке эта система пока не представлена.

Схожие наработки имеет компания Maxell. Ее сотрудники наряду с InPhase Technologies планировали, что уже в 2007 г. появятся их новые оптические носители — голографические диски объемом 300 Гб. Этого пока не произошло. В 2008 г. у них в планах создать второе поколение новых носителей емкостью 800 Гб, а к 2010 г. ими будут представлены и 1,6 Тб диски. В настоящее время Maxell работает сразу в нескольких направлениях: разрабатываются диски различных размеров, начиная от совсем маленьких и заканчивая классическими 12 см носителями. Для потребительского рынка появятся диски объемом 75 или 100 Гб. Что касается скорости передачи данных новых дисков, то для 300 Гб носителя скорость составляет 20 МБ/с. Как и следовало ожидать стоимость оптических накопителей и дисков к ним столь же велика как и у пионера InPase: на первых порах за голографический привод придется заплатить $15 000, а за диск $120-180.

Наряду с упомянутым, Hitachi Maxell создали голографический носитель HROM и на выставке CEATEC представили работающий на нем прототип системы воспроизведения аудио. Их носители имеют небольшие на сегодня объем 4 Гб и скорость передачи данных - 16 МБ/с. Однако стоит принять во внимание чрезвычайно компактные размеры носителя - немногим больше обычной почтовой марки. Касательно стоимости устройств разработчики отмечают, что цена во многом будет зависеть от объемов налаживаемого производства, но не должна превышать нескольких долларов за один носитель.

Разработки в сфере голографии оказались продуктивны и для Sony.Существующая у них технология позволяет записывать информацию с плотностью 180 Гбит на квадратный дюйм. А в ноябре 2007 г. им удалось довести плотность голографической записи до 270 Гбит на квадратный дюйм. Таким образом, появилась возможность создавать голографические носители информации в 1,5 раза большей емкости. Но когда новая технология Sony будет поставлена на коммерческие рельсы, пока не сообщается.

В апреле 2006 г. представитель компании Daewoo заявил о создании устройства HDDS — Holographic Digital Data Storage (голографический накопитель). Состоит оно из двух подсистем, которые включают электро-оптическую систему контроля, основанную на комплектующих National Instruments (NI), в числе которых контроллер CompactRIO FPGA и видеодекодирующая плата Xilinx FPGA. Голографический накопитель Daewoo работает по тому же принципу, что и устройство компании InPhase Technologies. В качестве носителя информации им используется голографический диск традиционного CD-размера. Несмотря на относительную давность сообщений, до сих пор ни слова о коммерческом внедрении новой технологии пока нет.

Трудности в создании, пути их решения

1)Главной проблемой, с которой сталкивались разработчики систем - необходимость размещения двух оптических систем по разные стороны от носителя информации (первая отвечает за формирование первоначального луча, а вторая — за прием прошедшего через диск измененного сигнала, т.е. считывание информации), а значит и отсутствовали возможности для создания компактных приводов. Но инженерам удалось обе системы расположить с одной стороны от голографического носителя и вторичный сигнал направить к приемнику благодаря наличию отражающего слоя на обратной стороне самого носителя информации.

2)Половина пространства в голографических носителях недоступна для записи данных, так как она используется программным обеспечением для коррекции ошибок. Новая технология компании Sony позволила уменьшить количество ошибок до коррекции. Теперь этот показатель не превышает 10%. А потому со временем придумают способ более экономного расходования дискового пространства.

3)Подверженность световому воздействию: электромагнитное излучение с длиной волны, близкой к световой, вызывает реакцию в регистрирующей среде, что вызывает искажение и повреждение записанных данных — размещение дисков в непрозрачных картриджах позволило снизить вероятность потери информации.

3аключение

Голографическая технология выглядит весьма впечатляюще с учетом большой емкости, скорости записи/чтения информации, наличия убедительных средств защиты от несанкционированного доступа, а потому могла бы стать желанным приобретением для многих пользователей, но чрезвычайно высокая стоимость подтверждает заявления разработчиков, указывающие на применение голографических дисков преимущественно на корпоративном рынке. Не забывая о том, что некоторые компании планируют создание бюджетных решений, вполне стоит рассчитывать на появление подобных устройств для массового потребителя.

1. Схема записи голограмм Денисюка

Итак, мы начинаем практический курс по голографии. Первые занятия будут посвящены ознакомлению с работой на схеме Денисюка - самой популярной голографической схеме. И это неудивительно, ведь схема Денисюка - самая простая из голографических схем. Тем не менее, с ее помощью можно записывать голограммы самого высокого качества.
Свое название схема получила по имени известнейшего российского ученого - Юрия Николаевича Денисюка , который в начале семидесятых годов изобрел метод записи отражающих голограмм на прозрачных фотопластинках. До этого голограммы записывались по методу Лейта -Упатниекса , и для их наблюдения требовался лазер. Чтобы голограммы можно было видеть в обычном, белом свете, Денисюк предложил освещать фотопластинку и объект одним и тем же лазерным пучком. Для этого потребовалась разработка специальных фотопластинок, которые должны быть прозрачными и иметь очень большую разрешающую способность. Задача была успешно решена.

На первом рисунке показана схема записи голограмм Денисюка, а на втором - фотография реальной установки. Узкий световой пучок 2 от лазера 1 направляется зеркалом 3 на пространственный фильтр 4 , который расширяет пучок до нужной величины и одновременно повышает его однородность. Расширенный пучок 5 освещает фотопластинку 6 и объект 7 , закрепленный на жестком основании 8 . Лазерный свет отражается от объекта на фотопластинку с обратной стороны. В плоскости фотопластинки встречаются два пучка: идущий от лазера, он называется опорным, и от объекта, он называется сигнальным. Эти пучки создают интерференционную картину , которая и регистрируется на фотопластинке. Картина интерференции - это мельчайшие перепады интенсивности света с периодом менее 1 микрона. Чтобы зарегистрировать такую мелкую картину требуется полная неподвижность объекта и фотопластинки во время экспонирования. Поэтому мягкие предметы и живые объекты, например, портрет человека, в схеме с лазером непрерывного действия записать нельзя.

Которых с очень высокой степенью точности совпадают, возникает стоячая электромагнитная волна. Когда записывают голограмму, в определённой области пространства складывают две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В области стоячей электромагнитной волны размещают (или иной регистрирующий материал), в результате на этой пластинке возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине ) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует эту волну в волну, близкую к объектной. Таким образом мы будем видеть (с той или иной степенью точности) такой же свет, какой отражался бы от объекта записи.

Источники света

При записи голограммы крайне важно, чтобы длины (частоты) объектной и опорной волн с максимальной точностью совпадали друг с другом и не менялись в течение всего времени записи (иначе на пластинке не запишется чёткой картины ). Этого можно добиться только при выполнении двух условий:

обе волны изначально испущены одним источником
этот источник испускает волну с очень стабильной длиной ( излучение)

Единственным источником света, хорошо удовлетворяющим второму условию, является . До изобретения лазеров голография практически не развивалась. На сегодняшний день голография предъявляет одни из самых жестких требований к когерентности лазеров.

Чаще всего когерентность принято характеризовать длиной когерентности - той разности оптических путей двух волн, при которой чёткость картины интерференции падает в два раза по сравнению с картиной интерференции, которую дают волны, прошедшие от источника одинаковое расстояние. Для различных лазеров длина когерентности может составлять от нескольких миллиметров (мощные лазеры, предназначенные для сварки, резки и других применений, не требовательных к этому параметру) до десятков метров (специальные, так называемые одночастотные, лазеры для требовательных к когерентности применений).

История голографии

Первая голограмма была получена в году (задолго до изобретения лазеров) в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности . Он же придумал само слово "голография", которым он подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно.

Схема записи Лейта-Упатниекса

В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством, делителем (в простейшем случае в роли делителя может выступать любой кусок стекла), на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и пластинку. Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника, испускающего свет в очень малом диапазоне длин волн (монохромного излучения), в идеале - .

Схема записи Денисюка

В этой схеме луч лазера расширяется и направляется на . Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну. Как видно, объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон. В этой схеме записывается отражающая голограмма, которая самостоятельно вырезает из сплошного спектра узкий участок (участки) и отражает только его. Благодаря этому изображение голограммы видно в обычном белом свете или лампы (см. картинку в начале статьи). Изначально голограмма вырезает ту длину волны, которой её записывали (однако в процессе обработки и при хранении голограммы может менять свою толщину, при этом меняется и длина волны), что позволяет записать на одну пластинку три голограммы одного объекта , и лазерами, получив в итоге одну цветную голограмму, которую практически невозможно отличить от самого объекта.

Эта схема отличается предельной простотой и в случае применения (имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применения ) сводится к одному лишь лазеру и некоторой основы, на которой закрепляется лазер, пластинка и объект. Именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

Фотоматериалы

Голография крайне требовательна к разрешающей способности фотоматериалов. Расстояние между двумя максимумами картины того же порядка, что и длина волны лазера, последняя чаще всего составляет 633 (гелий-неоновый) или 532 ( лазер на второй гармонике) нанометра. Таким образом, это величина порядка 0.0005 мм. Чтобы получить чёткое изображение картины интерференции, потребовались фотопластинки с от 3000 (Лейт-Упатниекс) до 5000 (Денисюк) линий на миллиметр.

Основным фотоматериалом для записи голограмм являются специальные фотопластинки на основе традиционного бромида серебра. За счёт специальных присадок и специального механизма проявления удалось достичь разрешающей способности более 5000 линий на миллиметр, однако за это приходится платить крайне низкой чувствительностью пластинки и узким спектральным диапазоном (точно подобранным под излучение лазера). Чувствительность пластинок настолько низкая, что их можно выставить на несколько секунд под прямой солнечный свет без риска засветки.

Кроме того, иногда применяются фотопластинки на основе бихромированного желатина, которые обладают ещё большей разрешающей способностью, позволяют записывать очень яркие голограммы (до 90% падающего света преобразуется в изображение), однако они ещё менее чувствительны, причём они чувствительны только в области коротких волн (синий и, в меньшей степени, зелёный участки спектра).

На данный момент в мире существует только одно промышленное (кроме некоторого количества мелких) производство фотопластинок для голографии - российская «Компания Славич».

Некоторые схемы записи позволяют писать и на пластинках с меньшей разрешающей способностью, даже на обычных фотоплёнках с разрешением порядка 100 линий на миллиметр, однако эти схемы имеют массу ограничений и не обеспечивают высокого качества изображения.

Любительская голография

Как уже было написано выше, схема Денисюка, при применении лазерного диода в качестве источника когерентного света, оказывается предельно простой, что позволило записывать такие голограммы в домашних условиях без использования специального оборудования.

Для записи голограммы достаточно создать некий каркас, на котором будут неподвижно установлены лазер, фотопластинка (как правило, ПФГ-03М) и объект записи. Единственное серьёзное требование, накладываемое на конструкцию, - минимальные вибрации. Установку следует установить на виброгасящие опоры, за несколько минут до и во время экспозиции нельзя прикасаться к установке (обычно экспозицию отмеряют открывая и закрывая луч лазера экраном, механически не связанным с установкой, в простейшем случае его можно просто держать в руке).

В любительской голографии используются дешевые и доступные полупроводниковые лазеры:

лазерные указки
лазерные модули
отдельные лазерные диоды

Лазерные указки являются самым простым в использовании и доступным источником когерентного света. Их можно, за небольшие деньги, купить практически везде. После откручивания или отпиливания линзы, фокусирующей луч, указка начинает светить подобно фонарику (за исключением того, что её пятно вытянуто в одном из направлений), позволяя осветить фотопластинку и сцену, расположенную за ней. Необходимо только зафиксировать каким-либо образом (например, бельевой прищепкой) кнопку во включённом состоянии. К недостаткам указок стоит отнести их непредсказуемое качество и необходимость постоянно покупать новые батарейки.

Более совершенным источником является лазерный модуль, у которого опять таки нужно выкрутить или отпилить фокусирующую линзу. В отличии от указки, модуль питается не от батареек внутри него, а от внешнего источника, которым может служить стабилизированный блок питания на 3В. Такой блок питания, как и сам лазерный модуль, как правило, продаётся в магазинах радиодеталей за относительно небольшие деньги. Отсутствие садящихся батареек способствует стабильности работы. Как правило, лазерные модули сделаны качественнее указок, но их когерентность так же не предсказуема.

Наконец, лазерные отдельные диоды являются самыми сложными в эксплуатации источниками света. В отличие от модулей и указок, они не имеют встроенного блока питания, по этому вам придётся его собрать или купить (последнее очень дорого). Дело в том, что лазерные диоды, как правило, используют совсем не стандартное напряжение питания, например 1.8В, 2.7В и т.п. Кроме того, для них важнее не напряжение питания, а ток. Простейший блок питания состоит из миллиамперметра, переменного резистора и стандартного стабилизированного блока питания на 3-5В. Кроме того, лазерный диод не способен самостоятельно себя охлаждать, его необходимо установить на радиатор. Тепловая мощность диодов, применяемых для любительской голографии, не превышает сотен милливатт, по этому ему достаточно минимального по размерам радиатора, однако чем больше радиатор, тем стабильнее температура, а от стабильности температуры напрямую зависит когерентность.

Как уже писалось выше, когерентность указок и модулей совершенно непредсказуема, т.к. этот параметр для их обычного применения не важен. Вполне возможно, что вам придётся купить несколько модулей/указок, прежде чем вы натолкнётесь на экземпляр с высокой когерентностью. Понять, что когерентность недостаточна можно по записанной голограмме: если на ней есть характерные полосы, которые двигаются при её вращении, значит лазер генерирует несколько длин волн и его когерентность низка.

В случае лазерных диодов ситуация заметно лучше. Во-первых, если диод показал плохой спектр излучения (т.е. низкую когерентность) в своём нормальном режиме работы, то, несколько понизив или повысив ток через него, можно попытаться получить хороший спектр. Во-вторых, некоторые диоды выпускаются производителем с учётом требований высокой когерентности. Это лазеры с одной продольной модой (Single longitudinal mode) или одночастотные лазеры. Их длинна когерентности значительно превышает метр, что многократно превосходит потребности любительской голографии. При этом цена таких лазеров начинается от нескольких десятков долларов, что вполне по силам большинству любителей. В частности, такие лазерные диоды выпускаются фирмой Opnext совместно с Hitachi.

Самое большое распространение в самых различных применениях получили красные полупроводниковые лазеры с длинной волны 650нм. Эти же лазеры получили наибольшее распространение в любительской голографии. Они отличаются низкой ценой, достаточно высокой мощностью и чувствительность глаза (и фотопластинок ПФГ-03М, применяемых для записи голограмм Денисюка) к этой длине волны достаточно высока. Меньшее распространение в голографии поручили лазеры с длинами волн 655-665нм. Чувствительность фотопластинки (и глаза) к этому диапазону заметно (примерно в 2 раза) меньше, чем к 650нм, но такие лазеры имеют многократно бо́льшую мощность при близкой цене. Ещё меньшее распространение получили лазеры 635нм. Их спектр предельно близок к спектру красного He-Ne лазера (633нм), под который заточены фотопластинки, что обеспечивает максимальную чувствительность (чувствительность глаза так же значительно, в два раза, выше, чем к 650нм). Однако эти лазеры имеют высокую цену, низкий КПД и редко обладают высокой мощностью. Кроме того, поляризация этих лазеров перпендикулярна поляризации лазеров с бо́льшей длинной волны, однако это нельзя отнести ни к преимуществам, ни к недостаткам, это нужно просто принять к сведению при установке лазера, чтобы обеспечить минимальное отражение света от стекла фотопластинки.