Голограф?я

	Голограф?я
Дата в?дкриття (винаходу)	1947
Продукц?я	голограма
	Голограф?я у В?к?сховищ?

Голограма як захисний елемент посв?дчення особи (Н?меччина)

Гологра?ф?я (в?д грецького ?λο?—holos — повний + γραφ?—graphe — запис) — наб?р технолог?й для точного запису, в?дтворення ? переформатування хвильових пол?в. Це спос?б одержання об'?мних зображень предмет?в на фотопластинц? (голограми) за допомогою когерентного випром?нювання лазера. Голограма ф?ксу? не саме зображення предмета, а структуру в?дбито? в?д нього св?тлово? хвил? (?? ампл?туду та фазу). Для отримання голограми необх?дно, щоб на фотограф?чну пластинку одночасно потрапили два когерентних св?тлових пучки: предметний, в?дбитий в?д об'?кта та опорний — що проходить безпосередньо в?д лазера. Св?тло обох пучк?в ?нтерферу?, створюючи на пластинц? чергування дуже вузьких темних ? св?тлих смуг — ?нтерференц?йну картину.

Р?зновиди голограм

Голограми под?ляються на к?лька вид?в, кожен з яких в?дпов?да? р?зним вимогам виробник?в. З-D-голограми здатн? передавати тривим?рний ефект ? глибину реально? модел?. При створенн? цього виду голограм завжди використовують модель в масштаб? 1: 1. Таким чином, при сильному направленому промен? св?тла буде створений приголомшливий оптичний ефект.

На в?дм?ну в?д З-D-голограм, 2-D-голограми заснован? на двом?рн?й граф?ц? та здатн? м?стити всю ?нформац?ю в одн?й площин?. Так? голограми не вимагають сильного джерела св?тла ? мають д?амантовий блиск. 2-D / 3-D-голограми заснован? на двох або трьох наборах двом?рно? граф?ки ? в?др?зняються тим, що вся ?нформац?я розташована в двох ? б?льш площинах зображення, як? створюють ефект перспективи. Цей вид голограм ? найпопулярн?шим за рахунок ч?тких контур?в малюнка ? св?тних фарб, як? видно в р?зних умовах осв?тлення.

Кр?м того, ?снують цифров? голограми — Digital Image. Вони в?др?зняються тим, що зображення створю?ться на комп'ютер? ? ?рунту?ться на одному р?вн?. Таке зображення склада?ться з растрових точок ? дозволя? створювати ефект руху, а також передавати специф?чну гру фарб. Ще одним видом голограм, заснованих на одн?й площин?, ? гел?ограмми. Вони базуються на л?н?йн?й граф?ц? ? дозволяють створити комб?нац?ю граф?чних елемент?в з ефектом руху.

Повн?стю комп'ютерною технолог??ю створення голограм ? Trustseal. Дана оптична захисна структура дозволя? досягти найб?льш ч?ткого ? яскравого зображення, а також забезпечу? б?льшу к?льк?сть вс?ляких оптичних ефект?в, що значно п?двищу? ступ?нь захисту. Так? зображення можуть бути кольоровими ? можуть зм?нювати в?дт?нки при поворот? в р?зн? сторони по вс?х осях. Граф?чна ?нформац?я такого роду перетворю?ться на голограф?чному процес?, як в однокол?рну, так ? в багатобарвну. Певн? кольори видно в залежност? в?д кута зору п?д час розгляду голограми. При направленому св?тл? краю ? кольору голограми стають ч?ткими ? св?тлими, а при звичайному осв?тленн? кольору втрачають св?й контраст.

2-канальне зображення явля? собою два накладених один на одного малюнки. Таким методом досяга?ться такий оптичний ефект, при якому в залежност? в?д кута зору видно лише один з двох мотив?в. Кр?м 2-канального, може бути три ? б?льше канальне зображення.
Сепарац?я забарвлення ? зб?льшенням одночасно видимих ??барв ? зат?нення, що посилю? граф?чний ? просторовий ефект голограми.
Окантовка кольорових д?лянок голограми може бути п?дкреслена використанням контраст?в (наприклад, чорна окантовка без дифракц?йно? структури).
Призматичн? компоненти дають л?нзовий ефект, який створю?ться при зм?н? кута нахилу. П?дробка такого комплексу практично неможлива.
М?кротекст може бути пом?тний т?льки за допомогою лупи.
Нанотекст ? дуже др?бним ? теж може бути пом?тний т?льки за допомогою лупи. Такий метод застосову?ться т?льки для Trustseal. Також як ? картина в с?рих тонах, яка створю? будь-яке зображення в р?зних в?дт?нках лише с?рого кольору.
Прихована ?нформац?я може бути зчитана т?льки спец?альними приладами з УФ, ?К або лазерним осв?тленням.

Ф?зичн? принципи

Розс?ян? об'?ктом хвил? характеризуються ампл?тудою ? фазою. Ре?страц?я ампл?туди хвиль не становить труднощ?в; звичайна фотограф?чна пл?вка ре?стру? ампл?туду, перетворюючи ?? значення у в?дпов?дне почорн?ння фотограф?чно? емульс??. Фазов? сп?вв?дношення стають доступними для ре?страц?? за допомогою ?нтерференц??, що перетворю? фазов? сп?вв?дношення у в?дпов?дн? ампл?тудн?. ?нтерференц?я виника?, коли в деяк?й област? простору складаються к?лька електромагн?тних хвиль, частоти яких з дуже високим ступенем точност? зб?гаються. Коли записують голограму, в певн?й област? простору складають дв? хвил?: одна з них йде безпосередньо в?д джерела (опорна хвиля), а ?нша в?дбива?ться в?д об'?кта запису (об'?ктна хвиля). У ц?й же област? розм?щують фотопластинку (або ?нший ре?струючий матер?ал), в результат? на ц?й пластинц? виника? складна картина смуг потемн?ння, як? в?дпов?дають розпод?лу електромагн?тно? енерг?? (картин? ?нтерференц??) у ц?й област? простору. Якщо тепер цю пластинку висв?тлити хвилею, близько? до опорно?, то вона перетворю? цю хвилю в хвилю, близьку до об'?ктно?. Таким чином, ми будемо бачити (з тим або ?ншим ступенем точност?) таке ж св?тло, що в?дбивалося б в?д об'?кта запису.

Джерела випром?нювання

Голограма ? записом ?нтерференц?йно? картини, тому важливо, щоб довжини хвиль (частоти) об'?ктного ? опорного промен?в з максимальною точн?стю зб?галися один з одним, ? р?зниця ?х фаз не зм?нювалася протягом усього часу запису (?накше на пластинц? не запишеться ч?тко? картини ?нтерференц??). Тому джерела св?тла повинн? випром?нювати електромагн?тне випром?нювання з дуже стаб?льною довжиною хвил? в достатн?й для запису часовому д?апазон?.

Вкрай зручним джерелом св?тла ? лазер. До винаходу лазер?в голограф?я практично не розвивалася (зам?сть лазера використовували дуже вузьк? л?н?? в спектр? випускання газорозрядних ламп, що дуже ускладню? експеримент). Нин? голограф?я пред'явля? одн? з найжорстк?ших вимог до когерентност? лазер?в.

Найчаст?ше когерентн?сть прийнято характеризувати довжиною когерентност? — т??? р?зниц? оптичних шлях?в двох хвиль, при як?й контраст ?нтерференц?йно? картини зменшу?ться вдв?ч? в пор?внянн? з ?нтерференц?йною картиною, яку дають хвил?, що пройшли в?д джерела однакову в?дстань. Для р?зних лазер?в довжина когерентност? може становити в?д часток м?л?метра (потужн? лазери, призначен? для зварювання, р?зання та ?нших застосувань, невимогливих до цього параметру) до сотень ? б?льше метр?в (спец?альн?, так зван? одночастотн? лазери).

?стор?я

Метод запропонував 1948 року Денн?с Габор, в?н же вв?в терм?н голограма. За цей винах?д в?н одержав Нобел?вську прем?ю.

Голограф?я почала бурхливо розвиватися та набула велике практичне значення п?сля того, як в результат? фундаментальних досл?джень з квантово? електрон?ки, виконаних радянськими ф?зиками — академ?ками М. Г. Басовим ? О. М. Прохоровим — ? американським ученим Чарльзом Таунсом, в 1960 роц? був створений перший лазер. У тому ж роц? професором Теодором Майманом був сконструйований ?мпульсний лазер на руб?н?. Ця система (на в?дм?ну в?д неперервного лазера) да? потужн? ? коротк?, тривал?стю в к?лька наносекунд (10-9 нс), лазерн? ?мпульси, що дозволяють ф?ксувати на голограм? рухом? об'?кти. Перший портрет людини був знятий з допомогою руб?нового лазера в 1967 роц?.

Початок образотворчо? голограф?? було покладено роботами Еммета Лейта^[ru] ? Юр?с Упатн?екса з М?чиганського Технолог?чного ?нституту (США), що одержали в 1962 роц? першу об'?мну голограму, що в?дновлю?ться в лазерному св?тл?. Схему запису голограм, яку запропонували ц? вчен?, тепер використовують у голограф?чних лаборатор?ях у всьому св?т?.

Вир?шальне значення для розвитку образотворчо? голограф?? мали роботи академ?ка Ю.М. Денисюка, виконан? в 60-70-х роках. В?н вперше отримав голограми, що дозволяють в?дтворювати об'?мн? зображення в звичайному, б?лому св?тл?. Практично вся сучасна образотворча голограф?я базу?ться на методах, як? запропонував Денисюк.

Перш? високояк?сн? голограми за методом Ю. М. Денисюка були виконан? в 1968 р. в СРСР — Г. А. Собол?ва та Д. А. Стаселько, а в США — Л. З?берт.

В 1969 р. Ст?вен Бентон?т з Polaroid Research Laboratories (США) виготовив голограму, видиму в звичайному б?лому св?тл?. Голограми, винайден? Бентон?т, назвали райдужними, оск?льки вони переливаються вс?ма кольорами веселки, з яких склада?ться б?ле св?тло. В?дкриття Бентон?т дало змогу розпочати масове виробництво недорогих голограм шляхом ?штампування? ?нтерференц?йних картин на пластик. Голограми саме такого типу застосовують для захисту в?д п?дробок документ?в, банк?вських карток ? т. д. Завдяки Бентон?т голограф?я здобула популярн?сть в широких верствах сусп?льства^[1].

У 1977 р. Ллойд Кросс^[en] отримав мультиплексну голограму, що склада?ться з численних звичайних фотограф?й об'?кта, знятих з багатьох точок зору, що лежать у горизонтальн?й площин?. При перем?щенн? тако? голограми в пол? зору можна побачити вс? знят? кадри.

З середини 70-х рок?в ведуться розробки систем голограф?чного к?нематографа. У Рос?? значн? усп?хи в цьому напрямку були досягнут? фах?вцями Науково-досл?дного к?но-фото ?нституту (Н?КФ?) в Москв? п?д кер?вництвом В. Г. Комара. голограф?я продовжу? активно розвиватися, ? з кожним роком в ц?й област? з'являються нов? ц?кав? р?шення.

Динам?чна голограф?я

Це область голограф??, у як?й розглядаються перетворення когерентних хвиль (пучк?в), що в?дбуваються в самому процес? запису. У звичайн?й (статичн?й) голограф?? процес запису призводить до виникнення в ре?струючому середовищ? прихованого зображення, що не вплива? на записуюч? пучки. Лише п?сля проявлення середовище набува? властивостей голограми, що зм?ню? параметри проходячого через не? зчитувального пучка. Це дозволя? в?дновлювати записан? зображення нерухомих стац?онарних об'?кт?в. У динам?чн?й голограф?? як ре?струюч? середовища використовуються речовини, в яких запис зображення (тобто зм?на показника заломлення або коефц?ц?нта поглинання в?дпов?дно до розпод?лу ?нтенсивност? ?нтерференц?йно? картини) в?дбува?ться безпосередньо п?д впливом записуваного пучка без проявлення. Тому записуюч? пучки в?дчувають зм?ни, викликан? створеною (записаною) ними ж голограмою (зворотний зв'язок). Процеси запису ? зчитування в?дбуваються одночасно ? вза?мопов'язано, що зумовлю? перетворення первинних хвиль.

Тобто, така голограф?я базу?ться на вза?мод?? к?лькох когерентих хвиль, що виника? при ?хньому проходжен? через нел?н?йне середовище через обернений зв'язок м?ж хвилями, що записують, та голограмою, що запису?ться ними.

Схема запису Лейта — Упатн??кса

У ц?й схем? запису пром?нь лазера под?ля?ться спец?альним пристро?м, д?льником (у простому випадку в рол? д?льника може виступати будь-який шматок скла), на два. П?сля цього промен? за допомогою л?нз розширюються ? за допомогою дзеркал направляються на об'?кт ? ре?струюче середовище (наприклад, фотопластинку). Обидв? хвил? (об'?ктна ? опорна) падають на пластинку з одного боку. За тако? схеми запису форму?ться пропускна голограма, що вимага? для свого в?дновлення джерела св?тла з т??ю ж довжиною хвил?, на як?й проводився запис, в ?деал? — лазера.

Схема запису Денисюка

У 1962 роц? радянський ф?зик Ю.М. Денисюк запропонував перспективний метод голограф?? ?з записом в тривим?рному середовищ?. У ц?й схем? пром?нь лазера розширю?ться л?нзою ? спрямову?ться дзеркалом на фотопластинку. Частина променя, що пройшла через не?, висв?тлю? об'?кт. В?дбите в?д об'?кта св?тло форму? об'?ктну хвилю. Як видно, об'?ктна ? опорна хвил? падають на пластинку з р?зних стор?н (так звана Схема на зустр?чних пучках). У ц?й схем? запису?ться в?дображуюча голограма, яка самост?йно вир?за? з суц?льного спектра вузьку д?лянку (д?лянки) ? в?добража? т?льки ?? (таким чином виконуючи роль св?тлоф?льтру). Завдяки цьому зображення голограми видно в звичайному б?лому св?т? сонця або лампи. Спочатку голограма вир?за? ту довжину хвил?, на як?й ?? записували (проте в процес? обробки ? при збер?ганн? голограми емульс?я може зм?нювати свою товщину, при цьому зм?ню?ться ? довжина хвил?), що дозволя? записати на одну плат?вку три голограми одного об'?кта червоним, зеленим ? син?м лазерами, отримуючи в результат? одну кольорову голограму, яку практично неможливо в?др?знити в?д самого об'?кта.

Ця схема в?др?зня?ться граничною простотою ? в раз? застосуваннянап?впров?дникового лазера (що ма? вкрай мал? розм?ри ? да? розб?жний пучок без застосування л?нз) зводиться до одного лише лазера ? деяко? основи, на як?й закр?плю?ться лазер, пластинка ? об'?кт. Саме так? схеми застосовуються при запис? аматорських голограм.

Ре?струюч? середовища

Голограф?я вкрай вимоглива до розд?льно? здатност? фотоматер?ал?в. В?дстань м?ж двома максимумами ?нтерференц?йно? картини того ж порядку, що ? довжина хвил? лазера, а остання найчаст?ше становить 632,8 нм для гел?й-неонового лазера, 532 нм для неодимового лазера на друг?й гармон?ц?, 514 нм ? 488 нм для дано? операц??. Таким чином, це величина порядку 0.0005 мм. Щоб отримати ч?тке зображення картини ?нтерференц??, потр?бн? були ре?струюч? середовища з розд?льною здатн?стю до 6000 л?н?й на м?л?метр (при запис? за схемою на зустр?чних пучках з кутом сходження промен?в 180 °).

Ре?струюч? середовища под?ляються на плоск? (двовим?рн?) ? об'?мн? (тривим?рн? або товст?). Для класиф?кац?? використову?ться параметр, який ?нод? в л?тератур? називають критер??м Клейна:

Q={\frac {2\pi \lambda d}{n\Lambda ^{2}}}

,

λ — довжина хвил?;
D — товщина шару;
N — середн?й коеф?ц??нт заломлення шару;
Λ — в?дстань м?ж ?нтерференц?йними площинами.

Об'?мними (товстими) голограмами вважаються так?, у яких Q > 10. ? навпаки, голограма вважа?ться тонкою (плоскою), коли Q < 1.

Галогенср?бн? фотоматер?али

Основним фотоматер?алом для запису голограм ? спец?альн? фотопластинки на основ? традиц?йного бром?ду ср?бла. За рахунок спец?альних присадок та спец?ального механ?зму прояву вдалося досягти розд?льно? здатност? понад 5000 л?н?й на м?л?метр, однак за це доводиться платити вкрай низькою чутлив?стю пластинки ? вузьким спектральним д?апазоном (точно п?д?браним п?д випром?нювання лазера). Чутлив?сть пластинок наст?льки низька, що ?х можна виставити на к?лька секунд п?д пряме сонячне св?тло без ризику засв?чення.

Кр?м того, ?нод? застосовуються фотопластинки на основ? б?хромованого желатину, як? волод?ють ще б?льшою розд?льною здатн?стю, дозволяють записувати дуже яскрав? голограми (до 90% св?тла перетворю?ться на зображення), проте вони ще менш чутлив?, причому вони чутлив? т?льки в област? коротких хвиль (синя ?, меншою м?рою, зелена д?лянки спектра).

Деяк? схеми запису дозволяють писати ? на пластинках з меншою розд?льною здатн?стю, нав?ть на звичайних фотопл?вках з розд?льною здатн?стю близько 100 л?н?й на м?л?метр, однак ц? схеми мають масу обмежень ? не забезпечують високо? якост? зображення.

Фотохромн? кристали

Поряд з фотограф?чними др?бнозернистими галогенср?бними середовищами, застосовуються так зван? фотохромн? середовища, що зм?нюють спектр поглинання п?д д??ю записуючого св?тла.

KCl

Одними з ефективних серед фотохромних кристал?в ? лужно-гало?дн? кристали, з яких найкращ? результати були отриман? на адитивно забарвлен? кристалах хлориду кал?ю (KCl). Голограми, записан? на таких кристалах, досягають 40 % в?дносно? дифракц?йно? ефективност? при теоретично можливою в цьому середовищ? 60 %. При цьому голограми в даному матер?ал? вельми товст? (товщиною до дек?лькох м?л?метр?в, ? можуть в принцип? досягати одиниць сантиметр?в). Голограф?чний запис в адитивно забарвлених кристалах KCl базу?ться на фототерм?чному F-X-перетворенн? центр?в забарвлення, тобто фактично? коалесценц?? одиночних ан?онних ваканс?й в б?льш? кластерн? утворення розм?ром десятки нанометр?в. При цьому голограф?чний запис в таких кристалах реверсивний (оборотн?й) ? дуже ст?йкий за часом.

Також можливий голограф?чний запис за допомогою легування кристал?в в?дпов?дно? дом?шкою. Можливо використовувати для ц??? мети ефект компенсац?йного впливу введених в АТ KCl кат?онних (?они Са⁺⁺) ? ан?онних (?они ОН^?) дом?шок на процес фототерм?чного перетворення F-центр?в. Показано, що просв?тлення при цьому в максимум? смуги поглинання F- центр?в досяга? 90 % ? не супроводжу?ться утворенням центр?в, як? обумовлюють поглинання у видим?й област? спектра. Розроблено механ?зм такого впливу, оснований на фотох?м?чних реакц?ях, к?нцев? продукти яких поглинають в УФ-д?апазон?. Об?рунтовано, що ключову роль в розглянутому явищ? в?д?грають б?ваканс?? ? комплекси Са⁺⁺ (ОН^?) ₂ — кат?онна ваканс?я. На основ? отриманих результат?в розроблена нова фотохромна система для формування голограм, заснована на ефект? компенсац?? впливу кат?онних ? ан?онних дом?шок.

Сегнетоелектричн? кристали

При голограф?чного запису, як ре?струючого середовища, так само широко використовуються сегнетоелектричн? кристали. Здеб?льшого це н?обат л?т?ю — LiNbO₃. Явище зм?ни показника заломлення п?д д??ю св?тла викликано електрооптичним ефектом. При запису голограм сегнетоелектричн? кристали волод?ють тими ж перевагами, що ? фотохромн? матер?али. Кр?м того, п?сля безл?ч? цикл?в "запис — стирання " не спостер?га?ться ефекту втоми. Оск?льки одержуван? голограми ? фазовими, ?х дифракц?йна ефективн?сть може бути на порядок вище, н?ж у голограм на фотохромних матер?алах.

Однак, ц? кристали волод?ють недол?ками властивими фотохромним матер?алам. Основною проблемою в цьому випадку ? нестаб?льн?сть голограми, що не ф?ксу?ться на в?дм?ну в?д звичайних фотошар?в. ?нша складн?сть поляга? в низьк?й величин? голограф?чно? чутливост?.

Голограф?чн? фотопол?мерн? матер?али

?нтенсивно розробляються ре?струюч? середовища на баз? голограф?чних фотопол?мерних матер?ал?в, що являють собою багатокомпонентну сум?ш орган?чних речовин, нанесену у вигляд? аморфно? пл?вки завтовшки 10—150 мкм на скляну або пл?вкову п?дкладку. Фотопол?мерн? пл?вки менш дорог? н?ж кристали н?об?ту л?т?ю, менш гром?здк? ? мають по сут? велику величину зм?ни коеф?ц??нта заломлення, що призводить до б?льших значень дифракц?йно? ефективност? та б?льшо? яскравост? голограми. Однак, з ?ншого боку н?обат л?т?ю, через його товщину, здатний збер?гати велик? обсяги ?нформац??, н?ж фотопол?мерн? пл?вки товщина яких обмежена.

Оск?льки фотопол?мери не волод?ють зернистою будовою, то розд?льна здатн?сть такого матер?алу достатня для надщ?льного запису ?нформац??. Чутлив?сть фотопол?мера пор?внянна з чутлив?стю фотохромних кристал?в. Записан? голограми ? фазовими, що дозволя? отримувати високу дифракц?йну ефективн?сть. Так? матер?али дозволяють збер?гати ?нформац?ю тривалий час, ст?йк? до впливу температур, а також в?др?зняються пол?пшеними оптичними характеристиками.