Holografie. Marek Škereň. Základní praktikum z optiky a optoelektroniky 12ZPOP

Holografie Základní praktikum z optiky a optoelektroniky 12ZPOP Marek Škereň Skupina optické fyziky Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská České vysoké učení technické v Praze http://optics.fjfi.cvut.cz

Obsah přednášky úvod do holografie motivace, historie holografie, základní fyzikální principy, difrakce světla, difrakční mřížky, základy holografie, záznam hologramů, rekonstrukce,... typy hologramů transmisní a reflexní hologramy, duhové hologramy, barevné hologramy, achromatické hologramy, pulzní hologramy,... syntetické hologramy počítačem generované hologramy, holografické stereogramy,... realizace hologramů záznamové materiály pro holografii, realizace syntetických hologramů, dynamické hologramy,... závěr aplikace holografie, budoucnost holografie, ukázky hologramů,... 2

Co je to hologram? Holografie holos (úplný) grafo (záznam) metoda záznamu optického signálu, která zohledňuje jeho komplexní charakter vede na úplný záznam amplitudy i fáze zachovává 3-dimenzionální charakter zaznamenávané scény Historie holografie: Denis Gabor 1947 objev holografie (Nobelova cena v roce 1971) původní snahou bylo zvýšení rozlišení v mikroskopii praktická realizace byla v důsledku neexistence dostatečně koherentních zdrojů problematická k dalšímu rozvoji holografie došlo po objevení laseru v 60. letech Emmett Leith, Juris Upatnieks 1962 - mimoosové schema obecný transmisní hologram Jurij Denisjuk 1962 reflexní hologram na jednosvazkovém principu Stephen Benton 1969 duhový hologram Různé pohledy na holografii metoda optického záznamu (podobně jako fotografie) obecnější pohled - metoda realizace obecné transformace vlnoplochy 4

Proč nestačí fotografie? při záznamu fotografie nejsme schopni zachytit informaci o tom, ze kterého směru světlo na film dopadlo zaznamenáváme pouze intenzitu v daném bodě 2 1 3 fotografovaný objekt zobrazovací záznamový objektiv materiál (film, CCD) 1 2 3 při pozorování fotografie z různých úhlů nevidíme objekt z různých stran každý bod fotografie vysílá při pozorování do celého poloprostoru stejnou informaci skutečný objekt fotografie 5

Interferenční proužky a fáze vlny nechme signální vlnu interferovat s další, tzv. referenční vlnou zaznamenejme intenzitu interferenčního pole hustota interferenčních proužků závisí na úhlu mezi vlnami (a vlnové délce světla) podmínkou vzniku proužků je vzájemná koherence vln typická periodicita proužků je ~ 300-800 nm vložíme-li do jediného svazku skleněnou destičku a provedeme záznam, přítomnost destičky se neprojeví když postup zopakujeme i s referenční vlnou, přítomnost destičky se projeví posunem proužků i intenzitní záznam tedy nese informaci o fázi otázkou je, jestli umíme tuto informaci ze záznamového média posléze správně číst 6

Holografický záznam zaznamenejme místo signální vlny interferenční pole této vlny s hladkou referenční vlnou referenční vlna r záznam je opět intenzitní, ale fáze vln se promítá do posuvu interferenčních proužků vznik proužků je podmíněný koherencí svazků => prakticky musí oba pocházet ze stejného laseru a délky jejich drah se můžou lišit maximálně o jeho koherenční délku záznamový materiál objekt signální vlna s intenzita zaznamenávaného interferenčního pole Irec = jr + sj2 = jrj2 + jsj2 + rs + r s r = r0 ei!t e ik:r s = s0 (x; y; z)ei!t e iá(r) za předpokladu linearity záznamu platí pro transmitanci hologramu po vyvolání: t» Irec = jrj2 + jsj2 + rs + r s 7

Rekonstrukce hologramu zaznamenaný hologram při rekonstrukci posvítíme na hologram rekonstrukční vlnou identickou s vlnou referenční při záznamu pole za hologramem sestává ze tří vln r r 2s u = t:r» r(jrj2 + jsj2) + r2s + jrj2s r( r 2+ s 2) rekonstrukční vlna r zaznamenaný hologram r2s* jedna z vln za hologramem odpovídá přesně původnímu signálu přícházejícímu od objektu virtuální obraz užitečný signál lze od dalších dvou vln separovat prostorově volbou úhlu dopadu referenční vlny signální vlna s 8

Jak vypadá hologram zblízka pod mikroskopem hologram připomína pravidelnou mřížku, její periodicita se ale pomalu v prostoru mění vlastnosti hologramů lze odvodit z vlastností pravidelných mřížek, kterých studium je jednodušší 2μm 20μm 5μm Difrakční mřížka při difrakci na pravidelné mřížce dochází ke vzniku tzv. difrakčních řádů poloha řádů je daná mřížkovou rovnicí sin µm = 2¼ jk j k1 k0 = sin µi + m směr difrakce závidí na hustotě mřížky a vlnové délce světla hologram je vlastně správně zdeformovaná mřížka, která vytváří místo jednoduchého řádu požadovaný obraz kix k 1 ki k 2 k 3 9

Kopírování hologramů hologram lze rekonstruovat také tzv. konjugovanou vlnou v případě rovinné referenční vlny je taková vlna rovněž rovinná, ale dopadající z opačné strany 2 u = t:r» r (jrj2 + jsj2 ) + jrj2 s + r s rekonstrukcí hologramu je potom tzv. reálný obraz fokusující se v místě původního objektu reálný obraz lze jednoduše využít ke kopírování hologramů přístup umožňuje posunout objekt do těsné blízkosti hologramu, resp. nechat rovinu hologramu procházet objektem 10

Co potřebuji k záznamu hologramu? požadavky na koherenci zdroje interferenční proužky vzniknou pouze pokud jsou svazky dostatečně koherentní nutnost použití laseru jako zdroje světla vysoká hustota interferenčního pole (až 250 nm) => požadavek vysokého rozlišení (>100 000 dpi) vysoké rozlišení materiálu = nízká citlivost => dlouhé expoziční časy => nutná vysoká stabilita existuje široká škála záznamových materiálů jedním z nejdůležitejších jsou halogenostříbrné emulze vycházející z fotografických materiálů 11

Lze hologram rekonstruovat bílým světlem? popsaný mechanizmus rekonstrukce funguje přísně vzato pouze pokud je rekonstrukční vlna totožná s vlnou referenční => tzn. je generována laserem při rekonstrukci klasického transmisního hologramu bílým světlem difraktují díky disperzi světla na mřížce různé barvy pod různými úhly a obraz je rozmazaný jednou z možností jak zrekonstruovat hologram běžným bílým světelným zdrojem je použít tzv. reflexní hologram reflexní hologram při rekonstrukci vytváří obraz v odraženém světle přirozenou vlastností reflexního hologramu je vysoká citlivost na vlnovou délku rekonstrukční vlny při rekonstrukci bílým světlem difraktuje do oka pozorovatele pouze úzké spektrum vlnový délek, ostatní nejsou ovlivněny a projdou hologramem beze změny 12

Transmisní x reflexní hologramy když při záznamu hologramu dopadají referenční a signální vlna na médium ze stejné strany, je výsledkem tzv. transmisní hologram při rekonstrukci transmisního hologramu se obraz formuje z rekonstrukční vlny při průchodu hologramem když při záznamu hologramu dopadají referenční a signální vlna na médium z různých stran, je výsledkem tzv. reflexní hologram při rekonstrukci reflexního hologramu se obraz formuje z rekonstrukční vlny při odrazu od hologramu 14

Duhové hologramy koncept duhového hologramu navrhl v roce 1969 S. Benton jedná se o transmisní hologram rekonstruovatelný v bílém světle za cenu omezení jedné paralaxy záznam primárního masteru kopie přes štěrbinu rekonstrukce zachovává prostorové vlastnosti pouze v horizontálním směru při rekonstrukci v bílém světle se jednotlivé barvy nemixují, ale fokusují se do štěrbin seřazených nad sebe ve vertikálním směru se postupně mění barvy hologramu 15

Barevné a pseudobarevné hologramy Pravé barevné hologramy barevný hologram lze realizovat expozicí třemi lasery na tzv. panchromatickou emulzi expozice můžou probíhat postupně anebo současně problémem je dostupností vhodných laserů a emulzí s vyváženou citlivostí a vlastnostmi ve viditelném spektru Pseudobarevné hologramy hologramy s různou barvou rekonstrukce se mikrostrukturálně liší pouze periodicitou záznam jediným laserem rekonstrukce bílým světlem změnu periodicity lze dosáhnout nejenom změnou barvy ale také změnou záznamové geometrie tímto způsobem lze zaznamenat barevný hologram jediným laserem ve tří postupných expozicích s různým úhlem dopadu referenční vlny 16

Pulzní hologramy dosavadní úvahy o záznamovém procesu vyžadovaly stabilitu celé scény na úrovni ~ desítek nanometrů po celou dobu expozice (při použití dostupných kontinuálních laserů ~ jednotky vteřin) pro záznam živého objektu je potřebné expoziční dobu výrazně zkrátit k tomuto účelu lze použít například pulzní rubínový laser (694nm) operující v tzv. Q-switch režimu s délkou pulzu ~ desítky nanosekund a energií pulzu ~ jednotky Joule v tomto případě není nutné scénu nijak stabilizovat, odpadají náklady na tlumící systémy, atd.? je expozice nebezpečná pro oči? 17

Počítačová syntéza hologramu komplikovaný proces záznamu, nutnost použití modelu, atd. vedou k úvahám o počítačové syntéze hologramu první syntetické hologramy byly vytvořeny již v 70-tych letech dvacátého století masovější nasazení syntetických prvků začalo až v 90-tych letech díky rozvoji výpočetní techniky a litografických technik cílem je dospět k hologramu objektu vygenerovaného počítačem výhodou je, že objekt nemusí reálně existovat, lze jej libovolně transformovat,... počítačem je možné modelovat objekt a ten potom zaznamenat klasickou optickou cestou anebo lze přímo napočítavat mikrostrukturu hologramu 19

Přímý výpočet mikrostruktury dokážeme-li popsat matematicky světelnou vlnu a její interakci s hologramem při rekonstrukci, můžeme numericky napočítat přímo jeho mikrostrukturu obecným problém je extrémní hustota struktury a s ní spojené výpočetní nároky strukturu je potřeba nakonec prakticky realizovat s nanometrovými detaily vysoké nároky na technologii rekonstrukční vlna rekonstruovaný objekt syntetický hologram 20

Holografické stereogramy při záznamu hologramu v klasickém holografickém schematu musí být k dispozici model objektu model musí být ve finální velikosti objekty nelze zmenšovat a zvětšovat nelze zaznamenat hologramy budov, přírodních scenérií,... snaha syntetizovat hologram z pohledů na objekt pořízených fotograficky anebo vygenerovaných počítačem jedná se vlastně o multikanálový stereogram 2D pohled z daného směru rovina objektu společná referenční vlna primární hologram finální hologram rovina pozorování 21

Záznamové materiály pro holografii Základní požadavky na záznamový materiál vysoká rozlišovací schopnost perioda struktury 200 900 nm odpovídá rozlišení 1000-5000 čar/ mm (30000 130000 dpi) co nejvyšší citlivost v požadované oblasti viditelného spektra objemová fázová struktura stabilita, odolnost,... Podle odezvy záznamového materiálu rozlišujeme materiály s amplitudovou odezvou materiály s fázovou odezvou materiály s prostorovým reliéfem materiály s objemovou modulací indexu lomu Z hlediska reverzibility rozlišujeme permanentní záznam reverzibilní záznam (resp. dynamický záznam měnitelný v reálném čase) 23

Halogenostříbrné emulze absorpční záznam patří sem klasické fotografické procesy jedná se o velice citlivý proces, je založen na fotochemickém zesílení latentního obrazu k zesílení dochází v důsledku poexpozičního procesu vyvolání primární proces je negativní vyšší expozice vede na vyšší absorbci nosič (želatina n=1.53) podložka (sklo, plast) krystalky (zrna) halogenidů stříbra AgX (zejména AgBr n=2.236) velikost zrna souvisí s citlivostí a rozlišovací schopností větší zrno znamená větší citlivost, ale menší rozlišovací schopnost velikost zrna volíme i s ohledem na konkrétní aplikaci: holografické ultrajemnozrnné emulze velikost zrna ~ 10-30nm holografické jemnozrnné emulze velikost zrna ~ 30-50nm holografické emulze citlivé velikost zrna ~ 50-100nm litografické emulze velikost zrna ~ 200-350nm fotografické jemnozrnné emulze velikost zrna ~ 350-700nm fotografické citlivé emulze velikost zrna ~ 1-2μm rentgenovské citlivé emulze - velikost zrna ~ 2-2.5μm 24

Halogenostříbrné emulze expozice a vyvolání vlastní citlivost halogenidu je v UV oblasti, citlivost končí v okolí 480nm spektrální citlivost je možné posunout do viditelné oblasti použitím optických senzibilizátorů látek adsorbovaných na zrna halogenidu, které zprostředkují vznik potřebného fotoelektronu konverzí z jiného pásma citlivost halogenostříbrných emulzí je v rozmezí zlomků μj/cm2 až jednotky mj/cm2 (typicky ~ stovky μj/cm2) expozice latentní obraz při vyvolání dojde ke konverzi celých latentně exponovaných zrn na kovové stříbro poměr celkového počtu stříbrných atomů k počtu absorbovaných fotonů se nazývá zisk vyvolání 25

Halogenostříbrné emulze fázový záznam Bělení konverze absorbčního fotografického záznamu na fázový existuje několik způsobů bělení pomocí různých běliček využívajících odlišný postup bělení 26

Další záznamové materiály Dichromovaná želatina vysoký diferenciální index lomu, nízká absorpce, nízký šum a vysoké rozlišení, nízká citlivost expozicí dochází ke konverzi Cr6+ na Cr3+,které způsobují zesíťování (cross-link) makromolekulární matrice, zesíťovaná místa jsou tvrdší, vykazují vyšší hustotu materiálu a vzniká modulace indexu lomu expozice hydratace sušení Fotorezisty expozicí dochází ke změnám rozpustnosti polymerního materiálu ve vývojce, po vyvolání vzniká reliéf citlivost rezistů je poměrně nízká, maximum citlivosti je v UV oblasti pro holografii se využívá expozice He-Cd (442nm), Arion (458nm), LD (~ 405nm) vyvolání Fotopolymery působením světla dochází k polymeraci monomeru efekt je zesílen difuzí procesy probíhají během expozice expozice monomér polymér difúze monoméru 27

Klasický záznam hologramu v optickém schematu dělič reflexní matnice objekt pinhole záznamové médium laser 28

Rekonstrukce zaznamenaného hologramu dělič rekonstruovaný objekt pinhole vyvolaný hologram laser 29

Kopírování hologramů dělič pinhole pinhole rekonstruovaný objekt vyvolaný primární hologram záznamové médium (kopie) laser 30

Realizace syntetických hologramů laserový (elektronový) zdroj Litografie tenkým svazkem (direct-write) zápis fokusovaným svazkem fotonů anebo elektronů rozlišení laserových litografů je běžně ~ 50 000 dpi fokusační optika rozlišení elektronových litografů běžně > 1 000 000 dpi y rezist laserový zdroj x mikrodisplej fokusační optika (s velkým zmenšením) rezist y x 10μm 150μm ukázky mikrostruktur realizovaných pomocí laserové a elektronové litografie 31

Ukázky mikrostruktury syntetických prvků ukázky mikrostruktur vyrobených v rezistovém materiálu pomocí různých technologií (laserová a elektronová litografie) 32

Dynamické hologramy dynamický záznam - interferenční pole lze zaznamenávat kamerou, problém je ale rozlišení (velikost pixelu ~ jednotky um, periodicita proužků ~ stovky nm) dynamická rekonstrukce - vyžaduje dynamický prvek umožňující měnit mikrostrukturu hologramu v reálném čase 60μm využívají se mikrodispleje založené na kapalných krystalech (LCD) a deformovatelných mikrozrcátkách (DLP) s vysokou hustotou pixelů kapalné společná krystaly elektroda vstupní polarizátor U výstupní polarizátor 1cm 40μm laser 10 30 μm 40μm obraz SLM adresovací elektrody PC PC 33

Moderní aplikace hologramů obrazové hologramy nejsou jedinou a nejdůležitejší aplikací vzhledem k využívání světla (laseru) v mnohých oblastech slouží hologramy jako nástroj pro ovládání a tvarování světelných svazků významné aplikace jsou v optických komunikacích, ukládání dat a optickém processingu přehled vybraných aplikací: průmyslové aplikace jako řezání, svařování, popisování laserem optické komunikace a optické procesory holografické paměti optické mikromanipulace hologramy jako ochranné prvky hologramy pro 3D vizualizaci, head-up dispeje,... 35

Hologramy pro průmyslové ůčely lasery jsou využívány jako náhrada obráběcích nástrojů výhodné pří popisování bezkontaktní metoda,... systémy pro řezáni a svařování materiálů tvarování a vychylování svazků lze řešit klasicky mechanické skenery pro některé aplikace nedostačující ovládání svazku hologramem flexibilní, rychlé,... laser difrakční prvek ukázka Ni matrice s reliéfním difraktivním prvkem pro ůčely tvarování svazků 36

Hologramy pro optické komunikace vzhledem k masivnímu nasazení optických technologií v přenosu informace se difraktivní optika uplatňuje v různých optických přepínačích, atd. výhodou oproti konvenčním řešením je nízká hmotnost, cena, snadná replikovatelnost, odolnost vůči různým nežádoucím vlivům difraktivní prvky se začínají využívat také při zpracování informací, kde částečně nahrazují některé funkce elektronických mikroprocesorů matice optických vláken vstupní vlákno DOE navržená difraktivní struktura rekonstrukce 37

Holografické paměti velice významná oblast aplikace optické paměti typu CD, DVD, HDDVD, blue-ray ovládají tuto oblast další zvyšování kapacity zmenšováním pitů již není možné krycí vrstva reflexní kovová vrstva (Al) nosič s vylisovaným reliéfem (polykarbonát) holografický přístup umožňuje multiplexování ukládaných dat v jediném místě média je uložený velký objem dat compact disc snaha o zpětnou kompatibilitu s CD,... detektor laserová dioda 780-830 nm technologie využívající holografického principu kapacita 1TB na médium, prototypy až 3.9 TB vysoká čtecí rychlost až 1Gbps 38

Hologramy jako ochranné prvky hologram vykazuje úhlovou variabilitu, která je důsledkem vlastností mikrostruktury mikrostruktura má periodicitu ~ 250 900 nm => nekopírovatelné barevnost hologram je způsobená disperzí nenapodobitelné kopírovacími technikami lisované reliéfní hologramy vyráběné ve velkých sériích aplikují sa na chráněné produkty jako samolepící etikety anebo prostřednictvím tzv. horké ražby snadná laická kontrolovatelnost možnost zakomponování utajené informace kryptogramy, mikrotexty nízká cena vysoká úroveň zabezpečení 39

Co hologram neumí? při pozorování rekonstrukce objektu musí spojnice oka pozorovatele a libovolného bodu obrazu protínat hologram relativní poloha a velikost desky určuje rozsah úhlů, ze kterých je objekt viditelný holografická deska tudíž nemůže být skryta někde za rohem 40

Hologram a 3D vizualizace rekonstrukce hologramu je pozorovatelná většinou pouze z omezeného prostorového úhlu daného polohou a rozměry desky hologram je vhodný pro vytvoření statického 3D obrazu, ale rekonstrukce je velmi závislá na poloze a kvalitě světelného zdroje pro rekonstrukci i když principiálně lze realizovat holografické video (a v minulosti již bylo realizováno), v barvách, rekonstruovatelné v bílém světle: ve srovnání s jinými primitivnějšími technikami jako jsou polarizační projekce (IMAX), synchronizované závěrkové systémy, monitory s lentikulárním rastrem nebo přímá projekce do oka pozorovatele (virtuální realita) se jedná o cestu velmi náročnou a zbytečně těžkopádnou pro účely vytvoření iluze pro svým způsobem nedokonalé lidské oko jsou výše zmíněné techniky mnohem vhodnější tyto přístupy navíc můžou mít další výhody jako např. nezávislost na poloze pozorovatele, zpětná vazba na jeho pohyb,... v oblasti dynamické 3D vizualizace nad hologramy pravděpodobně zvítězí jednodušší přístupy obrazové hologramy se budou dále uplatňovat zejména ve statické sfěře pro umělecké, dokumentační, vědecké a průmyslové aplikace 41

Holografie Základní praktikum z optiky a optoelektroniky 12ZPOP Marek Škereň Skupina optické fyziky Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská České vysoké učení technické v Praze http://optics.fjfi.cvut.cz