Holografia

Pojęcia podstawowe

Aby coś wytłumaczyć, trzeba zdefiniować o czym mówimy! Słowo hologram jest pochodzenia greckiego. Holos - całość, graphos - opisywać. A więc będziemy mówić o sposobie całkowitego opisania jakiejś rzeczy (obiektu). Czynnikiem używanym do opisu jest światło (ale od razu zastrzegam, że nie jest to jedyna możliwość), a ściślej biorąc - fala elektromagnetyczna. Natomiast efektem końcowym ma być powtarzalna możliwość wygenerowania przestrzennego obrazu tegoż obiektu. Teraz muszę przypomnieć, że fala elektromagnetyczna, której szczególnym przypadkiem jest światło widzialne, zawiera dwie składowe, usytuowane pod kątem 90° względem siebie i zgodne fazowo. Najlepiej przedstawia to rysunek:

• E - składowa pola elektrycznego
• H - składowa pola magnetycznego

Maksymalna odległość każdej ze składowych od osi Z (reprezentującej czas) to amplituda. Widać również, że składowe E i H przecinają się w punktach o ich zerowej wartości. Znaczy to, że składowe E i H są zgodne fazowo. Odległość punktów przecięcia osi Z przez składowe, od początku układu współrzędnych, wynika z częstotliwości rozchodzącej się w przestrzeni fali. Innymi słowy, im czas po którym fala osiągnie kolejny punkt o zerowej amplitudzie jest krótszy, tym częstotliwość fali jest większa. Zależność tą określa prosty wzór f =1/T, gdzie f to częstotliwość, a T to czas (okres). Należy podkreślić, że za długość fali przyjmuje się odległość nie pomiędzy dwoma, ale trzema kolejnymi punktami przejścia fali przez zero. Aby uświadomić sobie o jakich długościach fali mówimy podaję ich zakres dla pełnego widma światła widzialnego, tzn. z uwzględnieniem głębokiej podczerwieni i nadfioletu. Są to fale o długościach od 10^-3 do 10^-8m. Trzeba jeszcze zaznaczyć, że częstotliwość jest wielkością stałą (za ośrodek odniesienia przyjmujemy próżnię), określoną przez źródło promieniujące falę, natomiast jej rzeczywista prędkość i długość zależy od ośrodka, w którym fala świetlna się rozchodzi. Teraz możemy już przejść do definicji kolejnych ważnych pojęć z dziedziny ruchu falowego, które znajdują zastosowanie w holografii. Jest to interferencja i dyfrakcja. Interferencja jest nakładaniem się fal na siebie, natomiast dyfrakcja (lub ugięcie) jest odchyleniem od prostoliniowości rozchodzenia się fali, zachodzącym na krawędziach wąskich (w porównaniu z długością fali) szczelin. Procesy interferencji dominują przy zapisie, a dyfrakcji przy odczycie hologramu. Niezależnie od tego, oba te zjawiska wyrażają falową naturę światła. Jedynie trochę dla zasady przypomnę, że wg poprzednio powszechnie przyjmowanej teorii korpuskularnej, światło uważane było za strumień cząstek (fotonów) o masie spoczynkowej równej zero. Natomiast pewnego rodzaju odmianą teorii korpuskularnej jest zaproponowana przez A. Einsteina teoria kwantowa światła. Ale dość dygresji. Zajmiemy się teraz nieco bardziej szczegółowo interferencją i dyfrakcją.

Interferencja

Właściwie niewiele można dodać do podstawowej definicji interferencji, która mówi że jest to nakładanie się na siebie co najmniej dwóch fal, co w rezultacie daje falę o odmiennej charakterystyce niż fale, które interferowały ze sobą. Spowodowane to jest wpływem fazy interferujących fal na końcowy kształt fali. Przy fazach zgodnych następuje zwiększenie amplitudy, a przy przeciwnych - zmniejszenie. W krańcowych przypadkach, jeżeli interferują dwie identyczne fale, amplituda fali wynikowej może ulec podwojeniu lub całkowicie zaniknąć. W tym ostatnim przypadku mówimy o wzajemnym wygaszeniu się fal.

Dyfrakcja

Teoretyczne podstawy dyfrakcji wynikają z zasady Huyhensa, która głosi że każdy punkt powierzchni czołowej fali jest źródłem wtórnych fal sferycznych, a postępujące w przestrzeni zaburzenie falowe jest wynikiem wzajemnej interferencji (nakładania się) fal. Zasada ta jest słuszna niezależnie od długości fal. Dlatego też, jeżeli na drodze równoległej wiązki światła znajduje się nieprzeźroczysta przeszkoda P z otworem O, to na ekranie E, umieszczonym w pewnej odległości od przeszkody P, widać pole świetlne o rozmytym brzegu i średnicy większej od otworu O. Pole to jest tym wyraźniejsze, im mniejszy jest otwór O i większa spójność wiązki światła. Na ekranie E, oprócz rozmytego widoku pola otworu, występują prążki interferencyjne zwane dyfrakcjami. Istnieją dwa rodzaje dyfrakcji: Fresnela i Fraunhofera. Nazywane one również bywają dyfrakcjami w bliskim i dalekim polu. Pierwszą obserwujemy gdy odległość l jest niewielka, drugą gdy odległość l jest duża, a zwłaszcza - nieskończona. Poniższe rysunki wyjaśniają zasadę dyfrakcji oraz różnice pomiędzy jej rodzajami. Na rysunku przedstawiającym dyfrakcję Fraunhofera soczewkę umieszczono jedynie po to, aby zmniejszyć niezbędną odległość l.

Siatki dyfrakcyjne

Trudno jest wyjaśniać sprawy związane z holografią, bez omówienia siatki dyfrakcyjnej. Najprostszą, klasyczną siatkę dyfrakcyjną, tworzą periodycznie powtarzające się równoległe szczeliny, jak na rysunku poniżej:

Siatka dyfrakcyjna, wstawiona w równoległą wiązkę światła powoduje ugięcie przechodzących przez nią promieni światła pod różnymi kątami, w przedziale 0° do 90°. Teraz wyjaśnimy co się kryje za strasznym słowem transmitancja. Z grubsza biorąc jest to odpowiedź układu na doprowadzenie do niego sygnału wejściowego. Jeżeli do siatki dyfrakcyjnej doprowadzamy sygnał wejściowy w postaci fal sinusoidalnych (sinx), to siatka przepuści amplitudę fali według pewnej funkcji (zwanej transmitancją), np. sin2x lub (1+sinx) - przypadki najczęściej spotykane. Siatki dyfrakcyjne z taką transmitancją wytwarzają tylko 3 maksima dyfrakcyjne: zerowe (S₀) oraz plus (S₊₁) i minus (S_-1) pierwszego rzędu. Ponadto siatki dyfrakcyjne dzielą się na amplitudowe i fazowe, co jednoznacznie definiuje czego dyfrakcję powodują. Właściwie to już chciałem przejść do omawiania zasady powstawania i odczytu zapisu holograficznego, ale nagle uświadomiłem sobie, że to co dla jednego jest oczywiste, dla drugiego wcale nie musi! O co chodzi? Oczywiście o źródło światła, czyli o laser.