Holográfia (Nobel-díjas kísérletek középiskolásoknak)

A Fizipedia wikiből

Bevezetés

Az ember térbeli látással rendelkezik. Ez abból adódik, hogy két szemmel sztereó látásra van módunk, azaz testünk vagy szemünk mozgatása nélkül is el tudjuk helyezni a térben az érzékelt tárgyakat, mivel két szemünk eltérő képet lát. Az általunk látottak rögzítésének egyik elterjedt módja a fényképezés. Ekkor a valóságos tárgyakat a fényképezőgép objektív lencséjének segítségével leképezzük egy kétdimenziós felületre (ez korábban fényérzékeny anyaggal bevont film volt, a manapság használatos digitális kamerákban pedig egy adott méretű pixelekből álló elektronikus fényérzékelő lapka). Ha az elkészült fényképet nézzük, akkor még két szemmel sem látunk a valóság szemléléséhez hasonló térbeli hatást. A fénykép nem tartalmazza ugyanis a tárgyról érkező fényhullámra vonatkozó teljes, háromdimenziós információt.

Gábor Dénes (1900-1979) magyar születésű villamosmérnök és fizikus fejében 1947-ben fogant meg a holográfia alapötlete: a tárgyról érkező fény nem halad át egy lencsén, amely leképezné a fényérzékeny filmre (mint az a hagyományos fényképezésben történik), hanem közvetlenül rászóródik a fényérzékeny lemezre, egy másik, ún. referencia fényhullámmal együtt. Amikor a tárgyról érkező fényhullám és a referencia fényhullám összeadódik, a fényérzékeny lemezen interferenciakép keletkezik, amely a tárgyról érkezett hullámra vonatkozó teljes, háromdimenziós információt rögzíti. Mivel a módszer hullámok interferenciáján alapul, a hologramfelvétel készítéséhez koherens, egyszínű fényt kiadó fényforrásra van szükség (pl. a napfény vagy az izzólámpa fénye nem alkalmas erre). Nem csoda, hogy a holográfia tudományterülete csak az 1960-as évek elejétől, a lézer feltalálásával indult igazán látványos fejlődésnek. Az a néhány év azonban, ami ekkor következett – ekkor bontakoztak ki olyan, ma is virágzó kutatási területek, mint a holografikus optikai elemek, a holografikus interferometria, a számítógépes holográfia, a reflexiós holográfia – elég volt, hogy meggyőzze a Svéd Tudományos Akadémia bizottságát: 1971-ben Gábor Dénesnek ítélték a fizikai Nobel-díjat. Azóta a holográfia még számos jelentős területtel bővült, mint pl. a holografikus adattárolás vagy a holografikus biztonságtechnika.

A hologram, azaz a fényérzékeny lemezen rögzült kép tehát voltaképpen nem más, mint egy sűrű interferenciacsík-rendszer. A tárgy képének megnézéséhez (az ún. rekonstrukcióhoz) az szükséges, hogy az elkészült hologramlemezt megvilágítsuk a referencia fényhullámmal. Ekkor a rögzült, sűrű interferenciacsík-rendszeren a megvilágító fényhullám elhajlik (idegen szóval: diffraktálódik). Megmutatható, hogy a diffraktált hullámkomponensek egyike éppen a hologram felvételekor használt tárgyhullám lesz. Rekonstruálódik tehát annak a fényhullámnak a teljes, háromdimenziós alakja, amely a felvételkor használt elrendezésben a tárgyról érkezett a hologramlemezre. Ezt a rekonstruált tárgyhullámot éppúgy szemlélhetjük – pl. fejünk mozgatásával más-más nézőpontokat kijelölve –, mint magát a háromdimenziós tárgyat szemlélhetnénk. A látványos, háromdimenziós kép visszaadásán kívül különösen izgalmas tulajdonsága a hologramnak, hogy az információ másképp oszlik el rajta, mint a hagyományos információtároló eszközökön (pl. a fényképen, a DVD-n vagy a számítógép mágneses merevlemezén). A tárgy és a holografikus tárolóeszköz pontjai („pixelei“ vagy „bitjei“) között ugyanis nem egy-az-egy leképezés teremt kapcsolatot: a hologram egy adott pontjára a tárgy minden pontjából érkezik és rögzül információ. A hologramot kis darabokra törve is minden darabban a teljes tárgyinformáció megőrződik. A jelen mérésben reflexiós hologramot fogtok készíteni, és ezen keresztül fogtok a hologramok sok érdekes, egyedülálló tajdonságával megismerkedni.

Reflexiós hologram készítése

A reflexiós hologramok felvételének elrendezése az 1. ábrán látható. A lézerből kiinduló éles fénysugarat egy lencse segítségével kitágítjuk, hogy a teljes hologramlemezt, illetve a hologramlemez mögé helyezett tárgyat ki tudja világítani. A referencia hullám szerepét a nyalábtágítóból érkező, a hologramlemezt előlről érő fényhullám tölti be, a tárgyhullám pedig a hologramlemez mögé helyezett tárgyról visszafelé szóródó, a hologramlemezt hátulról érő fényhullám. Egy adott elrendezést mutat a 2. ábra, amelynek jobb oldalán a tárgyelrendezés (2 LEGO-figura és egy maci-figura), a bal oldalán pedig a hologramlemez látható.

Hologram1.jpg
Hologram2.jpg
1. ábra 2. ábra

A referenciahullám és a tárgyhullám a hologramlemez fényérzékeny rétegében összeadódik, interferál. Az interferenciakép akkor rögzíthető jó minőségben, ha a két találkozó hullám intenzitásának aránya, valamint együttes intenzitásuk, és az exponálás ideje is megfelelő. Mivel az expozíciós idők másodperc vagy perc nagyságrendűek is lehetnek, arról is gondoskodni kell, hogy a felvétel közben az interferenciakép és a hologramlemez egymáshoz képest ne mozogjon/rezegjen, ezért az egész elrendezést speciális optikai asztalra helyezzük, amely rezgésmentes és kellő merevségű. Felvétel közben az egyéb zavaró hatásokat is ki kell zárni (pl. légáramlatok, háttérfény).

A méréskor egy kb. 5 cm x 7,5 cm-es hologramlemezre egy hasonló méretű, erősen reflektáló, lehetőleg csillogó tárgyról készítünk reflexiós hologramot. (Alkalmas tárgyak pl.: érmék, kulcsok, kis fém dísztárgyak, fehér LEGO-elemek, diffúz felületű fehér tárgyak.) A fényforrás egy ~250mW teljesítményű, λ=647nm hullámhosszúságú kripton-lézer. A hologramlemezek LITIHOLO RRT20 típusú, ~600-660 nm hullámhossztartományra érzékeny, ún. instant filmmel bevont üveglemezek. A fényérzékeny réteg 50 μm-es vastagsága jóval nagyobb a megvilágító hullámhossznál. (Ennek a jelentőségére a 3. pontban még visszatérünk.) Az interferenciakép a fényérzékeny réteg teljes vastagságában, a megvilágítás intenzitásától függő törésmutató-változás formájában rögzül, és magas ill. alacsony törésmutatójú interferenciafelületek sorozatát hozza létre. A szomszédos interferenciafelületek távolsága – mint az egymással szemben haladó hullámok találkozásakor kialakuló állóhullámok duzzadóhelyeinek távolságára vonatkozó összefüggésből tudjuk – λ/2.

A használt LITIHOLO RRT20 lemezeknek az az előnye, hogy a felvétel után semmilyen, a hagyományos holografikus emulziók esetén használatos kémiai eljárást (előhívás, halványítás, rögzítés) nem igényel, mert az interferenciafelületek a felvétel folyamán rögzülnek is az anyagban. A hologramlemezek fényzáró dobozban találhatók, melyet csak sötétben, közvetlenül az felvétel előtt szabad kinyitni, majd egy lemezt kiemelve rögtön vissza kell zárni.

Reflexiós hologram rekonstrukciója

A hologram felvétele után – amely kb. egy percet vesz igénybe – vegyük ki a tárgyat a helyéről, és a hologramlemezt – az 1. pontban leírtaknak megfelelően – csak a referenciahullámmal világítsuk meg (ezt neveztük rekonstrukciónak). Azt fogjuk tapasztalni, hogy valóban a tárgy távollétében, pusztán a hologramból is létrejön, rekonstruálódik a tárgyhullám: a tárgyat ott látjuk „lebegni“ eredeti helyén, a hologramlemez mögött, teljes háromdimenziós valójában. Ezt a hologramtípust azért hívjuk reflexiós hologramnak, mert sajátos „tükörként“ viselkedik: a rekonstruáló referenciahullámot megváltozott alakban, rekonstruált tárgyhullámmá alakítva „veri vissza“. A következő rekonstrukciós elrendezéseket is próbáljuk még ki:

  • A hologramot fordítsuk meg, hogy a megvilágító referenciahullám most az ellenkező oldalról világítsa meg. Ez az ún. konjugált rekonstrukciós elrendezés. Mit tapasztalunk: milyen látványt mutat az ún. konjugált rekonstruált tárgyhullám? Miben különbözik az eredeti rekonstruált tárgyhullámtól, és milyen értelemben mutat „valószerűtlen“ képet?
  • A hologramot ne a felvételkor használt kripton-lézer fényével rekonstruáljuk, hanem valamilyen pontszerű fehér fényforrással (pl. napfény, spotlámpa, fehér LED). Milyen színben látható ekkor a tárgy rekonstruált képe? Megjegyzés: a reflexiós hologramok fehér fényben azért tekinthetők meg, mert – mint láttuk – a hullámhosszhoz képest vastag fényérzékeny réteget tartalmazó lemezre készülnek, így a fényérzékeny rétegben interferenciafelületek sorozata rögzül. Ezek az interferenciafelületek egymással közel párhuzamosak, és két szomszédos (azonos törésmutatójú) felület távolsága λ/2. Az ilyen vastagréteg ún. Bragg-effektust mutat: a fehér fényt alkotó hullámokból csak a felvételkor használthoz közeli hullámhosszakon diffraktál jelentősen, így „szelektál” a színek között, és a tárgy éles, egyszínű képét állítja elő.
  • Takarjuk le a hologram felét (vagy üvegvágóval vágjuk félbe a hologramot), és a fél-hologramot világítsuk meg a rekonstruáló referenciahullámmal. Mit tapasztalunk? A tárgynak csak a felét látjuk, vagy az egészet? Milyen értelemben tartalmazza a fél-hologram a teljes tárgyra vonatkozó információt?