„Holography (Nobel Prize Physics in Everyday Application – Laboratory Exercise)” változatai közötti eltérés

A Fizipedia wikiből
1. sor: 1. sor:
−
==Bevezetés==
+
==Introduction==
  
−
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.
+
Humans have three-dimensional vision. This is due to the fact that our two eyes see different images of the scene that we are looking at. Photography is a common way of recording what we see. In photography real objects are mapped onto a two-dimensional surface using the lens of a camera (formerly the recording surface used to be a film coated with a photosensitive material, but in today's digital cameras it is an electronic light-sensitive plate made up of pixels of a given size). When you look at the resulting photograph, even with two eyes, you cannot see a three-dimensional scene the way you see reality. This is because the photograph does not contain all the three-dimensional information about the light wave coming from the object.
  
−
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.
+
In 1947, the Hungarian-born electrical engineer and physicist Dennis Gabor (1900-1979) conceived the basic idea of holography: instead of passing the light coming from an object through a lens that would image it onto a photosensitive film (as in conventional photography), this light wave, called the 'object wave', is directly projected onto the photosensitive plate, together with another light wave called the 'reference wave'. When the object wave and the reference wave are added, an interference image is formed on the photosensitive plate, which records the full three-dimensional information about the object wave. As the method is based on the interference of waves, a coherent light source emitting a monochromatic light wave is required to obtain a holographic image (e.g. sunlight or incandescent light is not suitable). It is no wonder that the field of holography only really began to make spectacular progress in the early 1960s with the invention of the laser. However, the few years that followed  and the emergence of research fields such as holographic optical elements (HOEs), holographic interferometry, computer holography, reflection holography that still flourish today  were enough to convince the Swedish Academy of Sciences committee to award Dennis Gabor the Nobel Prize in Physics in 1971. Since then, holography has expanded into many other important areas, such as holographic data storage and holographic security.
 +
 
 +
A hologram is therefore simply a system of dense interference fringes. To view the image of the object (i.e. to 'reconstruct' the hologram), we have to illuminate the holographic plate with the reference light wave. The illuminating light wave is then diffracted by the fixed, dense interference fringe system. It can be shown that one of the diffracted wave components will be precisely the object wave that was used to record the hologram. This reconstructed object wave can be viewed  e.g. by moving the head to different viewpoints  in the same way as the three-dimensional object itself. In addition to reproducing a spectacular three-dimensional image, a particularly exciting feature of holography is that information is distributed differently on a hologram than on traditional information storage media (e.g. a photograph, a DVD or a computer's magnetic hard disk). The connection between the object and the points ("pixels" or "bits") of the holographic storage device is not a one-to-one mapping: information is received and recorded at a given point on the hologram from all points on the object. Even when the hologram is broken into small pieces, the complete object information is preserved in each piece. In this measurement, you will create a reflection hologram and through it you will learn about many interesting and unique properties of holograms.
  
−
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==
 
==Reflexiós hologram készítése==

A lap 2023. szeptember 13., 10:48-kori változata

Tartalomjegyzék

Introduction

Humans have three-dimensional vision. This is due to the fact that our two eyes see different images of the scene that we are looking at. Photography is a common way of recording what we see. In photography real objects are mapped onto a two-dimensional surface using the lens of a camera (formerly the recording surface used to be a film coated with a photosensitive material, but in today's digital cameras it is an electronic light-sensitive plate made up of pixels of a given size). When you look at the resulting photograph, even with two eyes, you cannot see a three-dimensional scene the way you see reality. This is because the photograph does not contain all the three-dimensional information about the light wave coming from the object.

In 1947, the Hungarian-born electrical engineer and physicist Dennis Gabor (1900-1979) conceived the basic idea of holography: instead of passing the light coming from an object through a lens that would image it onto a photosensitive film (as in conventional photography), this light wave, called the 'object wave', is directly projected onto the photosensitive plate, together with another light wave called the 'reference wave'. When the object wave and the reference wave are added, an interference image is formed on the photosensitive plate, which records the full three-dimensional information about the object wave. As the method is based on the interference of waves, a coherent light source emitting a monochromatic light wave is required to obtain a holographic image (e.g. sunlight or incandescent light is not suitable). It is no wonder that the field of holography only really began to make spectacular progress in the early 1960s with the invention of the laser. However, the few years that followed  and the emergence of research fields such as holographic optical elements (HOEs), holographic interferometry, computer holography, reflection holography that still flourish today  were enough to convince the Swedish Academy of Sciences committee to award Dennis Gabor the Nobel Prize in Physics in 1971. Since then, holography has expanded into many other important areas, such as holographic data storage and holographic security.

A hologram is therefore simply a system of dense interference fringes. To view the image of the object (i.e. to 'reconstruct' the hologram), we have to illuminate the holographic plate with the reference light wave. The illuminating light wave is then diffracted by the fixed, dense interference fringe system. It can be shown that one of the diffracted wave components will be precisely the object wave that was used to record the hologram. This reconstructed object wave can be viewed  e.g. by moving the head to different viewpoints  in the same way as the three-dimensional object itself. In addition to reproducing a spectacular three-dimensional image, a particularly exciting feature of holography is that information is distributed differently on a hologram than on traditional information storage media (e.g. a photograph, a DVD or a computer's magnetic hard disk). The connection between the object and the points ("pixels" or "bits") of the holographic storage device is not a one-to-one mapping: information is received and recorded at a given point on the hologram from all points on the object. Even when the hologram is broken into small pieces, the complete object information is preserved in each piece. In this measurement, you will create a reflection hologram and through it you will learn about many interesting and unique properties of holograms.


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?

Hologramtartó összeszerelési útmutatója

A lap eredeti címe: „https://fizipedia.bme.hu/index.php?title=Holography_(Nobel_Prize_Physics_in_Everyday_Application_–_Laboratory_Exercise)&oldid=28914”