Как делают голограмму?

Предмет: Физика
Тип работы: Реферат
Язык: Русский
Дата добавления: 28.10.2019

 

 

 

 

 

  • Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой выпускной квалификационной работой!
  • Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала для самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Что вызывает загар и солнечный ожог?
Что такое одностороннее зеркало?
Как летает ракета?
Что происходит с организмом при поражении электрическим током?


Введение:

Оптика, раздел физики, изучающий оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света с веществом, является одной из древнейших и наиболее хорошо освоенных областей науки. Примерно до середины XX века казалось, что оптика как наука завершила свое развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли революционные изменения, связанные как с открытием новых законов (принципов квантового усиления, лазеров), так и с развитием идей, основанных на классических и проверенных концепциях. Здесь, прежде всего, мы имеем в виду голографию, которая существенно расширяет область практического использования волновых явлений и дает толчок теоретическим исследованиям. 

Голография (от греческого holos all and grapho пишу я, т.е. «полная запись») это особый способ записи и последующей реконструкции волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины. Он обязан своим происхождением законам волновой оптики законам интерференции и дифракции. Этот принципиально новый способ фиксации и воспроизведения пространственного изображения объектов был изобретен английским физиком Д. Габортом (1900-1979) в 1947 году. (Нобелевская премия 1971). Экспериментальное внедрение и дальнейшее развитие этого метода (советский ученый Ю. Н. Денисюк в 1962 г. и американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс в 1963 г. стали возможны после появления в 1960 г. источников света высокой степени когерентности лазеров. 

Голографические методы (запись голограммы в трехмерных средах, цветная и панорамная голография и т. д.) все больше разрабатываются. Может использоваться в компьютерах с голографической памятью, голографическим электронным микроскопом, голографическим кино и телевидением, голографической интерферометрией и т. д. 

Сущность феномена голографии

Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, можно восстановить картину волнового поля, образованного электромагнитной волной, в любое время и в любой точке пространства. Для этого необходимо записать распределение амплитуд и фаз волн (в данном случае световых волн) на произвольной поверхности или ее части, охватывающей источник волны. Другими словами, чтобы «заморозить» электромагнитные волны во всем пространстве, достаточно «заморозить» их только на определенной поверхности. 

Как восстановить световую волну в космосе, то есть «разморозить» ее? Для этого вам необходимо установить параметры, характеризующие среду. Предположим, вы хотите восстановить плоскую волну. Для этого необходимо указать для любой плоскости равномерно распределенные источники вибрации с определенной начальной фазой. Элементарные источники колебаний должны располагаться на поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны. Но это те, которые необходимы. Все будет зависеть от типа волн. Возьмите, например, сферические волны, излучаемые точечным источником. Давайте установим в качестве поверхности, на которой «заморожены» волны, сферу с центром в источнике. Амплитуды и фазы элементарных волновых источников будут одинаковыми для всей поверхности. В случае круговых волн, когда «замораживают» световые волны, необходимо расположить элементарные источники колебаний с одинаковой фазой и амплитудой на концентрических окружностях. 

Другими словами, мы должны зарегистрировать на некоторых поверхностях мгновенные структуры постоянных фазовых линий в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных областей. В этом нам помогает помеха: мы получаем интерференционную картину, состоящую из светлых (прозрачных) и темных (непрозрачных) полос. Интерференция это способ сравнить пространственную структуру двух лучей света. Сначала их сравнивают, а затем регистрируют на фотопластинке. 

Откуда взялись эти два луча и что они представляли в экспериментах Габора? Один луч отражался от освещенного объекта и падал на фотопластинку. Это была определенная комбинация волн, конфигурация которых зависела от формы объекта. Это может быть очень просто или очень сложно. Другой комплект имел простую конфигурацию. Чаще всего он состоял из плоских волн. Он был создан когерентным источником света и назывался эталонной волной. Второй луч служил эталоном. Он также упал на фотопластинку. 

Оба световых луча пересекались возле этой пластины. Когда они пересекались, они мешали друг другу, образуя области усиления или затухания, чередуясь по определенному закону во времени и пространстве. В результате интерференции была получена интерферограмма в виде чередующихся светлых и темных полос неподвижной интерференционной картины. 

Неподвижность интерференционной картины в пространстве была предоставлена опорной (эталонной) волной. Именно она «остановила» («заморозила») световую волну. 

Чтобы восстановить изображение объекта, достаточно осветить голограмму только эталонным лучом, используемым при записи. Этот метод регистрации волнового поля является ценным в том смысле, что он позволяет просто восстановить исходную волну. Как только мы отправляем эталонную волну, используемую во время записи, на голограмму, исходное волновое поле объекта восстанавливается («размораживается») за голограммой. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, мы обязаны восстановить эквивалентные источники, образованные яркими пятнами интерференционной картины. По этой причине волны «размораживаются», и наблюдатель видит пространственное изображение объекта. 

Итак, мы можем сделать вывод, что голография это фотографический метод. Но это существенно отличается от метода классической фотографии. Это принципиально другой двухэтапный метод. В отличие от обычной фотографии, изображения, которые получаются при восстановлении того, что записано на голограмме, полностью неотличимы от изображений реального объекта. Голография позволяет воспроизвести в космосе реальную картину электромагнитных волн, то есть волновую картину объекта, когда самого объекта больше нет. 

Голография. Восстановление изображения объекта 

Лазерный луч, расширяемый простым оптическим прибором, одновременно направляется на исследуемый объект и на зеркало. Опорная волна, отраженная от зеркала, и световая волна, рассеянная объектом, падают на обычную фотопластинку, где записывается результирующая сложная интерференционная картина. После соответствующей экспозиции вырабатывается фотографическая пластина, в результате которой получается так называемая голограмма интерференционная картина, записанная на фотографической пластине, полученная путем наложения эталонной и объектной волн. Голограмма выглядит как равномерно освещенная пластинка, если не обращать внимания на отдельные кольца и пятна, возникшие из-за дифракции света на пылевых частицах и не имеющие отношения к информации об объекте. 

Чтобы восстановить волновое поле объекта, тем самым получить его объемное изображение, голограмма помещается в то место, где во время фотографирования находилась фотопластинка, и затем голограмма освещается световым лучом того же лазера под тем же углом. при котором была проведена экспозиция. В этом случае дифракция опорной волны на голограмме происходит, и мы видим объемное изображение со всеми свойствами , присущими самого объектом (оно также сохраняет распределения освещенности, а также в объекте) «мнимый» образом. Нам кажется настолько реальным, что иногда возникает желание прикоснуться к объекту. Конечно, это невозможно, так как в этом случае изображение формируется голографической копией волны, рассеянной объектом во время записи голограммы. 

По голограмме в глаза попадает точно такая же волна, как и из самого объекта. В дополнение к виртуальному изображению также получают реальное изображение объекта, которое имеет рельеф, противоположный рельефу самого объекта, если наблюдение проводится справа от голограммы. В этом случае трудно наблюдать фактическое изображение невооруженным глазом. Если голограмма освещаются с обратной стороны с перевернутым опорным лучом так , чтобы все лучи пучка направлены противоположно пучки исходного опорного пучка, то в месте первоначального расположения объекта, а входит реальное изображение , доступный для наблюдения невооруженным глазом. Его можно зарегистрировать на фотопластинке без использования линз. 

Носители записи и их применение

В этом разделе мы рассмотрим общие характеристики материала, которые применимы практически к любой среде, а не к конкретной голографической среде. Во-первых, отметим важную роль, которую глубина записи играет в голографической среде. Во-вторых, рассмотрим два класса голограмм, на которые они делятся по способу освещения обработанной голограммы, отражающие и пропускающие. И наконец, отметим тот факт, что некоторые голограммы не зарегистрированы, а синтезированы с помощью компьютера. 

Если при регистрации интерференционных полос используется только поверхность носителя записи, то получаются тонкие плоские или поверхностные голограммы. Важным моментом является не величина толщины самого носителя записи, а эффект, который он оказывает; даже если носитель толстый, но глубина записи не используется, результат такой же, как на тонком носителе. У нас имеется толстая или объемная голограмма в случае, когда трехмерная интерференционная картина записывается и используется по всей глубине среднего слоя. Именно использование объема носителя записи позволяет нам восстановить только одно изображение вместо основного изображения и связанных с ним изображений. 

Существует довольно простое различие между отражением и передачей. В одном случае свет, используемый для освещения голограммы во время восстановления волнового фронта, отражается от среды в виде волнового фронта изображения, а в другом свет проходит через голограмму. В случае отражения обычно меньше света теряется. 

В этом случае компьютер вводит параметры, описывающие объект, и вычисляет объектную волну. Опорная волна может быть математически добавлена ​​к объектной волне, а результат, полученный на плоттере, должен быть аналогичен оптической записи. В общем случае этого не делается, но синтезированная на компьютере голограмма, воспроизводимая на плоттере, представляет собой систему прозрачных апертур, закодированных таким образом, чтобы дать желаемую волну изображения. 

По конфигурации мы имеем в виду все, что связано с положением объекта, использование линз для формирования изображения, или преобразование Фурье объектной волны, структуру опорной волны, форма поверхности и методы воздействия на голографический материал.

В общем, если объект расположен близко к голографическому записывающему устройству, записывается то, что называется голограммой Френеля. Если объект маленький и находится всего в нескольких сантиметрах от голограммы, мы все равно получим так называемую голограмму Фраунгофера. 

Если объект находится очень близко к голограмме или изображение объекта формируется в непосредственной близости от устройства голографической записи, мы получаем голограмму сфокусированного изображения. Поскольку в этом случае восстановленное изображение расположено близко к голограмме, световые лучи с разными длинами волн не смогут рассеиваться под большим углом до формирования изображения. Это означает, что источник с широким спектром излучения может быть использован для освещения голограммы. Это свойство делает голограмму в фокусе особенно полезной для использования в дисплеях. Если для получения двумерного пространственного преобразования Фурье распределения амплитуд и фаз объектной волны в плоскости регистрации голограммы используется линза, то мы получаем голограмму Фурье. В случае, когда рассеивающий объект и точечный эталонный источник находятся на одном расстоянии от носителя записи, мы имеем квазифурье-голограмму. 

Влияние опорного сигнала гораздо сильнее , чем это кажется на первый взгляд. Положение и размер изображения, его поле зрения и разрешение зависят от опорной волны; он определяет разрешение, которое должен иметь регистрационный материал. 

Если точечный источник опорной волны расположен на том же расстоянии от голограммы, что и объект, то голограмма имеет почти те же свойства, что и голограмма Фурье. Поэтому такую ​​голограмму можно назвать квазифурье-голограммой. Другие параметры зависят от положения точечного источника опорной волны. Окончательное разрешение рекордера накладывает ограничения на поле зрения изображения, его разрешение или на то и другое. Выбирая положение точечного источника опорной волны, компромисс может быть найден в пределах , которые ограничивают поле зрения и разрешение изображения. Если источник находится в области объекта, то мы получаем максимальное разрешение за счет ограниченного поля зрения. Если источник находится на бесконечности (плоская опорная волна), то «у нас максимальное поле зрения и низкое разрешение. Если точечный источник опорной волны расположен между объектом и бесконечностью вдали от голограммы, то мы получим промежуточные значения поля зрения и разрешение изображения.

Как делают голограмму? 

В качестве материала для записи, как правило, используется плоская фотоэмульсия, которая экспонируется одновременно и целиком.

Записывающий материал может быть термопластичным, и в этом случае говорят о термопластичной голограмме. Записаны фотохромные и дихроматно-желатиновые голограммы. Почти любой носитель, способный записывать изображения, может быть использован для регистрации голограммы. Если материал для записи отличается от фотоэмульсии, то его название используется для определения типа голограммы. 

Некоторые виды голограмм

Мультиплексная голограмма называется голограммой, на которой одновременно записано много изображений, или отдельные части одного изображения записаны отдельно, или одно изображение записано несколько раз.

При решении проблемы хранения данных для записи множества голограмм можно использовать одну фотопластинку или какой-либо другой материал, и каждая голограмма может независимо восстанавливать изображения данных, записанных на ней. В этом случае голограммы могут образовывать решетчатую решетку, и для считывания изображения с каждой голограммы лазерный луч сканируется через решетку. 

Существует также другой способ пространственного разделения голограммы, когда одна и та же волна объекта или волна от одного и того же объекта, но под разными углами, записывается на голограмме в виде полос. В первом случае полосовая голограмма просто перезаписывается много раз, так что изображение всей голограммы может быть восстановлено. Второй случай возникает при записи синтезированных голограмм для отображения информации. 

Под составными голограммами мы подразумеваем голограммы, которые формируют изображения, состоящие из отдельных частей, каждая из которых была записана независимо Голограммы, записанные с помощью сканирующего источника, это те голограммы, для которых была использована регистрация; либо сканирующий луч света, чтобы осветить объект, либо сканирующий опорный луч, чтобы осветить голограмму. 

Иногда поперечное сечение луча, освещающего объект, уменьшается до такой степени, что он больше не может освещать весь объект одновременно, но должен сканировать объект. В результате формируется голограмма с мультиэкспозицией, в которой изображение каждой из областей объекта, освещаемых лучом, записывается отдельно. 

Если размер объекта большой, вы можете сузить луч, освещающий объект, и заставить его сканировать объект так, чтобы волна объекта более высокой яркости падала на голограмму. Это сократит время выдержки, необходимое для записи голограммы рассматриваемой части объекта. Полная экспозиция не может быть уменьшена. 

Недостатком использования сканирующей голографической системы, помимо необходимости использования более сложного оборудования, является также снижение эффективности дифракции голограммы. Это уменьшение связано с увеличением: фоновой экспозиции, возникающей при записи с несколькими экспозициями. 

В случае сканирования эталонным лучом весь объект освещается, но в то же время эталонный луч сканирует голограмму. Следовательно, можно увеличить общую интенсивность света, падающего на часть голограммы, и уменьшить время воздействия на часть голограммы. Это позволяет голографическим объектам, которые имеют движение в ограниченном диапазоне. Тем не менее, такие мет приводит к уменьшению дифракционной эффективности, что объясняется увеличением энергии опорного пучка по отношению к объекту. 

Цветные голограммы называются голограммами, которые могут воспроизводить цветные изображения. По сути, цветные голограммы представляют собой мультиплексированные голограммы, которые восстанавливают перекрывающиеся изображения, каждое из которых имеет свой цвет. Как и в случае мультиплексных голограмм, возникают различные проблемы в зависимости от того, используются ли тонкие, т.е. поверхностные, голограммы или носитель записи имеет заметную толщину. Голограммы, записанные на тонком материале, восстанавливают повторяющиеся изображения, которые соответствуют многим порядкам дифракции. Голограммы, записанные в толстой среде из-за усадки или набухания эмульсии, не могут быть восстановлены при освещении с исходной длиной волны. Если, например, мы рассмотрим красные и белые изображения, то, в отличие от черного и белого, необходимо учитывать эффекты дисперсии. В случае голограммы сфокусированного изображения, поскольку расстояние между голограммой и телеграфированным изображением; короче оказывается, таких проблем меньше. 

Голограмма представляет собой кодированную дифракционную решетку.

Поэтому, когда голограмма освещается белым светом, волны с более длинными длинами волн отклоняются больше вне оси, чем волны с более короткими длинами волн, которые освещают голограмму. В результате этого восстановлено изображение; смазанный. Этот эффект можно частично компенсировать с помощью дифракционной решетки с шагом хода, равным среднему периоду интерференционных полос на голограмме. Приведенные выше соображения относятся к тонким голограммам. Объемные голограммы являются селективными по длине волны и будут отражать или передавать только узкую полосу длин волн Брэгга. 

Голограммы могут записывать излучение, рассеянное объектом. На рисунке показаны схемы записи голограмм с углом охвата 360 °. Однако можно зарегистрировать голограмму с таким покрытием даже при обычном (не всестороннем) освещении. Для этого необходимо сделать много экспозиций, каждый раз поворачивая объект под небольшим углом и освещая узкой вертикальной полосой голограммы при каждой экспозиции. 

Трехмерные свойства изображений, реконструированных с помощью голограмм, могут быть использованы в рекламе, демонстрациях лекций, при создании художественных панорам, при создании копий произведений искусства, при оформлении голографических портретов. При получении голографического портрета человека такие короткие выдержки необходимы, чтобы структура голограммы не была размытой из-за смещений освещаемой поверхности. Это требует увеличения мощности лазера, используемого для получения голограммы. В этом случае, однако, не следует забывать о максимально допустимой концентрации энергии на поверхности сетчатки человеческого глаза. Выход состоит в том, чтобы осветить лицо с помощью рассеивающих экранов большой площади. 

Применение голографии в технике и оптической инженерии

Ряд технологических процессов может использовать реальные изображения, образованные голограммами. Когда голограммы передаются мощным лазером, на обработанные поверхности можно наносить сложные рисунки. В частности, голограммы уже использовались для бесконтактного осаждения микроэлектронных цепей. Основными преимуществами голографических методов по сравнению с обычными контактными или проекционными является достижение практически без аберрационного изображения в большом поле. Предел разрешения голограммы может достигать доли длины волны света. На изображение практически не влияют частицы пыли, осевшие на голограмме, царапины и другие дефекты, в то время как для контактных или проекционных фотошаблонов это приводит к браку. 

Еще одно применение голограммы в технике в качестве линзы. Фокусирующие свойства зональных решеток известны давно. Однако использование решеток было ограничено трудностями при их изготовлении. Решетки с голографической зоной голограммы точечного источника просты в изготовлении и, несомненно, будут полезны в лазерной технике. Например, при использовании голографических линз в пленке из тантала, нанесенной на стекло, были получены отверстия диаметром до 14 мкм. Голографические решетки полностью свободны от ошибок, присущих обычным решеткам, вырезанным на делительной машине. 

Проблема визуализации акустических полей успешно решается с помощью голографии. Это имеет большое практическое значение. Возможные применения звуковой голографии обнаружение дефектов, изучение рельефа морского дна, гидролокатор, звуковая навигация, поиск минералов, изучение строения земной коры и т. д. 

Ультразвуковая голография имеет особое значение для медицинской диагностики.

Таким образом, были заложены основы метода для масштабной лабораторной работы по измерению остаточных напряжений. Начаты исследования остаточных напряжений в сварных соединениях и разработка режимов сварки стали, алюминия, титана, магния. Первоначально работа проводилась с образцами на лабораторном стенде. Новая методика оказалась эффективной при разработке технологии электронно-лучевой сварки и локальной термообработки образцов разного сечения (плоского, тройного, цилиндрического, сферического) из высокопрочных сталей разных марок и титановых сплавов. 

По мере накопления опыта был сделан следующий важный шаг было создано портативное устройство, которое работало не только в лаборатории, но и в мастерской и на открытом воздухе. С помощью этого устройства на заводе была реализована комплексная программа по разработке режимов сварки и локальной термической обработки титановых крупногабаритных сосудов высокого давления объемом 1000 литров, рассчитанных на рабочее давление 300 атм. Разработка новой технологии продолжалась с непрерывным контролем остаточных напряжений. В результате технология изготовления сосудов была существенно изменена, удешевлена, а качество продукта возросло. Это исследование проводилось в цехах комплекса авиационного научно-технического имени В. И. Н. Туполева. С помощью того же устройства были совершены первые поездки на строящуюся Курскую АЭС и Астраханский газоперерабатывающий завод, где измерялись сварочные напряжения в реальных конструкциях в сложных климатических условиях. В сотрудничестве с конструкторским бюро им. С. А. Лавочкина, технология сварки и режимы термической обработки сварных соединений ряда алюминиевых сплавов были усовершенствованы, и была проведена экспертная работа по установлению причин самоуничтожения корпуса одного из космических аппаратов при хранении. 

Заключение

На основе проведенных исследований было создано несколько типов портативных голографических систем для измерения напряжений под общим названием LEMON лазерно-интерферометрический метод определения напряжений, и с помощью этих систем была разработана программа для развития сварки. режимы и локальная термообработка титановых крупногабаритных сосудов высокого давления объемом 1000 л при рабочем давлении 300 атм. Разработка новой технологии продолжалась с непрерывным контролем остаточных напряжений. В результате технология изготовления сосудов была существенно изменена, удешевлена, а качество продукта возросло.

Это исследование проводилось в цехах комплекса авиационного научно-технического имени В. И. Н. Туполева. С помощью того же устройства были совершены первые поездки на строящуюся Курскую АЭС и Астраханский газоперерабатывающий завод, где измерялись сварочные напряжения в реальных конструкциях в сложных климатических условиях. В сотрудничестве с конструкторским бюро им. С. А. Лавочкина, технология сварки и режимы термической обработки сварных соединений ряда алюминиевых сплавов были усовершенствованы, и была проведена экспертная работа по установлению причин самоуничтожения корпуса одного из космических аппаратов при хранении. 

На основе проведенных исследований было создано несколько типов портативных голографических систем для измерения напряжений под общим названием LEMON лазерный интерферометрический метод определения напряжений, и с помощью этих систем была проделана большая работа, как плановая, так и экспертная, сделано для измерения остаточных напряжений в различных технических объектах на заводах и полигонах. Накопленный опыт был использован при создании каждой последующей измерительной системы.