Principiul holografiei optice

Holografia

Metoda holografiei a fost elaborata in 1948 de catre Denis Gabor, care a descris o metoda prin care se poate obtine imaginea unui obiect din figura generala de difractie produsa de acel obiect. Aceasta metoda a fost numita holografia, (holos= intreg, grafien = scriere, in limba greaca). Denis Gabor a primit pentru metoda sa in 1971 premiul Nobel. Preocupat fiind de imbunatatirea rezolutiei microscopului electronic, el propune formarea imaginilor optice in doua etape:

-inregistrarea frontului de unda provenit de la obiectul de studiat;
-reconstituirea sa ulterioara, cu toate caractreisticile ce-i apartin, amplitudine si faza, noua metoda fiind numita din acest motiv, holografie.

Principiul holografiei optice, adica obtinerea inregistrarii complete a unui obiect, plecandu-se de la o figura de difractie produsa de obiect. Procedeul prezinta doua etape:

1) peste un fond luminos coerent se suprapune figura de difractie Fresnel, produsa de obiectul luminat coerent cu fondul luminos; interferograma rezultata inregistrata pe o placa fotografica constituind holograma(fig.1), care contine toate informatiile cu privire la amplitudinea si faza lumini difractate de catre obiect;

2) holograma fotografica se ilumineaza cu un fascicol de lumina paralela, monocromatica, si datorita variatiilor in densitatea optica prezentata de placa fotografica apar efecte de difractie, prin care se reconstituie imaginea obiectului.

Astfel, in timp ce in fotografia obisnuita se inregistreaza numai amplitudinea undei provenita de la obiect, informatia continuta in faza fiind pierduta, in holografie franjele de pe holograma contin intreaga informatie despre obiect (amplitudinea se manifesta in contrastul franjelor, iar faza in distanta dintre franje). In holografie, aceeasi sursa serveste atat la iluminarea obiectului, cat si la producerea fondului coerent.

Leith si Upatnieks au perfectionat metoda aratand ca fascicolul de lumina care formeaza fondul coerent, cand soseste la placa fotografica, trebuie sa faca un unghi destul de mare cu fasciculul difractat pe obiect si ca realizarea montajelor este usurata de utilizarea surselor laser.

Consideram ca intensitatea campului electric al undei luminoase difractate de obiect (unda obiect) este descrisa in planul (x,y) al hologramei de functia complexa: E(x,y,t) =Eo(x,y,t) exp[iF(x,y,t)].

Informatie transportata de aceasta unda luminoasa la traversarea planului (x,y) este continuta atat in amplitudinea Eo(x,y,t), cat si in faza F(x,y,t).

Imaginea luminoasa a unui obiect se obtine plasand in planul (x,y) un fotodetector (o patura fotosensibila sau o placa fotografica), care este iluminat cu unda luminoasa ce este fie reflectata de obiect, fie traverseaza obiectul studiat. Unda luminoasa care cade pe placa fotografica poarta, de asemenea, informatia continuta atat in amplitudinea sa cat si in faza. Acum se pune intrebarea daca pe o placa fotografica este posibil sa se inregistreze informatia continuta in faza undei luminoase incidente. Tehnica holografica propusa de D. Gabor arata ca daca unda luminoasa poseda o coerenta suficient de ridicata se poate inregistra pe placa fotografica atat amplitudinea, cat si faza unei unde luminoase.

Prin curba de innegrire sau curba caracteristica a emulsiei se intelege curba care da variatia densitatii D (in negativ) in functie de logaritmul energiei x , primita pe placa (fig.2, a). Aceasta curba poseda o portiune rectilinie BC, numita regiune de expunere normala, si doua portiuni, AB, care corespund unei supraexpuneri. Daca se noteaza cu g panta rectilinie, in regiunea AB se poate scrie xo fiind o constanta.

Reconstituirea frontului de unda , adica a undei obiectului, (fig.3), se face de obicei prin iluminarea hologramei cu o unda Ep, analoaga undei de referinta Er , Ep= Er. Amplitudinea transmisa de holograma va fi Et=tEr , din care va rezulta apoi, adica rezulta trei unde transmise de holograma :

-unda de amplitudine Er=Ep, care corespunde undei de reconstituire, transmisa aproape integrala;
-unda -1/2gE, care reprezinta unda difractata de obiect spre planul hologramei , unda reconstituita integral atat in privinta fazei cat si in privinta amplitudinii;
-unda -1/2g Er2E *, care reprezinta o imagine conjugata cu prima fata de planul hologramei (imaginea virtuala din figura 3).

Avantajele si posibilitatile unice oferite de holografie rezulta din posibilitatea inregistrarii informatiei totale (continuta in amplitudinea si in faza undei). Prin holograma se obtine o senzatie perfecta a reliefului si realului imaginilor obtinute, holograma fixand si permitand sa se reconstituie frontul undei initiale. Deteriorarea unei parti a hologramei nu antreneaza pierderea de informatie, deoarece fiecare punct al suprafetei vizibile a obiectului este inregistrat pe toata suprafata hologramei. Variind orientarea hologramei in spatiu se poate inregistra de fiecare data pe una si aceeasi holograma o informatie noua, deoarece la restituirea unei holograme se utilizeaza o unda luminoasa avand acelasi front fata de cel al undei de la inregistrare. In acest mod, metodele holografice pot fi utilizate pentru codajul si decodajul informatiei, pentru recunoasterea imaginilor etc.

Una dintre posibilitatile unice ale holografiei o constituie inghetarea timpului. Daca un ansamblu de obiecte in miscare este inregistrat la momentul t0 pe o holograma, restituirea ulterioara a acestei holograme va da o unda luminoasa reconstruita, care va fi echivalenta cu unda reflectata pe ansamblul de obiecte la momentul t0 si aceasta unda poate fi observata intr-un interval de timp oricat de mare il dorim.

O alta aplicatie importanta pare a fi microscopia holografica. Din optica geometrica holografica rezulta ca marimea m a imaginii este data de m=lr/ln adica de raportul lungimilor de unda folosite la reconstituire (r) si la inregistrare (n). S-ar putea obtine cu raze X si raze vizibile o marire de un milion de ori. S-a realizat pe acest principiu microscopul electronic holografic cu o marire de 500 000 000 x.

Tot holografia ofera posibilitatea, unica, de a diviza o imagine optica si de a o asambla, informatia fiind continuta in fiecare punct al suprafetei hologramei.

In fine, holografia ofera posibilitatea , tot unica, de a vedea un obiect inainte ca el sa fie fabricat, daca se utilizeaza calculatoare pentru a sintetiza o holograma artificiala care corespunde unui obiect imaginat.

In cazul in care grosimea paturii sensibile la lumina este mult mai mare decat distanta care separa doua franje de interferenta consecutive, in locul hologramelor plate, bidimensionale, se pot obtine holograme tridimensionale (sau in relief), aceasta idee apartinand lui J.Densiuk.