Eksperimentalne metode moderne fizike

Eksperimentalne metode moderne fizike Holografija Dr. sc. Nikola Godinovic (Nikola.Godinovic@fesb.hr)

Sadržaj • Što je 2D – slika ? • Što je hologram • Snimanje holograma • Reprodukcija holograma • Matematički opis snimanja i reprodukcije holograma • Primjene holografskih tehnika

Što je hologram • Grčki • Holos = cjelovito • Gramma = poruka • Hologram= cjelovita poruka • Hologram je u biti optička rešetka, ali ne s pravilnim ekvidistantmim pukotinama, već je to jedna vrlo složena struktura inteferncijskih pruga koje kad se obasjaju svjetlošću reproduciraju 3D sliku objekta.

A Rays B Kako nastaje 2D slika • Objekt se osvijetli svjetlom. • Svaka točka na objektu raspršuje svjetlo. • Raspršeno svjetlo se snima. • 2D – slika je zapis intenziteta svjetla s objekta • Hologram zapisuje ne samo intenzitet već i udaljenost i smjer svjetla s objekta.

Hologram - snimanje Kod holografskog snimanja zapisuje se ne samo intenzitet svjetla raspršen na objektu koji se snima (što radi obična fotografija) već i fazna razlika između snopa reflektiranog od objekta (“object beam”) i referentnog snopa (“refrence beam”), ta dva snopa interferiraju, te je tako čitavo svjetlosno polje objekta zapisano (holos- grčki čitavo).

Hologram - reprodukcija Pri reprodukciji koherentno svjetlo pada na holografski zapis na kojem se ogiba i interferira čime se reproducira svjetlosno polje identično svjetlosnom polju izvornog objekta.

Metoda hologarfskog snimanja • Kod uobičajenog fotografskog snimanja,pomoću leće snimanje se odvija tako da svakoj točki objekta odgovara jedna točka slike. • Kod holografskog snimanja ne koriste se leće. Svjetlost iz svake točke objekta dolazi do svih točaka na filmu. • Svaki dio holografske snimke sadrži informaciju o čitavom objektu. • Samo dio hologramske snimke omogućuje da se reproducira čitava slika, naravno kvaliteta slike je lošija ali ipak je čitava slika prisutna

Nastanak holograma Gornja slika ilustrira nastanak interferencijskog uzorka na filmu (hologramu) zbog preklapanja valova iz točke A i referentnog vala. U svaku točku filma u biti pada svjetlost iz svih točaka objekta. Interferencijski uzorak je vrlo složen ali zato i mali dio hologram sadrži svjetlosno polje čitavog objekta.

Matematički opis snimanja holograma Na film pada objektni snop A i referentni snop Ao: -faza objektnog snopa koja ovisi o udaljenosti pojedine točke objekta od filma. Ovisnost eit se ispuštena radi pojednostavljenja. Holografska ploča se zacrnjuje proporcionalno intenzitetu a koji je rezultat interferencije objektnog i referentnog snopa.

Matematički opis reprodukcije holograma • Na hologram, koji u biti predstavlja “optičku rešetku” ali s vrlo zamršenom strukturom svijetlih i tamnih pruga odnosno pukotina kad pada svjetlo formira se svjetlosnom polju koje je istovjetno svjetlosnom polju koje nastaje kad se osvijetli stvarni predmet. • Pri rekonstrukciji se obično koristimo istim monokromatskim svjetlom kojim smo se koristili pri snimanju. • Amplituda koja prođe kroz hologram je: • U biti identičan referentnom snopu, ne sadrži informaciju o objektu i u biti ometa promatranje. • Svjetlosno polje koje formira objekt, faza i amplituda sadrže informaciju o objektu. • Ovaj član opisuje snop (val) koji se širi u suprotnom smjeru od snopa pod 2., a superponiran je na snop nosač aoe-2i, tvori realnu sliku iza holograma.

Informacijski kapacitet holograma • Ako iz klasične snimke izrežemo neki dio, informacija o tom dijelu biti uklonjena s preostalog dijela slike. • Ako iz holograma izrežemo neki dio, ostatak holograma još sadrži informaciju o tom dijelu, ostatak holograma reproducira valove emitiran s cijelog objekta. • Kvaliteta reprodukcije bit će manja kad se odstrani jedan dio holograma ali sve jedno će dobiti slika čitavog objekta. • Prava mjera informacijskog kapaciteta holograma nije cjelokupna površina holograma već količina informacija koje se mogu razlčiti.

Primjene holografskih tehnika • Primjena se temelji na mogućnostima: • Rekonstrukcija trodimenzionalne valne fronte osigurava potanko studiranje površinskih struktura. • Holografsko bilježenje informacija o trodimenzionalnom položaju može se kombinirati za više holograma istog objekta. Koristi se za ispitivanje mehaničkih deformacija. Brzim snimanjem mogu se pratiti informacije o finim promjenama us sistemu, nrp. vibracije, turbulencije (četverodimenzionalna holografija) • Holografska interferometrija • Tehnika dvostruke ekspozicije, objektni snop s istog objekta u dva različita trenutka superponira se na referentni snop, rezultat je jedan hologram • Kad se hologram obasja nastaje slika koje je rezultat interferencije u biti dva holograma istog objekta snimljena u dva različita trenutka. Pogodna za ispitivanje malih distorzija materijala.

Primjene holografskih tehnika • Tehnika snimanja u vremenskom toku. • Načini se hologram objekta dok miruje. • Analiza s vremenskim usrednjavanjem. • Objekt se ustitra, načini se jedna ekspozicija unutar vremena koje je duže od jednog perioda, tako da faza vala za vrijeme snimanja varira od - do  za dijelove objekta koji titraju i ti se valovi uglavnom ponište, a dijelovi koji miruju su jasno uočljivi prilikom reprodukcije. • Primjena u mikroskopiji. • Kratka ekspozicija daje kompletnu trodimenzionalnu sliku. Mogu se snimati različiti detalji nekog objekta i pratiti njihova vremenska evolucija.

Akustička holografija • Akustička holografija • Relativno je lako dobiti koherentan akustički izvor • Akustička holografija se može koristiti za snimanje kad je valna duljina manja od dimenzija objekata ili detalja objekta koji se snima. • Akustička holografija se koristi za snimanje unutrašnjih organa a koristi se koherentni snop ultrazvuka. • Snimanje podmorja, podmornica.

Bijeli hologram • Nekad se reprodukcija trodimenzionalne slike radi umjesto s laserom s izvorom kontinuiranog spektra zračenja, ako je hologram snimljen s nekoliko diskretnih frekvencija. • Umjesto tanke fotografske ploče koristi se deblja fotografska ploča. Ovisno o valnoj duljini na različitim dubinama mogu se dobiti hologrami. • Kad na takav višeslojno hologram upadne bijelo svjetlo, u reflektiranoj svjetlu imamo sliku snimljenog objekta u boji lasera. Superponiranjem takvih holograma za više boja dobije se trodimenzionalna reprodukcija u boji

Primjer holograma

Holografske memorije • Holografske memorije zapisuju informacije u fotorefraktvnim kristalima, čiji se indeks loma mijenja kas se izlože svjetlu. • Dva snopa interferiraju i stvaraju u kristalu “otisak interferencijskog uzorka”. Laserski snop se cijepa u dva, jedan snop je referentni a drugi se modulira u skladu s informacijom (0,1) koja se želi pohraniti. • Zapisana informacija se reproducira tako da se kristal istim referentnim snopom. • Zapis je jako brz i jako gust jer se istovremeno može zapisati puno bitova u malom volumenu. 1TB u 1 cm3 ?

Eksperimentalne metode moderne fizike