Голография. Основные признаки и принципы применения

Министерство общего и профессионального образования РФ

Южно-Уральский  государственный университет

Факультет:

Экономики и управления

Кафедра:

Экономика и финансы

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема: «Голография. Основные признаки и принципы применения»

Выполнил:

студент I курса группы ЭиУ-125

Бахарев Антон

Проверил:

Доцент Ивашкова Зоя Алексеевна

Челябинск, 2009

Оглавление

1.      Оглавление. ……………………………………………………………….2

2.      Текст доклада……………………………………………………………...3

3.      Введение …………………………………………………………………..4

4.      История открытия явления..………………………………………………5

5.      Сущность физического явления …………………………………………6

6.      Полезный эффект …………………………………………………………8

7.      Область применения физического явления……………………………...9

8.      Описание конкретного примера ……………… ………………………...11

9.      Вывод ……………………………………………………………………...18

10. Список использованной литературы ……………………………...…….19

Текст доклада

Голография - одно из замечательных достижений современной науки и техники. Голограммы обладают уникальным свойством - восстанавливать полноценное объемное изображение реальных предметов. Название происходит от греческих слов «holos» - «полный» и «grapho» - «пишу», что означает полную запись изображения.

Основоположником голографии является профессор государственного колледжа в Лондоне Деннис Габор, получивший в 1947 г. первую голограмму. Он же придумал само слово "голография". После создания в 1960 году лазера, голография начала интенсивно развиваться

Голография основывается на двух физических явлениях - дифракции и интерференции световых волн. Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина, то есть, в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света (это подобно тому, как две системы волн на воде при пересечении образуют чередующиеся максимумы и минимумы амплитуды волн). Для того чтобы эта интерференционная картина была устойчивой в течение времени, и ее можно было записать, эти две световых волны должны быть согласованы в пространстве и во времени. Такие согласованные волны называются когерентными. Если волны встречаются в фазе, то они складываются друг с другом и дают результирующую волну с амплитудой, равной сумме их амплитуд. Если же они встречаются в противофазе, то будут гасить одна другую. Между двумя этими крайними положениями наблюдаются различные ситуации сложения волн. Результирующая сложения двух когерентных волн будет всегда стоячей волной. То есть интерференционная картина будет устойчива во времени. Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм.

Голограммы имеют широкий спектр свойств, и это служит основой их разнообразного применения. Голография широко применяется для защиты продукции при помощи водяных знаков. Голография используется для записи информации. Она нашла применение в голографической интерферометрии. Голография применяется в стереоскопии (метод получения изображений, создающих впечатление объемности предметов и их пространственного расположения). Голография применяется для создания двухмерных и трёхмерных дисплеев, используется в мультиплицированном изображении, нашла широкое применение в кинематографе. Голография имеет широкое применение в микроскопии. Голографические дифракционные решетки используются для приборов и лазеров. Портативная голографическая установка используется в космосе для обмена информации. Голография применяется в медицине. С помощью голографии создана таблетка "Гармония", обеспечивающая сохранение жизни и здоровья, при решении проблем иммунодефицита. Голография применяется в раскрытии и расследовании преступлений.

Голография так же приносит прибыль.   Выполненный в виде голограммы товарный знак защищает производителя от контрафактной продукции, даёт немалый экономический эффект от увеличения объема продаж.

Экономический эффект при реализации твердотельного импульсного лазерного источника в России более 500 млн. руб. в год, но существует ещё зарубежный рынок.

Если сравнить стоимость создания голографической студии со стоимостью фото-студии, то можно увидеть существенную разницу. Голографическая студия обойдётся около 110-115 тыс. долларов. Создание профессиональной фото-студии составляет около 18 тыс. долларов. Голографический портрет будет стоить 150 долларов, а фотопортрет 50 долларов.

Процесс создания голографии занимает немало времени. Технология изготовления голограмм и приборов с её помощью достаточно сложная, кропотливая и требует особого внимания.

Введение

Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика, как наука закончила своё развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли большие изменения,  связанные с открытием новых закономерностей (принципы квантового усиления, лазеры), с развитием идей, основанных на классических и хорошо проверенных представлениях. Здесь, прежде всего, имеется в виду голография, которая значительно расширяет область практического использования волновых явлений и дает толчок теоретическим исследованиям.

В 1947 году английским учёным Денисом Габором разработан метод записи и восстановления пространственной структуры световой волны, который получил название голографии. Голография - особый способ записи последующего восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины. Она обязана своим возникновением законам волновой оптики – законам интерференции и дифракции. Название происходит от греческих слов «holos» - «полный» и «grapho» - «пишу», что означает полную запись изображения.  Открытие голографии сделано Габором в ходе экспериментов по увеличению разрешающей способности электронного микроскопа.  Экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка этого способа, проведённая советским ученым Ю. Н. Денисюком в 1962 г. и американскими физиками Эмметом Лейтом и Юрисом Упатниексом в 1963 г., стали возможными после появления в 1960 г. лазеров.

Значение голографии подчёркивает всё более широкий спектр её применения. Голограммы получили своё распространение в науке, технике и искусстве. Замечательное свойство голограмм давать высококачественные объёмные изображения предметов открывает новые возможности в технике фотографии, создаёт предпосылки для разработки голографического кино и телевидения. Возможность записи на голограмму огромного количества информации, содержащейся в световой волне, привела к появлению ряда проектов создания вычислительных устройств с быстродействием в тысячи раз большим, чем у существующих ЭВМ, а так же запоминающих устройств сверхбольшой ёмкости. Голография впервые дала возможность интерферометрическим методом (методом сложения волн)  исследовать объекты, диффузно рассеивающие свет, и это, может быть одна из самых интересных её возможностей.

Процесс расширения  областей использования голографии продолжается  до сих пор. В научно-исследовательских институтах и научно-производственных объединениях возникло немало лабораторий, призванных распространять уже известные и разрабатывать новые голографические методы для различных областей науки и техники. Голографические оптические приборы расширяют возможности человека, дают в руки инструмент, позволяющий контролировать технологические процессы, решать ранее недоступные либо технически трудные задачи. Голография стала широко использоваться как средство трёхмерного отображения объектов. Возможности практического применения расширились на столько, что голография затронула и космические исследования, продемонстрировав целый ряд преимуществ голографических методов над традиционными. И поэтому изучение, и применение голографии приобретает всё большую актуальность.

Чтобы узнать, насколько удивительно это явление, необходимо достичь цели выбранной работы: выявление признаков и принципов применения голографии. Для  этого нам потребуется вникнуть в саму суть явления, понять каким образом, на основе чего происходит данное явление, где и как применяется.

Прежде чем начинать достижение поставленной цели, необходимо выделить объект и предмет исследования. Под объектом будем понимать признаки и принципы применения голографии. Предметом исследования будут являться различные виды голограмм.

История открытия явления

Основоположником голографии является профессор государственного колледжа в Лондоне Деннис Габор, получивший в 1947 г. первую голограмму. Он же придумал само слово "голография", которым он подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. Открытие голографии было им сделано в ходе экспериментов по увеличению разрешающей способности электронного микроскопа. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Получить качественную голограмму без когерентного источника света было невозможно. 

Голография начала бурно развиваться и приобрела большое практическое значение после того, как в результате фундаментальных исследований по квантовой электронике, выполненных советскими физиками - академиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым - и американским ученым Чарльзом Таунсом, в 1960 г. был создан первый лазер.

Начало изобразительной голографии было положено работами Эмметта Лейта и Юриса Упатниекса из Мичиганского Технологического Института (США), получившими в 1962 г. первую объемную пропускающую голограмму, восстанавливаемую в лазерном свете. Схема записи голограмм, предложенная этими учеными, теперь используется в голографических лабораториях повсюду в мире.

Решающее значение для развития изобразительной голографии имели работы академика Ю.Н. Денисюка, выполненные в 1962 – 1965 гг. Он впервые получил отражательные голограммы, позволяющие воспроизводить объемные изображения в обычном, белом свете. Практически вся современная изобразительная голография базируется на методах, предложенных Денисюком. Первые высококачественные голограммы по методу Ю.Н. Денисюка были выполнены Г.А. Соболевым в 1968 г., на особомелкозернистых «прозрачных» фотоматериалах, разработанных под руководством профессора Н. И. Кириллова. 

Первые голографические портреты были получены в США в 1968 году Л. Зибертом, а в СССР несколько позже Д. И. Стаселько и Г. А. Соболевым.

В 1969 г. Стивен Бентон из Научно-исследовательской лаборатории Поляроида (США) изготовил пропускающую голограмму, видимую в обычном белом свете. Голограммы, изобретенные Бентоном, были названы радужными, так как они переливаются всеми цветами радуги, из которых состоит белый свет. Открытие Бентона позволило начать массовое производство недорогих голограмм путем "штамповки" интерференционных картин на пластик. Голограммы именно такого типа применяются сегодня для защиты от подделок документов, банковских карточек и т.д. Благодаря Бентону голография обрела популярность в широких слоях общества.

Попытки создать голографический кинематограф с трёхмерным изображением делались, начиная с 1967 года. Особенно значительные успехи в нашей стране были достигнуты в этой области и в области разработки методов и технологических процессов  крупноформатных изобразительных голограмм высокого качества в период  1970 – 1983 гг. в Научно-исследовательском кино-фото институте (НИКФИ) В. Г. Комаром, О. Б. Серовым, Г. А. Соболевым.

В 1977 г. Ллойд Кросс получил мультиплексную голограмму, состоящую из множества обычных фотографий объекта, снятых с множества точек зрения, лежащих в горизонтальной плоскости.

В 1984 году В. Г. Комаром, О. Б. Серовым была впервые в мире произведена киносъёмка на цветную голографическую киноплёнку и осуществлена кинопроекция на голографический экран цветного трёхмерного изображения.

Голографическая память развивается, начиная с работ Питера ван Хеердена, предложившего идею хранения данных в трёх измерениях в 1963 году.

В настоящее время голография продолжает активно развиваться, и с каждым годом в этой области появляются новые интересные решения.

Сущность физического явления

Рассмотрим элементарные основы принципа голографии, т.е. регистрации и восстановления информации о предмете. Для регистрации и восстановления волны необходимо регистрировать и восстанавливать амплитуду и фазу идущей от предмета волны. В самом деле, распределение интенсивности в интерференционной картине определяется как амплитудой интерферирующих волн, так и разностью их фаз. Поэтому для регистрации как фазовой, так и амплитудной информации кроме волны, идущей от предмета (предметной волны), используют ещё и когерентную с ней волну, идущую от источника света (опорную волну). Идея голографирования состоит в том, что фотографируется распределение интенсивности в интерференционной картине, возникающей при суперпозиции волнового поля объекта и когерентной ему опорной волны известной фазы. Последующая дифракция света на зарегистрированном распределении почернений в фотослое восстанавливает волновое поле объекта и допускает изучение этого поля при отсутствии объекта.

Практически эта идея может быть осуществлена с помощью принципиальной схемы, показанной на рис. а. Лазерный пучок делится на две части, причём одна часть отображается зеркалом на фотопластинку (опорная волна), а вторая попадает на фотопластинку, отразившись от предмета (предметная волна). Опорная и предметная воны, являясь когерентными, и накладываясь друг на друга, образуют на фотопластинке интерференционную картину. После проявления фотопластинки и получается голограмма – зарегистрированная на фотопластинке интерференционная картина, образованная при сложении опорной и предметной волны.

Для восстановления изображения (рис. б) голограмма помещается в то же самое положение, где она находилась до регистрации. Её освещают опорным пучком того же лазера (вторая часть лазерного пучка перекрывается диафрагмой). В результате дифракции света на интерференционной структуре голограммы восстанавливается копия предметной волны, образующая объёмное (со всеми присущими предмету свойствами) мнимое изображение предмета, расположенное в том месте, где предмет находится при голографировании. Оно кажется настолько реальным, что его хочется потрогать. Кроме того, восстанавливается ещё действительное изображение предмета, имеющее рельеф, обратный рельефу предмета, т.е. выпуклые места заменены вогнутыми, и наоборот (если наблюдение ведётся справа от голограммы).