Голография. Основные признаки и принципы применения

2) Для записи голограмм используется источник излучения - лазер. Чаще всего используют лазеры непрерывного действия на нейтральных атомах (гелий-неоновые) и ионные (аргоновые и криптоновые). Лазеры бывают газовые и твердотельные. В голографии используются следующие газовые лазеры:

Гелий-неоновый (He-Ne) лазер. Основная "рабочая лошадка" голографистов. Надежный, неприхотливый, экономичный лазер, с хорошими голографическими характеристиками. В России широко используются модели ЛГ-38, ЛГН-215, ЛГН-220. Длина волны излучения - 633 нм (красный цвет). Мощность излучения - до 60 мвт. Длина когерентности - 15-20 см.

Аргоновый (Ar) лазер. Мощный ионный лазер, излучающий в сине-зеленой области спектра. Имеет большую электрическую мощность (5-10 кВт) и требует водяное охлаждение. Лазер незаменим для записи голограмм большого формата. Основные длины волн излучения: 514 нм (желто-зеленый цвет), 2-5 Вт; 488 нм (зеленый цвет), 1-3 Вт. Линии с малой мощностью - 455 нм, 458 нм, 466 нм, 473 нм, 476 нм, 497 нм, 502 нм. Длина когерентности: без эталона Фабри-Перо - 5 см, с эталоном Фабри-Перо - 2-3 м

Криптоновый (Kr) лазер. Мощный ионный лазер, излучающий в красной области спектра. Имеет большую электрическую мощность (5-10 кВт) и требует водяное охлаждение. Лазер незаменим для записи голограмм большого формата. Длина волны излучения - 647 нм (красный цвет). Мощность излучения - 1-3 Вт. Длина когерентности: без эталона Фабри-Перо - 5 см, с эталоном Фабри-Перо - 2-3 м

Кадмиевый (Cd) лазер. Излучает в синей области спектра. Подходит для записи БХЖ голограмм и экспонирования фоторезиста для записи рельефных радужных голограмм. Длина волны излучения - 440 нм (фиолетово-синий цвет). Мощность излучения - до 50 мВт. Длина когерентности - 15-20 см

3) Для освещения объекта или фотопластинки лазерный пучок необходимо расширить. Лучше всего использовать для этого объективы от микроскопа: 10-, 20- и даже 40-кратные. Чем выше кратность объектива, тем сильнее расширяется пучок. Для устранения пылинок и царапин на линзах объектива, используется пространственный фильтр, представляющий собой диафрагму с маленьким отверстием, расположенную в фокальной плоскости объектива. Практика использования пространственных фильтров дает следующую приближенную зависимость размера отверстия диафрагмы от кратности объектива:

- для 10-кратного объектива - 30 мкм

- для 20-кратного объектива - 20 мкм

- для 40-кратного объектива - 15 мкм

Большое значение для правильной работы пространственного фильтра имеет качество объектива и точность изготовления диафрагмы. Отверстие диафрагмы лучше изготавливать методом фотолитографии на тонкой медной фольге и проверять качество отверстия с помощью микроскопа. Для точной настройки пространственного фильтра, диафрагма должна перемещаться вдоль оптической оси и по двум координатам перпендикулярно оптической оси при помощи микрометрических винтов.

При настройке пространственного фильтра, направляется пучок лазера на центр фотопластинки (или на центр объекта), прижимается к торцу микрообъектива со стороны лазера стеклянной пластинкой и закрепляется так, чтобы лазерный пучок падал на центр входной линзы, а отраженный от стеклянной пластинки пучок возвращался назад, в лазер. Затем, перемещая диафрагму вдоль оптической оси, устанавливается вблизи фокальной плоскости объектива. Признаком приближения диафрагмы к фокальной плоскости является "крупнозернистое" отражение пучка от фольги - отраженный свет имеет зернистую, очень подвижную структуру. После этого берётся лист белой бумаги, выключается свет и, перемещая диафрагму в плоскости, перпендикулярной оптической оси, ловится прошедший через отверстие пучок. Для этого нужна сноровка. Аккуратно подстраивая положение диафрагмы, нужно добиться полного прохождения пучка через отверстие. Пучок будет иметь круглое, однородное сечение, без краевых эффектов.

4) Свет отражается от стеклянной фотопластинки, причем, чем больше угол падения (угол падения измеряется от нормали к плоскости пластинки), тем больше степень отражения - от 4% при нормальном падении до 100% при скользящем падении, когда пучок распространяется практически параллельно пластинке.

Вектор поляризации лазерного пучка расположен в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения. Если вектор поляризации находится в плоскости падения, то существует особый угол - угол Брюстера, при котором отражение от фотопластинки пропадает. Пучок проходит через фотопластинку без отражения. Угол Брюстера зависит от коэффициента преломления стеклянной подложки фотопластинки и рассчитывается по простой формуле: tg(A) = n, где n - показатель преломления фотопластинки, A - угол падения пучка в воздухе.

Коэффициент преломления стекла, из которого сделана подложка фотопластинки, равен 1,52. Примерно такой же коэффициент преломления имеет желатиновый слой. Из уравнения получаем: A = 56,60. Именно под таким углом надо посылать опорный пучок на фотопластинку и тогда получается чистое, качественное голографическое изображение.

Настроить угол Брюстера несложно. С помощью поляризатора определяется, в какой плоскости находится вектор поляризации лазера. При необходимости разворачивается плоскость вращением самого лазера или сама плоскость поляризации с помощью полуволновой пластинки. Далее, подкладывается под лазерный пучок обычная стеклянная пластинка, и ведётся наблюдение за отраженным светом на листе белой бумаги. Под пластинкой должна быть черная бумага, и свет в комнате нужно обязательно выключить, т.к. отраженный свет имеет слабую интенсивность. Меняя угол освещения пластинки, интенсивность отраженного света так же изменяется. Угол, при котором интенсивность отраженного света станет минимальной или совсем пропадет, будет углом Брюстера.

5) Для записи голограмм лазером непрерывного действия требуется подбирать жесткие объекты, изготовленные из металла, стекла, камня и т.д. Если объект сделан из мягкого материала, в процессе записи голограммы он будет смещаться от тепловых и воздушных потоков. Интерференционная картина от опорного и объектного пучков также сместится и не запишется на фотопластинку - объект на голограмме будет выглядеть черным. Важным моментом является способ крепления фотопластинки и объекта к основанию в схеме записи голограммы. Даже когда объект жесткий, но он плохо закреплен на основании, голограмма может не записаться.

Выберем простой, но надежный, способ записи голограмм - запись металлического объекта (статуэтки), положенного на металлическую плиту (см. фото).

В такой схеме фотопластинку можно просто положить на три металлических упора, как показано на фото. Положение объекта, установленного на трех точках, считается самым устойчивым.

Как видно на фото, объект расположен на белом фоне. Белый фон предпочтительнее черного, так как на нем будет видна тень от статуэтки, а это подчеркивает эффект объемности голографического изображения. Фон должен быть жесткий. Белый картон не подойдет - он может сместиться при записи голограммы. Поэтому, в данном случае, фон сделан из белой бумаги, наклеенной на стеклянную пластинку.

Если объект легко смещается, его нужно положить на три маленьких гайки так, чтобы они не были видны со стороны фотопластинки. Есть и другой, надежный способ крепления объекта к основанию - приклеивание жестким, эпоксидным, клеем.

Для установки фотопластинки использованы три винта с широкими шляпками. Длина их подобрана такой, чтобы фотопластинка находилась на 2-3 мм выше объекта. Чтобы тени от винтов не падали на объект их располагают следующим образом: два - по краям передней стороны фотопластинки и один - посередине задней стороны фотопластинки

Предложенный простейший вариант установки фотопластинки возможен только для записи голограмм небольшого формата - не более 9х12 см и для времени экспонирования не более 10 сек. Пластинки такого формата имеют достаточную собственную жесткость и не прогибаются на трех опорных точках. Для крепления фотопластинок большего формата требуются специальные металлические рамки сложной конструкции.

Саму металлическую плиту, на которой закреплены объект и фотопластинка, нужно изолировать от внешних вибраций. Не существует универсального способа развязки плиты от внешних вибраций, если запись голограмм проводится в домашних условиях. В комнатах на последних этажах многоэтажного дома, вблизи автомобильных или железных дорог уровень вибраций достаточно высок. В подвальных помещениях и в тихих городских районах обстановка более благоприятная. Старый холодильник или кондиционер тоже могут испортить голограммы. Ночью голограммы пишутся лучше, чем днем. Необходимо делать пробные записи голограмм, добиваясь положительного результата. Если изображение объекта на голограмме темное или на нем видны темные полосы, значит, при записи голограммы объект смещался. Если темные полосы видны на фотопластинке, значит, при записи дрожит фотопластинка.

Комната, расположенная в подвале, и короткая экспозиция (5 сек) позволяют записывать голограммы без специальных мер для защиты от внешних вибраций.

6) Бывает обидно, если голограмма неправильно экспонирована – яркость голограммы низкая, вуаль по всей поверхности и т. д. Для этого необходимо измерять освещенность фотопластинки. Если голограмма записывается монохроматическим, лазерным светом, измерения освещенности необходимо проводить в энергетических единицах, например, в мкВт/см2. Для измерения освещенности в голографии наиболее подходят кремниевые фотодиоды, обладающие высокой светочувствительностью, хорошей линейностью в большом диапазоне фототоков, большим размером светочувствительной поверхности, возможностью работать в фотогальваническом режиме, т. е. без источника питания. Для российских голографистов рекомендуется кремниевый фотодиод ФД-7к и микроамперметр Ф195, имеющий большой линейный диапазон измеряемых токов - от 50 нА до 50 мА.

7) Химико-фотографическая обработка голограмм является ответственным этапом, потому, что растворы для химической обработки голограмм нельзя купить в магазине, их приходится готовить самостоятельно. От аккуратности составления химических растворов зависит качество голограммы. В голографии существует множество рецептов химической обработки голограмм для разных типов фотопластинок и схем записи голограмм.

Остановимся на стандартном для фотопластинок ПФГ-03 методе химической обработки. Главной задачей процесса проявления голограммы Денисюка является сохранение интерференционной картины в проявленной голограмме.

Для проявления сверхвысокоразрешающих фотопластинок ПФГ-03 используют так называемые "физические" проявители. Для приготовления проявителя необходимо иметь: весы с точностью взвешивания 0,01 г, термометр с точностью измерения температуры 0,1 градуса, две колбы на 1л, мензурку с делениями по 1 мл, дистиллированную воду. Необходимо нарезать несколько листов бумаги А4 пополам и сделать навески каждого химиката на отдельной бумаге. Работать с химикатами необходимо в резиновых перчатках. Особую осторожность соблюдать с едким калием. Не допускать его попадания на кожу и одежду.

Нужно налить в колбу примерно 300 мл воды и растворить в ней щелочь (едкий калий). Подсыпать щелочь небольшими порциями, активно перемешивая раствор пластмассовой палочкой. Растворение щелочи в воде - экзотермическая реакция (реакция с выделением теплоты), поэтому, если высыпать в воду сразу всю навеску щелочи, колба может лопнуть от перегрева. После полного растворения щелочи, растворить фенидон. Раствор примет слегка розоватый оттенок.

Налить во вторую колбу 500 мл воды и последовательно растворить сульфит и роданид аммония. Роданид аммония имеет неприятный запах аммиака, поэтому проводить работы в хорошо проветриваемом помещении или под вытяжкой. После полного растворения всех химикатов следить, интенсивно перемешивая, оба раствора вместе и долить воды до 1 л. Готовый проявитель должен быть совершенно прозрачным и иметь резкий запах аммиака. Отфильтровать проявитель с помощью ватного тампона и воронки, перелить в бутылку с герметичной пробкой, подписать бутылку (название проявителя и дата изготовления) и поставить ее в холодильник. В холодильнике проявитель может храниться не менее месяца. Необходимо тщательно сполоснуть колбы, воронку и палочку для перемешивания под проточной водой.

Если проявитель получился мутным, имеющим бурый или иной цвет, содержит хлопья или осадок из нерастворенных химикатов, или не имеет запаха аммиака, значит, какой-то химикат непригоден для использования. Проверить правильность наименований и срок годности всех химикатов, точность навесок и повторить приготовление проявителя.

Чтобы проявленная голограмма не потемнела со временем под воздействием света, фотопластинка обрабатывается фиксирующим раствором, в котором оставшиеся микрокристаллы бромистого серебра растворяются и выводятся из эмульсионного слоя. Для фиксирования фотопластинок ПФГ-03 используется простейший нейтральный фиксаж. Микрокристаллы бромистого серебра имеют очень маленькие размеры, и их растворение в фиксаже происходит буквально за считанные секунды. Для большей сохранности голограммы следует фиксировать фотопластинки. Рецепт фиксажа: тиосульфат натрия (Na2S2O3*5H2O) 150 г, Na2SO3 (безводный) 50 г и вода до 1л.

Растворить сульфит натрия в 700 мл воды. Затем растворить тиосульфат натрия и довести объем раствора до 1л. Растворение тиосульфата является эндотермической реакцией (реакция с поглощением тепла), поэтому воду для раствора желательно подогреть до 40-50 градусов. Готовый фиксаж прозрачен и не имеет запаха. Отфильтровать раствор, перелить в бутылку с герметичной пробкой, подписать, и поставить бутылку в холодильник. Тщательно сполоснуть колбы, воронку и палочку для перемешивания под проточной водой.

Для качественной сушки голограмм после химической обработки используют растворы этилового спирта. Можно сушить голограмму сразу в 100%-м спирте. Для большей экономии спиртов сушку проводят в три этапа - последовательно в 50%-м, 80%-м и 100%-м спиртах (если быть точным, обычный спирт имеет концентрацию 96%). Приготовить растворы спиртов в следующей последовательности: 50%-й спирт - слить вместе и перемешать 500 мл воды и 500 мл спирта, 80%-й спирт - слить вместе и перемешать 200 мл воды и 800 мл спирта. Растворы спиртов разлить по герметичным бутылкам, подписать и поставить в холодильник.

Проявитель является концентрированным. Рабочий раствор готовят перед проявлением, разбавляя концентрированный раствор в соотношении 15/400, т. е. на каждые 400 мл рабочего раствора берут по 15 мл концентрированного проявителя. Нужно налить в мензурку 15 мл проявителя, перелить его в колбу, и разбавить дистиллированной водой до 400 мл. Тщательно перемешать, дать отстояться не менее 5 мин, иначе неоднородность раствора проявителя может отразиться на качестве голограммы. При разбавлении можно подогнать температуру проявителя, которая должна быть в пределах 18-19 градусов. Температура закрепителя должна быть такой же.

Необходимо подготовить шесть ванночек соответствующего размера. В первую налить проявитель, во вторую - фиксаж. Выключить белый свет и включить слабый зеленый свет, к которому фотопластинка не чувствительна. Аккуратно достать экспонированную фотопластинку из коробки, положить ее в проявитель эмульсионной стороной вверх и включить секундомер. Закрыть ванночку с фотопластинкой третьей, пустой ванночкой. Нужно покачивать ванночку несколько раз в минуту. Время проявления голограммы в проявителе ГП-2 составляет 15 мин, в проявителе ГП-3 - 5 мин. Можно использовать оба проявителя, но для последних поливов фотопластинок ПФГ-03м предпочтительнее использовать проявитель ГП-3.