Главная > Оптика > Оптическая голография, Т.2
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

9.3. КОПИРОВАНИЕ ГОЛОГРАММ

У. Роудз

Иногда бывает нужно получить копию голограммы или размножить ее. Копии могут потребоваться для архивных или коммерческих целей, для научных исследований, например когда

изучаемыи объект имеет слишком короткое время жизни, а по голографическим копиям его можно изучать в любое время. Копирование голограмм представляет собой более сложный процесс, чем копирование обычных фотографий. Это связано с тем, что в голограмме-оригинале расстояние между интерференционными полосами чрезвычайно мало, их плотность может достигать порядка 1000 пар линий на миллиметр. Даже репродукционная оптика не способна дать изображения таких мелких деталей, и копирование должно осуществляться другими методами. Одним из них является способ копирования при восстановлении и другим — контактное или почти контактное копирование, выполняемое при тщательно контролируемых условиях. В последующих разделах мы опишем эти два главных способа оптического копирования голограмм. Кроме того, мы кратко рассмотрим механический способ получения реплик голограммы, применяемый для массового размножения рельефно-фазовых голограмм.

9.3.1. Копирование методом восстановления изображения

Метод копирования голограммы, который по замыслу является самым прямым, заключается в том, чтобы восстановить с голограммы изображение и использовать его в качестве объекта для записи новой голограммы. Хотя этот процесс в буквальном смысле слова нельзя назвать копированием, тем не менее с его помощью достигается такой эффект. К недостаткам этого метода относится то, что он требует обеспечения такой же интерферометрической стабильности, как и при записи голограммы-оригинала. Однако он обладает тем преимуществом, что в процессе копирования можно осуществить дальнейшее улучшение различных параметров записи. Например, изменением отношения интенсивностей объектного и опорного пучков добиваются оптимальной дифракционной эффективности копии. Можно изменить даже начальную форму опорной волны. Так, если в голограмме-оригинале опорная волна была плоской, то в копии ее можно превратить в сферическую.

На рис. 1 показана геометрия схемы записи для копирования обычных «тонких» амплитудных голограмм. Заметим, что фотопластинка для копии должна быть расположена таким образом, чтобы ее освещала волна света только от желаемого «объекта» (в нашем случае это волна от мнимого восстановленного изображения) и чтобы на нее не попали ни восстанавливающая волна, ни волна от сопряженного действительного изображения. Если голограмма-оригинал проявляет достаточную брэгговскую селективность, то последние упомянутые волны могут иметь пренебрежимо малые амплитуды и пластинку для копии можно в этом случае устанавливать с большей свободой.

На рис. 2 приведен вариант рассмотренной выше геометрии копирования, который заслуживает особого внимания и в некоторых случаях играет важную роль.

Рис. 1. Геометрия схемы копирования голограммы методом восстановления изображения. голограмма-оригинал, копия, которая будеч экспонироваться. В этом случае записывается мнимое изображение от (следует заметить, что вид опорной волны здесь можно изменить).

Рис. 2. Схема копирования голограммы методом восстановления, когда в качестве объекта используется восстановленное действительное изображение. Действительное изображение, восстановленное с копии, будет непсевдоскопическим (ортоскопическим).

Здесь объектом для копии голограммы служит псевдоскопическое действительное изображение. Вспомним, что такое действительное изображение при наблюдении видится как бы с обратной стороны: ближние объекты становятся

дальними, вогнутые поверхности выпуклыми, и наоборот. Если теперь восстановить изображение с копии голограммы, то именно мнимое изображение будет псевдоскопическим, а действительное изображение, будучи дважды псевдоскопическим, приобретает нормальный вид. Эффект от наблюдения такого непсевдоскопического (ортоскопического) действительного изображения оказывает сильное впечатление на наблюдателя, который видит сцену настолько полной, насколько он этого пожелает; теперь нет никакого «окна» между ним и изображением

9.3.2. Методы контактной печати

Копирование методом контактной печати оказывается более легким, если не требуется уже упоминавшегося выше дополнительного улучшения параметров записи. Такой метод, разумеется, предпочтительно использовать при массовом производстве реплик голограмм.

В идеальном случае отпечатанную контактным способом реплику голограммы получают точно так же, как контактный отпечаток с обычного фотонегатива. Голограмму-оригинал прикладывают вплотную к фоточувствительной поверхности (обычно к поверхности фотопленки с достаточно высоким разрешением) и пропускают через нее свет; экспонированная пленка обрабатывается, как если бы это была обычная голограмма. В идеальном случае не имеет значения, какой тип источника света мы применяем, лишь бы освещение было однородным, а оригинал и копия достаточно плотно прижаты друг к другу. В (негативной) копии голограммы интерференционные полосы имеют обратный контраст. Однако это обращение контраста не оказывает влияния на вид восстановленного изображения; оно просто вводит в амплитудное распределение света в восстановленном изображении сдвиг фазы на 180° по отношению к опорной волне. Это изменение фазы можно обнаружить, только если изображение исследуется интерферометрически.

В действительности получить копию голограммы методом «плотного контакта» исключительно трудно, поскольку эмульсия исходной голограммы и эмульсия фотопленки должны быть прижаты друг к другу с микроскопическим зазором. Если пренебречь влиянием дифракции, то зазоры между оригиналом и копией не должны превышать величины порядка длины волны, а такого плотного контакта вообще невозможно достичь между неполированными поверхностями. Поэтому контактная копия голограммы почти всегда является приблизительно контактной, причем зазор между поверхностями также должен быть небольшим, возможно меньше миллиметра или около того, но уже не требуется, чтобы он был порядка длины волны. Для того чтобы приблизительно контактная копия в процессе экспонирования сохраняла информацию об

интерференционных полосах голограммы-оригинала, она должна освещаться светом, имеющим высокую степень временной и пространственной когерентности. Для этих целей обычно используют лазер. То, что происходит при этом, нельзя назвать контактной печатью в обычном смысле, причем копия не представляет собой истинную реплику голограммы-оригинала. Скорее всего, в этом случае эмульсия копии освещается недифрагировавшей частью освещающей волны и волнами восстановленных изображений; именно интерференция всех этих волн создает интерференционную картину, сохраняемую в копии. В действительности записанная картина зависит от вида голограммы-оригинала и от величины зазора между оригиналом и копией. Рассмотрим два важных случая.

9.3.2.1. Тонкая пропускающая голограмма-оригинал; двойные изображения

Если мы утверждаем, что голограмма-оригинал является тонкой, то это означает, что влиянием дифракции Брэгга можно пренебречь; при этом недифрагированная волна сопровождается двумя дифрагированными волнами, одна из которых соответствует восстановленному действительному изображению, а другая — мнимому. Эти три волны интерферируют попарно, образуя общую интерференционную картину, которая засвечивает эмульсию копии. По сравнению с другими вкладами система интерференционных полос, образуемая при взаимодействии двух волн восстановленных изображений, оказывается, как правило, слабой (из-за низкой дифракционной эффективности голограммы-оригинала), и ею можно пренебречь. Две остальные системы интерференционных полос, обусловленные взаимодействием продолженной опорной волны с каждой из двух волн восстановленного изображения, имеют одинаковые амплитуды и контраст.

Таким образом, копия голограммы представляет собой фактически две системы интерференционных полос, в то время как голограмма-оригинал состоит лишь из одной системы. При восстановлении с копии голограммы образуются четыре изображения: два действительных и два мнимцх, причем каждое из них связано со своей системой интерференционных полос. Такая ситуация для случая точечного объекта и освещения плоской опорной волной, падающей по нормали, иллюстрируется на рис. 3.

Наблюдатель, глядя через обратную сторону копии голограммы, будет видеть двойное мнимое изображение, причем промежуток между изображениями равен удвоенному зазору между оригиналом и копией. Если этот промежуток достаточно мал, то оба изображения сливаются и видны как одно. Для того чтобы при изготовлении копии гарантировать это условие, эмульсия копии должна располагаться по возможности ближе к эмульсии голограммы-оригинала.

Тем не менее промежуток между ними может быть большим по сравнению с длиной волны используемого света.

Необходимо помнить, что два мнимых изображения (так же, как два действительных) складываются по амплитудам.

Рис. 3. Геометрия схемы копирования голограммы почти контактным методом, поясняющая возникновение двойного изображения точечного объекта, а — геометрия схемы записи копии; б - геометрия схемы восстановления с копии изображения; два действительных и два мнимых изображения находятся друг от друга на расстоянии, равном удвоенному промежутку, разделяющему в схеме записи.

Картина результирующей интенсивности в двойном изображении на сетчатке глаза будет, таким образом, проявлять действие интерференции, которое зависит от расстояния между изображениями и от угла зрения. В типичном случае, когда исходный объект рассеивает свет, интерференционные йартины в двойном изображении будут незначительно отличаться от картины спеклов, сопровождающих каждое из изображений по отдельности.

9.3.2.2. Копирование толстых голограмм

Если голограмма-оригинал является толстой, то при восстановлении изображения она будет проявлять брэгговскую (угловую) селективность. Кстати, у таких толстых голограмм возможно надлежащей ориентацией опорной волны восстановить яркое мнимое (или действительное) изображение, не восстанавливая сопряженного ему изображения. В этом случае возможно приблизительно контактное копирование без получения двойного восстановленного изображения, даже если промежуток между оригиналом и копией составляет несколько миллиметров. Но промежуток все же должен быть по возможности небольшим, чтобы точно знать, что опорная волна и волна восстановленного изображения перекрываются в том месте, где располагается копия. В противном случае интерференционные полосы не образуются. Значительную брэгговскую селективность проявляют большинство голограмм, записанных на

фотоэмульсиях, и влияние двойного изображения столь несущественно, что им можно пренебречь. Качество копии можно улучшить, если для уменьшения отражений между оригиналом и копией использовать иммерсионную жидкость.

Следует заметить, что при копировании толстых голограмм голограмма-оригинал должна освещаться волной, во всем аналогичной исходной опорной волне. Если это не выполняется, например в случае, когда кривизна и/или направление восстанавливающей волны не совпадает с кривизной и/или направлением исходной опорной волны, то разрешение и поле зрения восстановленного изображения могут уменьшиться. Изменение длины волны также приводит к плохому восстановлению изображения с голограммы-оригинала, а следовательно, и к плохой копии.

Если нужно получить копию отражательной голограммы, необходимо придерживаться выполнения тех же условий: кривизна, направление и длина волны восстанавливающего волнового фронта должны быть тщательно согласованными с оригиналом, чтобы получить по возможности лучшее восстановление изображения. Для этого требуется, чтобы голограмма-оригинал и копия, показанные на рис. 3, поменялись местами; при этом восстанавливающая волна, проходя через фотоэмульсию, предназначенную для копии, освещает голограмму-оригинал. В результате интерференции освещающей волны с отраженной дифрагированной волной восстановленного изображения образуется картина интерференционных полос, записываемая копией. Если в качестве голограммы-оригинала используется отражательная голограмма поглощательного типа, которой свойственна особенно низкая дифракционная эффективность, то контраст системы интерференционных полос, как правило, оказывается очень низким. Все это приводит к низкой дифракционной эффективности самой копии. С другой стороны, отражательные голограммы фазового типа, которые характеризуются значительно большей диффракционной эффективностью, во многих случаях дают великолепные реплики.

9.3.3. Массовое размножение рельефно-фазовых голограмм

Следует также рассмотреть способ штампования копий рельефно-фазовых голограмм, поскольку ни один из способов копирования в больших масштабах не является столь экономичным, как этот.

Рельефно-фазовые голограммы во многом похожи на голограммы с отбеленным серебром. Однако в этом случае дифракционная фазовая структура определяется изменением толщины голограммы, а не локальными изменениями показателя преломления. Правильную пропускающую дифракционную решетку можно рассматривать как исключительно простую рельефно-фазовую голограмму.

Должным образом записанную рельефно-фазовую голограмму можно размножить простым штампованием, аналогичным тому, который применяется для массового производства грампластинок. Исходная голограмма обычно записывается на положительно работающем фоторезисте типа Shipley AZ-1350. Фоторезист тонким слоем наносится на соответствующую подложку и экспонируется таким же образом, как и обычная голограмма. Для согласования со спектральной чувствительностью фоторезиста приходится использовать лазер, излучающий в диапазоне коротких длин волн, предпочтительнее в ультрафиолете. После экспонирования фоторезист проявляется травящим раствором. Сильно экспонированные участки вытравливаются совсем, при этом на слегка освещенных участках остаются поверхностные неровности. В результате получается рельефная картина с высоким разрешением, которая соответствует освещающей структуре интерференционных полос.

Реплику голограммы можно сделать непосредственно с голограммы-оригинала на задубленном фоторезисте. Однако если необходимо получить очень много копий, лучше с голограммы-оригинала сделать штамп. Это выполняется методами гальванопластики, аналогичными тем, которые используются при производстве никелевых штампов для грампластинок. Никелевый штамп позволяет формовать реплики на прозрачной виниловой ленте. Температура и давление подбираются такими, чтобы можно было с уверенностью получать хорошие копии. Поскольку сырье для получения винила очень дешевое, стоимость дополнительных копий оказывается невысокой.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление