Holografia

Trzeba również wspomnieć, że pionierem (1948 r.) w dziedzinie holografii był angielski uczony węgierskiego pochodzenia Denis Gabor. Zapewne też mało kto wie, że już w 1920 r. polski uczony Mieczysław Wolfke rozważał możliwość wykorzystania interferencji do zapisu informacji, tworząc teoretyczne podstawy dzisiejszej holografii. Niestety, zajęty innymi badaniami, nie docenił swojej idei. Dopiero 28 lat później do podobnych wniosków, wspartych udanymi eksperymentami, doszedł Gabor i właśnie jemu przypisuje się autorstwo holograficznych metod obrazowania obiektu.

Podstawowe pojęcia

Aby coś wytłumaczyć, trzeba zdefiniować to, o czym się mówi! Słowo hologram jest pochodzenia greckiego. Holos – cały, grapho – piszę. A więc będziemy mówić o sposobie całkowitego opisania jakiejś rzeczy (obiektu). Czynnikiem używanym do opisu jest światło, (ale od razu zastrzegam, że nie jest to jedyna możliwość), a ściślej rzecz biorąc: fala elektromagnetyczna. Efektem zaś ma być powtarzalna możliwość wygenerowania przestrzennego obrazu tego obiektu. Teraz muszę przypomnieć, że fala elektromagnetyczna, której szczególnym przypadkiem jest światło widzialne, zawiera dwie składowe, usytuowane pod kątem 90° względem siebie i zgodne fazowo. Najlepiej przedstawia to rysunek:

• E – składowa pola elektrycznego
• H – składowa pola magnetycznego

Maksymalna odległość każdej ze składowych od osi Z (reprezentującej czas) to amplituda. Widać również, że składowe E i H przecinają się w punktach o ich zerowej wartości. Znaczy to, że składowe E i H są zgodne fazowo. Odległość punktów przecięcia osi Z przez składowe od początku układu współrzędnych wynika z częstotliwości rozchodzącej się w przestrzeni fali. Innymi słowy, im czas, po którym fala osiągnie kolejny punkt o zerowej amplitudzie, jest krótszy, tym częstotliwość fali jest większa. Tę zależność określa prosty wzór: f = 1/T, gdzie f to częstotliwość, a T to czas (okres). Należy podkreślić, że za długość fali przyjmuje się odległość nie pomiędzy dwoma, ale trzema kolejnymi punktami przejścia fali przez zero. Aby Czytelnik uświadomił sobie, o jakich długościach fali mówimy, podaję ich zakres dla pełnego widma światła widzialnego, tzn. z uwzględnieniem głębokiej podczerwieni i nadfioletu. Są to fale o długościach od 10^-3 do 10^-8m. Trzeba jeszcze zaznaczyć, że częstotliwość jest wielkością stałą (za ośrodek odniesienia przyjmujemy próżnię), określoną przez źródło promieniujące falę, natomiast jej rzeczywista prędkość i długość zależą od ośrodka, w którym fala świetlna się rozchodzi.

Teraz możemy już przejść do definicji innych ważnych pojęć z dziedziny ruchu falowego, które znajdują zastosowanie w holografii: interferencji i dyfrakcji. Interferencja to nakładanie się fal na siebie, a dyfrakcja (lub ugięcie) to odchylenie od prostoliniowości rozchodzenia się fali, zachodzące na wąskich (w porównaniu z długością fali) krawędziach szczelin. Procesy interferencji dominują przy zapisie hologramu, a dyfrakcji – przy odczycie. Niezależnie od tego oba te zjawiska wyrażają falową naturę światła. Jedynie trochę dla zasady przypomnę, że zgodnie z wcześniej powszechnie przyjmowaną teorią korpuskularną światło było uważane za strumień cząstek (fotonów) o masie spoczynkowej równej zero. Pewnego rodzaju odmianą teorii korpuskularnej jest zaproponowana przez Alberta Einsteina teoria kwantowa światła. Ale dość dygresji. Zajmiemy się teraz nieco bardziej szczegółowo interferencją i dyfrakcją.

Interferencja

Właściwie niewiele można dodać do podstawowej definicji interferencji, która mówi, że jest to nakładanie się na siebie co najmniej dwóch fal, co w rezultacie daje falę o odmiennej charakterystyce niż fale, które interferowały ze sobą. Jest to spowodowane wpływem fazy interferujących fal na końcowy kształt fali. Przy fazach zgodnych następuje zwiększenie amplitudy, a przy przeciwnych – zmniejszenie. W krańcowych przypadkach, jeżeli interferują dwie identyczne fale, amplituda fali wynikowej może się podwoić lub całkowicie zaniknąć. W tym ostatnim mówimy o wzajemnym wygaszeniu się fal.

Dyfrakcja

Teoretyczne podstawy dyfrakcji wynikają z zasady Huyhensa, która głosi, że każdy punkt powierzchni czołowej fali jest źródłem wtórnych fal sferycznych, a postępujące w przestrzeni zaburzenie falowe jest wynikiem wzajemnej interferencji (nakładania się) fal. Zasada ta jest słuszna niezależnie od długości fal. Dlatego też, jeżeli na drodze równoległej wiązki światła znajduje się nieprzeźroczysta przeszkoda P z otworem O, to na ekranie E umieszczonym w pewnej odległości od przeszkody P widać pole świetlne o rozmytym brzegu i średnicy większej od otworu O. Pole to jest tym wyraźniejsze, im mniejszy jest otwór O i większa spójność wiązki światła. Na ekranie E oprócz rozmytego widoku pola otworu występują prążki interferencyjne zwane dyfrakcjami. Istnieją dwa rodzaje dyfrakcji: Fresnela i Fraunhofera. Bywają one nazywane również dyfrakcjami w bliskim i dalekim polu. Pierwszą obserwujemy, gdy odległość L jest niewielka, drugą – gdy jest duża, a zwłaszcza nieskończona. Poniższe rysunki wyjaśniają zasadę dyfrakcji oraz różnice pomiędzy jej rodzajami. Na rysunku przedstawiającym dyfrakcję Fraunhofera soczewkę umieszczono jedynie po to, aby zmniejszyć niezbędną odległość L.

Siatki dyfrakcyjne

Trudno jest wyjaśniać kwestie związane z holografią bez omówienia siatki dyfrakcyjnej. Najprostszą, klasyczną siatkę dyfrakcyjną tworzą periodycznie powtarzające się równoległe szczeliny, jak na rysunku poniżej:

Siatka dyfrakcyjna wstawiona w równoległą wiązkę światła powoduje ugięcie przechodzących przez nią promieni światła pod różnymi kątami w przedziale od 0 do 90°. Teraz wyjaśnię, co się kryje za słowem transmitancja. Z grubsza rzecz biorąc, jest to odpowiedź układu na doprowadzenie do niego sygnału wejściowego. Jeżeli do siatki dyfrakcyjnej doprowadzimy sygnał wejściowy w postaci fal sinusoidalnych (sinx), to siatka przepuści amplitudę fali według pewnej funkcji (zwanej transmitancją), np. sin2x lub (1+sinx) – to przypadki najczęściej spotykane. Siatki dyfrakcyjne z taką transmitancją wytwarzają tylko trzy maksima dyfrakcyjne: zerowe (S0) oraz plus (S+1) i minus (S-1) pierwszego rzędu. Ponadto siatki dyfrakcyjne dzielą się na odbiciowe i transmisyjne. Nas interesują te ostatnie, które mogą być amplitudowe, fazowe lub sinusoidalne.

• Amplitudowa siatka transmisyjna (czyli przepuszczająca światło) ma kolejne linie jasne lub ciemne, które przepuszczają lub nie przepuszczają światła.
• Fazowa siatka transmisyjna jest w całym swoim obszarze przezroczysta dla światła, a odpowiednikami na przemian przezroczystych i nieprzezroczystych linii siatki amplitudowej są tu linie o okresowo zmieniającym się współczynniku załamania, co uzyskuje się np. przez zmienną grubość ośrodka lub zmienną gęstość ośrodka.
• Sinusoidalna siatka transmisyjna ma łagodny profil zmiany stopnia zaczernienia (prążki są mniej wyraźne), co powoduje powstawanie jedynie trzech maksimów interferencyjnych.

Wywołana i utrwalona klisza fotograficzna, wcześniej naświetlona obrazem holograficznym, staje się sinusoidalną siatką dyfrakcyjną, zwaną hologramem.”

Właściwie już chciałem przejść do omawiania zasady powstawania i odczytu zapisu holograficznego, ale nagle uświadomiłem sobie, że to, co dla jednego jest oczywiste, dla drugiego wcale nie musi takie być! O co chodzi? Oczywiście o źródło światła, czyli laser.

Laser

Z całym szacunkiem dla wiedzy Czytelników – czy każdy z Was zna zasadę działania lasera i potrafi, choćby w przybliżeniu, opisać jego konstrukcję i podać podstawowe elementy składowe?! No i jeszcze odpowiedzieć na proste pytanie: dlaczego laser musi (przynajmniej w klasycznym sposobie tworzenia hologramu) być używany podczas zapisu i odczytu hologramów? Komu odpowiedzi na te pytania nie sprawiają problemu, ten może ten fragment artykułu pominąć.

Laser to zbitka pierwszych liter od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, co określa urządzenie generujące lub wzmacniające spójne promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widma optycznego. Zasada działania lasera polega na wymuszeniu emisji promieniowania przez układy atomów, jonów lub cząsteczek. Lasery mogą być oparte na ciałach stałych, gazach, cieczach lub półprzewodnikach. Najbardziej znany, najpopularniejszy i najstarszy laser jest oparty na krysztale rubinu i emituje światło czerwone. Powstał on w 1960 roku, a jego twórcą był Theodore Maiman. Aby poznać zasadę i sposób działania lasera, trzeba sięgnąć do fizyki.

Zasada działania lasera rubinowego

Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Emisja wymuszona zachodzi, gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie zostaje pochłonięty, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii, więc i częstotliwości. Istnienie takiego procesu przewidział Einstein w 1917 roku. Aby mogła zachodzić w dużych ilościach emisja wymuszona, należy w ośrodku wzmacniającym stworzyć odpowiednie warunki, to znaczy spowodować, by więcej elektronów było w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym. Taki proces nosi nazwę inwersji obsadzeń (odwrócenia obsadzeń). Wtedy rezonansowy foton wyzwala emisje wielu fotonów naraz o tej samej fazie i częstotliwości. Aby to zrobić, trzeba znaleźć materiał, w którym elektrony będą przebywać dostatecznie długo na pewnym poziomie wzbudzonym. Taki poziom nazywamy poziomem metastabilnym. Do tej pory zbudowano wiele typów laserów i uzyskano efekt laserowy w setkach ośrodków czynnych (stałych, ciekłych i gazowych). Odwrócenie obsadzeń uzyskuje się przez oświetlenie światłem (pompowanie optyczne), innym laserem, światłem błyskowym, wyładowaniem prądu w gazach, reakcjami chemicznymi albo wykorzystanie rekombinacji w półprzewodnikach. Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek wzmacniający zostaje umieszczony w rezonatorze. Wówczas promieniowanie wprowadzone wzdłuż osi rezonatora odbija się od zwierciadła umieszczonego na jednym końcu rezonatora oraz od półprzeźroczystego zwierciadła na drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są wzmacniane wskutek emisji wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez półprzeźroczyste zwierciadło w postaci spójnej, monochromatycznej, równoległej wiązki światła o dużej mocy. Emitowana wiązka jest doskonale równoległa, bo fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki ośrodka drgającego bez wzmocnienia.

Rubin to kryształ tlenku glinu (Al₂O₃), w którym niektóre atomy glinu są zastąpione atomami chromu. Atomy chromu nadają rubinowi charakterystyczną czerwoną barwę, ponieważ absorbują żółto-zieloną część widma. Rolę aktywną w laserze rubinowym spełniają tylko jony chromu. Monokryształ sztucznego rubinu jest szlifowany do postaci cylindra o średnicy 5 mm i długości 5 do 10 cm, którego podstawy są polerowane na płasko, równolegle do siebie. Jedna z tych powierzchni jest pokryta warstwą odbijającą o blisko stuprocentowym współczynniku odbicia, druga ma odbicie około 50%. Tak przygotowany kryształ zostaje umieszczony w lampie błyskowej. Ksenonowa lampa błyskowa powoduje wzbudzenie elektronów do stanu, który tworzy pasmo energetyczne o sporej szerokości, i dlatego fotony z dość szerokiego przedziału łatwo mogą wzbudzać elektrony. Średni czas przebywania na tym poziomie jest krótki i wynosi jedynie 0,05 ms. Elektrony wracają więc do stanów niższych. Wiele z nich przechodzi bezpromieniście (energia zostaje przekazana sieci krystalicznej i dlatego taki laser musi być chłodzony) na poziom o średnim czasie życia około 3 ms, który nazywamy metastabilnym. Oświetlenie rubinu światłem białym powoduje masowe przechodzenie elektronów do stanu metastabilnego. Ten proces nazywamy pompowaniem optycznym. Następuje inwersja obsadzeń. Aby uzyskać silną emisję wymuszoną, trzeba utworzyć optyczną komorę rezonansową. Taką komorę tworzy sam kryształ rubinu w postaci pręta, którego powierzchnie czołowe są wypolerowane i pokryte powłokami odbijającymi. Wtedy wystarczy pojawienie się w pręcie tylko jednego fotonu o częstotliwości rezonansowej poruszającego się równolegle do osi pręta, aby rozpoczął się proces narastania emisji wymuszonej.

Foton ten wymusza bowiem emisję w atomach położonych wzdłuż jego drogi, a powstała przy tym wiązka fotonów, odbijając się wiele razy od przeciwległych powierzchni lustrzanych, oddziałuje z nowymi wzbudzonymi atomami i wyzwala coraz więcej fotonów. Prowadzi to do lawinowego wzrostu natężenia promieniowania laserowego. Światło wysyłane przez laser rubinowy ma kolor czerwony, odpowiadający długości fali A = 694,3 nm. Laser rubinowy działa impulsowo. Obecnie częściej buduje się lasery oparte na innych materiałach. Przykładem jest laser neodymowy, w którym szkło, kryształy fluorku wapnia lub inne materiały są domieszkowane neodymem. W działaniu lasera istotne są cztery poziomy energetyczne. Akcja laserowa zachodzi między poziomami E3 i E4 i uzyskanie odwrócenia obsadzeń jest znacznie łatwiejsze, a chłodzenie ośrodka czynnego ciekłym azotem pozwala uzyskać ciągłe działanie. Laser neodymowy na podłożu YAG (granat itrowo-glinowy) pozwala uzyskać w impulsie dużą moc. W podobny sposób jak laser neodymowy działają lasery, w których w różnych osnowach krystalicznych centami są jony metali ziem rzadkich.

Laser gazowy

Odwrócenie obsadzeń poziomów jako przygotowanie do akcji laserowej w gazach może być uzyskane przez wyładowanie elektryczne. Ogromne znaczenie mają wówczas atomy w stanach metatrwałych, ich energia może zostać przekazana w zderzeniach atomom lub cząsteczkom właściwego ośrodka laserującego. Tak jest właśnie w laserze helowo-neonowym (He-Ne), w którym ciałem roboczym jest mieszanina helu i neonu o ciśnieniu cząstkowym helu około 130 Pa, a neonu – ok. 13 Pa. Wyładowanie elektryczne prowadzone w tej mieszaninie wzbudza atomy helu i neonu do różnych stanów. Jednak najważniejsze dla uzyskania akcji laserowych jest wzbudzenie atomów helu do dwóch stanów metatrwałych.

Schemat lasera He-Ne przedstawia grafika powyżej. Rura laserowa (szklana lub kwarcowa) jest zamknięta doskonale płasko-równoległymi okienkami, nachylonymi do osi rury pod kątem Brewstera (w celu zminimalizowania strat przy odbiciu). Jej typowe wymiary to: długość – kilkanaście centymetrów do kilku metrów, średnica wewnętrzna – kilka do kilkunastu milimetrów. Do rury są wlutowane elektrody, do których przykłada się napięcie powodujące wyładowanie. Rezonator tworzą zewnętrzne zwierciadła Z (płaskie lub sferyczne w ustawieniu współogniskowym), z których jedno (ZP) ma pewną (niewielką) przepuszczalność, co umożliwia wyprowadzenie wiązki laserowej na zewnątrz. W czasie trwania akcji laserowej wyładowanie stale podtrzymuje różnicę obsadzeń, otrzymuje się zatem akcję laserową o działaniu ciągłym. Inne lasery gazowe to argonowy i laser, którego czynnikiem roboczym jest dwutlenek węgla. Laboratoryjny laser He-Ne jest pokazany na fotografii poniżej.

Laser półprzewodnikowy

Laser półprzewodnikowy jest wielowarstwową strukturą półprzewodników typu n (nadmiar elektronów w paśmie przewodnictwa) i p (więcej dziur w paśmie walencyjnym). Przejście elektronu do pasma przewodzenia na skutek zasilania prądem (pompowanie) jest połączone z odwrotnym procesem spontanicznym, zwanym radiacyjnym procesem rekombinacji. Proces ten prowadzi do uwolnienia fotonu. Przy dostatecznie dużym prądzie może powstać inwersja obsadzeń, pozwalająca wywołać akcję laserową. Cechą charakterystyczną laserów półprzewodnikowych jest specyficzna budowa warstwy czynnej, tzw. falowodowej. Zewnętrzne ścianki falowodu tworzą rezonatory Fabry'ego-Perota. Warstwa falowodowa ma grubość rzędu 2 µm, co ułatwia uzyskanie inwersji obsadzeń przy małym prądzie, a jej szerokość wynosi 10 µm. W związku z dyfrakcją rezultatem takiej budowy warstwy czynnej są duże kąty rozbieżności wiązki, różne w obydwu przekrojach (2 µm – rzędu 30°, 10 µm – ponad 5°). W celu zmniejszenia asymetrii wiązki stosuje się dodatkowe układy optyczne (pryzmatyczne lub cylindryczne), mające różne powiększenia w tych przekrojach. Do wad tych laserów należy zaliczyć szersze widmo promieniowania w porównaniu np. z laserem He-Ne i silny wpływ zmiany temperatury na moc wiązki i długość generowanej fali. Wady te można wyeliminować (lub przynajmniej istotnie ograniczyć), stosując odpowiednio rozbudowany układ zasilający z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Obecnie większość produkowanych diod laserowych powszechnego zastosowania ma wbudowaną fotodiodę, która pozwala mierzyć natężenie emitowanego światła. Układ zasilający ma postać sterowanego źródła prądowego, które dostarcza diodzie laserowej prąd o wielkości zależnej od prądu płynącego przez fotodiodę. Ujemne sprzężenie zwrotne sprawia, że im więcej światła emituje laser, tym słabszym prądem jest on zasilany.

Jak widać na fotografii powyżej, dioda laserowa jest elementem optoelektronicznym o niewielkich wymiarach. Jej najpopularniejszym zastosowaniem są czytniki CD, DVD i HVD.

Zapis holograficzny

Jak widać, interferują dwie wiązki światła: jedna (górna) jest kierowana za pomocą zwierciadła na fotografowany przedmiot, odbija się od niego i pada na kliszę, a druga (dolna) stanowi tzw. wiązkę odniesienia. Oczywiście najlepsze rezultaty daje użycie światła laserowego, które zapewnia zbliżoną do ideału monochromatyczność oraz spójność fazową i amplitudową. W rzeczywistości wszystko to wymaga dość skomplikowanych zabiegów technicznych, ale dzięki nim unikamy zaniknięcia prążków interferencyjnych (dyfrakcji) na skutek nadmiernej różnicy długości dróg przebytych przez światło. Mimo starań pozostałe niedoskonałości powodują, że uzyskany obraz jest superpozycją (nałożeniem) dużej liczby interferencji poszczególnych składowych spektralnych światła, co prowadzi do pogorszenia ostrości obrazu wypadkowego. W końcu obie wiązki naświetlają drobnoziarnistą kliszę fotograficzną. I tu niespodzianka! Po wywołaniu zamiast obrazu przedmiotu zobaczymy na kliszy jedynie prążki interferencyjne! Przykładowy hologram widać na rysunku poniżej:

Zasadę odtwarzania obrazu holograficznego przedstawia poniższy obrazek:

Aby zobaczyć obraz holograficzny, wystarczy oświetlić utrwalony na kliszy fotograficznej hologram, który działa jak siatka dyfrakcyjna, wiązką odniesienia. Fotografię holograficzną dwóch figurek (czyli przedmiotu) widać na fotografii poniżej:

Jest to efekt współpracujących ze sobą dyfrakcji i interferencji. Tak naprawdę w procesie odtwarzania obrazu holograficznego otrzymujemy dwa obrazy: rzeczywisty i pozorny. Wynika to z powstawania wspomnianych maksimów dyfrakcyjnych: zerowego (S₀) oraz dodatniego (S₊₁) i ujemnego (S_-1) pierwszego rzędu. Ponieważ bezpośrednio można zobaczyć jedynie obraz pozorny, celowo pomijam zbędne (moim zdaniem) informacje. Dla porządku powiem tylko, że oczywiście istnieją również metody rejestracji obrazu rzeczywistego. Nawiasem mówiąc, oba obrazy są identyczne. No dobrze, ale jak to się ma do „zwykłej” fotografii i na czym polega wyższość obrazu uzyskanego w ten sposób?

Zwykła fotografia może zarejestrować jedynie zmiany w natężeniu światła padającego na kliszę w każdym jej punkcie. Fotografia holograficzna uwzględnia również fazę światła dochodzącego z fotografowanego przedmiotu. Jest tak, ponieważ światło to jest nałożone na spójną wiązkę odniesienia. Dzięki temu fotografia holograficzna zawiera o wiele więcej informacji niż „zwykła”. Podstawową cechą różniącą obie metody jest możliwość łatwego trójwymiarowego oglądania przedmiotu. Zbliżony efekt uzyskujemy w przypadku zwykłej fotografii przez użycie techniki stereoskopowej, polegającej na fotografowaniu przedmiotu z dwóch zbliżonych miejsc, a następnie umieszczenie klisz w przyrządzie zwanym stereoskopem. Na identycznej zasadzie funkcjonuje nasz wzrok. Dzięki oddaleniu oczu od siebie człowiek może widzieć przestrzennie. Drugą metodą otrzymywania obrazu przestrzennego jest obróbka cyfrowa zdjęć wykonanych identycznie jak zdjęcia do stereoskopu. Na jednym zdjęciu kolor czarny jest zamieniany na czerwony, a na drugim – na niebieski. Zdjęcia te są nakładane na siebie z niewielkim przesunięciem. Rezultat tych manipulacji oglądamy przez okulary wyposażone w filtr niebieski dla jednego oka i czerwony dla drugiego, co pozwala uzyskać efekt przestrzenny. Ale to są półśrodki, chociaż kto oglądał film w kinie IMAX, ten zapewne jest innego zdania! Prawdziwy efekt 3D może dać jedynie holografia, która zaskakuje jeszcze dwoma niezwykłymi cechami. Otóż aby uzyskać poprawny obraz holograficzny, wcale nie musimy mieć całej kliszy! Wystarczy jej najmniejszy fragment, aby otrzymać niezniekształcony obraz przestrzenny. Jest to możliwe, ponieważ każdy punkt kliszy odebrał informację ze wszystkich punktów fotografowanego obiektu, co nie następuje w „zwykłej” fotografii. Dodatkowo, co jest najbardziej niesamowite, gdy podczas oglądania obrazu holograficznego poruszymy głową, przedmioty bliższe na fotografii przesuną się względem bardziej odległych. Myślę, że teorii już wystarczy. Nadeszła pora, aby odpowiedzieć na proste pytanie: co z tego wszystkiego ma Janek Kowalski?!

Rodzaje holografii i zastosowania hologramów

Jeszcze chwilę Was pomęczę nudną klasyfikacją, bo na jej podstawie łatwiej będzie pokazać zastosowania holografii i hologramów. Zasadniczy podział wynika z rodzaju promieniowania (fali), którego używa się do uzyskania zdjęć holograficznych. O falach elektromagnetycznych już była mowa, ale należy pamiętać, że obejmują one bardzo szerokie pasmo częstotliwości i że każdy jego fragment znajduje zastosowanie w holografii: od zakresu radiowego poprzez mikrofale, podczerwień, światło widzialne, nadfiolet, promienie rentgenowskie do promieniowania gamma. Ale stosowane są również wiązki elektronowe, fale sprężyste w ośrodkach materialnych oraz fale akustyczne, łącznie z ultradźwiękami. Do wyboru, do koloru – zależnie od potrzeb. Wydaje mi się, że niewiele jest sensu w rozwlekłym opisywaniu każdego przypadku zastosowania w holografii takiej lub innej fali. Skupię się na kilku spektakularnych przykładach, aby uzmysłowić, jakie możliwości drzemią w holografii i jaki wpływ na nasze życie wywrze ta technika. Oczywiście po jej pełnym opanowaniu – chociaż już obecne rezultaty, mimo że wciąż niedoskonałe, wywołują zdumienie. Zacznijmy może od... początku.

1. Denis Gabor prowadził badania nad zapisem holograficznym z myślą o uzyskaniu narzędzia umożliwiającego uzyskanie obrazów materii z atomową zdolnością rozdzielczą. Jego wizje spełniły się w 2001 r. Zespół krakowskich fizyków z Akademii Górniczo-Hutniczej oraz Uniwersytetu Jagiellońskiego zaprezentował pierwsze hologramy wykorzystujące promieniowanie gamma oraz efekt jego jądrowego rezonansowego rozpraszania. Dzięki temu udało się wyeliminować tzw. obrazy urojone, będące zmorą holografii opartej na wewnętrznych źródłach fal odniesienia. Metoda znajdzie zastosowanie szczególnie w badaniach skomplikowanych struktur biologicznych oraz coraz popularniejszych i znajdujących coraz więcej zastosowań nanostruktur.
2. Innym fascynującym przykładem jest ultradźwiękowa kamera holograficzna służąca do zdejmowania odcisków palców. I znowu jest to rewelacja polskiego pochodzenia! Wrocławska firma OPTEL wykorzystała unikatowe zjawisko polegające na tym, że jeśli do powierzchni ciała stałego, do której dociera dźwięk, jest przyłożony obiekt i kontakt między nim a powierzchnią nie jest wszędzie jednakowy (idealny), to w takich miejscach jak krawędzie i punkty styku dojdzie nie tylko do opisanego klasycznymi wzorami przejścia dźwięku z jednego ośrodka do drugiego, jego odbicia oraz dyfrakcji na granicach obszarów kontaktu, lecz także do dodatkowego rozproszenia i przemiany na inne rodzaje fal. To rozproszenie jest wynikiem zmiany warunków propagacji dźwięku w pobliżu powierzchni ciała stałego spowodowanej kontaktem z przyłożonym do niej obiektem i dlatego nazywa się rozproszeniem kontaktowym. Jest pewne, że wpływ na rozproszenie kontaktowe mają nie tylko same obszary styku obu ośrodków, lecz także zbliżona do nich część przyłożonego obiektu nazywana strukturą przypowierzchniową. Zapewne z tego powodu to zjawisko jest silnie zależne od materiału, z którego został wykonany przyłożony obiekt. Urządzenie jest bardzo skomplikowane, a jego praktyczne zastosowanie byłoby niemożliwe bez specjalistycznego oprogramowania.
3. Holografia cyfrowa to nowe narzędzie do przekazu pełnej, trójwymiarowej informacji w zastosowaniach multimedialnych. Ze względu na obecne parametry sprzętu te zastosowania wciąż są poważnie ograniczone. Tyczy się to przede wszystkim operowania na rzeczywistych scenach o dużych rozmiarach oraz braku ergonomicznej metody rekonstrukcji informacji na drodze optycznej. Na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej podjęto próbę rozwiązania tych problemów. Skupiono się na zastosowaniu metody holografii wieloekspozycyjnej, opracowaniu założeń rejestracji hologramów rzeczywistych i syntetycznych w różnych konfiguracjach układu, analizie zawartości sygnałowej różnych typów hologramów wieloekspozycyjnych oraz opracowaniu metody rekonstrukcji informacji obrazowej kodowanej w hologramach cyfrowych na drodze optoelektronicznej z zastosowaniem przetworników ciekłokrystalicznych adresowanych metodami optyczno-elektronicznymi. Wynikiem tych prac są hologramy wieloekspozycyjne scen oraz obrazy zrekonstruowane z hologramów cyfrowych w układach optoelektronicznych. I znowu mocne polskie uderzenie! To przecież wstęp do holowizji! Niejako na marginesie dodam, że pierwszy półprzewodnikowy niebieski laser (oparty na azotku galu) też skonstruowali polscy uczeni. Ten laser właśnie teraz jest wdrażany do masowej produkcji w urządzeniach zapisująco-odczytujących (jak Blu-ray). Umożliwia dzięki krótszej fali wielokrotne zwiększenie ilości gromadzonej informacji. Jak widać, polscy uczeni nie wypadli sroce spod ogona i głowy mają nie od parady. Tylko czy polska nauka potrafi na tym zarobić? Ale to już jest zupełnie inna bajka...
4. Opracowane i już działające napędy HVD, stosujące holografię do odczytu i zapisu danych, korzystają z nośników o pojemności rzędu 1 TB, co bez wątpienia nie jest ostatnim słowem konstruktorów i producentów. Temu zagadnieniu poświęcam poniższy fragment artykułu.

Format HVD

W najbliższej przyszłości można się spodziewać licznego wejścia na rynek formatu HVD (ang. Holographic Versatile Disc), którego nośniki będą miały pojemność rzędu 1 TB. Urządzenia właściwie już są produkowane, ale ze względu na koszt słychać o nich niewiele. Wprawdzie działają, ale trudno oprzeć się wrażeniu, że są to prototypy. Jednak zapewne upowszechnią się niebawem, tak jak to było z DVD. Pierwsze urządzenia wykorzystujące standard HVD mają być przeznaczone do zastosowań medycznych, przemysłu paliwowego oraz farmaceutycznego. Na końcu będą dostępne dla użytkowników indywidualnych. Technika HVD jest przełomem w dziedzinie optycznego zapisu i odczytu. Główna różnica w porównaniu z obecnymi metodami zapisu danych, polegającymi na wykorzystaniu cienkiej warstwy nośnika, to możliwość zapisu i odczytu danych z całej jego głębokości. Pozwala to znacznie zwiększyć pojemność nośników: pojedynczy dysk HVD może pomieścić 2000 CD lub 200 DVD. Poniżej porównanie wyglądu HVD i DVD.

W przeciwieństwie do obecnych technik CD/DVD, które nie pozwalają odczytać lub zapisać więcej niż jednego bitu jednocześnie, HVD umożliwia odczyt do miliona bitów naraz. Dzięki temu prędkość transferu będzie wynosić do 1 Gb/s. Jak skonstruowany jest dysk HVD, jak zapisywana jest na nim informacja i dlaczego jego pojemność sięga 1 TB? Aby odpowiedzieć na te pytania, trzeba przypomnieć, jak zapisywane i odczytywane są dane na dyskach CD i DVD. Wyjaśnia to poniższa fotografia.

Pity i landy są umieszczone sekwencyjnie wzdłuż spiralnej ścieżki pokrywającej równomiernie powierzchnię dysku. Reprezentują one ciąg jedynek i zer, składający się na zapisywaną informację. Dane są zapisywane w kierunku od środka do zewnątrz przy użyciu diody laserowej, która wypala pity, pozostawiając nietknięte landy. Informacja jest odczytywana za pomocą fotodetektora. Oświetlony przez promień lasera pit zostaje „rozproszony”, z kolei land po oświetleniu trafia do detektora. W rezultacie powstaje ciąg zero-jedynkowy, którego dalsza obróbka jest już banalna. Oczywiście wszystko to jest wsparte bardzo precyzyjną mechaniką. Przypominam, że podstawowa różnica pomiędzy zapisem CD a DVD polega na długości fal emitowanych przez diodę używaną do zapisu i odczytu. Płyty DVD są zapisywane falą o mniejszej długości, co zwiększa ilość informacji, którą można zapisać. Informację na dysku HVD można zapisać na kilka sposobów. Jedno z możliwych rozwiązań przedstawia poniższy rysunek.

W tej metodzie w miejscu fotografowanego przedmiotu mamy umieszczony ciekłokrystaliczny, przestrzenny modulator światła SLM (ang. Spatial Light Modulator), który zamienia dane z komputera na dwuwymiarową matrycę ciemnych i jasnych punktów. Wiązka światła laserowego napotyka półprzepuszczające lustro i dzieli się na dwie wiązki: przedmiotową (sygnałową) i referencyjną (odniesienia). Zapamiętany w SLM obraz strony danych jest nakładany na wiązkę przedmiotową. Matryca SLM ma zazwyczaj wymiar 1024×1024 punkty, przy czym ciemny punkt to logiczna jedynka, a jasny to logiczne zero. Na powierzchni dysku obie wiązki interferują ze sobą, tworząc hologram. Fizyczny zapis następuje identycznie jak na dysku CD lub DVD. Jednakże jest podstawowa różnica: jednostką informacji nie jest pojedynczy bit, a cała macierz 1024×1024 punkty, czyli 1 Mb danych.

Aby odczytać dane z dysku HVD, należy użyć nie jednego detektora, ale matrycy detektorów o wymiarach 1024×1024 punkty. Zazwyczaj jest to światłoczuły element CCD (ang. Charge Coupled Device). Przedstawia to rysunek poniżej.

Powierzchnię fragmentu dysku HVD zapisanego danymi widać na fotografii poniżej.

Aby Czytelnik uświadomił sobie, z jaką precyzją musi działać napęd HVD, trzeba nieco dokładniej opisać budowę dysku. Spójrzmy na poniższy rysunek.

Jak widać, dysk HVD składa się z kilku warstw. Od dołu kolejno mamy:

• przezroczyste podłoże (Substrate 1) pokryte odblaskową warstwą aluminium, które zapobiega interferencji fal i pomaga zachować kompatybilność z CD i DVD,
• warstwę dystansową (Gap Layer),
• dychroiczną warstwę odblaskową (Dichroic Mirror Layer),
• fotopolimerową warstwę do zapisu danych (Photopolymer Recording Layer),
• podłoże z poliwęglanu (Substrate 2).

Zielone (green) lub niebieskie (blue) światło lasera jest stosowane do zapisu i odczytu, czerwone zaś (red) służy do pozycjonowania głowicy napędu, nie zakłóca przy tym odczytu i zapisu danych. Przedstawiony powyżej dysk HVD wraz z napędem został zaprezentowany przez firmę Optware we wrześniu 2005 r. Pojemność dysku wynosi 1 TB, przy szybkości zapisu i odczytu 1 GB/s oraz średniej gęstości zapisu 100 razy większej niż na dysku DVD. W tej sytuacji można śmiało sparafrazować pewne znane powiedzenie i ogłosić: HVD ante portas! Tyle tylko, że tym razem nie ma powodu do obaw! Należy jeszcze wspomnieć o gęstości zapisu danych holograficznych. Zależnie od zastosowanej metody wykonywania hologramu (klasyczna lub kolinearna) oraz sposobu zapisu (przerywany lub ciągły) teoretyczna gęstość zapisu sięga 3,9 TB na standardowej wielkości dysku. Różnice pokazuje obrazek poniżej.

Nie wdając się w zawiłe szczegóły, można powiedzieć, że podstawowa różnica pomiędzy klasyczną a kolinearną holografią polega na tym, że w tej drugiej zarówno fala opisująca przedmiot, jak i fala odniesienia przechodzą przez SLM, co pokazuje obrazek poniżej.

Praktyczną konsekwencją użycia tej metody jest możliwość skonstruowania modułu zapisująco-odczytującego napędu HVD o wielkości porównywalnej z używanymi do zapisu płyt CD i DVD. Jedyną wadą napędów HVD jest obecnie cena: kilkanaście tysięcy dolarów amerykańskich. Ale jak pamiętam, pierwsze nagrywarki CD o pojedynczej prędkości zapisu też kosztowały krocie. Dzisiaj o wiele szybsze kosztują kilkanaście złotych.

Co jeszcze potrafi i gdzie jest stosowana holografia?! Lista jest naprawdę imponująca. Wybaczcie pewną chaotyczność, ale w takiej kolejności przychodziło mi to do głowy: szyfrowanie informacji, rozpoznawanie obiektów i ich cech wspólnych (w medycynie – wykrywanie komórek rakowych), modelowanie funkcji logicznych, holografia akustyczna (medycyna i defektoskopia), przemysł rozrywkowy (ruchome obiekty w dyskotekach), obrazowanie muzyki (sic!), zabezpieczenie przed fałszerstwami wszelkiego rodzaju (obecnie hologramu nie da się podrobić), ozdoby, reklama, czytniki kodów paskowych i grawerowanie napisów zielonym laserem. Wystarczy!? I tak pewnie o czymś zapomniałem. Jak widać, ta niesamowita, fascynująca technika przebojem wkracza w nasze życie. Oczywiście momentem przełomowym będzie wprowadzenie do powszechnego użycia holowizji i holofonów. Na to, niestety, z różnych względów (wielu technicznych i komercyjnych) jeszcze przyjdzie trochę poczekać. Ale ten dzień kiedyś nadejdzie. To pewne!

Sztuka

Jest jeszcze jeden aspekt holografii, który warto poruszyć: sztuka, i to przez duże S! Przez lata ludzie doskonalili umiejętność fotografowania: od pierwszych brązowych fotografii z nieporęcznych aparatów na trójnogach do mieniących się pełnią realistycznych kolorów zdjęć z aparatów cyfrowych. Człowiek zawsze chciał zatrzymać dla siebie wspomnienie ulotnej chwili, czy to przy użyciu kliszy, czy matrycy o milionach pikseli. To naturalne pragnienie wywarło jednak wpływ na nasze postrzeganie przestrzeni. Zupełnie podświadomie człowiek traktuje ją jako coś naturalnego i niewidocznego. Fotografia, nawet najwspanialsza, zawsze jest płaska! Z tego powodu przestrzeń stała się domeną rzeźby. Tymczasem holografia otwiera zupełnie nowe możliwości. Niestety, jakoś nie słyszy się o amatorskich galeriach hologramów. Powody są dwa. Konieczny do uprawiania nowej dziedziny sztuki sprzęt jest jeszcze bardzo drogi (chyba jeszcze nie istnieje w wersji dla amatora), ale raczej nie to jest główną przeszkodą w jej rozwoju. Sądzę, że jest to głęboko zakorzeniony konserwatyzm i nieumiejętność nowego spojrzenia na przestrzeń, która ma teraz szansę stać się jednym z decydujących elementów nowych środków wyrazu. Umiejętność przestrzennego spojrzenia na otaczający nas świat i wydobycia z przestrzeni jej własnych walorów artystycznych nie nadejdzie z dnia na dzień. To wymaga czasu. Może nie tak długiego, jaki minął od zmiany pierwszej camera obscura w cyfrowego Canona, ale trochę to potrwa. Jestem przekonany, że kiedyś pojawi się sprzęt dla adeptów nowej dziedziny sztuki, bo natura nie znosi próżni. Z początku zapewne będzie kłopotliwy w użyciu, ale stopniowo będzie coraz poręczniejszy i bardziej funkcjonalny. W międzyczasie pewnie stanieje i wtedy nowa dziedzina sztuki powoli zacznie zdobywać zwolenników. Kto lubi i uprawia fotografię, niech chociaż chwilę się zastanowi nad moją tezą. Tym bardziej że istnieje już metoda (Benton, 1969 r.) takiego zapisu hologramów, że można je odczytywać w świetle białym, co usuwa podstawowe ograniczenie holografii wynikające z konieczności używania światła lasera. Takie hologramy są nazywane hologramami tęczowymi. Ceną, jaką się płaci za łatwość odtworzenia obrazu przy użyciu ogólnie dostępnych źródeł światła, jest brak paralaksy w kierunku pionowym. Brak paralaksy pionowej nie ma jednak większego znaczenia w przypadku normalnie stojącego obserwatora. Wiadomo bowiem z fizjologii widzenia, że paralaksa pionowa jest zbędna w postrzeganiu przestrzeni. Warto też wiedzieć, że hologramy tęczowe szczególnie stosowane są do zabezpieczania dokumentów i pieniędzy przed kopiowaniem, znakowania oryginalnych towarów i kodowania kolorowych przeźroczy.

Zakończenie

Jakoś dobrnąłem wspólnie z Wami do końca historii pt. „Holografia”. Nie jest to opracowanie naukowe, ale mam nadzieję, że właśnie teraz z przekonaniem myślicie: warto było je przeczytać! Starałem się ująć temat kompleksowo, podkreślić zalety i perspektywy, praktycznie nie używałem teorii i wzorów. Temat jest tak obszerny, że niektóre aspekty holografii z żalem pominąłem, co niewątpliwie zostanie mi wytknięte przez malkontentów. Nie mogę się jednak powstrzymać od zaprezentowania fotografii projekcji holograficznej, choć niedoskonałej – ale to przecież są dopiero początki. Warto też chyba wspomnieć o nie tak dawno zastosowanej przez CNN technice, jakby żywcem wyjętej z popularnego serialu Star gate. Wprawdzie nie do końca wiadomo, jak podczas wyborów prezydenckich obraz prezenterki przeniesiono setki kilometrów od studia TV tak, że wyglądała jak żywa i prowadziła rozmowę w czasie rzeczywistym, ale efekt był piorunujący.

Moich własnych rozważań było niewiele, no może trochę o sztuce fotografowania przy wykorzystaniu holografii. Jestem pewny, że jeżeli jeszcze nie teraz, to w niedalekiej przyszłości ta metoda zatrzymywania w kadrze rzeczywistości będzie tak samo dostępna i popularna, jak obecna fotografia cyfrowa. To wyłącznie kwestia czasu!

Obrazki pochodzą z następujących źródeł:

• http://pl.wikipedia.org
• http://en.wikipedia.org
• http://www.optware.co.jp
• http://electronics.howstuffworks.com
• http://www.hvd-alliance.org
• http://www.fuw.edu.pl/~msadow/?c=fizyka&d=&n=0&p=53