Holografia
Aby coś wytłumaczyć, trzeba zdefiniować o czym mówimy! Słowo hologram jest pochodzenia greckiego. Holos - całość, graphos - opisywać. 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 biorąc - fala elektromagnetyczna. Natomiast efektem końcowym ma być powtarzalna możliwość wygenerowania przestrzennego obrazu tegoż 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. Zależność tą 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 uświadomić 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 zależy od ośrodka, w którym fala świetlna się rozchodzi. Teraz możemy już przejść do definicji kolejnych ważnych pojęć z dziedziny ruchu falowego, które znajdują zastosowanie w holografii. Jest to interferencja i dyfrakcja. Interferencja jest nakładaniem się fal na siebie, natomiast dyfrakcja (lub ugięcie) jest odchyleniem od prostoliniowości rozchodzenia się fali, zachodzącym na krawędziach wąskich (w porównaniu z długością fali) szczelin. Procesy interferencji dominują przy zapisie, a dyfrakcji przy odczycie hologramu. Niezależnie od tego, oba te zjawiska wyrażają falową naturę światła. Jedynie trochę dla zasady przypomnę, że wg poprzednio powszechnie przyjmowanej teorii korpuskularnej, światło uważane było za strumień cząstek (fotonów) o masie spoczynkowej równej zero. Natomiast pewnego rodzaju odmianą teorii korpuskularnej jest zaproponowana przez A. 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. Spowodowane to jest 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 ulec podwojeniu lub całkowicie zaniknąć. W tym ostatnim przypadku 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. Nazywane one również bywają dyfrakcjami w bliskim i dalekim polu. Pierwszą obserwujemy gdy odległość l jest niewielka, drugą gdy odległość l 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 sprawy 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 0° do 90°. Teraz wyjaśnimy co się kryje za strasznym słowem transmitancja. Z grubsza biorąc jest to odpowiedź układu na doprowadzenie do niego sygnału wejściowego. Jeżeli do siatki dyfrakcyjnej doprowadzamy sygnał wejściowy w postaci fal sinusoidalnych (sinx), to siatka przepuści amplitudę fali według pewnej funkcji (zwanej transmitancją), np. sin2x lub (1+sinx) - przypadki najczęściej spotykane. Siatki dyfrakcyjne z taką transmitancją wytwarzają tylko 3 maksima dyfrakcyjne: zerowe (S0) oraz plus (S+1) i minus (S-1) pierwszego rzędu. Ponadto siatki dyfrakcyjne dzielą się na amplitudowe i fazowe, co jednoznacznie definiuje czego dyfrakcję powodują. Właściwie to 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! O co chodzi? Oczywiście o źródło światła, czyli o laser.
Laser
Kto potrafi dokładnie podać zasadę działania lasera, chociaż w przybliżeniu opisać jego konstrukcję i podać podstawowe elementy składowe?! No i jeszcze odpowiedzieć na proste pytanie: dlaczego laser musi być używany podczas zapisu i odczytu hologramów? Jakoś nie widzę lasu rąk w górze, a niby to takie proste i oczywiste... No to poczytajcie! 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 zbudowane na bazie ciał stałych, gazów, cieczy lub półprzewodników. Najbardziej znany, najpopularniejszy i najstarszy laser zbudowany jest na bazie kryształu rubinu i emituje światło czerwone. Powstał on w 1960 roku, a jego twórcą był Theodore Maiman. Aby poznać zasadę i sposób działania lasera trzeba nieco (a raczej nawet więcej niż nieco) sięgnąć do fizyki. Jak już wspominałem, poniższy fragment został opracowany przez uczniów Zespołu Szkół Ogólnokształcących w Turku i znakomicie tłumaczy sposób i zasadę działania różnych laserów.
Zasada działania lasera
Emisja wymuszona i 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 ulega pochłonięciu, 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 (rysunek po lewej stronie). Proces taki przewidział teoretycznie 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 tego dokonać trzeba znaleźć taki materiał, w którym elektrony będą przebywać dostatecznie długo na pewnym poziomie wzbudzonym (na rysunku po prawej poziom E3). 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 za pomocą oświetlenia światłem (pompowanie optyczne), innym laserem, światłem błyskowym, wyładowaniem prądu w gazach, reakcjami chemicznymi albo wykorzystuje się rekombinację w półprzewodnikach. Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek wzmacniający zostanie 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, bowiem fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki ośrodka drgającego bez wzmocnienia.
Schemat lasera rubinowego
Rubin jest to kryształ tlenku glinu (AL2O3), w którym niektóre atomy glinu są zastąpione atomami chromu. Atomy chromu nadają rubinowi charakterystyczną czerwoną barwę ponieważ absorbują one żółto-zieloną część widma. Rolę aktywną a laserze rubinowym spełniają tylko jony chromu. Monokryształ sztucznego rubinu szlifowany jest do postaci cylindra o średnicy 5 mm i długości 5 do 10 cm, którego podstawy są polerowane 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 umieszczony jest w lampie błyskowej. Schemat poziomów energetycznych w rubinie przedstawia animacja zamieszczona wyżej. Ksenonowa lampa błyskowa powoduje wzbudzenie elektronów z poziomu E1 w stan E2, który tworzy pasmo energetyczne o sporej szerokości dlatego łatwo fotony z dość szerokiego przedziału mogą wzbudzać elektrony. Średni czas przebywania na poziomie E2 jest krótki i wynosi jedynie 0,05ms. 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 E3. Średni czas życia na poziomie E3 jest dość długi wynosi około 3ms i dlatego nazywamy go metastabilnym. Oświetlenie więc rubinu światłem białym powoduje masowe przechodzenie elektronów do stanu E3. Proces taki nazywamy pompowaniem optycznym. Następuje inwersja obsadzeń. Aby uzyskać silną emisję wymuszoną, konieczne jest utworzenie optycznej komory rezonansowej. Taką komorę tworzy sam kryształ rubinu w postaci pręta, którego powierzchnie czołowe są wypolerowane i pokryte powłokami odbijającymi. Wystarczy wtedy pojawienie się w pręcie jednego tylko fotonu o częstotliwości rezonansowej, poruszającego się równolegle
Pręt rubinowy w lampie ksenonowej
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 pracuje impulsowo. Obecnie częściej buduje się lasery oparte na innych materiałach. Przykładem jest laser neodymowy gdzie szkło, kryształy fluorku wapnia lub inne materiały domieszkowane są neodymem. W pracy istotne są cztery poziomy energetyczne. Akcja laserowa zachodzi wtedy między poziomami E3 i E4 i uzyskanie odwrócenia obsadzeń jest znacznie łatwiejsze, a chłodzenie ośrodka czynnego ciekłym azotem pozwala na uzyskanie pracy ciągłej. Laser neodymowy na podłożu YAG (granat itrowo-glinowy) pozwala na uzyskanie w impulsie dużych mocy. 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 być 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 i neonu ok. 13 Pa. Wyładowanie elektryczne prowadzone w tej mieszaninie wzbudza atomy helu i neonu do różnych stanów. Najważniejsze jednak dla uzyskania akcji laserowych jest wzbudzenie atomów helu do dwóch stanów metatrwałych.
Budowę lasera He-Ne przedstawia schematycznie rysunek powyżej. Rura laserowa (szklana lub kwarcowa) zamknięta jest doskonale płasko-równoległymi okienkami nachylonymi do osi rury pod kątem Brewstera (w celu minimalizacji strat przy odbiciu); jej typowe wymiary: długość - kilkanaście cm do kilku m, średnica wewnętrzna - kilka do kilkunastu mm. Do rury wlutowane są elektrody, do których przykłada się napięcie powodujące wyładowanie. Rezonator tworzą zewnętrzne zwierciadła (płaskie lub sferyczne w ustawieniu współogniskowym), z których jedno 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. Innymi laserami gazowymi są laser argonowy i laser, którego czynnikiem roboczym jest dwutlenek węgla.
Laser półprzewodnikowy
Laser półprzewodnikowy czyli dioda laserowa działa podobnie jak diody świecące LED (skrót od angielskiego light emitting diode). LED zamieniają energię elektryczną na światło widzialne lub promieniowanie podczerwone. Źródłem światła jest złącze półprzewodnikowe n-p. Światło powstaje w wyniku tego, że elektrony w paśmie przewodnictwa są pobudzane do rekombinacji z dziurami w paśmie walencyjnym. Gdy zachodzi to zjawisko, elektrony oddają energię odpowiadającą przerwie wzbronionej i następuje świecenie. Do tych celów przydatne są takie materiały jak arsenek galu lub azotek galu, a obecnie coraz częściej cienkie warstwy półprzewodników. Diody LED wysyłają światło niespójne i nie do końca monochromatyczne. Aby powstał laser należy tak uformować układ aby powstał rezonator optyczny. Gdy do złącza będą wstrzykiwane duże ładunki to może w nim powstać proces laserowy i w wyniku wymuszonych przejść z pasma przewodnictwa do walencyjnego generuje się spójna wiązka światła. Zwierciadłami lasera mogą być krawędzie kryształu. Lasery półprzewodnikowe mogą być miniaturowe i nie przekraczają długości 1 mm. Wytwarzają one na ogół wiązkę dość słabo skupioną i o stosunkowo małej mocy.
Omówimy obecnie budowę najprostszego lasera półprzewodnikowego dostępnego w sklepach elektrycznych. Średnica soczewki (około 5 mm) określa maksymalną średnicę skolimowanej wiązki. Dioda ma ustalone położenie, położenie soczewki może być regulowane przez zmianę położenia wkręcanej przesłony kołowej (przesłona ta ogranicza również średnicę wiązki do około 2,5-3 mm). Zewnętrzna, wymienna nasadka służy do wyświetlania rozmaitych rysunków. Działa na zasadzie siatki dyfrakcyjnej (kwadratowa sieć jednakowych symboli graficznych). Podstawowym elementem konstrukcyjnym lasera jest
metalowy korpus, w którym umocowana jest płytka drukowana z diodą laserową, a z przedniej strony wkręcona jest przesłona kołowa i nakręcona wymienna nasadka. We wnętrzu korpusu umieszczona jest soczewka (dociskana do przesłony kołowej za pomocą sprężyny). Korpus umocowany jest na wcisk w aluminiowej rurce stanowiącej obudowę zewnętrzną. Dioda jest zasilana napięciem 4,5 V z trzech baterii pastylkowych przez sprężynę kontaktową, niestabilny mikrowyłącznik i rezystor.
Mam nadzieję, że podzielacie moje zdanie o zasadności włączenia do felietonu tego fragmentu o laserach, opracowanego przez Zespół Fizyków z ZSO w Turku?! Teraz możemy już wrócić do głównego wątku felietonu. Przyszedł czas na omówienie odwzorowania holograficznego. Składa się ono z dwóch procesów: zapisu i odczytu.
Zapis holograficzny
Jak widać, interferencji ulegają dwie wiązki światła: jedna (górna) jest kierowana przy pomocy 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 naszych starań, pozostałe jeszcze 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 niej jedynie prążki interferencyjne! Przykładowy hologram widać na rysunku poniżej:
Odtwarzanie obrazu holograficznego
Aby zobaczyć obraz holograficzny wystarczy oświetlić utrwalony na kliszy fotograficznej hologram, który działa jak siatka dyfrakcyjna, wiązką odniesienia. Rezultat widać na fotografii poniżej:
Czary?! Nie! To "tylko" współpracujące ze sobą dyfrakcja i interferencja. Tak naprawdę, to w procesie odtwarzania obrazu holograficznego otrzymujemy dwa obrazy: rzeczywisty i pozorny. Wynika to z faktu powstawania wspomnianych wcześniej maksimów dyfrakcyjnych: zerowego (S0) oraz dodatniego (S+1) i ujemnego (S-1) pierwszego rzędu. Ponieważ wprost można zobaczyć jedynie obraz pozorny, więc 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 jest w stanie zarejestrować jedynie zmiany w natężeniu światła padającego na kliszę w każdym jej punkcie. Fotografia holograficzna uwzględnia również fazę światła dochodzącego z fotografowanego przedmiotu. Dzieje się tak, ponieważ światło to jest nałożone na spójną wiązkę odniesienia. Dzięki temu fotografia holograficzna zawiera o wiele więcej informacji niż "zwykła" fotografia. Podstawową cechą różniącą obie metody jest możliwość łatwego, trójwymiarowego oglądania przedmiotu. Zbliżony efekt uzyskujemy dla zwykłej fotografii poprzez użycie techniki stereoskopowej, polegającej na fotografowaniu przedmiotu z dwóch zbliżonych miejsc i 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 do stereoskopu. Na jednym zdjęciu kolor czarny zamieniany jest na czerwony, a na drugim na niebieski. Zdjęcia te są nakładane na siebie z niewielkim przesunięciem. Efekt końcowy tych manipulacji oglądamy przez okulary wyposażone w filtr niebieski dla jednego oka i czerwony dla drugiego, uzyskując efekt przestrzenny. Ale to są półśrodki, chociaż kto oglądał film w kinie IMAX zapewne jest innego zdania! Prawdziwy efekt 3D może dać jedynie holografia, która zaskakuje nas jeszcze dwoma niezwykłymi cechami. Otóż aby uzyskać poprawny obraz holograficzny wcale nie musimy posiadać całej kliszy! Wystarczy jej najmniejszy fragment, aby otrzymać nie zniekształcony 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 w oparciu o nią łatwiej będzie zaprezentować zastosowania holografii i hologramów. Zasadniczy podział wynika z rodzaju promieniowania (fali), której używamy do uzyskania zdjęć holograficznych. O falach elektromagnetycznych już była mowa, ale należy pamiętać, że obejmują one bardzo szerokie pasmo częstotliwości i każdy jego fragment znajduje zastosowanie w holografii. Poczynając od zakresu radiowego, poprzez mikrofale, podczerwień, światło widzialne, nadfiolet, promienie rentgenowskie i kończąc na promieniowaniu 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 Wam jakie możliwości drzemią w holografii i jaki wpływ na nasze życie wywrze ta technologia. Oczywiście po jej pełnym i perfekcyjnym opanowaniu, chociaż niedoskonałe jeszcze, ale już dzisiaj osiągane rezultaty, napawają zdumieniem. 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 i plany spełniły się w 2001r. Zespół krakowskich fizyków z Akademii Górniczo-Hutniczej oraz Uniwersytetu Jagiellońskiego zaprezentował, jako pierwsze na świecie, 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 szczególne pole do popisu w badaniach skomplikowanych struktur biologicznych oraz coraz popularniejszych i znajdujących coraz więcej zastosowań nano-struktur.
2. Kolejnym fascynującym przykładem jest ultradźwiękowa kamera holograficzna służąca do zdejmowania odcisków palców! I znowu jest to rewelacja polskiego pochodzenia! Wrocławska firma OPTEL wykorzystała unikalny fakt, że jeśli do powierzchni ciała stałego, do której dociera dźwięk, przyłożony jest obiekt i kontakt między nim a powierzchnią nie jest wszędzie jednakowy (idealny), lecz zawiera niejednorodności (krawędzie, punkty kontaktowe itp.), to w miejscach takich 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. Jest ono wynikiem zmiany warunków propagacji dźwięku w pobliżu powierzchni ciała stałego, spowodowanej kontaktem z przyłożonym do niej obiektem i dlatego nazywa się rozproszeniem kontaktowym. Jest rzeczą pewną, że wpływ na rozproszenie kontaktowe mają nie tylko same obszary styku obu ośrodków, lecz także zbliżona do nich część przyłożonego obiektu nazywana strukturą przypowierzchniową. Z tego też zapewne powodu zjawisko to zależne jest silnie od materiału, z którego wykonany jest przyłożony obiekt. Urządzenie jest bardzo skomplikowane, a jego praktyczne zastosowanie było by niemożliwe bez specjalistycznego oprogramowania.
3. Holografia cyfrowa stanowi nowe narzędzie do przekazu pełnej, trójwymiarowej informacji obrazowej w zastosowaniach multimedialnych. Ze względu na aktualne parametry sprzętowe występują tutaj poważne ograniczenia aplikacyjne. Tyczy się to przede wszystkim operowania z rzeczywistymi scenami o dużych rozmiarach oraz braku ergonomicznej metody rekonstrukcji informacji na drodze optycznej. Na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej podjęto próbę rozwiązania tych problemów skupiając się na: zastosowaniu metody holografii wieloekspozycyjnej, opracowaniu założeń rejestracji hologramów rzeczywistych i syntetycznych w różnych konfiguracjach układu, wreszcie 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 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 jeszcze, że pierwszy półprzewodnikowy niebieski laser (na bazie azotku galu) też skonstruowali polscy uczeni. Ten laser (blue-ray) właśnie teraz jest wdrażany do masowej produkcji w urządzeniach zapisująco-odczytujacych, umożliwiając 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? A, to już jest zupełnie inna bajka...
Po tych fajerwerkach przejdźmy do rutyny. Co jeszcze potrafi i gdzie jest stosowana holografia?! Lista jest naprawdę imponująca. Proszę wybaczyć pewną chaotyczność, ale w takiej kolejności przychodziło mi to do głowy: szyfrowanie informacji, rozpoznawanie obiektów i ich cech wspólnych (medycyna - wykrywanie komórek rakowych), modelowanie funkcji logicznych, pamięci holograficzne (terabajtowe HDD), holografia akustyczna (medycyna i defektoskopia), przemysł rozrywkowy (ruchome obiekty w dyskotekach), zobrazowanie muzyki (sic!), zabezpieczenie przed fałszerstwami wszelkiego rodzaju (na chwilę obecną hologramu nie da się podrobić), ozdoby, reklama, czytniki kodów paskowych. Wystarczy!? I tak pewnie o czymś zapomniałem. Jak widać, ta niesamowita i fascynująca technologia 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 (IMHO) można i należy poruszyć. To Sztuka! Właśnie ta, 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 cyfrowych "idiot kamera". Człowiek zawsze chciał zatrzymać dla siebie wspomnienie chwili ulotnego czasu, utrwalanego bądź na kliszy, bądź matrycy o milionach pikseli. To naturalne pragnienie wywarło jednak wpływ na nasze postrzeganie przestrzeni. Zupełnie podświadomie człowiek traktuje przestrzeń jako coś naturalnego i niewidocznego. Jest to skutek faktu, że fotografia, nawet najwspanialsza, zawsze jest płaska! Z tego powodu przestrzeń stała się domeną rzeźby. Tymczasem holografia otwiera przed prekursorami zupełnie nowe perspektywy i możliwości. Niestety, jakoś nie słyszy się o galeriach fotografii holograficznych. Powody są dwa. Konieczny do uprawiania nowej dziedziny sztuki sprzęt jest jeszcze bardzo drogi (a praktycznie chyba jeszcze nie istnieje w wydaniu dla amatora), ale nie to jest (IMHO) główną przeszkodą w jej rozwoju. Sądzę, że jest to raczej głęboko zakorzeniony konserwatyzm i nieumiejętność nowego spojrzenia na przestrzeń, która ma teraz szansę stać się jednym z decydujących komponentów nowego wyrazu artystycznego. Umiejętność przestrzennego spojrzenia na otaczający nas świat i wydobycie z przestrzeni jej własnych walorów artystycznych nie nadejdzie z dnia na dzień. Taki proces 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 też będzie kłopotliwy w użyciu, ale stopniowo będzie coraz poręczniejszy i bardziej funkcjonalny. Zapewne też w międzyczasie stanieje i wtedy nowa dziedzina sztuki powoli znajdzie zwolenników. Kto lubi i uprawia fotografię, niech chociaż chwilkę się zastanowi nad moimi wywodami. Może warto poeksperymentować już dzisiaj?! Nie wiem czy do zabawy w holografię wystarczy łatwo dostępny laser półprzewodnikowy, zwykłe lusterko (być może, że musi ono być ze specjalnie domieszkowanego szkła) i aparat fotograficzny, ale jak się nie spróbuje, to się nie będzie wiedzieć! BTW: na "Dzikim" jest mi znanych co najmniej dwóch zamiłowanych fotografów...
bibliografia:
http://www.sadowski.edu.pl/wp-content/uploads/holo3.pdf
http://www.fizyka.umk.pl/~bezet/pdf/Holo.pdf