LABORATOORNE TÖÖ NR. 10 HOLOGRAAFIA
TÖÖ EESMÄRK
1. Holograafia rakendusega tutvumine 2. Kujutise heiastamine laseri abil
3. Kujutuse heiastamine erinevate valgusallikate abil.
TÖÖVAHENDID
Valgusallikas (OS-9102C), optiline pink (OS-9103), 2 komponendi hoidjat (OS-9107), 0,5 mW laser (SE-9367), punane filter (OS-9111), roheline filter (OS-9113), sinine filter (OS-9114), hologramm 9115 (OS-9115), valguse apertuur (0,5; 0,75) (OS-9118), valguse apertuur (1,0; 2,0) (OS-9119), -22 mm hajutav lääts (OS-9131), 18 mm lääts (OS-9132), 48 mm lääts (OS-9133).
TEOREETILINE OSA
Holograafia on interferentsmenetlus eseme ruumkujutise salvestamiseks ja nähtavaks muutmiseks.
Holografeerimisel säritavad valgussalvestit, näiteks ülipeeneteralist fotoplaati, korraga kaks ühest ja samast laserikiirte kimbust kujunenud koherentset valguslainet – jäädvustatavalt objektilt peegeldunud esemelaine ja häirimata laserivalguse tugilaine (joonis 10.1 a). Nende interferentsi tõttu säritub plaat tugevamini niisugustel mikroaladel, kus mõlemad lained on pärifaasis ning tekib üksiklainetest tugevam liitlaine.
Ilmutatud ja kinnistatud plaadil – hologrammil – ilmneb seetõttu interferentsimuster, mis väliselt ei meenuta objekti, kuid sisaldab kodeeritult kogu mõlema valguslaine frondi kuju, amplituudi- ja faasijaotuse, mõnd tüüpi hologrammil ka lainepikkuse ja polarisatsiooni kohta.
Hologrammilt kujutise nähtavale toomiseks (joonis 10.1 b), hologrammi heiastamiseks juhitakse sellele tugilaine, mis interferentsimustril difrageerudes muundub osaliselt esemelaine täpseks koopiaks. Erinevalt fotost on holograafiline kujutis ruumiline, erinevalt stereoplaadist saab seda vaadelda mitmes küljest ning näha esiplaanil olevate esemete taha, kusjuures vaatesügavust muutes aistitakse silma ümberteravustumist. Ka heleduskontraste edastab hologramm loomutruult, andes
kõrval veel laine, mis annab objekti moonutatud (pseudoskoopilise) kujutise (originaaliga võrreldes on sellel kumerused ja nõgusused vahetunud). Kiirteoptika seisukohalt on moonutamata põhikujutis ebakujutis (tekib hajuvate kiirte kujuteldavas koondumiskohas) ning pseudoskoopiline kujutis - tõeline kujutis (tekib kiirte tegelikus koondumiskohas).
a) b)
Joonis 10.1. a) Hologrammi saamine ja b) hologrammi heiastamine.
Hologramm on heiastatav ka salvestusvalgusest lainepikkuselt ja/või frontide kujult erineva koherentvalgusega: see võimaldab infrapuna-, ultraviolett- ja röntgenholograafiat ning läätsevaba suurendust (holomikroskoopia).
Holograafiline salvestus on suure säilivusvaruga, sest hologrammi iga punkti säritab igast objekti punktist lähtuv valgus, siis ei kahjusta hologrammi tükeldamine ja vigastamine heiastuva kujutise terviklikkust, vaid ainult selle teravust. Muutes salvestuslaine langemisnurka või lainepikkust, saab ühte ja samasse salvestisse jäädvustada palju hologramme ning neid ka eraldi heiastada.
Valgusallikana kasutatakse holograafias suure koherentsusega alalislasereid, näiteks: heelium- neoon- või argoonlasereid. Liikuvate objektide sh elusolendite hetkjäädvustamiseks kasutatakse välkelasereid, eeskätt rubiinlasereid, heiastamiseks alalislaserit.
Laser Valgustundlik ekraan Esemelaine Punktikujuline objekt Tasapeegel Tugilaine Vaatleja Ebakujutis Tugilaine Tõeline kujutis
Objektide värvuse tõetruuks edastamiseks on vajalik koossäritus sinises, punases ja rohelises laserivalguses. Hologrammisalvesteiks sobivad peale fotomaterjalide valgustundlikud polümeerid, klaasid, kristallid, vedelkristallid ja magnetkiled (neid saab korduvalt kasutada).
Eristatakse amplituud- ja faashologramme ning pind- ja ruumhologramme. Amplituudhologrammil on interferentsimuster säilitatud läbipaistvuse või peegeldusvõime muutustena, faashologrammil läbipaistva aine paksuse või murdumisnäitaja variatsioonidena. Pindhologramm on salvestatud õhukeses kelmes, ruumhologramm on salvestatud mikropeegelpindade ladestusena kolmemõõtmelises materjalis ning toimib ühtlasi interferents-valgusfiltrina, mistõttu heiastub hästi ka loomulikus päikesevalguses.
Tavalises staatilises holograafias salvestatakse ja heiastatakse eri aegadel ning hologramm on säiliv. Dünaamilises holograafias heiastatakse ja salvestatakse üheaegselt ning hologramm kustub koos salvestuslainetega.
Kui heiastamisel jätta objekt kohale, nii et interfereeruvad objektilt ja hologrammilt lähtuvad lained, siis kattub kujutis lainete vähimagi erinevuse korral kaardi samakõrgusjooni meenutavate interferentsitriipudega. Sellest toimib holograafiline interferomeetria ehk holomeetria, mis võimaldab nähtavustada ja uurida nihkeid, deformatsioone, vibratsioone, gaasivoole jne ning on kasutusel defektoskoopias (eriti rehvide kontrollimisel), plasmafüüsikas, gaasidünaamikas jm.
Holograafiat rakendatakse ka mitmesuguste objektide (aerosooliosakeste, mikroobide, elementaarosakeste trajektooride) ruumjaotuse ja selle dünaamika uurimisel, optikatööstuses difraktsioonivõrede ja tasandiliste optikadetailide tootmisel. Kujutavholograafiat rakendatakse reprograafias (kunstiteoste, arheoloogiamälestiste, unikaalesemete jms ruumreprodutseerimisel), reklaamis mänguasja- ja meenetööstuses. Dünaamilise holograafia seadised väldivad laseraparatuuri aberratsioone. Holograafia perspektiivseid rakendusalasid on arvutustehnika (infosalvestus ja – töötlus, märgituvastusseadised), kinematograafia ja televisioon.
Holograafia põhimõtteid rakendatakse ka ruumkujutiste tekitamiseks ultraheli ja raadiolainete abil. Ultrahelilainete interferentsimuster tekitatakse nt objekti ümbritseva vedeliku pinnal; kujutise nähtavus laserivalguse difraktsioon pinnareljeefilt. Heliholograafia on tegus ka siis, kui objekt asub hägusas, isegi läbipaistmatus keskkonnas. Seda rakendatakse meditsiinis (kasvajate diagnostikas, siseelundite vaatlemisel), geofüüsikas, geoloogias, hüdrolokatsioonis ja defektoskoopias.
Raadioholograafias registreeritakse hologramme näiteks: maatriksdetektorite, raadiotundlike vedelkristallide või luminofooride abil. Raadioholograafia annab suurte objektide ja maastike ruumkujutisi (vajalik kartograafias ja raadiolokatsioonis), nähtavustab antennide kiirgusvälju ning tõhustab planeetide raadiouuringuid.
Holograafia leiutas ungarlane Dennis Gabor 1947. a.. Tõelise hoo sai see aga sisse tänu laserite kasutuselevõtule 1960-ndatel aastatel. Oluline oli selles arengus vene teadlase Juri Denisjuki leiutis: tema nn. ruumhologrammid lubavad ennast vaadelda ka tavalises (mittelaser-)valguses. Pildistamiseks on laserit siiski vaja. Laserist lähtuv valguslaine peegeldub holografeeritavalt objektilt ja koos esmase lainega moodustab ruumis seisulaine. Selle tugevus jäädvustatakse valgustundlikus materjalis nagu harilikus fotograafiaski. Selline fotomaterjalis "külmutatud" valguslaine pilt ongi hologramm. Hologrammilt peegeldunud valguslaine on samasugune nagu holografeeritud objektilt lähtunud laine, st. sisaldab endas täielikku informatsiooni objekti kuju kohta.
TÖÖ KÄIK
1. Asetage laser optilisepingi ühte otsa ja lülitage sisse NB! Jälgige laseri kasutamise eeskirja. 2. Kinnitage -22 mm fokuskaugusega hajutav lääts komponendihoidjale ja paigutage see vahetult
laseri ette.
3. Kinnitage hologramm komponendihoidjale ja asetage ta optilisele pingile. Reguleerige hologrammi asendit nii, et laseri valgus langeks otse hologrammile.
4. Vaadake hologrammi nii nagu näidatud joonisel 10.2. Kujutis tekib teatud nurga all laseri kiire suhtes ja hologrammi taha teie vaate sihis. Liigutades pead võib vaadelda parallaksi efekti ja järelikult jälgida kujutist kolmedimensionaalsena.
Joonis 10.2. Katseseadmete paigutus hologrammi heiastamisel.
Fookus on siin Hologramm
Vaatleja Lääts
5. Nüüd katke pool hologrammist kinni apertuurmaskiga või mõne ümaravaga. Vaadake jällegi kujutist. Kas kujutis on samasugune ja sama hästi nähtav?
KÜSIMUSED
1. Kui antud eksperimendis kasutada tavalist valgusallikat laseri asemel ning uurida kujutist juhul kui kiir on koondattud ja kui kiir on koondamata, siis mis te arvate, kas ja milline kujutis tekib? 2. Katsetage, kirjeldage ja põhjendage eksperimendi tulemust.
3. Kasutades tavalist valgusallikat, paigutage mõni värviline filter valgusallika ette ja vaadelge hologrammi kujutist. Kirjeldage ja põhjendage eksperimendi tulemust.
