Füüsika õpetaja raamat Füüsika õpetaja raamat : (Holograafia, kui valgusvälja täielik üleskirjutus)

Holograafia, kui valgusvälja täielik üleskirjutus

Litiholo hologrammide tegemise komplekt. 

Sõna "holograafia" ja "hologramm" kasutatakse tänapäeval ka siis, kui jutt käib näivkujutise tekkimisest mingis optilises skeemis, mida on võimalik silmaga vaadelda, aga ei ole võimalik käega katsuda. See ei ole alati niimoodi olnud ning holograafiast rääkides peaks alati mõtlema, millest õigupoolest jutt käib. 

Soovitame ära vaadata video Litiholo komplekti kasutamisest, sealt saab "päris" hologramme.

Ja viitame vastavat osa Tarkpea/Voolaiu Elektromagnetismi õpikust: 


Hologramm

Holograafia leiutas 1947. aastal Ungari päritolu füüsik Dennis Gabor, kes sai selle eest 1971. aastal Nobeli füüsikapreemia. Hologrammile nime andes lähtus D. Gabor kreeka keelest, kus "holos"  tähendab  täielik ja "gramma" – üleskirjutus. Seega tähendab "hologramm" täielikku üleskirjutust.

Turvahologramm viieeurosel rahatähel.

Mis aga on hologramm ja kuidas teda tehakse? Hologramm on holograafilisel meetodil saadud kolmemõõtmeline ehk ruumiline kujutis. Holograafia on esemete ruumilise kujutise fotograafiline jäädvustamine. Selle tulemusena saadakse esemest ruumiline pilt, mida nimetatakse hologrammiks ja mis põhimõtteliselt erineb nii tavalisest fotost kui ka 3D-kinos esitatavast ruumilisest elamusest.

Fotol jäädvustatakse esemete tasapinnaline, mitteruumiline kujutis. Tähtis on tähele panna, et fotografeerimisel me salvestame valguse E-vektori ruudu keskväärtuse, aga kogu info valguslainete faasi kohta läheb paratamatult kaduma. Fotot vaadates tekib küll mingi ruumilisuse mulje, sest harilikult on fotol meile tuttavad asjad ja neid me oskame omale ette kujutada. Ruumilisuse muljet aitavad tekitada perspektiiv, samuti varjud fotol. Põhiline erinevus foto ja hologrammi vahel seisneb selles, et fotol pole võimalik näha mingi eseme taga olevat teist eset, aga hologrammil on. Selleks tuleb ainult pead liigutada, et vaadata hologrammi teisest suunast.

3D-filmis ruumilise elamuse tekkimise põhimõtet tutvustame punktis 3.4.2 .

Vaatame lähemalt hologrammi valmistamist fotograafilisel meetodil ehk holografeerimist. Mingi eseme holografeerimiseks kasutatakse kahe koherentse kiirtekimbu interferentsi. Nende kimpude saamiseks kasutatakse kõigepealt kaht kumerläätse, mille abil muudetakse kitsas laserikiir laiaks paralleelsete lainete kimbuks. Üks osa sellest kimbust, nn tugikimp, suunatakse peegliga enne holografeeritava esemeni jõudmist fotoplaadile või -filmile (J.3.24)

J.3.24 Holografeerimise skeem. Tugikimbus on lainefrondid paralleelsed tasandid, eseme­kimbus on olemas info eseme kuju kohta, seega on selle lainfrondid keerulisema kujuga.
J.3.25 Hologrammi vaatlemise skeem.

Teine osa suunatakse sinna pärast holografeeritavalt esemelt peegeldumist. See on esemekimp.

Tugikimbus olevad lained jõuavad kõik fotoplaadini samas faasis, sest tegemist on tasalainega (paralleelne kimp). Esemekimp ei ole aga enam tasalaine – esemelt peegeldudes sisaldab selle lainefront kogu informatsiooni eseme väliskujust. Fotoplaadil kimbud kohtuvad ja interfereeruvad, sest laserivalgus on koherentne. Tulemuseks on keerulise kujuga interferentspilt, milles kajastub eseme ruumiline kujutis. Selgub, et sellises interferentsipildis on olemas ka info valguse E-vektori faasi kohta.

Näiteks selline võib välja näha tugevalt suurendatud foto hologrammist (ehk lainete interferentsipildi salvestusest). Tumedates piirkondades laseb hologramm vähem valgust läbi kui heledates.

See pilt salvestatakse fotograafiliselt ja hologramm ongi valmis.

Hologrammi vaatamiseks kasutatakse ainult tugikimpu, st laiaks muudetud laserikiirte kimpu. See kimp suunatakse hologrammile, kus toimub valguse difraktsioon. Et hologrammis on salvestatud ka informatsioon valguse ajalise käitumise kohta, siis tekib täpselt samasugune lainekimp, nagu oli esemekimp. Kui seda kimpu vaadata, siis näeme esemega sarnast kujutist (J.3.25). Tekkinud kujutis on ruumiline.

Hologrammil on fotoga võrreldes mitmeid erinevaid omadusi:

  • lihtne on koopiate tegemine, sest pole erinevust positiivi ja negatiivi vahel;
  • purunemisel säilib igal tükil tervikpilt, sest valmistamisel pole kasutatud koondavat optikat ja kõik hologrammi osad sisaldavad infot kõigi originaali osade kohta;
  • ühele fotoplaadile saab jäädvustada palju hologramme, piisab, kui näiteks iga kord enne holografeerimist fotoplaati pisut pöörata;
  • kujutise suurust saab muuta, kui muuta vaatamisel kasutatava laseri lainepikkust: mida suurem lainepikkus, seda suurem kujutis.
Hologramm hiirest. Seda hologrammi on pildistatud kahest suunast. Nagu näeme, erinevatest suundadest paistab pilt erinev, ruumiline info on hologrammi salvestatud.
Holograafia on väga võimas meetod ka teistsugustes kehade ruumilist kuju uurivates ülesannetes. Sellel pildil on näeme interferentsimustris kohti, kus kitarr rohkem võngub.

Oleme seni rääkinud objektide ruumilise kuju üleskirjutamisest, aga valguslainete abil saab teha veel palju rohkem. Nii on interferentsinähtuse abil võimalik üles kirjutadada ka esemete liikumist, st põhimõtteliselt on võimalik hologrammi salvestada liikuvat ruumilist pilti sisaldav film. Selliste teemadega tegeleb nn. aegruumiline ehk 4D holograafia. Aegruumilise holograafia võimalikkuse tõestasid 1983. aastal Eesti TA Füüsika Instituudi (tänane TÜ Füüsika Instituut) teadlased akadeemik Peeter Saari juhtimisel.

See EI OLE hologramm, ehkki näib ruumiline ja hõljub õhus. Kujutise tekkimise saab ära seletada peegeldumisseadusega.

Aga kui see kõik nii hea ja võimas on, miks me siis endiselt kasutame fotograafiat ja 2D videosid, selle asemel, et salvestada elu kogu oma täiuses? Põhjused on ühtaegu tehnilised ja põhimõttelised. Näiteks on üsna lihtne aru saada, et esemete ruumilise kuju üleskirjutamine tähendab rohkem informatsiooni ning holografeerimisel tuleb see ka kusagile üles kirjutada ja see tähendab suurema pikslite arvuga salvestus- ja esitlusseadmete kasutamist. Kui suure lahutusega fotoaparaatide tegemine ei ole täna põhimõtteliselt probleem, siis kättesaamatuks jääb holografeerimiseks tarvilik piksli suurus - ca poole mikromeetrilise serva pikkusega piksleid ei ole täna võimalik valmistada. Nii et ainus võimalus on kasutada vanamoodsaid fotoplaate. Vist isegi põhimõttelisem probleem on see, et igapäevaste olukordade holografeerimiseks on vaja kasutada üsnagi spetsiifilist laserivalgust.

Ka sirkliga saab hologrammi joonistada, ehkki see on üsna vaevaline ja mitte väga rahuldavat tulemust pakkuv protsess. Siiski ... Ja protsess ise - sirkliga pleksiklaasile joonte vedamine - annab aimu, missuguse struktuuriga hologramm on.

Viimastel aastatel on aga tekkinud tehnika arengus uued suunad, mis annavad lootust, et vahepeal unustusehõlma vajunud tõeliselt ruumilise kino idee uuesti ellu ärkab. Nimelt on võimalik hologramme ka arvutada, kui on teada holografeeritavate objektide täpne kuju. 3D-animatsioonides on see info olemas, ainsaks põhimõtteliseks probleemiks jääb videoprojektorite lahutusvõime, mis peaks olema tuhandeid kordi suurem.

Aga kuidas jääb reaalse elu holografeerimisega? Ka siin võib läbimurre tulla tänu järjest kasvavale arvutusvõimsusele - põhimõtteliselt on võimalik esemete täpne kuju välja arvutada, kui on olemas piisav hulk erinevatest rakurssidest tehtud fotosid. Tulevik näitab, kas ja millises suunas see seni realiseerumata võimalus edasi areneb.

Hologramm ühest optika õppevahendite komplektist. Annab aimu, mis moodi sellised hologrammid reaalselt välja näevad ja kuidas neid vaadatakse - ülemises vasakus nurgas on laser, millest väljub hajuv kiirtekimp ja satub hologrammile. Võrdle joonisega 3.25.
Hologrammi valmistamise komplekti LitiHalo Kit tutvustav video. Vaata, kas tunned seal ära protsessi etapoid, mis ülalpool tekstis juba räägitud.