[Из песочницы] Любительская голография — начало пути

Хочу рассказать об одном из своих интересов – оптической голографии. Нет, это про не те голограммы, что в «Звёздных войнах», или в пирамидках на экранах мобильных телефонов, не про проекцию на плёнке, а то, о чём рассказывает Википедия в соответствующей статье. Не буду вдаваться в технические подробности и дебри уравнений (происходящие процессы очень сложны, и по теме написаны десятки объёмных монографий), а попробую очень кратко рассказать, что такое оптическая голография и чем она отличается от фотографии в практическом плане, что в ней такого интересного и каким образом можно в домашних условиях изготовить первую настоящую голограмму. Хоть процесс записи голограмм и похож на классический аналоговый фотографический процесс, но всё же он имеет ряд заметных отличий: другие оптические схемы, не нужен объектив, используются фотографические материалы со значительно большим разрешением, монохроматические источники излучения, отсутствие негатива и позитива, строгие требования к отсутствию вибраций, иные правила композиции сцены и мн. др.

Итак, классическая цветная (в чёрно-белой соответственно всё также) фотография, как аналоговая, так и цифровая, способна фиксировать только амплитуду световых волн, и посредством цветоделения опосредованно длину волны. Получается плоское изображение сцены строго с одного ракурса и с цветами, только с тем или иным успехом создающими иллюзию исходных цветов для человека. Использование свойств бинокулярного зрения и особых художественных приёмов может придать изображению некоторый объём, но также лишь с одного ракурса, цифровые VR системы не в счёт, речь про чистый аналог.

Малоизвестный процесс Липпмана, эксплуатируя явление интерференции, непосредственно регистрирует, а затем воспроизводит исходный спектральный состав излучения. Вследствие интерференции на фотопластинке запечатлевается сложная картина взаимодействия всех пришедших от сцены волн, а в последствии дифракция на получившейся структуре снова восстанавливает эти волны в точности с той же длиной и пропорциональной амплитудой. Получается изображение аналогичное фотографическому, но с точной передачей спектра излучения без привлечения цветоделения и иных ухищрений. Почему же данный способ не вытеснил традиционную цветную фотографию, особенно учитывая, что он появился задолго до неё? Во-первых, высокая сложность: необходимы специальные высокоразрешающие фотоматериалы, особое плотно прилегающее к фотографической эмульсии зеркало (изначально использовалась жидкая ртуть), химическая обработка, полученное изображение воспроизводится только под определёнными углами освещения и наблюдения, и пр. Во-вторых, и так хорошо, получаемые аддитивным смешением цвета́ для человека визуально тождественны исходным длинам волн.

Оптическая голография, также, как и процесс Липпмана эксплуатирует явление интерференции и фиксирует не только интенсивность, но и фазу световой волны, а значит направление падения каждого луча в сцене. Потому технология и была названа голографией, что с др.-греческого переводится как полный и пишу, т. е. полная запись, при этом сохраняется вся информация о падающем на регистрирующую среду свете. И при воспроизведении голографическое изображение получается практически неотличимо от оригинального в момент записи, объёмное и позволяющее рассмотреть запечатлённый объект в разных ракурсах в пределах некоторого угла. Если есть тени, блики, отражения, преломления, то они достоверно передадутся, такая себе трассировка лучей.

Для примера, очень удачная цветная голограмма (не моя):

Динамический диапазон сцены может достигать фантастических 1:1 000 000. Голограмма играет роль окна, через которое можно наблюдать сцену в том виде, в котором она была на момент записи. Каждая точка голограммы несёт в себе информацию о всех упавших лучах от всей сцены. Потому разделив голограмму на несколько частей мы потеряем часть информации о сцене, но не в таком объёме, как в случае классической фотографии, в случае голограммы изменив ракурс возможно удастся увидеть объекты сцены, которые были бы полностью потеряны в случае обыкновенной фотографии. Конечно, применение голографии не ограничивается только художественной голографией, это и контроль конструкционных материалов и технологических процессов, и научные исследования, и голографические оптические элементы, и перспективные способы хранения информации, и методы обработки информации и мн. др.

Как же происходит запись голограммы? Как правило для этого требуется два когерентных пучка света, один опорный, идёт непосредственно от лазера, никак не преобразуется и непосредственно падает на регистрирующую среду. Второй отражается от объектов сцены и несёт информацию о ней. Именно они и интерферируют между собой, а полученная картина интерференционных полос фиксируется фотографическим материалом. Затем благодаря дифракции на полученной структуре только одного опорного пучка, не несущего никакой информации, происходит восстановление объектного (второго пучка) и возникает изображение запечатлённой сцены, происходит восстановление закодированной информации.

Существует множество видов голограмм и способов их записи, две наиболее простых и наглядных схемы это – схема Лейта-Упатниекса, дающая пропускающие голограммы, в ней и опорный пучок и объектный падают на фотоматериал с одной стороны. И схема Денисюка, дающая отражающие голограммы, когда пучки падают с разных сторон. Первые могут быть воспроизведены только с помощью лазера, но имеют очень высокую яркость и степень реализма, но с ними сложно получить цветное изображение. Вторые могут быть воспроизведены в обычном белом свете, голограмма самостоятельно вырезает из падающего света нужные ей длины волн, и при записи голограммы одновременно тремя лазерами можно получить цветное изображение. Оба способа имеют применение и легко реализуются, особенно второй, для которого достаточно положить фотопластинку на объект и осветить со стороны пластинки лазером. Не буду сюда вставлять чужие картинки со схемами, кои есть в той же Википедии, сосредоточусь на практической части. Отметив только, что недостатком кроме сложности процесса является необходимость использования высоко когерентного, а значит монохроматического излучения, и для записи цветного изображения также будет необходимо использовать три источника излучения. А также, как и в случае процесса Липпмана у голограмм ограниченный угол наблюдения и особые требования к освещению.

Что же необходимо для записи голографического изображения – создания оптической голограммы?

Первое. Самое главное, важное и сложное – высокая механическая стабильность всех конструкций, полное отсутствие любых движений, вибраций, даже от голоса или теплового расширения, не говоря уж про старый холодильник в углу. Так объект и фотоматериал не должны в процессе записи смещаться друг относительно друга более чем на ¼ часть длины волны записывающего лазера, сколько это легко можете посчитать сами. Для этого используются различные приёмы, от того, что кладут объекты непосредственно на фотоматериал, или фотоматериал на объекты, до оптических столов весом сотни килограмм с активными пневматическими опорами. Требования по вибрациям значительно смягчаются при использовании импульсного лазера, но при этом сам лазер становится самой сложной и дорогостоящей частью системы.

Второе. Специальные фотоматериалы, имеющие высокое разрешение (от 1 000 до 5 000 лин./мм и выше) и созданные специально для фиксирования интерференционной картины с использованием тех или иных схем. Существующие виды регистрирующих материалов:

1. Галогенсеребряные.

   Очень похожи на классические фотоматериалы, только имеют значительно более высокое разрешение и сенсибилизированы для длин волн конкретных лазеров.
   Преимущества: обладают самой высокой чувствительностью, а значит требуют самые короткие экспозиции, и в следствие этого имеют меньше проблем с вибрациями, а также позволяют легко использовать лазеры небольшой мощности; с помощью комбинации сенсибилизирующих красителей можно получить фотоматериалы для цветной голографии по аналогии с цветной фотографией; относительно не дороги, могут быть легко приобретены и даже изготовлены самостоятельно. Могут использоваться совместно с импульсным лазером позволяющим делать снимки живых и иных подвижных объектов, вплоть до падающей воды.
   Недостатки: имеют относительно низкую яркость без дополнительных процедур отбеливания; требуют точной выдержки экспозиции и химическую обработку, особенно ответственен этап проявления; имеют ограниченное разрешение.

2. Бихромированная желатина.

   Преимущества: самая высокая яркость получаемых изображений; дешевизна и простота изготовления; простота процедуры проявки; крайне высокое разрешение.
   Недостатки: очень низкая чувствительность, в основном чувствительна в синей области спектра, сдвиг чувствительности в красную область и повышение чувствительности очень сложны и требуют дефицитных химических соединений; высокая гигроскопичность, требуется полная герметизация.

3. Фотополимеры.

   Преимущества: высокая яркость получаемых изображений; дешевизна и простота изготовления (но дороже и сложнее бихромированной желатины); не требуют проявки; относительно высокая чувствительность; могут быть, так же, как и галогенсеребряные, изготовлены чувствительными ко всей области видимого спектра; имеют крайне высокое разрешение.
   Недостатки: токсичность входящих в них компонентов (актуально при изготовлении в домашних условиях); плохая сохраняемость полученного изображения у некоторых рецептур.

4. Фотохромные кристаллы и прочая экзотика.

   Существуют в основном в специализирующихся на данном вопросе лабораториях.

На западе у любителей и в коммерческой практике наибольшей популярностью пользуется бихромированная желатина, в следствие дешевизны, высокой яркости получаемого изображения, доступности мощных зелёных и голубых лазеров. На территории же бывшего СССР – галогенсеребряные, для которых достаточно небольшого гелий-неонового лазера или даже простой красной лазерной указки. Для первых экспериментов проще всего приобрести и использовать фотополимерные материалы, про одну из марок и пойдёт речь ниже. Промышленные голограммы (например, для защиты продукции от подделки) изготавливаются методом оттиска на зеркальной пластиковой плёнке, но предварительно они также записываются с помощью лазера и проходят несколько стадий преобразования.

Третье. Лазер также, как и механика, должен быть очень стабильным, причём требования к стабильности крайне высоки. В первую очередь он должен быть одномодовым, как по поперечным модам (один единственный пучок излучения), англ. single transverse, TEM₀₀, так и по продольным (одна частота излучения), англ. single longitude. Вот по последней характеристике и нужно искать подходящий лазер. Для голографии кроме длины волны крайне важен такой параметр излучения, как временна́я когерентность. В общих чертах он определяет стабильность параметров излучения во времени, максимально возможное время отставания одного луча по отношению к другому, при котором будет наблюдаться интерференционная картина. Так как скорость света очень высока, то удобнее манипулировать длиной когерентности (сколько свет проходит за время когерентности), и эта длина будет максимально достижимой глубиной сцены голограммы в большинстве схем записи. Ширина линии лазерного излучения связана с длиной когерентности по формуле: центральная_длина_волны^2 / ширина_линии. Так для длины когерентности в 10 см ширина линии лазера для 650 нм должна составлять 0.004 нм.

К счастью, довольно много видов лазеров при правильном подходе способны дать требуемые характеристики, особенно в области малых мощностей. Так многие гелий-неоновые лазеры имеют излучение с длиной когерентности порядка 15 см и больше при мощности до десятков мВт. Как это ни странно, большинство недорогих красных лазерных указок и маломощных модулей до 5 мВт также вполне пригодны, и могут давать излучение с длиной когерентности до нескольких метров. А вот зелёные и синие часто не пригодны даже для записи сцены с монетами в миллиметр глубиной, и вместо них приходится использовать более серьёзные газовые или твердотельные лазеры. В общем, обзор лазеров, их выбор, способы питания и стабилизации – это тема для ещё одной, довольно объёмной статьи.

Перейдём непосредственно к практической части. Для первых экспериментов был выбран готовый набор для экспериментов в области голографии, включающий в себя подходящий лазер с блоком питания на батарейках, фотополимерные голографические пластинки, некоторую механику, документацию и другие вспомогательные объекты вроде брелока с синим светодиодом в качестве источника неактиничного (не влияющего на фотоматериалы) свет – Litiholo hologram kit c дополнением Reflection upgrade.

Фотоматериалы. Фотополимер с защитным слоем на оптическом стекле толщиной 1,8 мм, заявленная дифракционная эффективность (что-то вроде КПД в данном случае) более 90%, чувствительность в диапазоне от 400 до 690 нм, т. е. можно записывать и цветные голограммы. Подходят, как для записи пропускающих, так и отражательных голограмм. Фотопластинки до экспонирования фиолетового цвета, после облучения лазером в наиболее освещённых местах обесцвечиваются, полное обесцвечивание производится ярким белым светом, никакой другой процедуры проявления или фиксирования не требуется.

Лазер. Полупроводниковый лазерный модуль 638 нм с заявленной мощностью 5 мВт, имеет переменный резистор для точной настройки тока, и блок питания на батарейках, заявлен как пригодный для голографии.

В соответствии с комплектной инструкцией была собрана схема для записи пропускающих голограмм.

Лазер был предварительно прогрет (оставлен во включенном состоянии) в течении 15 минут, а генерируемый спектр проверен самым простым способом: за лазером устанавливается лист белой бумаги, а перед ним параллельно бумажному листу на расстоянии 30 см и перпендикулярно лучу стеклянная пластинка (например, предметное стекло для микроскопа), на листе должна наблюдаться чёткая интерференционная картина состоящая из светлых и тёмных полос, в тёмных промежутках должны отсутствовать более слабые светлые полосы, а сама картина должна быть стабильной во времени и как можно более контрастной. Если полосы не наблюдаются, смещаются во времени, или картина имеет низкую контрастность, то не стоит даже пытаться записать голограмму, необходимо изменить ток лазера, дать ещё времени на прогрев и/или заменить сам лазер.

Затем была произведена запись голограммы комплектного объекта, модели автомобиля.

К сожалению, камера не передаёт динамического диапазона получаемых изображений их яркости и объёма. Вживую, когда убираешь объект создаётся ощущение, что ничего не изменилось, что объект всё там же, только немного изменяется его освещённость, остаётся объём, отражения, тени, блики и возможность изменения угла наблюдения. Изображение проявляется только в свете лазерного излучения падающего под углом падения опорного пучка.

Следующей была собрана схема для записи отражательных голограмм с помощью дополнительных деталей из Reflection upgrade, которые лишены выше озвученного недостатка и видны в белом свете.

Тут уже необходимо сооружать башню для лазера, и ни о какой ¼ части длины волны речь не идёт. Однако это требование распространяется только на взаимное расположение объекта и фотоматериала, и некоторых оптических элементов, лазер просто не должен откровенно болтаться, и всё будет хорошо.

Полученные голограммы видны в белом свете, лучше всего подходит солнечный или от галогенных ламп, с непрерывным спектром, а угол падения светового пучка должен быть тем же, что и при записи. Коэффициент цветопередачи источника освещения крайне важен, так как отражательная голограмма создаёт изображение отражая некоторый диапазон длин волн, а остальные пропускает, и этот самый диапазон для максимальной яркости изображения должен содержаться в свете в полном объёме. Так как запись ведётся красным лазером, то этот диапазон получается красно-желтым, цвет зависит от угла падения света, и изображение получается несколько приятнее на вид, чем монохромное в свете лазерного излучения.

Голограммы получились, и это показывает, как легко можно начать (а для кого-то и закончить, если не зацепило) развиваться в этом довольно популярном на западе, и практически забытом на пост советском пространстве увлечении, которое вполне может перейти в профессиональное и коммерческое русло, например изготовление изобразительных голограмм на заказ. Также это отличная тема для привлечения интереса школьников к наукам, кружковой деятельности, первых научных работ, затрагивающая и способная интегрировать множество разделов физики, техники, технологии, химии, радиоэлектроники, информационных технологий.

Если тема вызовет интерес, то постараюсь ещё написать про механику, оптику, лазеры фотоматериалы, в том числе самодельные и т. д. Также с удовольствием учту все замечания и пожелания, дополню статью недостающей по мнению читателей информацией.

Для более глубокого изучения вопроса также могу порекомендовать следующие источники:

• HoloWiki
• Holographyforum
• holography.ru
• Голография для любознательных. Книга для научных сотрудников школьного возраста. А. А. Акилов, М. К. Шевцов. М. Издательские решения, 2018.
• F. Unterseher, B. Schlesinger, J. Hansen. Holography Handbook: Making Holograms the Easy Way. Ross Books; 3 edition, 2010.
• G. Saxby, S. Zacharovas. Practical Holography. CRC Press; 4 edition, 2015.
• G. Saxby. The Manual of Practical Holography. Focal Pr, 1991.
• Ultra-Realistic Imaging: Advanced Techniques in Analogue and Digital Colour Holography. Hans Bjelkhagen, David Brotherton-Ratcliffe. CRC Press, 2013.
• Shoebox Holography: A Step-By-Step Guide to Making Holograms Using Inexpensive Semiconductor Diode Lasers. Frank DeFreitas, Steve Michael, Alan Rhody. Ross Books, 2000.