هولوگرافي
علي بخشي محمد باقر معتمدي نژاد
چكيده: هولوگرافي روش تهيه تصاوير سه بعدي با استفاده از نور مي باشد.يعني با استفاده از خواص نور مي توانيم يك تصوير هولوگرام ايجاد كنيم. البته هر نوري بـراي ضـبط يـك تصـوير هولـوگرام مناسـب نيسـت .در ايـن مقالـه اصـول هولوگرافي، مشخصات نور لازم، موادي كه به عنوان ضبط كننده تصاوير هولوگرام مورد استفاده قرار مـي گيرنـد شـرح داده مي شود.
كلمات كليدي: هولوگرام، همدوس، مدولاسيون، جبهه هاي موج، پراش
[1] مقدمه
هر چند كه هولوگرافي كاربردهاي بسياري دارد ولي بـه خـاطر توانـ ايي آن در ايجـاد تصـاوير سـه بعـدي شـهرت دارد.يك هولوگرام چشم انداز يك منظره را به طوري مي گيرد كه هيچ كسي قادر به انجام چنين كاري نمي باشـد .بـه عنوان مثال هنگام ديدن يك هولوگرام به وسيله حركات سر مي توان اطراف اشياء را ديد وهمچنين مي توان ديـد كـه در پشت سر آنها چيست.با اين همه هولوگرام ها بر روي همان فيلم هاي عكاسي استفاده شده براي عكاسـي نيـز مـي توانند ضبط شوند.دو سوال به طور طبيعي پيش مي آيد:چه چيزي هولوگرام ها را از عكسها متمـايز مـي كند؟وچگونـه يك صفحه صاف مي تواند يك منظره سه بعدي را ضبط كند؟
پاسخ به اين سؤال ها بايد با يك باز بيني از خواص نور شروع شود.مثل يك مـوج الكترومغناطيسـي ، نـور شاخصـهاي چنداني دارد:دامنه، فاز، قطبش، رنگ وامتداد حركت.وقتي كه شرايط براي ضبط يك هولـوگرام بـرآورده شـود ارتبـاط خيلي نزديك بين فاز وامتداد حركت به وجود مي آيد.كليد پاسخ به دوسـوال بـالا در ايـن اسـت كـه عكسـها در ابتـدا اطلاعات دامنه را ضبط مي كنند(در حقيقت آنها شدت كه مربع دامنه است را ضبط مي كنند) در حالي كـه هولـوگرام ها اطلاعات وابسته به هر دو، يعني دامنه وفاز را ضبط مي كنند .
خاصيت ديگر هولوگرام اين است كه آنها مثـل منظـره اي كه ضبط كرده اند به نظر نمي آيند.به طور معمول يك هولوگرام به نظر مي آيد كه تا اندازه اي يك لكه خاكسـتري يكنواخت است.يا شايد يك حلقه مشاهده پذير بر آن وخطوطي كه به طور تصادفي روي آن واقعند مي باشد.در حقيقت تمام الگوي مشاهده پذير يك هولوگرام اطلاعات بي فايده ونويز هستند .اطلاعات مفيد در يـك هولـوگرام در الگوهـايي ضبط شده اند كه براي ديدن با چشم غير مسلح ريزتر از آن هستند كه ديده شوند.
2- تصور يك هولوگرام
يك روش مفيد براي تصور يك هولوگرام اين است كه آن را نوعي خاص از يك پنجره در نظر گرفت كـه نـور در حوالي اشياي پنجره منعكس مي شود.مقداري نور از ميان پنجره عبور كرده وبا آن نور ما اشياء را مي بينـيم .در لحظـهاي كه ما هولوگرام را ضبط مي كنيم پنجره، دامنه وامتداد نـوري كـه از خـلال آن عبـور مـي كنـد را بـه خـاطر مـي آورد.وقتي هولوگرام براي بازسازي منظره سه بعدي استفاده مي شود،آن اين اطلاعات ضبط شده را به كار مي بـرد تـا دوباره الگوي اوليه دامنه وامتدادنوري كه از خلال آن مي گذشت را دوباره ايجاد كند .نوري كه از پنجره هولـوگرافي بـهچشم ما مي رسد درست مثل وقتي است كه ما خود اشياء را مشاهده مي كرديم.
مـا مـي تـوانيم سـرمان را بـه اطـراف حركت دهيم وبخشهاي مختلف منظره را ببينيم مثل حالتي كه اشـياء را از ميـان پنجـره مـي ديـديم . اگـر بخشـي از هولوگرام پوشيده يا بريده شود كل منظره هنوز قابل مشاهده است، هر چند كه بخش محدود شـده اي از يـك پنجـره باشد.واقعا انواع متفاوتي از هولوگرام موجود مي باشد.هر چند كه فيلم عكاسي بيش از هر چيز ديگري بـه طـور وسـيع براي ضبط اطلاعات استفاده مي شود.
خواص يك هولوگرام به وسيله ضخامت ماده ضبط كننده وساختار پرتوهاي ضبط كننده تعيين مي شود. هولـوگرام هـا مي توانند در موادي كه شدت نور را ضبط مي كنند ودر خلال تغيير در جذب نوري شان يا ضريب شكستشان ويـا هـر دو ايجاد شوند.
3- اصول اساسي
عكسها اطلاعات شدت نور را ضبط مي كنند.ولي هولوگرام ها اطلاعات شدت وفاز را ضـبط مـي كننـد.عـلاوه بـر محدوديتهاي گذاشته شده روي شدت (نور) فاز نوري كه هولوگرامها را ضبط مي كنند نيز بايد شرايط خاصي را برآوردهكند.اين شرايط فازي ايجاب مي كند كه نور(مورد استفاده)همدوس باشد.
دو نوع همدوسي موقتي وفضايي موجود است.نوري كه براي ضبط كردن هولوگرامها به كار مي رود بايد هر دو نوع همدوسي را داشته باشد. همدوسي موقتي(زمانمند)به رنگهاي موجود در نور وابسته مي باشد. نور همدوس زمانمند تنها يك رنگ را شامل مي شود،يعني تك رنگ است.هر رنگ از نور يك فاز مربوط به خودش را دارد.نورهاي چند رنگ براي ضبط كردن يك هولوگرام نمي توانند مورد استفاده قرار گيرند زيرا در اين صورت هيچ فاز مشخصي براي ضبط نمودن وجود ندارد.همدوسي فضايي به امتداد نور وابسته است.در هر نقطه داده شده در فضا،نورهاي به طور فضـايي همـدوس همواره در يك امتداد حركت مي كنند وامتداد حركت آنها با زمان تغيير نمـي كنـد .نـوري كـه بـه طـور ثابـت امتـداد حركتش تغيير مي كند به طور ثابت فاز نسبي اش نيز تغيير مي كند پس براي ضبط كردن هولوگرام مناسب نيست.
همدوسي فضايي وزمانمند به وسيله كميتها درجه بندي مي شوند. مانمي توانيم بگوييم كه نوري به طور قطع همدوس است يا ناهمدوس است.همدوسي زمانمند نور معمولي را مي توان به وسيله گذراندن آن از ميان فيلتري كه تنها اجـازه عبور پهنه نازكي از رنگها را مي دهد،بهتر نمود.همدوسي فضايي نور را مي توان با استفاده از نور آمـده از يـك چشـمه خيلي كوچك نور مثل سوراخ ريزي در يك صفحه مات بهتر نمود .حال مي دانيم كه نوردرهرنقطه از فضا بايد از امتـداد يك سوراخ ريز بيايد.نور معمولي كه رنگش به خوبي صاف(فيلتر)شده است واز ميان يك روزنه كوچـك گذرانـده شـده است مي تواند براي ضبط هولوگرام ها استفاده شود.با اين وجود،نوري كه از يك ليزر مي آيد به طور طبيعي خيلـي بـه شكل فضايي وزمانمند همدوس است.به اين دليل عملا همه هولوگرام ها با بكار بردن نور ليزر ضبط مي شوند.
ساده ترين هولوگرام ممكن است از تلاقي (برخورد) دادن دو موج مسطح نوري و قطبيده مسطح ناشي مي شود. نكته جالب توجه اين است كه نقاطي از صفحه ناظر كه در آنها ميدان كل الكتريكي صفر اسـت، وقتـي كـه امـواج حركت مي كنند صفر باقي مي ماند.نقاط وسطي مابين نقاطي كه در آنهـا ميـدان الكتريكـي صـفر اسـت يـك ميـدان الكتريكي متناوب را تجربه مي كنند. براي يك ناظر، نقاط با ميدان الكتريكي صفر تاريك ونقـاط بـا ميـدان الكتريكـي تناوبي روشن به نظر مي رسند.اين خطوط يك در ميان روشن، نوارها ناميده مي شوند كه الگوي تـداخلي ايجـاد شـده توسط امواج مسطح را تشكيل مي دهند. علاوه بر اين، نقاط با ميدان الكتريكي صفر فيلم عكاسي را دست نخورده باقيمي گذراند ونقاط با ميدان الكتريكي تناوبي فيلم را نور مي دهند . بنابراي الگوي تداخل مي تواند ضـبط شـود.نوارهـاي تداخلي نتيجه شده از دو موج مسطح مثل خطوطي راست به نظر خواهند رسيد.
جبهه هاي موج براي ايجاد الگوي تداخلي لزومي ندارد كه امواج مسطح و يا امواج يا جبهه موج همانندي از نظر شـكل باشند. فاصله L از يك نوار تداخلي تاريك تا نوار كناري اش(يا از يك نوار روشن تا نوار كناري اش) به طول مـوج λ از نـور و زاويه θ بين امتداد انتشار جبهه هاي موج بستگي دارد.
براي زاويه هاي مناسب، فاصله نوارها حدود طول موج نور است، يعني حدود يك دو هزارم ميليمتر.اين توضيح مي دهد كه چرا هولوگرام ها تقريبا يك لكه خاكستري يكنواخت به نظر مي رسند . اطلاعات مفيد در نوارهاي تداخلي كه بسـيار كوچكتر از آن هستند كه ديده شوند، ضبط مي شود.نوسانات در دامنه پرتوهاي ضبط كننـده، همچنـين در هولـوگرام ضبط مي شوند ودر ايجاد دوباره جبهه موج باز ساخته ش ده مؤثرند.در خلال ضبط هولوگرام نقاط بـا ميـدان الكتريكـي صفر تنها در برخورد دو پرتويي كه داراي دامنه مساوي اند پيش مي آيد .اگر يكي از پرتوها قوي تـر از ديگـري باشـد ، حذف كامل ميدان الكتريكي آنها غير ممكن است وازشدت مدولاسيون يا تفاوت نوارهاي ضبط شده كاسته مـي شـود .
ضبط كردن يك هولوگرام با ضبط الگوي تداخلي ايجاد شده توسط دو پرتو همدوس نور يكسان است . باز سازي تصويرهولوگرافي معمولا با نور تاباندن يكي از دو پرتو از خلال هولوگرام ظاهر شده به نتيجه مي رسـد .اسـتفاده كـردن يـكپرتو نور بازسازنده با طول موجي متفاوت اندازه تصوير باز ساخته شده را تغيير مي دهد.طول موج كمتر تصوير كوچكتر وطول موج بيشتر تصوير بزرگتر را ايجاد مي كند.
حال فرض مي كنيم فيلم عكاسي ماده ضبط كننده ما باشد. فيلم عكاسي يك نوع خاصي از ضبط كردن را بدست مـي دهد كه تحت عنوان هولوگرام جذب نازك تقسيم بندي مي شود . صفحه عكاسي به طور همزمانبا موجهاي نور پراكنده شده از شيء ونر منبع مرجع روشن مي شود . پرتو مرجع در شكل(1a) به صورت يك پرتو موازي صفحه اي نشان داده مي شود . بخاطر درجه بالاي وابستگي متقابل آنها دوگـروه مـوج، يك الگوي تداخلي روي صفحه عكاسي ضبط مي شود وبدين ترتيب يك هولوگرام شكل خواهد گرفت.
حال صفحه عكاسي پردازش شده وفقط با پرتو مرجع حاضر روشن مي شود. ( شكل1b) بيشتر نور پرتو مرجع مستقيما از درون هولوگرام عبور مي كند و مقداري هم در امولسيون بـه وسـيله الگـوي تـداخلي پراكنده مي شود.با استفاده از رابطه شبكه پراش نرمال،نور با طول موج λ تداخل سازنده با زواياي λ = d sinθ تجربـه خواهدكردكه d فاصله نوارهاي محلي براي تداخل نوارهاست كه شكل توزيع بسـتگي كامـل بـه شـكل شـيء وجبهـه موجانعكاس يافته از آن دارد.بدين ترتيب تداخل سازنده امواج پراشيده، جبهه هاي موج اصلي از شيء را بازسـازي مـيكند و مشاهده كننده جبهه هاي موجي را مي بيند كه از خود شيء حاصل شده است .اين جبهه هـاي مـوج چيـزي راتشكيل مي دهند كه تصوير مجازي ناميده مي شود.شبكه پراش كه در وضعيت مستقيم هم در نوار ديگر پـراش ايجـاد مي كند وهولوگرام تصوير دوم را ايجاد مي كند.اين تصوير كه از نظركيفيت در مقايسه با تصوير مجازي پايين تر اسـت به عنوان تصوير حقيقي ناميده مي شود.
4- تقسيم بندي هولوگرام ها
انواع بسيار متفاوتي از هولوگرام ها موجودند. هولوگرام ها بر طبق خاصيت ماده اي كه در الگوي تداخلي ضبط مي شود، شاخص پراش هولوگرام، جهت پرتوهاي ضبط شده نسبت به هولوگرام وساختار دسـتگاه نـوري كـه بـراي ضـبط كردن وبازسازي هولوگرام استفاده مي شود، طبقه بندي مي شوند.
هولوگرام ها به وسيله نور دادن به يك ماده حساس نوري با نور ايجاد شده به وسيله پرتوهاي نوري در الگـوي تـداخلي ضبط مي شوند.به عنوان مثال نور دادن به فيلم عكاسي با پاشنده هاي نور يك فرايند شيميايي كه بعد از ظاهر نمودن يك تغيير در جذب نوري فيلم ايجاد مي كند بخشهايي از فيلم نور داده شده با شدت نوري بالا جذب كننده مي شـوند وبخشهاي نور داده نشده فيلم شفاف باقي مي مانند.
همچنين موادي وجود دارند كه ضريب شكست آنها با قرار گرفتن در مقابل نور تغيير مي كند .اين مـواد معمـولا كـاملاشفاف هستند. هولوگرام هايي كه از الگوي ضبط شده تداخلي ناشي از تغييرات ضريب شكست تشكيل مـي شـوند بـهعنوان هولوگرام هاي فاز معروفند. هولوگرام ها همچنين به عنوان باريك وضخيم ترنيز دسته بنـدي مـي شـوند .ايـن عبـارات بـه شاخصـهاي پـراش هولوگرام مربوط مي شود.يك هولوگرام باريك انتظار مي رود كه ترتيب پراش چند گانه ايجاد كند .اين يعني هـر چنـدممكن است تنها دو پرتو براي ضبط كردن به كار رود، يك پرتو بازسازنده، چند پرتو باز سازي شده را به نام ترتيبهـاي پراش پديدار مي كند. از طرف ديگر هولوگرام ضخيم تر تنها يك پرتو بازسازنده منفرد(تنها) را مي پراشد.
بخشي از پرتو بازسازنده ممكن است از خلال هولوگرام در همان امتداد اوليه اش عبور كند . همچنين بازدهي پراش قابل توجـه بـرايهولوگرام هاي ضخيم تنها در حالتي كه پرتو بازسازنده بخشي از روي هولوگرام از يك مجموعه گسسته به نام زاوياهاي براگ(Bragg)باشد رخ مي دهد. اگر پرتو در زاويه هاي براگ نباشد پرتو از ميان هولوگرام مي گذرد بدون اينكـه هـيچ پرتو پراشيده اي ايجاد شود.اين خاصيت هولوگرام هاي ضـخيم، يعنـي نـزول بـازدهي پـراش در صـورت نبـودن پرتـو بازسازنده در يك زاويه براگ را انتخاب زاويه اي مي ناميم.
تقسيم بندي ديگر هولوگرام ها به ترتيب پرتوهاي ضبط كننده(وبنابراين پرتوهاي بازسازنده وبازسازي شده) نسبت به ماده ضبط كننده وابسته مي باشد. وقتي كه دو پرتو موج مسطح نوارهـاي تـداخلي ايجـاد مـي كننـد، نوارهـا يـك مجموعه از صفحات در فضا را تشكيل مي دهند.ايـن صـفحات بـا نيمسـاز زاويـه بـين پرتوهـا همـانطور كـه در شـكل (2a)نشان داده شده است موازي اند.اگر ماده ضبط كننده طوري ترتيب داده شود كه هر دو پرتو ضبط كننـده از يـك طرف به آن ميل كنند، نوارها عموما بر سطح ماده همان طوري كه در شكل (2b)نشان داده شده است مي شوند.ويـك هولوگرام نوع انتقالي تشكيل مي شود.در خلال بازخواني هولوگرام انتقالي پرتوهاي بازسازنده وبازسازي شـده همـانطور كه در شكل (2c) نشان داده شده است در طرفين هولوگرام قرار دارند ويا اينكه ماده ضـبط كننـده مـي توانـد طـوري ترتيب داده شود كه پرتوهاي ضبط كننده از طرفين به آن ميل كنند .همانطوري كـه در شـكل (2d) نشـان داده شـده است.ويك هولوگرام بازتاب گونه تشكيل مي شـود.بـراي يـك هولـوگرام بازتـابي پرتوهـاي بازسـازنده وبازسـازي شـده همانطوري كه در شكل (2e) نشان داده شده است در يك طرف هولوگرام قرار دارند.
شكل (a) :(2)تداخل ناشي از دو موج سطحي(b)ضبط هولوگرام انتقالي(c)بازسازي هولوگرام انتقالي(d)هولوگرام
انعكاسي(e)بازسازي هولوگرام انعكاسي
سه معيار تقسيم بندي هولوگرام ها كه بحث شد فاز يا جذبي، باريك يا ضخيم وانتقالي يـا بازتـابي در تعيـين حـداكثر بازدهي ممكن پراش يك هولوگرام نقش ايفا مي كند.جدول (1)بازدهي هاي پـراش هولـوگرام هـاي واجـد تركيبهـاي مختلف اين شاخصها را خلاصه مي كند.[3]
5- مواد ضبط كننده
مواد بسياري وجود دارند كه براي ضبط الگوهاي تداخلي هولوگرافي مورد استفاده قرار مي گيرنـد .بعضـي از مـواد الگو را به صورت تغيير هايي در جذب نوريشان ضبط مي كنند.مواد ديگري الگـو را بـه صـورت تغييرهـايي در ضـريب شكستشان يا به صورت الگوهاي برجسته نمايي بر سطحشان ضبط مي كنند.
امور عملي وابسته به مواد ضبط كننده هولوگرافي شامل وضوح ضبط كردن،حساسيت ماده به عنوان تابعي از طول موج نوري وگامهاي فرايند لازم براي ظهور هولوگرام مي باشد.فاصله نوارهاي تداخلي مـي توانـد بوسـيله تغييـر زاويـه بـين پرتوها اصلاح شوند.يك زاويه كوچك نوارهاي بزرگ و يك زاويه بزرگ نوارهايي به كوچكي نصف طول مـوج نـور مـورد استفاده بدست مي دهد.يك ماده ضبط كننده ايده ال وضوحي با حداقل5000 نوار در ميليمتر خواهد داشت.بعضـي از مواد به همه طول موجهاي مرئي حساسند وبعضي ديگر تنها به بخشي از طيف نوري حساسـند .حساسـيت طـول مـوج ماده ضبط كننده بايد با چشمه نوري مورد استفاده هماهنگ شود .مواد ضبط كننده حساس عموما مطلـوب ترنـد زيـرا حساسيت بالا زمان نوردادن براي ضبط كردن را ومقدار توان نوري لازم چشمه نوري را كاهش مي دهـد .نـور دادنهـاي طولاني مطلوب نيستند،به اين دليل كه شانس اغتشاش تصادفي همدوسي پرتوهـاي ضـبط كننـده را زيـاد مـي كنـد
.
بسياري از مواد ضبط كننده فرايندهاي شيميايي را بعـد از ديـدن نـور بـراي ظـاهر كـردن الگو هـاي هولـوگرافي لازم دارند.بعضي از مواد وقتي كه حرارت بكار گرفته مي شود ظاهر مي شوند .تعدادكمي از مواد هيچ فرايندي را براي ظـاهر شدن لازم ندارند. يعني در اين حالتها هولوگرام فوراً در دسترس خواهد بود .البته،نياز ظهور سيستم را پيچيده مي كند.و تاخيريبين ضبط هولوگرام هاي ضبط كننده فراهم مي آورد تا بتواند مورد استفاده قرار بگيرد.
