HOLOGRAFIA

Prin fotografierea unui obiect o serie de informatii se pierd, campul vizual se comprima intr-un singur plan, unui obiect tridimensional corespun-zandu-i o imagine bidimensionala. Pierderea unor informatii este datorata faptului ca pe placa fotografica se inregistreaza intensitatea luminii care soseste de la obiect. Intensitatea luminii este proportionala cu patratul amplitudinii undei electromagnetice (componentei electrice a acesteia). Placa fotografica este sensibila numai la intensitatea luminii si eventual la culoarea acesteia. O serie de informatii referitoare la obiect sunt insa continute in faza undei luminoase. Aceasta da posibilitatea stabilirii profunzimii, lucru absolut necesar reconstruirii imaginilor in relief. Cu alte cuvinte pentru a putea reconstrui o imagine completa, trebuie ca simultan sa fie inregistrate toate marimile caracteristice unei unde luminoase: amplitudine, frecventa si faza. Primele doua sunt inregistrate in cazul fotografiei color. Holografia inseamna o metoda de obtinere a imaginilor in relief. Metoda holografica a fost descoperira in 1948 de catre fizicianul englez de origine maghiara, Denis Gabor , pentru care a primit premiul Nobel in 1971. Denumirea a fost introdusa de fondatorul ei si deriva din cuvintele grecesti halos - intreg si grafein - scriere. Contributii importante la dezvoltarea tehnicii holografiei optice au adus Emmet Leith si Juris Upatnicks, cei care au realizat prima holograma de calitate cu ajutorul unui laser cu heliu-neon in 1963.

Holografia are la baza fenomenul de interferenta. Sa vedem in continuare care este principiul de inregistrare a unei holograme si cum anume poate fi ea redata. Obtinerea unei holograme necesita un dispozitiv interferential care realizeaza suprapunerea fasciculului de lumina care soseste de la obiect cu unul de referinta si inregistrarea figurii de interferenta pe o placa fotografica. Dupa directia fasciculelor care interfera hologramele pot fi axiale (Gabor), atunci cand axele fasciculelor coincid, sau neaxiale (Leith - Upatnicks). In functie de felul fasciculelor se pot obtine holograme Fresnel, in cazul fasciculelor divergente sau holograme Fraunhoffer, pentru fascicule paralele. In orice caz, pentru a se obtine o holograma de calitate se impune folosirea luminii coerente, deci a unei surse LASER. Schema de principiu utilizata la inregistrarea unei imagini este prezentata mai jos.

Daca planul placii fotografice este xOy, ecuatia undei de referinta in acest plan se scrie: , unde R₀ si φ_R, amplitudinea si faza initiala sunt independente de pozitia pe placa. Ecuatia fasciculului imprastiat de obiect, in acelasi plan se scrie:

. Prin suprapunerea celor doua fascicule, unda rezultanta este: . Ceea ce se inregistreaza efectiv pe placa este intensitatea acestei unde, deci o marime proportionala cu patratul amplitudinii ei :

Distributia intensitatii luminoase in campul de interferenta se poate considera ca o unda modulata spatial, in care unda de referinta este unda purtatoare, iar cea obiect, unda modulatoare. La expunere optima, imaginea obtinuta pe placa fiind proportionala cu I, informatia inregistrata in fiecare punct al hologramei contine atat marimea amplitudinilor celor doua unde cat si diferenta de faza dintre acestea. Figura de interferenta este in general extrem de complexa. Sa analizam acum doua cazuri banale. Fie doua unde coerente plane, una care se propaga pe o directie perpendiculara pe placa fotografica, iar directia de propagare a celei de-a doua face un unghi θ cu directia de propagare a celeilalte ca in figura de mai jos.

Se observa ca figura de interferenta fa fi formata din franje paralele echidistante, perpendiculare pe planul figurii, cu o interfranja . Dupa developare placa arata ca o retea de difractie plana cu perioada egala cu interfranja. Frecventa spatiala corespunzatoare este: .

Fie acum interferenta dintre o unda plana si una sferica, asa cum se arata in figura urmatoare. Conditia ca in punctul M de pe placa fotografica sa se obtina un maxim de interferenta este ca diferenta de drum optic dintre cele doua unde sa fie un multiplu intreg de lungimi de unda: cu . Locul geometric al punctelor M in care se obtine acest maxim este un cerc de raza .

Unda obiect, imprastiata de obiectul de holografiat este formata dintr-un numar foarte mare de unde sferice elementare. Conform principiului lui Huygens, fiecare punct al obiectului este o noua sursa elementara. Infasuratoarea tuturor undelor sferice elementare contribuie la suprafata de unda a fasciculului obiect asta inseamna ca informatia sosita de la fiecare punct obiect va fi inregistrata pe toata suprafata placii. Altfel spus orice portiune a hologramei contine informatii despre toata suprafata obiectului, deci orice portiune a hologramei permite reconstruirea imaginii integrale a obiectului (cu o pierdere de claritate). Volumul de informatie care se poate inregistra pe o holograma depinde de calitatea stratului fotosensibil al placii, de rezolutia acesteia.

Privind placa fotografica, dupa developarea ei, nu se poate trage nici o concluzie despre forma obiectului holografiat. Ceea ce se vede este figura de interferenta, formata dintr-o sumedenie de cercuri concentrice in jurul fiecarui punct al hologramei. Pentru vizualizare, imaginea trebuie reconstruita. Aceasta se face iluminand holograma cu un fascicul identic cu cel de referinta utilizat la inregistrare. Fasciculul de lumina va fi difractat de aceasta ca orice retea de difractie. Se poate arata ca undele difractate reconstruiesc frontul de unda obiect, respectiv imaginea obiectului. Utilizand holograma sub forma de negativ, transmitanta placii fotografice va fi proportionala cu expunerea, deci cu intensitatea luminii incidente la inregistrare. Ca urmare unda luminoasa dupa ce strabate holograma va fi de forma: . Ecuatia ei se poate pune sub fora sumei a doi termeni, proportionali cu

si . Primul termen reprezinta de fapt unda de referinta (cu alta amplitudine). Cel de-al doilea se poate scrie la randul lui ca o suma. Unul din termeni: , care reprezinta de fapt unda obiect (inmultirea cu un termen constant nu afecteaza forma ei), reconstituie imaginea virtuala a obiectului. Al doilea termen este de forma: .

El reprezinta asa numita unda geamana a undei obiect, al carei front de unda este inversat (faza ei este ) si reconstituie imaginea reala a obiectului, dar deformata, avand curbura inversata. Cele trei unde obtinute in acest mod au directii de propagare diferite astfel incat cele care nu intereseaza pentru reproducerea imaginii pot fi eliminate. In figura urmatoare, razele notate cu 2 sunt cele care reconstituie imaginea virtuala, cele notate cu 3 refac imaginea reala dar deformata, iar cele notate cu 1 reprezinta fasciculul de referinta.

Un observator situat in dreapta hologramei, in interiorul undei obiect reconstituite, va vedea imaginea virtuala in trei dimensiuni cu toate proprietatile obiectului. Deplasarea observatorului permite acestuia sa vada imaginea sub diferite unghiuri exact asa cum ar vedea obiectul in realitate. El nu poate sa spuna daca vede obiectul real, sau imaginea acestuia. Imaginile obtinute prin holografie pot fi marite, folosind pentru reconstituire radiatii cu lungimi de unda mai mari decat cele utilizate la inregistrare.

Sa vedem acum cateva din aplicatiile holografiei. Una din ele este cinematograful in relief. In afara unui realism superior exista inca un avantaj. Pe aceiasi placa pot fi inregistrate o serie de pozitii succesive ale obiectului in miscare, pentru aceasta fiind necesar ca la inregistrare si la redare sa se modifice de fiecare data unghiul de incidenta al fasciculului de referinta (pe aceeasi placa pot fi inregistrate mai multe imagini). Televiziunea holografica ar putea fi o alta aplicatie, informatiile transmise pe aceasta cale fiind de 300.000 mai multe decat in mod obisnuit. Holografia se foloseste la analiza calitatii suprafetelor. S-au obtinut holograme folosind lumina alba, utilizand alte procedee decat cele descrise anterior. Metoda holografica permite inregistrarea proceselor care se desfasoara la viteze mari cum ar fi cele ce insotesc arderea si explozia. De asemenea holograma constituie un suport excelent pentru stocarea informatiilor, utilizarea ei in mod repetat pentru citire un afecteaza in nici un fel calitatea inregistrarii asa cum se intampla in cazul altor sisteme utilizate in acest scop.

In final amintim de existenta holografiei in culori, precum si a holografiei acustice, caz in care in locul undelor luminoase se folosesc unde acustice sau ultrasonore.

Bibliografie

Hutanu, Gheorghe Dorin, Jean - Holografia, Ed. Stiintifica si Enciclopedica, Bucuresti, 1979

Hutanu, Gheorghe - Holografia, o revolutie in optica, Buletin de fizica vol III, 1979

N. Kalitéevski - Optique ondulatorie, Éditions MIR, Moscou, 1980