|  | ||||||||
|  | ||||||||
| | ||||||||
| | ||||||||
 |
kategória |  |
||||||||
|
|
||||||||||
 |
 |
|
|
|
|
|
||
|
|
A holográfia
A közönséges fényképezési eljárásoknak van egy alapvetõ tökéletlensége, mégpedig az, hogy a térbeli tárgyakat síkban rögzíti. A térbeliség azért vész el, mivel a fényképezõlemezen csak a fényhullám intenzitását rögzítjük, de egy másik, fény által kialakított hullámtérnek a jellemzõje, a hullámok egymás közötti fázisviszonyait nem. A kérdés tehát az, hogy lehet-e valamilyen módon rögzíteni a tárgy által visszavert fény, a tárgy képét az agyunkban létrehozó tárgyhullám fázisviszonyait?
Gábor Dénes, Nobel díjas magyar fizikus találta meg ennek a módját. Az általa kidolgozott módszer neve holográfia (holográf = teljes kép).
A lézerek alkalmazásának egyik legizgalmasabb, leglátványosabb területe a holográfia. A pénzek hologramcsíkjaitól és más holografikus védjegyektõl a mûvészi hologramkiállításokon át a tudományos alkalmazásokig sok helyen találkozhatunk vele. Az emberek többségének nagy élményt jelent, hogy a fény valami megfoghatatlan test térbeli képét rajzolja a szemük elé.
A holográfia olyan képrögzítõ eljárás, amellyel a
tárgyról tökéletes térhatású, vagyis háromdimenziós kép hozható létre. A
hagyományos fényképezés során a tárgy képét lencserendszerrel képezzük le a
film síkjára, és így a filmen a tárgyról kiinduló fény intenzitásának
megfelelõen az egyes pontokban feketedés jön létre. Ennek az eljárásnak
a során azonban - mivel a feketedés mértéke csak a fény erõsségétõl
(vagyis amplitúdójától) függ, és független a fényhullám másik
jellemzõjétõl, a fázistól -, minden információ, amit a fázis
hordoz (s ami a hullám rezgésállapotára jellemzõ), elvész. A tárgynak
Ez a változás azonban csak a burkoló hullámfront alakját érinti, nem jelent
információveszteséget, a hullámfront továbbra is arra és csakis arra a tárgyra
lesz jellemzõ, amelyrõl a fény kiindult. Ez a hullám
tulajdonképpen a forrásától függetlenül halad tovább.
Ha valamilyen ok miatt már nincs "mögötte" a tárgy, de a hullám a
szemünkbe jut, ott a kép akkor is létrejön, látjuk a tárgyat. (Persze a
fénysebesség nagysága miatt csak igen szoros idõtartamon belül.) A
holográfia lényege éppen ebben rejlik. Ha egy eljárással sikerül a tárgyról
kiinduló hullámot egy adott helyen rögzíteni, és késõbb
"újraéleszteni", a hullám ugyanúgy halad tovább, mint azelõtt,
és ugyanolyan érzetet is kelt. 
A felvétel lényege tehát a tárgyról kiinduló hullámfront rögzítése. Ez úgy történik, hogy a tárgyhullám és egy vele koherens másik síkhullám, az úgynevezett referenciahullám segítségével interferenciaképet hozunk létre, ezt a képet pedig egy fényképlemezen vagy filmen rögzítjük.
A referenciasugarat általában úgy állítják elõ, hogy
egy nyalábosztóval (féligáteresztõ tükörrel (FT) a
lézer kitágított nyalábját két részre bontják. A tárgysugár a t tárgyról, a
referenciasugár pedig - más úton vezetve - a T tükörrõl
visszaverõdve jut ugyanarra a területre. A fényérzékeny H
hologramlemezt is itt helyezik el.
A fényérzékeny lemez adott pontjába érkezõ tárgy- és referenciasugarak a
köztük lévõ úthosszkülönbségtõl függõen erõsítik
vagy gyengítik egymást, ennek megfelelõen az erõsítési pontokban
feketedés lép fel a lemezen, a kioltási pontokban nem. Az így kialakult
interferenciakép a tárgy- és a referenciahullám közötti fázisviszonyoktól függ,
a tárgyhullám fázisát tehát ily módon a referenciahullámhoz viszonyítva
sikerült rögzíteni.
A lemezen elõhívás után - a tárgy struktúrájának
bonyolultságától függõen - egyszerûbb vagy összetettebb
vonalrendszer látható, ez maga a hologram. Ezen sem a tárgy alakját, sem egyéb
jellemzõit nem lehet felfedezni.
A reprodukálás a következõ módon történik: abból az irányból, ahonnan
felvételkor a referenciasugár a lemezre esett, fényt bocsátunk a hologramra. A
megvilágító fényforrás hullámfrontja a hologramon való áthaladáskor
"szétroncsolódik". A rögzített interferenciastruktúrán a hullám (a
fázisugrástól eltekintve) ugyanúgy halad tovább, mint a felvétel során, hiszen a
világos és fekete csíkok megfelelnek a kioltási és erõsítési helyeknek.
Így éppen az a hullámfront fog kialakulni, amely a tárgyról kiindult és amelyet
a hologramon konzerváltunk.
Ha a megfelelõ irányból nézzük a képet, az az érzetünk alakul ki, mintha
a tárgy a maga háromdimenziós valójában állna elõttünk.
A hologram felvételének és rekonstruálásának lényege tehát: megfelelõ módon rögzítjük, illetve a rögzített interferenciakép segítségével újra létrehozzuk "továbbengedjük" azt a hullámfrontot, amely a tárgyról kiindult. Ennek alapján könnyen magyarázhatók a hologramkép sajátos és szokatlan tulajdonságai.
Mivel a valódi tárgyról kiinduló és a rekonstruált hullám
megegyezik, azt ugyanúgy is látjuk. A látott kép háromdimenziós,
érzékelhetõ a térbeli mélység, és lehetõvé válik az oldal- és
függõleges irányú rálátás is, a kép "körbejárható". A hologramon a tárgy
képe végtelen sok perspektívából van rögzítve, s ha a megfigyelõ mozog,
más és más perspektívát érzékel, amelyek folyamatosan mennek át egymásba, így
az elrendezéstõl függõen lehetséges, hogy az egyik irányból
takart vagy nem látható részlet valamelyik másik irányból nézve láthatóvá
válik.
A hologramok mélységélessége igen nagy - csupán a fényforrás koherenciahossza
szab határt neki -, ezért ha a tárgy egyes részeinek mélysége eltérõ,
akkor a róluk kapott kép szemlélésekor is változtatni kell a szem
fókusztávolságát.
Mivel a hologram felvételekor nem használunk objektívet, nem
történik a képnek a hagyományos értelemben vett leképezése, a tárgy
Emiatt nincsenek olyan pontok, elemek a hologramon, amelyek
emlékeztetnének az eredeti tárgy jellegzetes vonalaira, és ez az oka annak a
meglepõ tulajdonságnak, hogy a kettétört hologram is elõállítja a
tárgy teljes képét.
Ha ugyanis a hologram valamilyen módon megsérül (karcolás, folt, törés), csupán
azok a perspektívák tûnnek el a képbõl, amelyeket a sérülés
érintett, a többi megmarad.
Természetesen ez is információ- és intenzitásveszteséggel jár, és ha a
hologramnak csak kis darabjával állítjuk elõ a képet, a felbontóképesség
is csökken.
A hologramokkal elõállított képek mindig pozitívak.
Ha a hologramról "negatív" másolatot készítünk, ez szintén pozitív képet ad,
hiszen az újra elõállított hullám szerkezetét csak a rögzített
interferenciasávok helyzete és kontrasztossága határozza meg, ezek pedig nem
változnak, ha a kép polaritását pozitívról negatívra változtatjuk.
Ez a magyarázat a hologram elvérõl az eredeti, fényképlemezre vagy
filmre készített, átmenõ fényben felvett és rekonstruált (úgynevezett
transzmisszós) hologramok példáján alapult. A ma elterjedt hologramok
döntõ többsége ilyen hologramról fémfóliára sokszorosított másolat. Ezek
"mûködése" csak annyiban különbözik az elõbbitõl,
hogy az interferenciakép nem fekete-fehér csíkok, hanem az alumínium fóliába
nyomott felületi egyenetlenségek formájában van rögzítve. A rekonstruáló nyaláb
a fóliáról mint egy reflexiós rácsról visszaverõdve alakítja ki az
elhajlásképet.
A hologram alkalmazásai
A hologramok legelterjedtebb alkalmazási formájával, a
biztonsági azonosító jelekkel mindenki találkozhatott a kazettákon és CD-ken
vagy az új papírpénzeken, bankkártyákon. Ezek az apró kis hologramok (szinte)
hamisíthatatlanok, mert róluk tökéletes másolatot csak az eredeti hologram
segítségével lehet készíteni.
Az apróbb-nagyobb dísztárgyként, mûvészeti alkotásokként forgalmazott
hologramokon túl ma már tökéletesen hû, nagyméretû színes hologramokat,
sõt színes holofilmeket is készítenek. A hologramok felhasználási
területe azonban - az információtárolás sajátságai miatt - jóval szélesebb, és
a szoros értelemben vett háromdimenziós képrögzítésnél sokkal több
lehetõséget nyújt. Példaként ezek közül a lehetõségek közül
ragadjunk ki néhányat:
A tárolt térbeli információ speciális felhasználásai
|
|
Ultragyors fényképezés |
|
|
|
Az igen rövid idõ alatt végbemenõ jelenségek
vizsgálata során sok esetben lényeges egy adott pillanatban a tárgyak térbeli
elhelyezkedése, távolságuk, egyéb viszonyaik. Bonyolult fényképészeti
eljárások alkalmazása helyett a jelenségrõl pl. impulzuslézerrel készített
egyetlen hologram segítségével |
|
|
|
Az ultragyors fényképezés néhány lehetséges területe pl: |
|
|
|
|
|
|
Teljes rekonstrukció: 360o-os holografikus kép |
|
|
|
Nemcsak bizonyos tartományban, hanem tökéletesen
körüljárható képet kaphatunk a következõ eljárással: |
|
|
A rekonstruált hullám felhasználása referenciaként: a változással egyidejû vizsgálat |
|
|
|
Az eljárás lényege az, hogy ha a hologramot
elõhívás után ugyanabba a helyzetbe állítjuk, ahogy a felvétel alatt
volt, és a rekonstrukció során egyidejûleg világítjuk meg a hologramot
és a tárgyat, a rekonstruált kép magára a tárgyra szuperponálódik. Így a
megfelelõ hullámok interferenciája révén felvilágosítást kapunk
azokról a változásokról (eltolódások, deformációk), amelyeken a tárgy esetleg
átesett valamely mûvelet két fázisa között. |
Több
hologram szuperpozíciója ugyanazon a lemezen
|
|
Interferometria kettõs expozícióval |
|
|
|
A módszer lényegében megegyezik az elõbb ismertetett eljárással, annyi csupán a különbség, hogy most nem a rekonstruált hullámfelületet hasonlítjuk össze a tárggyal, hanem ugyanarra a lemezre (ugyanarról a tárgyról) két különbözõ idõpillanatban "befagyasztott" hullámfront különbségét figyeljük meg. Röviden tekintsük át a módszer lényegét: A kettõs expozíciós felvételeket többféle speciális változatban mérési eljárásokban is alkalmazzák, segítségükkel az elmozdulások, deformációk, kis szögváltozások nagysága is kiszámítható. |
|
|
A holografikus filmezés lehetõsége |
|
|
|
Egyetlen lemezre holografikus "filmet" is készíthetünk, ha megoldjuk, hogy az ugyanarra a lemezre felvett képek elkülönüljenek egymástól. Ha a lemezt az egyes felvételek között elforgatjuk úgy, hogy a lemez és a referenciasugár szöge megváltozzon, a lemezre több különálló felvételt is készíthetünk. Ezután a különbözõ képek egymásután rekonstruálhatók, amikor a hologramot ugyanolyan módon forgatjuk, mint a felvételkor. Ha az egyes fázisok elég gyorsan követik egymást, akkor a képeket folytonos mozgásként érzékeljük. |
Az
információ optikai feldolgozása
|
|
|
Csakúgy, mint általában, az optikai úton történõ információ-feldolgozás lényege is az, hogy a vizsgálandó jelenséget valamilyen (ebben az esetben vizuális, optikai) úton rögzítjük, majd a feldolgozás során újra elõkeressük, összevetjük más információkkal, jelekkel stb. Ennek a folyamatnak nagyon gyors és megbízható lehetõségét adja a holográfia. A holografikus információfeldolgozás alkalmazási területei elsõsorban: valamely különleges jellegzetesség vagy forma felismerése, illetve jelek összehasonlítása a hasonlóság mértékének meghatározására. A módszer lényegét egy konkrét feladaton keresztül kövessük végig, legyen
ez például egy ujjlenyomat azonosítása, ha rendelkezésünkre áll egy
(holografikus) ujjlenyomat-nyilvántartó. |
Holográfia az atomok világában
A képet alkotó sugárzás forrásaként magának a vizsgálni kívánt anyagnak az atomjait használták, amelyek külsõ, gerjesztõ röntgensugárzás hatására elektronokat vagy röntgenfotonokat bocsátanak ki.
Az ilyen sugárzás egy része kölcsönhatás nélkül lép ki az anyagból (ez lesz a referencianyaláb), miközben a sugárzás másik része szóródik a környezõ atomokról. A kettõ interferenciája adja a hologramot, amely a sugárzó atom környezetére vonatkozó összes információt tartalmazza. A képalkotáshoz egyetlen atom sugárzása nem elég, sok sugárzó atom azonban már elegendõ fényt adhat. Ezért atomi hologramok készítésével a kristályos anyagok esetében érdemes próbálkozni.
|
A kísérletben használt stroncium-titanát kristályszerkezete egyszerû köbös, benne a stronciumatomok egy kockarácson helyezkednek el. Ennek négyfogású szimmetriája a hologramban is megjelenik. A hologramból számítógép segítségével egy egyszerû matematikai átalakítással rekonstruálható a stronciumatomok térbeli képe (ábra). A hologram (a) és a stronciumatomok rekonstruált térbeli képe (b) A kristály többi atomja (titán, oxigén) nem látható, mivel ezek kisebbek, s a röntgensugarakat gyengébben szórják, mint a stroncium. |
|
|
|
Ha a technikai problémákat sikerül megoldani, az atomi felbontású röntgenholográfia a tudomány számos területén alkalmazható. Kiegészítheti a hagyományos diffrakciós kísérleteket az atomok helyének a meghatározásában. Néhány területen olyan információkat is szolgáltathat, amelyek más módszerekkel nehezen elérhetõk. Például megmutathatja, hogy a mikroelektronikában használatos félvezetõk adalékatomjai körül hogyan helyezkedik el a többi atom. A fejlõdés egy másik lehetséges útja az, hogy az atommagok gamma-sugárzásának felhasználásával készítenek hologramot. Az atommagok bizonyos - nagyon szûk - energiatartományban gamma-sugarakat bocsáthatnak ki, illetõleg azokat erõsen szórják. Ez a szórás akár egy nagyságrenddel is nagyobb lehet, mint a szokásos - az atom elektronjain végbemenõ - szórás. Az erõsebb kölcsönhatás a hologramban is sokkal nagyobb változásokat idéz elõ, s ez megkönnyíti a mérést. E szórás másik nagy elõnye, hogy érzékeny a kristály belsejében található mágneses térre, így láthatóvá tehetõ a kristály mágneses szerkezete is.
Az atomi felbontású röntgenholográfia jelenleg még a fejlesztés és a kipróbálás szakaszában van. Az eredmények biztatók, és azt mutatják, hogy a módszer - technikájának további finomításával - hozzájárulhat a mikrovilág, az atomi és molekuláris szerkezet mélyrehatóbb megismeréséhez. Ez pedig lehetõvé teszi, hogy jobb szerkezeti anyagokat, hatásosabb gyógyszereket, biztonságosabb autókat és kevésbé környezetszennyezõ technológiákat dolgozzanak ki.
Könyvészet www.mozaik.info.hu/MozaWEB/Feny/page33.htm
www.kfki.hu/fszemle/archivum/fsz0006/gdenes.html
www.sztaki.hu/sztaki/news/gabordenes.html
www.feltalaloink.hu/tudosok/gabordenes/html/gabdental4.htm
www.sulinet.hu
Találat: 4015
