اصول فیزیکی هولوگرافی

اصول فیزیکی هولوگرافی

اصول فیزیکی هولوگرافی

برای ساخت هولوگرافی هایی در دسترس تمام عموم با پیش زمینه های متفاوت یک مدل فیزیکی نیاز است .همانگونه که برچسب ها و توپ ها به شیمی دانان این امکان را می دهد تا ساختارهای شیمیایی را شناسایی کنند ،این مدل ها نیز این امکان را به ما می دهد تا شاخصه ها فیزیکی هولوگرام ها را بدون نیاز به استفاده از ریاضیات پیشرفته شناسایی و تشخیص دهیم .
تداخلات دو منبعه


در نمونه های دو بعدی الگوی امواج از یک منبع ایستای تولید کننده ی امواج در فرکانس های مداوم آغاز یک حلقه ی هم مرکز است .فاصله ی میان هر یک از این حلقه های مجاور یک طول موج است .هر یک از این حلقه ها نمایانگر بیشینه ی امواج است .در میان هر دو موج یک فرورفتگی وجود دارد .

مدل های فیزیکی هولوگرافی

 

اصول فیزیکی هولوگرافی

برخی از مشخصه های جالب هذلولی ها در تصویر بالا نمایش داده شده است .به هذلولی های سه بعدی ترسیم شده هنگامی که حول محور ss1 به چرخش در می آیند بیندیشید .تصور کنید تمام سطوح هذلولی آینه هستند .نقطه ی کمینه را آینه ی oo1در نظر بگیرید که به طور عمودی خطوط ss1که دو منبع را به هم متصل می کند ،به دو نیم تقسیم می کند .این نقطه در سطوح سه بعدی یک آینه ی صاف به شمار می آید .هر اشعه از نقطه ی sسطوح هذلولی را جذب می کند .بنابراین s1یک تصویر مجازی از sبرای تمامی نقاط است .بالعکس این مسئله نیز برای نور صدق می کند .
اکنون با داشتن این مدل های فیزیکی در ذهن می توانیم مشخصه های مهم هولوگرام ها در رسانه هایی همانند امولسیون های عکاسی که ضخامت در حدود ۶ تا ۷ میکرومتر را دارند را شرح دهیم .

کاربرد مدل های فیزیکی هولوگرافی

ایجاد تصاویر مجازی با هولوگرام

اصول فیزیکی هولوگرافی

تصویر بالا تداخلات دو اشعه ی نوری را فضاهای سه بعدی به نمایش می گذارد .تصویر کنید نور دو منبع به طور مستقیم به یک رسانگر ثبت کننده همانند امولسیون عکاسی سیلورهالید تابانده شود .مستطیل صاف در تصویر نقطه ی بالایی هولو پلیت است .ضخامت این امولسیون ها در حدود ۶ الی ۷ میکرومتر است و طول موج نور لیزری برای ثبت این هولوگرام ها در حدود ۰٫۶۳۳میکرومتر که تقریبا در حدود ده لاندا می باشد .الگوی تداخلی ثبت شده درون امولسیون ها بخشی از سطوح هذلولی از قسمت های متفاوت را نشان می دهد .
به موقعیت آینه های تشکیل شده در درون امولسیون ها دقت کنید .آینه های سمت چپ به سمت راست تکیه داده اند و بالعکس .آینه های موجود در مرکز مستقیما به سطح هولوگرام چسبیده اند .به عبارت دیگر سطح هر یک از این آینه ها زاویه تشکیل شده میان اشعه های sوs1را شکاف می دهد.
امولسیون در معرض قرار گرفته شده و کشت شده هولوگرام نامیده می شود .در میان هولوگرام ها سطوح نقره ای ثبت شده بازتاب دهنده ی نور هستند که نور را جذب و یا ارسال می کنند .اگر در طی ثبت هولوگرام آن را به موقعیت اصلی اش ثبت کنیم بدون در نظر گرفتن s1و هولوگرام را به تنهایی باsروشن کنیم تمام اشعه های بازتاب شده از s1تولید می گردند.بنابراین تصویر مجازی از s1ساخته می شود .
به طور قراردادی می توانیم نور بازتاب شده از منبع sرا اشعه ی مرجع و نور بازتاب شده از قسمت s1اشعه ی شی نام گذاری کنیم .اگر بیش از یک منبع در حوالی s1وجود داشته باشد هر نقطه به تنهایی یک مجموعه ی هذلولی با منبع sرا تشکیل خواهد دادو نوار موجود تمامی این وقایع را ثبت می کند .بعد از پردازش هولوگرام با نور منبع sروشن می گردد و هر کدام از نورها به گونه ای بازتاب می گردند که تصاویر مجازی تمامی نقاط شی بازسازی می گردد .
با جایگزینی منبع s1با یک صحنه ی سه بعدی روشن شده با نور فرکانس ثابتی از اشعه ی مرجع در هر نقطه ی از سطح که مجموعه ای از الگوهای هذلولی را بازسازی می کند ،خواهیم داشت .در این صورت یک هولوگرام سه بعدی از شی را خواهیم داشت با روشن کردن هولوگرام با منبع sمجموعه ای از آینه های هذلولی یک تصویر مجازی از هر نقطه را بازسازی می کند در این صورت یک تصویر مجازی ،کامل و سه بعدی از شی بازسازی می گردد.
یک عبارت کلی درباره ی مدل به شرح زیر می باشد :
تصور کنید تمامی سطوح هذلولی که بیشینه ی تداخلی را به خاطر دو منبع تداخلی نشان می دهد کاملا سطح بازتاب دهنده باشد .بعد از ساخت هولوگرام لوله های میان امولیسیون ها حجم زیادی از هذلولی های چندگانه از آینه ها را ثبت می کند .هر یک از این مجموعه ها با تداخل میان اشعه ی مرجع ونور بازتاب شده از هر نقطه ساخته می شوند .هنگامی که هولوگرام با نور تششع یافته از منبع sدیده می شود هر یک از مجموعه های آینه ای نور را بازتاب می دهد و با تشکیل یک تصویر مجازی از هر نقطه ی شی جبهه ی امواج از شی اصلی را بازسازی می کند .

ساخت تصویر واقعی با هولوگرام

اصول فیزیکی هولوگرافی

هولوگرام را از سمت پشت با تابش نور از منبع sروشن کنید .نور بازتاب شده از آینه ی هذلولی بر منبع s1متمرکز می گردد طوری که تصویر واقعی از شی سه بعدی بر روی صفحه ی نمایشگر ظاهر می گردد .هولوگرام حاصل در تصویر بالا از شی به صورت تصویر دو بعدی بر سطح نمایشگر ظاهر می گردد .بسته به موقعیت صفحه ی نمایش قسمت های متفاوتی از صحنه دیده می شود .

قابلیت های هولوگرام های پراکنشی

اگر هولوگرام پراکنشی را به تکه های کوچکتر تقسیم کنیم باز هم تصویر کلی هولوگرام در هر یک از این قسمت ها قابل مشاهده است .از آن جایی که هر حجم ابتدایی در هولوگرام با نور کامل منظره شکل گرفته است ،مجددا هر یک از این حجم ها نمای کامل تر را تولید می کنند .به عبارت دیگر اندازه ی هولوپلیت های به کار برده شده برای ساخت هولوگرام به اندازه ی منظره ی مورد نظر بستگی دارد .یک هولوگرام بزرگ مجموعه ای از هولوگرام های کوچکتر به شمار می آید .
به منظور نمایش یک تصویر واقعی با یک اشعه ی لیزری بر روی صفحه ی نمایش بهتر است یک ناحیه ی باریک را با استفاده از اشعه ی غیر منشعب انتخاب کنیم .در این مورد تصویر واقعی شامل اشعه هایی در زاویه های کوچک نزدیک به هم می باشد این مسئله عمق زاویه ی دید را افزایش می دهد و به ما امکان می دهد تصویر متمرکزتری را از فاصله ی دور در امتداد اشعه که تصویر واقعی را شکل می دهد داشته باشیم .بسیاری از قوانین نوری هندسی در این مبحث به کار گرفته شده است .

خارق العاده ترین ویژگی های هولوگرام

یکی از خارق العاده ترین ویژگی های هولوگرام قابلیت ثبت بیش از یک تصویر در یک فضا و نمایش جداگانه ی آن با تغییر زاویه ی میان هولوگرام و اشعه ی مرجع می باشد .این پدیده را یک تیم پدر و پسری (ویلیام هنری و ویلیام لارونس برگ )در طی مطالعات مربوط به شکست اشعه ی ایکس با کریستال کشف کردند .آن ها برنده ی جایزه ی نوبل فیزیک در سال ۱۹۱۵ شدند .
برای فهم بهتر این مطلب ضروری است تداخلات نوار باریک را دریابیم و به این نتیجه برسیم که چه چیزی سبب می شود رنگ های زیبا با انتشار رنگ سفید با حباب های صابون بازتاب گردد .


شکل بالا نمای میانی واقعی از یک الگوی تداخلی که در یک تکه ی کوچک میکروسکوپی از یک هولوگرام که با استفاده از پیکره بندی صورت گرفته در شکل بالا با فرض اینکه هولوگرام در میان موادی با همان میزان شکست نور قرار گرفته شده است ،نادیده گرفته شده است .سطح هذلولی درون لایه ی امولسیونی به سطح صاف رسیده است و قائم بر سطح نوار همانند نور در موقعیت گسترده می باشد .به دلیل زاویه ی زیاد میان اشعه های sوs1جدایی میان آینه ها در حدود لاندا است که این میزان بسیار کوچکتر از ضخامت ده لاندا می باشد .لاندا نمایانگر میزان طول موج نور در درون رسانگر می باشد.
هنگامی که هولوگرام به تنهایی با منبع sدیده می شود نور بازتاب های متعدد با سطوح متوالی که از نوار می گذرد را تجربه می کند .به هر حال به دلیل مشخصه های اصلی آینه های هذلولی هر بازتاب متوالی یک تغییر فاز در حدود دو امگا را دارد زیرا راه های نوری به اندازه ی فاصله ی یک طول موج افزایش می یابد .تمام امواج بازتابی به یک شکل هستند و با افزایش شدت ناشی از قویترین جبهه ی موج که نمایانگر اشعه ی شی می باشد .اگر زاویه ی تلاقی منبع sاز اشعه ی مرجع اصلی هولوگرام برتابش کند تمامی اشعه های چند گانه ی بازتابی تفاوت فاز بیش از دو امگا را خواهند داشت و برآیند امواج بازتابی بسیار کم و نزدیک به صفر می باشد .
از لحاظ کمی می توان گفت در ارتباط با نوردهی صحیح ارزش مطلق تمامی دامنه ها از بازتاب های متوالی مستقیما و به شدت افزایش می یابند .در ارتباط با نوردهی های غیر هم تراز حالات هر یک ازبازتاب ها متفاوت می باشد .
در عمل هنگامه که زاویه ی نوردهی کاملا متفاوت از زاویه ی صحیح باشد هیچ تصویری مشاهده نمی گردد .
این پدیده اهمیت تاریخی والایی دارد .با استفاده از اشعه ی ایکس از طول موج شناخته شده و تاباندن آن به کریستال سنگ نمک و مطالعه ی زاویه ی بیشینه ی انکسار فاصله ی میان زاویه های اتمی اندازه گیری می شود.بالعکس با به کار گیری کریستال هایی با فضاهای اتمی طول موج های اشعه ی ایکس به درستی اندازه گیری می شود .این مسئله به دانشمندان امکان مطالعه ی قسمت های داخلی اتم را می دهد .
این قاعده در فوتونیک مدرن برای طراحی نوارهای باریک چندلایه ای بر روی سطوح آینه ای همانند فضاهای لیزری به کار گرفته می شود تا فیبرهای نوری که طول موج های انتخاب شده را دریافت و بازتاب می کند بسازد و کریستال های خارق العاده ی را برای حافظه های هولوگرافی را بسازند .

ساخت هولوگرام چند منظوره

برای ساخت یک هولوگرام چند منظره ای نوار را در معرض شی O1قرار می دهند و سپس این فرآیند را متوقف می کنند و به شی دوم O2 انتقال می دهند و زاویه ی بین اشعه ی مرجع و نوار را تغییر می دهد .الگوی برآیند ثبت شده در نوار فشرده با دو مجموعه از هذلولی ها برابر است که هر یک در صحنه قرار گرفته شده است .درطی بازسازی هولوگرام بسته به نوع چرخش آن با توجه به اشعه ی مرجع جبهه ی موج یکی یا سایر صحنه قابل بازسازی است .
بسته به ضخامت امولسیون اندازه ی o1وo2و مجاورت آن ها به نوار به درجه موفقیت های متغیر در ثبت تصاویر چندگانه خواهیم رسید .
جالب توجه است که در سیستم اطلاعاتی موقعیت مکان و زمان را با هم مقایسه کنیم .برای سرودن یک آواز طولانی به مدت زمان بیشتری نیاز داریم .هم چنین برای ثبت یک داستان طولانی به یک کتاب ضخیم نیازاست .
مثال :
در نظر بگیرید که یک سی دی به ضخامت یک میلی متر در حدود یک گیگا بایت اطلاعات را به شکل داده ی دیجیتالی ذخیره می کند .تمامی این داده ها در قسمت بالای لایه ی یک میکرومتری ذخیره می گردد .چه میزان از اطلاعات در سی دی ذخیره می گردد اگر همان میزان اطلاعات در حجم کلی آن ذخیره شود ؟
پاسخ:
ضخامت یک سی دی در حدود هزار میکرومتر است و تنها یک میکرومتر از حجم سی دی در لایه ی بالایی برای ذخیره ی یک گیگابایتی اطلاعات نیاز است .۹۹۹لایه ی باقی مانده نهصد و نود ونه گیگابایت اضافی را که به هزار گیگا بایت و یا یک تترابایت منتهی می شود را ذخیره می کند .

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *