NADAL ŚWIATŁO. Zagadnienia

Transkrypt

1 Materiały holograficzne NADAL ŚWIATŁO Zagadnienia Holografia oraz jej niektóre obecne i przyszłe zastosowania: Hologramy (nie tylko gadgety, ale również detektory, diagnostyka medyczna, zapisywanie informacji); 1

2 Holografia Teoretyczne podstawy holografii zostały stworzone w 1948 przez Dennisa Gabora jeszcze przed zbudowaniem lasera, jako metoda zwiększenia zdolności rozdzielczej mikroskopu elektronowego (nagroda Nobla w 1971); W 1962r. Leith i Upatnieks zastosowali światło laserowe do holografii i otrzymali pierwszy w historii hologram (dziecinny pociąg); Holografia W 1962 Uri Denisyuk z dawnego ZSRR stworzył hologram, który można było oglądać w zwyczajnym świetle. To było przełomowe odkrycie, które zapoczątkowało dalszy szybki rozwój technik zapisywania i odczytywania hologramów. 2

3 Holografia Pierwszy masowo rozprzestrzeniany hologram: marcowe wydanie National Geographic 1984 (11 milionów egzemplarzy). Holografia Rodzaje hologramów: Cienkowarstwowe i objętościowe Wykorzystujące białe lub monochromatyczne światło; Z modulacją amplitudy lub fazy; Transmisyjne lub odbiciowe. 3

4 Jak zrobić hologram? Co jest potrzebne: laser, rozdzielacz wiązki, soczewki, zwierciadło, klisza fotograficzna i przedmiot. Wiązka lasera jest rozdzielona na dwie: wiązkę oświetlającą przedmiot i wiązkę referencyjną. Wiązka odbita od przedmiotu i referencyjna interferują i tworzą obraz na kliszy. Kliszę, następnie, wywołuje się. Jak rozdzielić wiązkę światła? Można to zrobić za pomocą tzw zwierciadła Lloyda (jest to, w gruncie rzeczy, kawałek przezroczystego dielektryka): Wiązka odbita Wiązka załamana 4

5 Odczytywanie hologramu Zapis Odczyt Wikipedia : Holography Hologramy transmisyjne i odbiciowe Transmisyjny Odbiciowy zapis O R zapis R O odczyt odczyt R 5

6 Hologramy z modulacją fazy lub amplitudy Modulacja fazy Modulacja fazy: gdy zmienia się współczynnik załamania ł lub grubość Modulacja amplitudy Modulacja amplitudy: gdy zmienia się współczynnik absorpcji materiału α(x) n(x) d(x) Hologramy cienkowarstwowe lub objętościowe Cienki Dyfrakcja Ramana-Natha Objętościowy Dyfrakcja Bragga Grubość materiału hologramu jest mała w porównaniu z okresem powtarzalności obrazu dyfrakcyjnego. Λ Λ > d Λ < d d Λ 6

7 Hologramy a długość fali Gdy hologram jest oświetlany światłem o różnej długości fali, obraz wirtualny pojawia się pod różnymi kątami. Hologramy objętościowe można odczytywać w świetle białym. Hologramy w świetle białym Hologramy odbiciowe mogą być oglądane w świetle białym. ł Wiązki przedmiotowa i referencyjna (muszą być monochromatyczne) padają na film z przeciwnych stron. Powstały wzór interferencyjny ma strukturę w kierunku prostopadłym do powierzchni. Jeśli grubość emulsji jest większa niż 15 µm to wzór można uznać za prawdziwie 3D z 20 lub więcej warstwami. x θ 0 θ 0 z 7

8 Hologramy w świetle białym Gdy odczytujemy hologram, białe światło pada w od strony początkowej wiązki referencyjnej, część światła ulega odbiciu i dyfrakcji do tyłu. Fala ta odtwarza obraz przedmiotu. W zależności od kąta padania światła, tylko pewien wąski zakres długości fali trafia do oka obserwatora (dla których spełniony jest warunek dyfrakcji). Zatem, hologram można oglądać, gdy światło padające pochodzi ze źródła punktowego. x θ z Hologramy w świetle białym Inną techniką wytwarzania hologramów, które mogą być oglądane w świetle białym jest tzw. rainbow hologram. Można go oglądać w świetle przechodzącym. Różne długości fali są rozpraszane tak, że każda tworzy tylko małą część obrazu obraz ma różne kolory na różnych wysokościach (stąd nazwa). 8

9 Hologramy w świetle białym Hologram tworzy się dwuetapowo. Najpierw, wytwarza się hologram transmisyjny. Następnie robi się drugi hologram, wykorzystując obraz rzeczywisty z pierwszego hologramu jako przedmiot. W czasie tego procesu umieszcza się wąską poziomą szczelinę przed pierwszym hologramem. Dzięki szczelinie i warunek koherencji światła (przy odczytywaniu) nie musi być spełniony. Hologramy w świetle białym W rezultacie, przy odczycie hologramu: Gdy zmienia się kąt widzenia w poziomie zachowana jest trójwymiarowość obrazu; Gdy zmienia się kąt widzenia w pionie zmienia się kolor obrazu. 9

10 Materiały do zapisu hologramów Wszystkie materiały, które w trwały sposób zmieniają właściwości ł ś ś i optyczne (dielektryczne) pod wpływem ł światła i nadają się na hologramy. Stosuje się, np.: Emulsje halogenków srebra (klisza fotograficzna); Żelatyna (dichromated gelatine) Fotorezysty Materiały fototermoplastyczne Materiały fotochromatyczne Fotopolimery Warstwy ciekłokrystaliczne, Ciekłe kryształy domieszkowane barwnikiem, Materiały do zapisu hologramów Polimery fotoczułe Składniki: strukturalny PVK (A) C barwnik (B) Sensitizer TNF (C) Plasticizer ECZ (D) Działanie Elektrony pod wpływam światła stają się ruchliwe i przemieszczają się na pewną odległość Powstaje wewnętrzne pole elektryczne Barwnik zmienia orientację Powstają obszary o różnym n A B D 10

11 HOLOGRAFICZNY DYSK rysunek z Google Images, VI 2007 Holograficzny dysk Holograficzny zapis informacji ma tę zaletę, że zapis odbywa się w całej objętości dysku (nie tylko na powierzchni) i informację odczytuje się strona po stronie, a nie bit po bicie. Holografia ma szanse pokonać dwie technologiczne bariery jednocześnie: gęstość zapisu i szybkość odczytu. 11

12 Holograficzny dysk HVault announces holographic storage system with petabytes of capacity Do końca 2012 roku spodziewane są testy systemu, w pierwszej połowie 2013 dostawa w pełni działającego układu. Konkurenci: GE (też zapowiada GB w 2013); InPhase Technologies zniknęła z rynku; Optware system is currently in the late stages of research and development ( ). Holograficzny dysk: zapis Zapisywana informacja jest przetwarzana na obraz optyczny (przez przestrzenny modulator światła) Dalej wszystko przebiega jak przy zapisie zwykłego hologramu: Wiązka ą referencyjna i sygnałowa interferują i tworzą przestrzenny obraz w materiale światłoczułym dysku 12

13 Holograficzny dysk: zapis M. Czapelski, 300GB na jednym krążku, PC Word Komputer, 07, 2004 Holograficzny dysk: odczyt Wiązka odniesienia przechodząc przez zestaw luster (aby paść na nośnik pod takim samym kątem jak podczas zapisu) i soczewkę pada na nośnik. Następnie jest uginana po trafieniu na hologram, dając wiązkę niosącą odczytane dane. Ta wiązka pada na czujnik CCD, który przetwarza obraz na dane 13

14 Holograficzny dysk: odczyt M. Czapelski, 300GB na jednym krążku, PC Word Komputer, 07, 2004 Holograficzny dysk: zapis i odczyt M. Czapelski, 300GB na jednym krążku, PC Word Komputer, 07,

15 Struktura dysku (na przykładzie Optware) 2/01/04/holographic-versatile-discs.aspx Skolimowana wiązka światła zielonego i czerwonego pada na płytę. Czerwone światło służy do adresowania, natomiast zielone do zapisu informacji w postaci hologramu w fotoczułej warstwie. Światło czerwone nie oddziałuje na warstwę fotoczułą. Dichroiczne zwierciadło ma za zadanie odbijać wiązkę zieloną, a przepuszczać czerwoną. 29 Przestrzenny modulator światła Najlepszym przykładem SLM jest sam hologram; Stosuje się przestrzenne modulatory światła bazujące na różnych właściwościach fizycznych: Jest to np. modulator ciekłokrystaliczny; Modulator akustooptyczny; Modulator elektrooptyczny; Cyfrowe urządzenia (mikro-zwierciadła). 15

16 Holograficzny dysk: materiały Jednym z głównych problemów, które należy rozwiązać to znalezienie odpowiedniego materiału służącego do zapisu holograficznego. Wymagania: światłoczułość, trwałość zapisu, możliwość wielokrotnego zapisu i odczytu. Holograficzny dysk: materiały Przykłady: Nioban litu lub inne dielektryki krystaliczne; Polimery; Materiał amorficzny. 16

17 Holograficzny dysk: materiały Kryształy: np. LiNbO 3, Bi 2 TeO 5 Pod wpływem pola elektrycznego (światła) zmieniają się właściwości optyczne tych materiałów (współczynnik załamania). Można w nich zapisać dobrej jakości objętościowe hologramy; Ważną cechą jest czas życia informacji (w ciemności) Trwałość podczas ciągłego odczytu (Bi 2 TeO 5 dłużej niż 8 h przy ciągłym odczycie laserem 2mW, 532 nm) Holograficzny dysk: materiały Zjawisko zmiany współczynnika załamania: Elektrony absorbując energię fotonów przechodzą z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, stają się prawie swobodne; Dyfundują do obszarów nieoświetlonych; Po wyłączeniu ą światła elektrony ypozostają unieruchomione: powstaje wewnętrzne pole elektryczne, które lokalnie zmienia współczynnik załamania (zjawisko elektrooptyczne). 17

18 INNE ZASTOSOWANIA BARDZIEJ I MNIEJ POWSZECHNE Zabezpieczenia przed fałszerstwem H l j k i b i j d Hologramy jako oznaczenie zabezpieczające przed fałszowaniem lub kopiowaniem można znaleźć na banknotach, kartach kredytowych, paszportach, a także towarach konsumpcyjnych takich jak kosmetyki i lekarstwa. 18

19 Inteligentne hologramy Hologramy, które reagują na fizyczne, chemiczne lub biologiczne czynniki mogą (są) nowymi testami diagnostycznymi w dziedzinach od lotnictwa do medycyny. Jeszcze niedawno, medyczne hologramy należały do science fiction. W TV serialu Star Trek: Voyager, w 1995, załogał z 24-wieku walcząca z rebeliantami i Maquis traci lekarza i musi polegać na emergency medical hologram. Obecnie science fiction staje się faktem. Inteligentne hologramy Zasada działania: Odpowiedni receptor jest przyłączony do matrycy polimerowej emulsji fotograficznej. W rezultacie polimer ten podlega zmianie fizycznej lub chemicznej gdy (np.) wykrywana substancja przyłączy się do niego. To, z kolei, spowoduje widoczne zmiany koloru, jasności ś lub obrazu zakodowanego w hologramie. 19

20 Inteligentne hologramy Przykład: Sensor wilgotności. Substancją aktywną jest hydrożel (polimer, który może 1000-krotnie zwiększyć swoją objętość, gdy pochłonie odpowiednią ilość wody). Zatem, polimer w środowisku wilgotnym rośnie i struktura obrazu interferencyjnego zmienia się. To powoduje zmianę albo koloru, albo intensywności światła - co łatwo wykryć po prostu patrząc. Inteligentne hologramy Pierwszy komercyjny produkt: Sensor zawartości wody w paliwie lotniczym. Wykrywa zawartość wody powyżej 30 ppm (dawniej ocena paliwa była "na oko". Strzykawka zawierająca holograficzny sensor (o średnicy 1 cm) natychmiast po przekroczeniu granicznej zawartości wody generuje łatwo widoczny krzyż. 20

21 Inteligentne hologramy Pierwszy medyczny sensor: Sensor zawartości jonów sodu i potasu. Hydrożel zmodyfikowano tak, że dołączono do niego receptory tworzące duże kompleksy z jonami metalu (crown ethers). W przypadku jednego eteru:18- crown-6, stwierdzono, że "długość fali hologramu" była ł wprost proporcjonalna do zawartości ś potasu. Inne zastosowania holografii Telefoniczna karta kredytowa (w Europie) Karta ma powierzchniowy hologram, w którym zakodowana jest wartość. Po włożeniu do automatu czytnik czyta wartość, wymazuje ją i zapisuje nową; Czytniki kodów paskowych Mają holograficzny układ soczewek kierujący wiązkę lasera; Wyświetlacze w samolotach bojowych Aby pilot mógł odczytywać wskazania przyrządów patrząc jednocześnie przez przednie okno, wskazania wyświetlane są holograficznie. 21

22 Inne zastosowania holografii Wizualizacja fal dźwiękowych: Podwodna akustyka i hydrolokacja; Defektoskopia; Badanie biologiczne. Inne zastosowania holografii Holografia rentgenowska pozwala na badanie struktury materiałów. Hologram lokalnej struktury krystalicznego Fe 22

23 Holograficzna litografia Holograficzna litografia umożliwia wytwarzanie skomplikowanych 3D kryształów fotonicznych. Za pomocą siedmiu liniowo spolaryzowanych wiązek światła laserowego wytworzono na warstwie fotorezystu o grubości 40 µm wzór interferencyjny. Po polimeryzacji,wywołaniu i wysuszeniu powstał wzór o grubości ś 25 µm. Literatura P.E. Bagnoli et al., Dipartimento di Fisica Enrico Fermi, Universita it di Pisa. S.G. Johnson, Applied Mathematics, MIT. Ertan Salik, OAO Corporation. Andrea Macella, Università degli Studi di Lecce 23