holografickÁ ŠoŠovka ivana miháliková norbert tarjányi ... · norbert tarjányi mária...
TRANSCRIPT
Tvorivý učiteľ fyziky VIII, Smolenice 7. ‐ 9. apríl 2015
- 160 ‐
HOLOGRAFICKÁ ŠOŠOVKA Ivana Miháliková Norbert Tarjányi Mária Pastorková Gymnázium Púchov Abstrakt: Príspevok sa zaoberá holografiou a holografickou šošovkou. Prináša základné informácie o princípe vytvorenia holografického záznamu a o spôsobe výroby holografickej šošovky pracujúcej v režime tzv. reflexného hologramu, jej vlastnosti a využitie. Hlavným cieľom je opísať funkčnú holografickú šošovku navrhnutú pre červenú oblasť spektra, ktorá sa správa ako spojka. Holografická šošovka by mala pri dodržanej geometrii vzhľadom na predmet a matnicu dokázať na matnicu premietnuť ostrý obraz predmetu osvetleného bielym svetlom iba v červenej farbe. Kľúčové slová: holografia, hologram, holografická šošovka Úvod Rok 2015 bol Organizáciou spojených národov a UNESCO vyhlásený za rok svetla a technológií založených na svetle. Na rozdiel od mechaniky, elektriny a chémie, ktoré tvorili základ technológií 20. storočia, sa v tomto storočí očakáva rozvoj nových smerov a technológií na báze fotoniky. Patria k nim využitie obnoviteľných zdrojov energie (fotovoltika), moderné informačné technológie, biozobrazovanie (mikroskopia) a určite aj holografia. Nechali sme sa inšpirovať možnosťami posledne spomínanou technológiou. Príspevok je venovaný doteraz najdokonalejšej známej metóde tvorby obrazu – holografii a jej praktickému využitiu v podobe holografickej šošovky. Tvorba holografickej šošovky Experiment zameraný na tvorbu spojnej holografickej šošovky sme realizovali v špecializovanom laboratóriu optiky Katedry fyziky na elektrotechnickej fakulte Žilinskej univerzity. Nahrávanie holografického záznamu na fotocitlivý záznamový materiál sme v spomínanom laboratóriu uskutočnili v popoludňajších hodinách, aby sme obmedzili vplyv otrasov a vibrácií, ktoré vznikajú v budove pri prevádzke v dopoludňajších hodinách. Uvedené nežiadúce vplyvy by mohli spôsobiť časovú a priestorovú nestabilitu interferenčného poľa signálneho a referenčného zväzku vo fotocitlivom holografickom materiáli a tým znehodnotiť alebo úplne znemožniť výrobu funkčnej spojnej holografickej šošovky.
Obr. 1 Optická sústava použitá pri výrobe holografickej šošovky
Tvorivý učiteľ fyziky VIII, Smolenice 7. ‐ 9. apríl 2015
- 161 ‐
Pred realizáciou samotného experimentu sme sa prostredníctvom katalógového listu oboznámili s holografickým materiálom‐záznamovým médiom typu BAYFOL® HX 102 FILM, od firmy BAYER MATERIAL SCIENCE AG z Nemecka. Holografický materiál má špecifické vlastnosti, ktoré sú vyhovujúce pre vytvorenie zvolenej holografickej šošovky. Samotný záznamový materiál (holografický fotopolymér) je nanesený na substráte z polykarbonátu, ktorý predstavuje nosné médium. Fotopolymér aj substrát sú chránené tenkými polyetylénovými fóliami, ktoré sa pred samotným použitím záznamového média musia mechanicky odstrániť. Index lomu fotopolyméru je 1,485 a substrát 1,58). Typická hrúbka substrátu je 125 ± 2 µm, hrúbka záznamového fotopolyméru je 16 ± 2 µm. Pred nahrávaním hologramu sme na základe orientačného výpočtu odhadli potrebný čas expozície – čas osvetlenia záznamového média laserovým svetlom v podobe rovinnej a signálnej guľovej zbiehavej vlny. Čas sme počítali vychádzajúc z údajov vyjadrených grafickou závislosťou modulácie indexu lomu od expozície, ktorá je uvedená v portfóliu výrobcu daného záznamového média. Vychádzali sme z nameraných hodnôt výkonov referenčnej a signálnej vlny prepočítaných na plochu 1cm2 a z očakávanej hodnoty modulácie indexu lomu vyrábanej holografickej šošovky. Holografickú šošovku sme vytvorili zaznamenaním interferenčného poľa rovinnej a guľovej zbiehavej svetelnej vlny vo fotopolyméri. Pri vytvorení holografickej šošovky sme využili Mach‐Zehnderov interferometer, ktorý bol zostavený pracovníkmi Katedry fyziky Žilinskej univerzity. Je to optická sústava dvoch polopriepustných zrkadiel (PZ1, PZ2) a dvoch zrkadiel so 100% odrazivosťou (ZR1, ZR2) usporiadaných tak, ako ukazuje fotografia.
Obr. 2 Mach‐Zehnderov interferometer
Ako zdroj koherentného svetla sme použili hélium‐neónový laser s výkonom 15 mW, s vlnovou dĺžkou 633 nm. Na rozšírenie svetelného zväzku sme použili optický expander, ktorý dokáže rozšíriť svetelný zväzok s Gaussovským priemerom 1mm na zväzok s Gaussovským priemerom 10mm. Po zapnutí lasera sa zväzok dopadajúci na polopriepustné zrkadlo PZ1 pod uhlom 45° rozdelí na referenčný a signálny zväzok (vlnu), ktoré zvierajú uhol 90°. Signálna vlna postupuje priamo na rovinné zrkadlo ZR1, od ktorého sa odrazí tiež pod uhlom 90°. Po odraze prechádza cez spojnú šošovku s ohniskovou vzdialenosťou 20 cm, ktorá mení rovinnú svetelnú vlnu na guľovú zbiehavú. Guľová zbiehavá vlna pokračuje smerom k záznamovému holografickému materiálu. Druhá vlna, ktorá prešla cez polopriepustné zrkadlo PZ1 pokračuje k rovinnému zrkadlu RZ2. Po odraze môže priamo dopadať na povrch záznamového holografického materiálu. Skôr ako spustíme nahrávanie holografického záznamu interferencie rovinnej referenčnej a guľovej zbiehavej signálnej vlny, musíme overiť, či je svetelný výkon oboch vĺn aspoň približne rovnaký. Na meranie výkonu
Tvorivý učiteľ fyziky VIII, Smolenice 7. ‐ 9. apríl 2015
- 162 ‐
rovinnej a guľovej zbiehavej vlny sme použili merač optického výkonu ‐ powermeter. Aby mali tieto dve vlny približne rovnaký výkon, pokúsili sme sa znížiť väčší výkon referenčnej vlny, ktorý by negatívne ovplyvnil difrakčnú účinnosť vytvorenej holografickej šošovky. Použili sme šedý opticky filter so 70% priepustnosťou, ktorý sme vložili do referenčného ramena interferometra, aby pohltil nadbytočnú svetelnú energiu referenčnej vlny. Posledným krokom pri príprave experimentu bolo prilepenie holografického záznamového materiálu na druhé polopriepustné zrkadlo PZ2 v zatemnenej miestnosti laboratória. Podľa výsledku interferencie rovinnej a guľovej zbiehavej vlny v danom mieste záznamového poľa, dôjde k modulácii indexu lomu. Keďže vlny interferujú pod uhlom 90°, vznikne na zázname určité špecifické rozloženie interferenčných maxím a miním a teda špecifické rozloženie miest s určitým indexom lomu. Výsledkom bude, že po osvetlení záznamu interferenčného poľa sa záznam správa ako spojná šošovka, teda fokusuje svetelné lúče. Pred prilepením materiálu na polopriepustné zrkadlo PZ2 sme museli zohľadniť dvojlomnosť záznamového substrátu a materiál natočiť tak, aby oba zväzky dopadajúce na substrát mali aspoň približne rovnakú rovinu polarizácie. Príliš rozdielna rovina polarizácie referenčnej a signálnej vlny by spôsobila, že výsledok interferencie vĺn by nebol výrazný. Toto sa môže stať práve preto, lebo substrát je dvojlomný. Po splnení všetkých dôležitých podmienok sme mohli začať s hlavnou časťou nášho experimentu – expozíciou, ktorá trvala v našom prípade 68 minút. Podľa uvedených informácií o použitom materiáli, pri danej dávke osvetlenia by stačilo exponovať 40 minút, avšak pre možné zlyhanie sme expozičný čas predĺžili, čo nespôsobilo nijaké škody na materiáli vďaka jeho vlastnostiam. Počas expozície sme neboli prítomní v laboratóriu, aby sme nespôsobili nežiadúce záchvevy, ktoré by mohli znížiť difrakčnú účinnosť vytvorenej holografickej šošovky. Po skončení expozície sme materiál opatrne premiestnili z polopriepustného zrkadla na blok z priehľadného skla s rozmermi 3x50x50mm.
Obr. 3 Zobrazovanie vlákna žiarovky pomocou holografickej šošovky
Záver Holografia má v dnešnom svete široké uplatnenie v mnohých technických odvetviach. Hologramy sa čoraz viac stávajú vyhľadávaným spôsobom ochrany dôležitých dokumentov pred zneužitím a zabezpečujú bankovky pred ich falšovaním. Taktiež pomocou holografie dokážeme ukladať dáta na optické nosiče a nepotrebujeme používať 3D okuliare, aby sme videli projekciu trojrozmerných
Tvorivý učiteľ fyziky VIII, Smolenice 7. ‐ 9. apríl 2015
- 163 ‐
pohyblivých objektov. Holografia je jedinečná metóda záznamu, ktorá má veľkú perspektívu do budúcnosti. Jedným zo zaujímavých využití je šošovka vyrobená pomocou holografie. Holografická šošovka má v súčasnej dobe široké uplatnenie. Na rozdiel od klasickej šošovky vyrobenej z materiálov ako sú sklo či plast, má takáto šošovka vytvorená na fotocitlivom materiáli pomocou metódy holografického záznamu minimálne rozmery. Holografická šošovka môže v mnohých optických systémoch ponúknuť značné prevádzkové výhody. Táto šošovka je tenká, plochá a veľmi ľahká, čo ju robí atraktívnou v mnohých aplikáciách. Sú vyrábané pre optické systémy so špeciálnymi požiadavkami, ktoré nemožno jednoducho dosiahnuť bežnými optickými prvkami založenými na odraze a lome. Poďakovanie Touto cestou ďakujeme Ing. Norbertovi Tarjányimu, PhD. za ochotu spolupracovať pri tvorbe práce, vďaka nemu sme sa dozvedeli o holografickej šošovke. Rovnako mu ďakujeme za poskytnutie cenných informácií, teoretických podkladov, vzácneho záznamového média na výrobu holografickej šošovky a za čas strávený pri odbornom dohľade počas výroby holografickej šošovky. Taktiež veľká vďaka patrí pani profesorke Márii Pastorkovej za pomoc pri sprostredkovaní témy práce a odborného školiteľa, za rady pri tvorbe práce po odbornej, formálnej a obsahovej stránke. Adresa autorov Ivana Miháliková Gymnázium Púchov E‐mail: [email protected] Ing. Norbert Tarjányi, PhD. Katedra fyziky žilinskej univerzity Mgr. Mária Pastorková Gymnázium Púchov E‐mail: [email protected]