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: ivana.mihalik2@gmail.com Ing. Norbert Tarjányi, PhD. Katedra fyziky žilinskej univerzity Mgr. Mária Pastorková Gymnázium Púchov E‐mail: pastorkowa@centrum.sk