Мой первый опыт записи отражательной голограммы с использованием лазерного диода

Владимир Цуканов автор исследования

Лазерные диоды, которые используются в DVD-RW приводах, можно использовать для записи голограмм. Главными преимуществами лазерных диодов являются низковольтность их электропитания (< 1-3 В), наибольший среди других типов лазеров КПД (до 80%) и долговечность (до 100000 часов). В полупроводниковой активной среде показатель усиления может достигать очень больших значений (до 10000/см.), благодаря чему размеры полупроводниковых лазеров исключительно малы.
Между двумя строго параллельными зеркалами резонатора располагается многослойная активная среда, в которой происходит генерация и усиление когерентного излучения. Роль зеркал играют поверхности сколов на торцах полупроводникового кристалла.
Активная полупроводниковая среда лазерного диода имеет зону проводимости с избыточным количеством свободных электронов и валентную зону, где недостающие электроны заменены дырками.

При рекомбинации электронов с дырками возникает когерентное излучение: ν = (Eэ – Eд)/h, где: Eэ – энергия электрона; Eд – энергия дырки. Активный элемент полупроводникового лазера представляет собой брусок монокристалла объемом несколько кубических миллиметров, а его излучающая часть — полоску шириной от 100 до 300 микрон и высотой менее 100 нм.

Перед тем, как записывать голограмму, для каждого лазерного диода следует найти оптимальный диапазон питающего тока и температуры полупроводникового кристалла, которые обеспечивают стабильный во времени одночастотный режим генерации.

Запись тест-голограммы в режиме генерации нескольких частот излучения.

Чаще всего, любители в своих опытах стараются получить высокую мощность излучения лазерного диода и, как следствие, многомодовый режим генерации, на чем и заканчиваются голографические эксперименты.
Для настройки лазерного диода требуется подобрать ток накачки и температуру лазерного диода для достижения одночастотного режима. Для этого используется очень точный прибор – интерферометр Фабри-Перо.

Для точной настройки советуем воспользоваться лабораторным интерферометром ИФП–30 с высоким разрешением и большой базой.

Картина интерфенции Фабри-Перо и графики частоты излучения лазера.

Многомодовый режим генерации (слева). Одночастотный режим генерации (справа).

После настройки одночастотного режима генерации, можно приступать к записи голограмм.

Порядок работы
1. Запись дифракционной решетки.

Подготовив установку для записи голограмм, можно провести серию занимательных опытов. Самый простой из них – запись дифракционной решетки.

На рисунке изображена оптическая схема получения голографической дифракционной решетки.

С помощью зеркал (1) и (2) делим лазерный пучок по фронту. При этом, поворачивая зеркало (1), можно менять угол схождения когерентных пучков в области регистрации. Чем больше угол (δ), тем выше частота дифракционной решетки и наоборот.

С помощью изготовленной дифракционной решетки можно изучать спектры. Например, посмотреть через такую решетку на ртутную лампу уличного фонаря и попробовать объяснить увиденное явление.

Демонстрация работы изготовленной дифракционной решетки.

Запись отражательной голограммы объекта.

Для записи голограммы была собрана вторая схема, изображенная на фотографии: 1 – лазер на радиаторе; 2 - блок питания лазера; 3 – фотопластина.

В качестве объекта были выбраны монеты и сувенирная медаль.

Схема записи отражательной голограммы Денисюка во встречных пучках.

Запись голограммы «во встречных пучках» производилась на фотопластинках ПФГ – 03М, имеющих разрешение 6000 линий на 1мм. Фотопластинка неподвижно крепится между объектом и источником когерентного излучения (лазером). Если за время экспозиции детали схемы сдвинутся хотя бы на четверть длины световой волны, картина интерференции будет смазана, а это значит, что голограмму мы не получим.
Необходимо обеспечить высокую стабильность оптической схемы. Это важнейшее условие получения голограммы, поэтому использовалась виброизолированная платформа.

Фотохимическая обработка голограммы.

После экспонирования голограммы в течение 10 секунд производилась фотохимическая обработка фотопластинок.

1 – ванна размачивания фотопластинки; 2 – проявитель; 3 – промывочная ванна; 4 – фиксаж; 5 и 6 – промвыка; 7 – спиртовая ванна.

Проявитель ГП-2 для фотопластинок ПФГ – 03М:
Метилфенидон — 0,2 г
Гидрохинон — 5 г;
Сульфит натрия, б/в (Na2SO3) — 100 г;
Едкий калий (KOH) — 5 г;
Роданид аммония (NH4SCN) — 6 г;
Вода дистиллированная — 1 л.

Фиксаж:
Тиосульфат натрия (Na2S2O3*5H2O) — 150 г;
Na2SO3 (безводный) — 50 г;
Вода дистиллированная — 1 л.

Режим химико-фотографической обработки для фотопластинок ПФГ-03М:
После регистрации голограммы фотохимическая обработка производится в следующей последовательности:

Восстановленное изображение источником белого света с полученной голограммы.

После высыхания эмульсии можно увидеть объемное изображение при освещении фотопластинки точечным источником белого света.

Список использованной литературы:

1. Акилов А.А., Шевцов М.К. Голография для любознательных: Книга для научных сотрудников школьного возраста. Ridero, 2017. 206 с.
2. Андреева О.В. Прикладная голография. Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. 184 с.
3. Баклицкий В.К., Юрьев A.H. Оптическая голография. / Под ред. Г.Колфилда. - Т.1-2. M., 1982.
4. Инструменты измерения: [Электронный ресурс] // Datalife Engine. URL: http://photoshop4u.ru. (Дата обращения: 13.02.2018).