홀로그래피

기본원리

가보르가 전자현미경을 개선하려는 시도에서 겪었던 문제는 사진사가 입체적인 사진을 찍기 위한 연구 속에서 부딪친 것과 본질적으로 똑같은 것이었다. 이를 실현하기 위해서는 광원으로부터의 빛의 흐름 자체가 사진으로 찍혀야 되는 것이었다. 빠르게 움직이는 다수의 골과 정점을 갖는 이런 빛의 파동이 잠깐 동안 동결되어 사진화된다면 그 파형은 재구성될 수 있으며, 반사시켜 그 빛을 낸 물체와 똑같은 입체적 특성을 보여줄 수 있을 것이다. 홀로그래피는 레이저 빔의 반사광의 위상과 진폭에 대한 내용을 기록함으로써 그러한 재구성을 가능하게 한다. 이 과정이 그림에 나타나 있다.

연파 레이저 홀로그래피

암실에서 광원 B로부터 물체 O로 간섭성 레이저 광선이 조명되면 물체의 형태에 따라 반사·분산·회절해 사진건판 P에 도달한다.

동시에 레이저 광선의 일부는 입사광, 즉 참조빛 A가 되어 거울 M에서 반사된 뒤 역시 건판 P에 도달한다. 이 두 광선은 서로 간섭하여, 두 파의 상대적 크기가 합쳐져 간섭줄무늬라고 하는 복잡한 줄과 나선의 형태를 사진건판 위에 만든다. 간섭줄무늬는 밝고 어두운 부분으로 번갈아 구성되어 있다. 밝은 부분은 건판에 부딪친 두 광선이 일치할 때(정점은 정점과, 골은 골과 만나는 때) 나타난다. 이때 두 광선은 같은 위상이고 서로를 강화시킨다.

골과 정점, 정점과 골이 만나 위상이 다른 경우는 서로를 상쇄시켜 어두운 부분이 된다. 이 현상된 건판은 홀로그램이라고 한다. 건판의 상은 찍힌 물체와는 닮지 않았지만, 물체에서 반사된 광선의 모든 위상과 진폭에 대한 정보를 지니고 있다. 레이저 광선의 2부분(직접광선과 반사광선)은 넓은 각도로 건판 위에서 겹치지만 홀로그램에서는 미세하고 조밀한 간섭무늬로 나타난다. 이러한 간섭무늬의 정보 형태는 사진화되는 물체의 광학적인 모든 정보를 지니고 있다.

위의 그림 중 아랫그림 2에서 볼 수 있듯이 이 과정을 거꾸로 하면 본래 물체의 영상이 재구성될 수 있다(광상). 간섭성 레이저 광선이 홀로그램 음화 H를 조명하면 레이저의 대부분은 중앙의 광선 A로 필름을 통과해 쓰이지 않지만 홀로그램 음화에 미세하고 조밀하게 나타난 간섭무늬는 회절격자로서의 역할을 하여 나머지 광선을 휘거나 회절시켜 홀로그램을 생성한 간섭성 광파의 원상태를 정확히 회복시킨다.

회절된 빛은 레이저의 참조빛으로부터 넓은 각으로 투과된다. 홀로그램의 광원 쪽 C에서 볼 수 있는 허상이 형성되면 그 반대편 B에는 사진화될 수 있는 실상이 나타난다. 이 2개의 재구성된 영상은 입체적 성질을 가지게 된다. 왜냐하면 보통의 사진 제판법이 지닌 진폭의 정보뿐만 아니라, 위상의 정보 또한 지니고 있기 때문이다.

이 위상 정보는 물체의 다양한 외형의 깊이·높이에 대해 정확한 정보를 갖고 있으므로 영상의 3차원적 특성을 제공한다. B지점에서 재구성된 상은 선택된 심도에서 정확한 초점으로, 보통의 사진 수단을 통해 찍을 수 있다.

홀로그램과 재구성된 상과의 외형상 차이점은 사진에서 보이는 것처럼 뚜렷하다. 이 경우 물체는 모피장신구가 있는 왕관 모형이었는데 위쪽의 확대된 부분의 홀로그램은 복잡한 줄무늬 모양이고 아래쪽은 이 홀로그램으로 얻은 상당히 뚜렷한 재구성 영상이다. 홀로그램으로 얻어진 사진화될 수 있는 실상은 요철이 뒤바뀐 상인 반영경이다.

이 반전된 상은 2중 반전으로 제거될 수 있는데, 마치 글씨의 거울상을 다시 거울로 보면 똑바로 되는 것과 마찬가지이다. 홀로그램의 실상은 유용한 특성을 지닌다. 카메라나 현미경은 다양한 심도의 선택지점에 위치하고 초점이 맞추어질 수 있다. 원래의 물체 또한 공간의 그 위치로 옮겨질 수 있다. 홀로그램은 다른 심도의 상(물체의 다른 횡단면)을 제공할 뿐만 아니라 보는 사람의 상이 관찰되는 주된 축을 벗어날 때 다른 방향에서 보여지는 상 또한 제공해준다.

직접적인 상은 이런 조건들하에서 나타날 수 있다. 홀로그래피에서는 연속적인 많은 다중 영상을 1개의 상으로 건판에 기록할 수도 있어서 홀로그래피를 컬러로 실현시킬 수 있다(컬러 사진). 3개의 홀로그램을 각기 다른 색깔의 3개 레이저를 이용해 동일한 건판에 겹쳐놓을 수 있다. 3개의 레이저를 통한 재구성은 홀로그램 건판 자체가 흑백일지라도 원래의 색상으로 상을 나타낸다.

펄스 레이저 홀로그래피

움직이는 물체가 펄스 루비 레이저의 아주 빠르고 고광도인 섬광에 의해 홀로그램으로 만들어지면 정지상태로 보일 수가 있다.

펄스의 지속시간은 10^－7초보다 적으며 물체가 이 짧은 시간 동안 빛의 파장의 1/10 이상을 움직이지 않는 한 유용한 홀로그램이 얻어질 수 있다. 연파 레이저는 오랜 노출을 필요로 하는 강렬하지 않은 광선을 만들기 때문에 움직임이 아주 미소할지라도 적합하지 않다. 펄스 레이저로 만들어지는 빠른 섬광의 광원으로는 상당히 빠르게 움직이는 물체도 검사할 수 있다.

화학반응은 용액의 광학적 성질을 종종 바꾸는데, 홀로그래피를 이용해 이러한 반응을 연구할 수 있다. 펄스 레이저로 생성된 홀로그램은 연파 레이저로 만들어지는 것과 동일한 3차원적 특성을 지닌다. 펄스 레이저는 통풍관 실험에 사용되고 있는데, 일반적으로 기체역학적 물체 주변의 고속도의 기체 흐름은 광학 간섭계(간섭줄무늬의 조그마한 변화를 검출하는 장치로 이 경우는 기체 밀도의 변화로 초래됨)로 연구된다. 그러한 기구는 조정하기 어렵고 안정성을 유지하기 힘들다.

나아가 광학상 이용되는 광학기구(거울·건판 등)들은 고속의 기체 흐름에서 왜곡을 최소화하기 위해 충분히 견고하고 고도의 정밀성을 지니고 있어야 한다. 그러나 홀로그래피 시스템은 광학간섭계의 필수적인 요구에 제약받지 않는다. 홀로그래피 시스템은 기체가 공기역학적인 물체 주변에서 휘어질 때 나타나는 압력의 변화에 의한 기체흐름에서 굴절률 변화를 간섭적으로 기록한다.

비사진성 홀로그래피

홀로그램 상들은 사진 건판 외에 다른 재료에도 기록된다. 그러나 이런 비사진 기록재의 대부분은 여전히 실험단계이고 홀로그램의 사진제작만이 널리 이용되고 있다.

주요응용

홀로그램으로 얻어진 실상은 카메라나 현미경으로 관찰될 수 있기 때문에, 조사하기 어렵거나 도달하기 불가능한 원물체의 부분을 검사할 수 있다.

이런 특성은 홀로그래피를 많은 목적을 위해 쓸 수 있게 해준다. 평면의 깊고 좁은 함몰부분은 현미경 대물 렌즈의 작동거리 한계 때문에 현미경을 쓸 수 없다. 그러나 간섭성 광이 세부까지 도달된다면 홀로그램을 만들어서 재구성된 화면을 이용할 수 있다. 이 상은 공간에 있기 때문에 원하는 부분에 현미경의 초점을 맞출 수 있다. 마찬가지로 카메라의 초점을 원하는 깊이에 맞추어서 깊고 투명한 공간 내에 있는 물체를 찍을 수 있다.

많은 홀로그래피의 응용에서 표면을 조금씩 기울이며 찍어 합성하는 반복 홀로그램은 합성의 반복파 형태로써 쓸 수 있다는 사실을 이용한다. 그런 두 형태가 결합된다면 보통의 2개의 광선 간섭계에 나타나는 똑같은 조건이 발생한다. 그 간섭계에서 한 광원은 두 광선으로 나누어지고, 나누어진 광선이 다시 만날 때는 간섭형태를 구성한다. 그런 배치는 몇 가지 방법으로 이루어질 수 있는데, 한 예로 홀로그래피의 노출이 표면으로 구성되고 홀로그램이 제거되거나 현상되기 전에 그 표면이 약간 기울어지고, 반복 홀로그램이 첫번째 홀로그램에 중첩되어 만들어진다.

이 이중 홀로그램이 재구성될 때 표면의 굴곡에 의해 만들어지는 간섭줄무늬에 의해 덮여진 표면뿐만 아니라 물체 또한 볼 수 있게 된다. 이 줄무늬는 물체에 대한 미세한 사진정보를 나타낸다.

홀로그래피 간섭계는 파면이 약간 변형되는 곳에서는 표면이 아무리 복잡할지라도 성공적으로 적용될 수 있다. 탄성변형 효과는 탄성변형이 일어나기 전과 후에 반사된 두 파면을 홀로그램에 중첩시킴으로써 연구 할 수 있다.

홀로그램을 재구성하면 간섭줄무늬에 의해 교차된 물체의 깨끗한 사진을 제공한다. 심지어 매우 복잡한 형태일지라도 구식 간섭계에서는 불가능했던 방법으로 이러한 접근이 가능하다. 변형을 만드는 데 쓰이는 방법의 선택에도 상당한 다양성이 있으며, 이러한 조건만으로도 광학 간섭계는 쓸 수 없게 된다. 또한 정적인 변형뿐만 아니라 느린 역학적 변화도 이런 방식으로 연구할 수 있고, 펄스 루비 레이저를 통해 상당히 짧고 빠른 변화를 연구할 수 있다.

시간에 따른 물체의 형태 변화는 단일·이중 노출 홀로그램을 가지고 연구하지 않고 다른 방법에 의해서 연구한다.

첫째, 아무런 힘을 가하지 않은 물체에서 홀로그램을 얻는다. 둘째, 물체에 응력을 가하고 새로운 홀로그램을 만든다. 그 응력상태의 홀로그램은 원래의 무응력상태의 홀로그램을 통해 관찰되며, 중첩은 이중 노출에 의해 만들어지는 간섭줄무늬 형태를 제공한다. 그런 방법으로 시간 변화가 연구된다. 진동판, 악기(예를 들면 바이올린의 몸체), 진동하는 증기 터빈의 날개 등과 같은 기계적 진동 시스템에 대한 유용한 연구가 진행되고 있다.

길이가 1m 정도인 대형 공학 부속품의 검사에는 특수한 문제가 제기된다. 홀로그램 건판과 물체 사이의 거리는 물체의 모든 부분이 한꺼번에 보일 수 있도록 충분히 커야 한다. 한편 레이저 강도는 증가되어야 하고 높은 간섭성이 요구되며 전체적 설치의 기계적 안정성이 특별히 좋아야 한다. 홀로그램 간섭계가 빠르게 회전하는 터빈 날개에서 이루어지는 진동검사에 이용될 때는 스트로보스코프 기술이 그 분석에 도움을 준다. 레이저 광은 스트로보스코프 법으로 터빈 날개의 회전에서와 같은 주파수에서 단절되며, 날개가 외형상 정지된 상태에서 홀로그램이 생성된다.

결과적으로 스트로보스코프 작용에 의해 움직임이 멈춘 날개에 대한 홀로그래피 간섭형태가 만들어진다. 스트로보스코프 장치의 주파수를 조금씩 바꾸어서 날개가 받는 진동응력 형태를 완전히 알아낼 수 있다. 홀로그램으로부터 터빈 날개와 회전하거나 진동하는 여러 물체의 응력에 대한 정보를 얻을 수 있다.