1. Вступление
Спектроскопия — разделы физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения (в том числе, электромагнитного излучения, акустических волн и др.) с веществом. В физике спектроскопические методы используются для изучения всевозможных свойств этих взаимодействий. В аналитической химии — для обнаружения и определения веществ при помощи измерения их характеристических спектров, то есть методами спектрометрии. К существенным преимуществам спектроскопии можно отнести возможность диагностики непосредственно в «среде обитания» объекта, бесконтактно, дистанционно, без какой-либо специальной подготовки объекта. Поэтому она получила широкое развитие, например, в астрономии.

Задача спектроскопии - предсказание вида спектра вещества исходя из знаний о его строении, составе и т.д.. Но возможна и обратная задача: известный спектр, но неизвестный состав. И по спектру можно определить, что за вещество (химический состав, агрегатное состояние (твердое тело, жидкость, газ, плазма), если газ, то можно примерно определить давление, для плазмы температуру и степень ионизации, также можно определить количественные характеристики)

Различают: спектр излучения и спектр поглощения
Для сравнения:

А) Спектр излучения
В) Спектр поглощения
_________________________________________________________________
Спектры твердых тел (далее: тт), молекул, газов (ионов) существенно различаются.
Спектр тт непрерывный.
Вот, к примеру, спектр излучения тела разогретого до 6 000 градусов:

Вообще по спектру тт невозможно определять химический состав. Потому что там есть температурная зависимость. Пик интенсивности перемещается от красного к фиолетового диапазона.
Вот спектр излучения тела разогретого до 10 000 градусов:

А вот для тела разогретого до 3 000 градусов:

По этим графикам это очень отчетливо видно.
___________________________________________________________________
Спектр молекул полосатый. Но определить хим. состав вполне можно.
Вот, к примеру, спектр парафина:

Молекула парафина большая и поэтому спектр более напоминает непрерывный. Но, обратите внимание на синий диапазон (фиолетового нет)! Вот те 2 линии принадлежат молекулам радикалов CH и C2.
Вот спектр углекислого газа (СО2):

Это спектр излучения от бутановой горелки:

Линии принадлежат молекулам радикалов CH и C2.
Это спектр принадлежит горящему спирту:

Так же видно линии, которые принадлежат молекулам радикалов CH и C2. Но видно также линии, которые им явно не принадлежат (это натриевые линии). Просто натрий был в фитиле, а фитиль тоже горел. И вот появился спектр натрия.

Я думаю, благодаря фотографиям теперь очевидно, что такое полосатый спектр и чем он отличается от других (к примеру, от линейчатого). Линии полосатого спектра намного шире, чем для линейчатого.
___________________________________________________________________
У атомов и ионов спектр линейчатый (или по-другому: дискретный) (в принципе у очень малых молекул типа: СО2, N2 и т.д. спектр тоже напоминает линейчатый, но при более детальном исследовании видно, что он полосатый)
Вот примеру этому:

Это спектр водорода. На переднем фоне спектр атома, а на заднем (слабее и очень много линий) это спектр молекулы водорода H2.

Это спектр кадмия:

Это спектр рубидия:

Это спектр цинка:

___________________________________________________________________
Вот ещё пару спектров:
Спектр излучения белого светодиода:

Спектр излучения лазерного диода (660 нм):

Спектр излучения DPSS лазера (532 нм):

____________________________________________________________________

2. Спектры
Спектр излучения (или поглощения) для каждого вещества уникален (связано с энергетическими уровнями молекул/атомов/ионов)
Но на спектр влияет также условия, в которых находится вещество. Ну, к примеру, есть колба с неоном. При разряде с слабым током возникает излучение со спектром:

Это спектр излучения атома неона

Но, допустим, мы увеличиваем ток. И уже некоторая часть атомов неона начинает ионизироваться. Но у иона неона спектр другой (ну, добавляются новые линии, некоторые линии, в принципе, могут исчезать или менять интенсивность).

Вот спектр неона, но это уже смесь (атомы неона и ионы неона):

p.s. Вот почему необходимо следить за спектром излучения трубки гелий-неонового лазера! Газовая смесь как бы сама говорит, что ей не нравится! Если слишком большой ток, то появляются новые линии (преимущественно это касается неона), если есть течь у трубки и в трубку попадают посторонние газы, то тоже появляются другие линии («левые»). Если гелия в трубке мало, то это тоже можно увидеть (в современных трубках это основная проблема! У старых может ещё и натечь, что-то), т.к. линии гелия слабеют

Кому интересно, почему для каждого атома/молекулы/иона свой уникальный спектр, могу посоветовать почитать в книгах:
1. Пихтин А.Н. — Оптическая и квантовая электроника, 2001
2. Ельяшевич М.А. — Атомная и молекулярная спектроскопия, 2001
Ну, или спросить у меня )
____________________________________________________________________
И ещё одно. Часто в спектроскопии (да и не только) можно встретить такую запись: ArI или ArII или FeV. Теперь я объясню, что означает такая запись. Ну, к примеру, к вам попала фотография спектра ArII. Запись ArII означает, что этот спектр принадлежит иону аргона с зарядом +1(т.е. без одного электрона)
И так:
ArI — нейтральный атом аргона (заряд равен 0)
ArII — ион аргона (заряд равен +1)
ArIII — ион аргона (заряд равен +2)
ArIV — ион аргона (заряд равен +3)
FeV — ион железа (заряд равен +4)
____________________________________________________________________
Вот спектры атомов в видимом диапазоне:

Здесь не все линии. Нет слабых! Здесь только основные (сильные) линии для видимого диапазона (400 нм -700 нм)
Кому надо со всеми линиями и спектры ионов (или с интенсивностями), то обращайтесь, у меня есть.
____________________________________________________________________
Я думаю, вам это не помешает:
Это спектр, который видит человеческий глаз с длинами волн:

____________________________________________________________________

3. Самодельные дифракционные решетки

Для работы любого спектроскопа есть 2 самые главные вещи:
1. Наличие диспергируещего элемента (далее: дэ)(если в роли дэ играют решетка или призма)
2. Диафрагма на входе в прибор.
Остальные элементы не очень важны, но с ними качество изображения и разрешающую способность увеличится.
В роли дэ может служить призма дифракционная решетка или интерферометр (в нашем случае не рассматриваем). Решетка предпочтительней, потому что у неё большая разрешающая способность(по сравнению с призмой) и её легче сделать (по сравнению с интерферометром). Но, правда, с призмой будет ярче изображение. Можно и призмы дома делать. Но это гораздо тяжелее (есть, правда, один фокус с зеркалом и водой, но такая призма будет очень не удобной).Если делать спектроскоп с интерферометром(обычно Фабри-Перо), то диафрагма на входе не обязательна. Но для начала надо хотябы сделать с решеткой.Потому что у призм разрешающая способность ниже, а итерферометр делать не так уж легко, не говоря работать с ним.
Есть 2 варианта:
1. Самый простой, быстрый и дешевый. Решетка получится довольно неплохого качества. Неплохая разрешающая способность. Нормальная яркость. Профиль прямоугольный (или напоминающий его). Но штрихи в виде дуг. И из-за этого будут некоторые «аномалии» при работе такой решетки.
2. Сложный, долгий (4-5 часов и не учитывая подготовки!) и дорогой (ну, 5-15 $ за решетку). Количество штрихов /мм вы контролируйте. Качество достижимо практически идеальное (но, разумеется, зависит от ваших рук!). Профиль синусоидальный. Штрихи прямые. Нужно специальное приспособление (ну, там: лазер, некоторая оптическая схема)
____________________________________________________________________
Метод №1
Не секрет, что оптические диски могут служить как неплохие дифракционные решетки. При использовании разных типов дисков, мы получаем решетки с разными количествами штрихов /мм.
Вот справочные данные:
625 штрихов/мм — CD(700 МБ)
633 штрихов/мм — CD(800 МБ)
1351 штрихов/мм — DVD
3125 штрихов/мм — Blu ray
____________________________________________________________________
Для CD:
1. Находим ненужную болванку (можно пустую, а можно и записанную) и желательно пустую, и относительно новую. Со старыми будут проблемы!

2. С помощью ножниц разрезаем диск на 2 половинки:

В принципе это уже и есть дифракционной решеткой, работающей на отражение. Но если вам интересно сделать решетку на пропускание, то продолжим дальше. Обратите внимание на края. Там где вы разрезали. Пленка алюминиевая начинает отходить. Для решеток, которые будут работать на отражение это плохо. У меня такое произошло, потому что диск старый (ему 2 года). С новыми такое гораздо реже случается.
3. Берем скотч. Отрезаем кусок скотча и наклеиваем на кусок от диска (на ту часть, где этикетка (картинка)!!!). Наклеивать по всей площади этикетки!

4. Отдираем скотч.
Вот как показано здесь:

Всё нормально, фольга и должна со скотчем остаться!
В результате получим такое:

Если остаются остатки пленки на решетке, то не вздумайте её отдирать скотчем. Если вы наклеите на рабочую поверхность (после того как удалили пленку) скотч, то потом будут следы от него, которые уже не возможно будет удалить! Попробуйте её снять аккуратно ногтем. Или чем-то другим, но оно должно быть достаточно мягким, но чтобы можно было счистить остатки пленки и не острым.

Если вы делаете такую решетку на отражения, то могут возникнуть проблема. Когда вы разрезали диск на 2 части, а диск у вас достаточно старый (хотя такое может произойти и на не качественных новых), то на краях, где вы резали, будет отслаиваться алюминиевая пленка.
Вот как показано здесь:


Проблема заключается в том, что если нечего не делать дальше, то пленка может и дальше отслаиваться.
Решение есть такое:
1. Берем скотч, отрезаем кусок примерно такой же, как указано на фотографии ниже. И очень аккуратно наклеивается на диск (на ту же сторону, что и на фотографии)


2. Отрезаем излишки скотча

3. И та часть скотча, которая выступает за край диска (когда вы отрезали излишки скотча, то надо чтобы некоторая часть потом выступала за края диска) прижимаем к самому диску. В результате должно получиться такое:


Это продлит жизнь таких решеток.

Вот теперь у вас есть решетка, работающая на пропускание с периодом:

1.6 мкм для CD(700 МБ)
1.58 мкм для CD(800 МБ)

____________________________________________________________________
Для DVD:
Здесь сложнее. Просто взять и отрезать кусок от диска не прокатит. Потери слишком большие.
И так:
1. Находим ненужную болванку(можно пустую, а можно и записанную). Я предпочитаю брать пустые болванки компании:

Так как с них получаются очень хорошие решетки. И качество этих болванок очень высокое. А пустые потому что, меньше риск, что алюминиевая пленка начнет отслаиваться. Ну, а вы берите какие хотите. Только если болванка плохого качества, то решетки может не выйти. Читайте дальше почему.
2. С помощью хороших ножниц делаем из одной болванке — две болванки! Отрезать лучше всего посередине!

3. Берем одну половинку и в торец и пытаемся просунуть ноготь (я обычно так и делаю) или остриё ножа. Там в реале 2 диска. Они спрессованные в один. А ногтем или ножиком мы их разделяем и у нас получается 2 половинки диска.

И разделяйте эти слои.


В итоге вы должны получить это:

И не переживайте если увидите это:

Всё нормально.

Но если диск плохого качества, то может начать отслаиваться пленка алюминия. Вот как здесь:

То это уже всё — напрасно убили болванку.

Одна часть, в принципе, уже может работать как решетка на пропускание (теоретически её ещё можно помыть спиртом, только спиртом!но на практике яркость изображения потом падает). На этой половинке вполне вероятно, что и вовсе нет решетки. Но за счет, что там остается фоторезист, который повторяет контура дорожек и происходит дифракция. А вторую надо немного доделать.
4. Мы решили сделать решетку с очень низкими потерями. Для этого там нужна та часть, где осталась алюминиевая пленка с основной частью фоторезиста.
Вот эта половинка диска:

Берем ацетон или спирт. Также берем ватку (ну или что-то другое, только оно должно впитывать растворитель и не растворятся в нем). Макаем ватку в растворитель и протираем поверхность. Это необходимо делать крайне осторожно! И сильно не нажимать! Желательно обеспечить минимально трение. Потому что тогда будет отдираться пленка (хотя, если диск хреновый она и так отойдет)! А это очень хреново. Придется всё заново делать!
Вот, что мы в результате должны получить:

Слева 2 пропускающих решетки. А справа 2 отражающие решетки со снятым фоторезистом. Те темные точки на отражающих решеток, это следы влаги. Они легко устраняются.

Кстати, так можно проверять качество дисков. Но посмертно .
Вот теперь у вас есть решетки на пропускание и отражение с периодом 0.74 мкм!
____________________________________________________________________
Для Blu ray:
Про Blu ray я практически ничего не могу сказать. Я их в живую не видел. И поэтому алгоритма как сделать с них решеток я пока не даю. Мне известно только то, что их можно приспособить для наблюдения спектров и есть основание полагать, что они имеют такую же структуру, как и DVD (2 спрессованных диска). Как попадется она мне в руки, я напишу.
____________________________________________________________________
Метод №2

Не задавали ли вы себе вопрос: что такое голограмма? По сути это дифракционная решетка, но это очень хитрая дифракционная решетка!
Вот фотография, голографическая пластинка с записанной голограммой под электронным микроскопом:

Это лишь малый её участок. Как видно по фотографии такая решетка очень сложна. Но нам не требуется, чтобы штрихи на решетки не описывали какие-то сложные узоры. Нам нужно, чтобы они были прямые! Такое можно сделать. Для начала необходимо вообще познать теорию записи голограмм.

Вот рекомендуемые ссылки:
http://www.holography.ru/techrus.htm
http://lasers.org.ru/laser-effects-shows/71-holographypart1.html
http://lasers.org.ru/laser-effects-shows/72-holographypart2.html

Я не буду касаться технологии записи голограмм. Алгоритм записи голографической решетки такой же, как и для голограммы. Только схема установки другая. Метод Денисюка для записи голографических дифракционных решеток не подходит. Там свой метод.
Вот схема установки для записи голографических дифракционных решеток:

Два когерентных пучка получаются после отражения от зеркала 1 при делении излучения лазера на зеркале 2. Затем отражательные зеркала 3, 4, 7, 5 и 8 формируют два сходящихся пучка, которые расширяются с помощью микрообъективов 6 и 9 и коллимируются объективами 10 и 11. Зеркала 3 и 4 необходимые для того, чтобы были одинаковые оптически длины пути. Но идеально уравнять их не получится и здесь в дело вступает длина когерентности. Конструкция должна быть защищенная от вибраций! Голографические пластинки не должны быть сенсибилизированы для одной длины волны. Необходимо, чтобы они были сенсибилизированы для нескольких длин волн или небыли вовсе не сенсибилизированы (это лучше всего!). Для большой эффективности у используемых фотопластинках толщина эмульсионного слоя должна быть побольше (но в меру). Скажем, хорошо подходят те пластинки, которые предназначены для записи методом Денисюка (там эмульсионный слой достаточно толстый). И разрешающая способность должна быть достаточно высокой. И тут появляются проблемы, для обеспечения максимальной эффективности нужны фазовые голограммы (меняется коэффициент преломления), а не амплитудная (меняется коэффициент поглощения). Нужно использовать пластинки на хромированной желатине (БХЖ) (такие как ПФГ-04(ПФГ-04 — фотопластинки для записи отражающих и пропускающих голограмм на хромированной желатине (БХЖ)). Имеют разрешающую способность более 10 000 лин/мм. Рассчитаны на запись голограмм аргоновым лазером в сине-зеленой области спектра)). Не, ну можно использовать и другие, но решетка не очень получится. Такие пластины можно делать дома. В принципе можно делать и галоидно-серебряные фотопластинки дома, но эти гораздо проще. Хотя и их не совсем просто делать. Для них (голографических фотопластинок на БХЖ) будет оптимально будет использовать лазер на 405 нм.
Вам необходимо изучить, как проявлять пластины ПФГ-04 и им подобные. Для этого зайдите на форум сайта:
http://www.holography.ru
Период будущей решетки можно вычислить по формуле:

P.S. Кстати, есть любопытная информация, что можно улучшить спектр полупроводникового лазера с помощью решетки! И решетки, которые делаются по методу №2 вполне годятся для этого.

В принципе, практически все современные дифракционные решетки производят по голографическому методу. Так дешевле и качественнее, чем нарезные. Профиль у таких решеток синусоидальный. Эффективность, у них, очень высокая.
____________________________________________________________________
Для спектроскопов, работающих в видимой области наилучшая будет решетка на 2 000 — 2 500 штрихов на мм. При очень большом количестве штрихов на мм (ну, скажем 6 000) решетка не сможет работать в видимой области. А с решеткой на 3 000 — 3 500 штрихов на мм будет очень неудобно работать. Но если слишком мало, то будет низкая разрешающая способность решетки. По этому для профессионалов оптимально будет 2 000 — 2 500 штрихов на мм. Но для любителей вполне сойдет 600 — 1 500 штрихов на мм.
____________________________________________________________________

4. Самодельные спектроскопы

Немного теории

Для справки:
Спектроскоп — оптический прибор, предназначенный для наблюдения спектра непосредственно глазом.
Спектрограф — оптический прибор, предназначенный для фиксирования изображения спектра на фото. Роль регистрирующего элемента играет фотопластинка или CCD матрица фотоаппарата.
Монохроматор — оптический прибор, предназначенный для выделения одной длины волны в пределах заданного спектрального диапазона.

Теперь немного теории с решетками.
Допустим, у нас есть решетка, работающая на отражение.
Мы знаем:
1. Под каким углом падает свет на решетку
2. Период решетки (он равен 1/N , где N — количество штрихов на мм)
3. Порядок максимума
4. Угол максимума
Нас будет интересовать длина волны соответствующая этим параметрам.
Это можно вычислить по этой формуле:

n — порядок максимума; может принимать только целые положительные или отрицательные значения, n=0,±1,±2,±3,…
D — период решетки; он равен 1/N , где N — количество штрихов на мм
β — угол падения света на решетку
α — угол максимума (угол между нулевым порядком(n=0) и интересующим порядком)
λ — длина волны

p.s. Могут быть проблемы с кодировкой и греческие символы альфа, лямбда и т.д. могут отображаться не корректно. Если это случилось, то, пожалуйста, сообщите мне

А если решетка работает на пропускание:

только здесь:
d тоже, что и D в формуле выше
ϑm тоже, что и α в формуле выше
ϑ0 тоже, что и β в формуле выше
m тоже, что и n в формуле выше

Давайте рассмотрим простейший случай. Когда свет падает на решетку перпендикулярно. Это означает, что ϑ0 или β (для самой первой формуле) будут равными 0 (обратите внимание, на картинках указано откуда отсчитывается углы!).
Тогда мы получим:

Из выше написанного можно сделать выводы:
1. Вот почему оптимально использовать решетки до 2 000 2 500 штрихов на мм
2. Чем меньшая длина волны, тем слабее отклоняется (с призмой иначе).
3. У решетки параметры линейные. Спектр не искажается (сжимается или расширяется). Потому что зависимость длина волны и угол, на который она отклоняется линейная. А у призмы нет! У призмы зависимость коэффициента преломления от длины волны изменяется нелинейно.
Зависимость коэф. преломления от длины волны (энергии фотона) для кварца:

____________________________________________________________________

Теперь немного практики
Возьмите свою дифракционную решетку (или призму) и попытайтесь увидеть спектр от лампы дневного света.
Вы увидите примерно такое:

Если картинка отличается, то ничего. Смысл здесь другой. Обратите внимание на изображение. Линии размытые. Трудно заметить несколько близко расположенных линий, что это отдельные линии, а не одна. Но не страшно. Нужно просто немного ограничить количество света идущего на наш дэ. Нужно добавить диафрагму (по-другому называют оптический нож, или просто щель). Щель не должна быть круглой, а должна быть прямоугольной. А для того, чтобы не было засветки нужно корпус.
Короче говоря, что-то такое должно быть:
Для решеток работающих на пропускание:

Для решеток работающих на отражение:

1. Изучаемый источник света
2. Диафрагма (щель)
3. Диспергирующий элемент (дэ); в нашем случае решетка.
4. Приемник света

Теперь алгоритм:
1. Ищем хорошую коробку (корпус)
2. Достаем дэ или просто делаем его (в случае решетки)
3. Ищем, в роли чего может выступать диафрагмы. Оно должно быть ровным, не прозрачным (бумага не подходит, оно должно быть из пластика или метала). Хорошо подходят ненужные пластиковые карточки или лезвия.
4. Всё это клеим (скотчем или клеем). Учтите! С решетками надо крайне аккуратно! Их легко поцарапать!

Вот что у меня получилось:
Диафрагма(вид сверху)

Диафрагма(вид снизу)

Теперь посмотрим спектр лампы дневного света:
Решетка на 1351 штрихов/мм:

Это уже другая лампа дневного света:
Решетка на 1351 штрихов/мм:

Решетка на 625 штрихов/мм:

Вот теперь другое дело. Только не повторяйте моей ошибки. Корпус должен быть покрашен черной краской и желательно изнутри. Иначе будет засветка. Особенное внимание уделите передней части.

На счет диафрагмы. Возникает вопрос: какую щель установить? С одной стороны, чем она уже, тем лучше. Разрешающая способность возрастает. Но с другой стороны, меньше света попадает в прибор. А значит, яркость будет меньше. Вот такая проблема. Я рекомендую делать диафрагму регулируемой и настраивать её в зависимости от ситуации. Если нет такой возможности, то устанавливайте её в этих пределах:
1. Для большой яркости источника света: толщина 0.5 — 1 мм (ртутная лампа, натриевая лампа, солнце, и т.д.)
2. Для средней яркости источника света: толщина 1 -1.5 мм (лампа дневного света, лампа накаливания на 30-100 ватт, и т.д.)
3. Для малой яркости источника света: толщина 2 и более мм (трубка гелий-неонового лазера, неоновая лампа, и т.д.)
Диафрагма должна быть вдоль нарезки дорожек! Между диафрагмой и решеткой должно быть не менее 5 см (лучше всего около 10-15 см, почему будет в следующей части).

Это у меня была решетка на пропускание. Для решетки на отражение всё тоже самое. Только нужно вычислить угол её наклона относительно нижней стенки корпуса (на рисунке этот угол помечен как: *)
Если в качестве дэ использовать призму, то надо ещё будет придумать, как её закрепить.

Вот попытка заснять спектр солнца:

Если присмотреться, то видно, что спектр солнца не непрерывный(это спектр поглощения, значит искать темные полосы!). Скоро я заменю на более качественную фотографию. Ну, спектроскоп хоть и игрушечный и фотка получилась не очень (просто солнце тогда не было в прямом поле зрения), но некоторые линии я могу рассмотреть и определить чью они(2 линии водорода, магния, железа, ещё нормально видно 2 линии это скорее всего это гелий)
____________________________________________________________________

p.s. В следующей части точно будет: разрешающая способность, как усовершенствовать свой спектроскоп, оцифровка спектра и анализ на компьютере. И также я может ещё что-то добавлю дополнительно про то, что я уже писал (решетки с Blu ray дисков, голографические диф. решетки, и т.д.). И может быть я расскажу про самодельные интерферометры Майкельсона и Фабри-Перо.
Если есть вопросы, то задавайте.
Меня можно найти здесь:
http://www.lasers.org.ru/forum (Ник: Korol)
Или в крайнем случае здесь:
http://vkontakte.ru/id14028736 (Когда будете добавлять в друзья, то пожалуста сделайте пометку, что вы по поводу статьи по спектроскопии!)
Но лучше будет если через форум.

Итак, у нас должны быть готовы:

1. Лазерная установка. Причём лазер должен быть наклонён на угол 56 градусов относительно вертикали (или 34 градуса к горизонту).
2. Микроамперметр и фотодиод. Возможно Придётся переключить микроамперметр в режим милиамперметра, если ток через фотодиод будет очень большим
3. Под рукой табличка (график) зависимости времени экспонирования от тока через фотодиод.
4. Большая коробка из под обуви.
5. Готова вся химия для проявки и закрепления.

Записывать голограмму мы будем по схеме Денисюка.

Подготовка химии.

Как я уже писал, лучше всего расположиться в ванной. Начать стоит с подготовки химии. Необходимо найти пластиковые или стеклянные ёмкости. Лучше всего подходят кюветы для проявки фотографий. Нам понадобится как минимум 4 одинакового размера.

Достаём бутылки с химией из холодильника.
Ждём, пока химия нагреется до температуры порядка 20 градусов. Так как в ванной всегда прохладнее, чем в других комнатах (по крайней мере у меня), то достаточно подождать минут 30-60, пока всё нагреется до температуры окружающего воздуха.

Теперь начинаем всё разливать по кюветам.
В первую заливаем проявитель, предварительно разведя его водой согласно инструкции, которая прилагалась к химии.
Во вторую закрепитель.
В третью — обычную воду, и 1-2 маленьких капли шампуня. Причём мешаем очень медленно и аккуратно, пены не должно быть!!! Пена убийственная для голограммы. Если получилось много пены — сливаем и разводим заново, добавив меньше шампуня.
В четвёртую наливаем обычную воду.
Все растворы должны быть максимальночистыми, кюветы вымыты начисто. Можно даже профильтровать химию через марлю, прежде чем заливать в кюветы.

В шаговой доступности оставляем крышку от коробки из под обуви. Ею мы будем накрывать кювет с проявителем.

Располагаемся по-удобнее.

Собственно нужно реализовать следующую схему расположения элементов:

У меня это выглядит примерно так:

Вверху, на полке стоит лазер.
На столе фигурка, с которой снимаем голограмму.
Над фигуркой фотопластинка.
В бутылках — химия.

Настройка лазера.

Приступим к настройке лазера. Для этого нам понадобится сам лазер и DVD болванка. Если есть интерферометр Фабри-Перо — то вообще замечательно.
Включаем лазер, видим примерно это:

Обратите внимание, как освещён лист бумаги! Никаких кругов и точек, равномерное освещение.
Теперь одной рукой крутим потенциометр R4, а сами смотрим на потолок.
Крутим до тех пор, пока не увидим чёткую интерференционную картинку, похожую на эту:

Такая картинка не приемлема:

Наличие чётких и резких полосок свидетельствует об одномодовом режиме лазерного диода. Именно в этом режиме можно снимать голограмму. В других режимах голограмма либо не получится, либо будет не яркой с «бегающими» полосками.

Ждём минут 5 — 10 и наблюдаем за картинкой. Возможна ситуация, что спустя около минуты работы, картинка изменится. Это нормально. Лазерный диод нагревается и переходит в другие режимы. Нужно прогреть лазерный диод и добиться режима, когда он, в течении нескольких минут, не меняет режима (картинка на потолке не изменяется, видно чередование чётких и резких красных и чёрных полосок).
Также нужно обратить внимание на дрожь картинки. Если картинка дрожит — голограммы вы не получите.

Итак, мы получили нужный режим лазера, больше потенциометр не трогаем, лазер пока выключаем.

Расположение фигурки и фотопластинки.

Фигурка должна располагаться за фотопластинкой. Освещаться должны и фотопластинка и фигурка. Фигурку нужно расположить как можно ближе к фотопластинке. Фотопластинку и фигурку нужно надёжно закрепить, чтобы ничего не шаталось.

На верхний торец фотопластинки перед снятием голограммы надо будет наклеить кусочек изоленты. Делается это для того, чтобы лазер, попав на торец, не начал переотражаться внутри фотопластинки. Если этого не сделать, то появятся чёрные полоски на голограмме, примерно вот такие:

Все вместе под лазерным освещением у меня выглядит так:

Вместо фотопластинки при настройке расположения можно вырезать кусочек бумаги, соответствующий размеру фотопластинки. Размер фотопластинки указан на коробке (в тубусе) с фотопластинками.

Далее нужно всё правильно расположить.
Фотопластинка должна быть одинаково освещена как в центре, так и по краям. Максимальное отклонение интенсивности 30% !
Интенсивность проверяем фотодиодом. Если ток через фотодиод на краях фотопластинки меньше на 30 % или более, чем в центре — нужно расположить лазер подальше от фотопластинки, увеличив площадь, которую освещает лазер. Лучше будет, если вы добьётесь разницы в 10%. Это напрямую связано с качеством голограммы.

Затем по току через фотодиод определяем нужное время экспонирования (время, которое нужно освещать фотопластинку). Замеры проводятся при выключенном свете и включённом лазере естественно.

Все приготовления готовы. За окном тёмная ночь, все спят. Свет везде выключен, никто по дому не ходит, лазер выключен. Лишь зелёный светлячок где-то в дальнем углу светит тусклым зелёным светом. Вся химия готова. Глаза привыкли к темноте.
Тут-то и начинается самое интересное в жизни начинающего голографиста-любителя.

Алгоритм действий.

1. Достаём фотопластинку из тубуса, фотопластинку держим только за края!
2. Дышим на поверхность фотопластинки и «ловим» блики от светлячка. Если не видно, что стекло запотело, то дышим на другую сторону фотопластинки. Запотевшую сторону принимаем за верхнюю сторону фотопластинки. На нижней стороне — желатина, очень нежная. К ней прикасаться нельзя!!! Желатина практически мгновенно впитывает влагу, поэтому эта сторона и не запотевает.
3. Кладём фотопластинку на чистый лист бумаги желатиной вверх!!!
4. Закрываем тубус с фотопластинками.
5. Берём нашу фотопластинку, и на торец верхней стороны фотопластинки наклеиваем кусочек изоленты.
6. Располагаем фотопластинку над фигуркой. Расположение должно быть таким же, как при подготовки. смещения крайне не желательны. Желатиной к фигурке, верхней стороной к лазеру.
7. Накрываем фотопластинку с фигуркой большой плотной коробкой, чтобы случайно не засветить фотопластинку.
8. Ещё раз проверяем, не забыли ли мы закрыть тубус с фотопластинками.
9. Включаем лазер.
10. На коробку кладём DVD болванку.
11. Ждём минут 5-10, пока лазер не прогреется и не войдёт в режим. На потолке в конечном итоге мы должны наблюдать не меняющуюся интерференционную картину (те самые полоски). Крутить потенциометр R4 запрещено!
12. Убираем DVD болванку.

Отсчитывать секунды придётся «про себя», с лазерами от DVD время экспонирования колеблется от 0.5 до 7 секунд. Если меньше секунды, то как повезёт, таймера у меня не было.Если есть электронный сетевой таймер, который отключает блок питания лазера из сети — то вообще супер. У меня такой техники не было. Если Вы передержите фотопластинку под лазером — картинка будет очень тёмной или вообще ничего не будет.Если не додержите — голограмма будет тусклой, не яркой.

13. Медленно приподнимаем коробку, которая закрывает фотопластинку с фигуркой. Приподнимаем и подносим к лазеру так, чтобы не засветить фотопластинку.
14. Аккуратно и быстро убираем коробку и засвечиваем фотопластинку. Отсчитываем секунды (время экспонирования), и так же аккуратно и быстро заслоняем лазер.
15. Так же аккуратно накрываем фотопластинку с фигуркой.
16. Выключаем лазер.

Опять темно

17. Убираем коробку, берём фотопластинку.
18. Аккуратно, желатиной вверх, под очень острым углом к горизонту, кладём фотопластинку в проявитель. Если случайно положили желатиной вниз — голограмма испорчена, хим раствор испорчен. Раствор заменить, голограмму просушить и использовать для настройки расположения в будущих попытка.
19. Держим в проявителе от 6 до 10 минут, покачивая кювет каждые 30-60 секунд. Если передержать — то голограмма будет очень тёмной с пеленой. Если недодержать — голограмма будет тусклой, не яркой. Точное время проявления достигается методом проб и ошибок, я на это убил около 15 фотопластинок. Я в проявителе держу 7 минут 50 секунд. Желательно кювет накрыть крышкой от коробки, вдруг кто-нибудь свет включит?
20. Когда время пришло — аккуратно, под углом, вытаскиваем голограмму из проявителя. На желатиновом слое не допускаются пылинки или пузырьки. Если таковые есть — нужно аккуратно, пошатывая голограмму вверх вниз, смыть эти пылинки. Но шатать медленно, не активно, иначе желатиновый слой испортится и голограмма тоже.
21. Так же аккуратно кладём голограмму в закрепитель, покачиваем кювет каждые 30-60 секунд. Через 3-5 минут достаём.Только теперь наша голограмма не боится света. Аккуратно кладём голограмму в кювет с чистой вводой. Засекаем 10 минут. Включаем свет. Покачиваем кювет каждые 2-3 минуты.
22. Достаём голограмму из воды, пытаемся смыть пылинки, если таковые есть, пошатывая фотопластинку в кювете. Но не в коем случае не пытайтесь убрать пылинки пальцами или кисточкой, это очень сложно. Скорее голограмму испортите.
23. Погружаем голограмму в кювет с мыльной водой (водой с шампунем).
24. Аккуратно, медленно пошатываем фотопластинку в мыльной воде, достаём подуглом. Если увидели пылинку или пузырь — снова погружаем и медленно «вытягиваем», добиваясь смыванияпылинки или пузыря… Если не получается — бог с ним, лучше не трогать…
25. Кладём фотопластинку в вертикальном положении на салфетку, где-нибудь в серванте, где нету сквозняков и пыли.

Ну вот и всё. Через 6-12 часов голограмма высохнет и на неё можно будет посмотреть. Если всё сделано правильно, то под обычной лампой накаливания вы увидите фигурку, с которой снимали голограмму.

Но желатиновый слой всё так же нежен. Его надо защитить. Откладываем голограмму обратно в сервант на 2-3 суток, чтобы подсохла как следует.

Укрепить можно обычной матовой краской из баллончика. первый слой очень тонкий, сразу даём ему высохнуть. потом второй слой, такой же тонкий как первый. Задача состоит в том, чтобы покрасить не дав желатине размякнуть от краски, поэтому первые слои краскиделаем очень тонкими.
3 и 4 слои можно уже потолще делать.

В итоге желатиновая сторона получится такой:

Если всё сделали правильно, то вращая в руках фотопластинки под обычной лампочкой получится следующая красота:

Правда необычная фотография?

Отдельная благодарность сайту Lasers.org.ru, за статьи по лазеростроению (ведь именно с этого всё началось). А именно, спасибо Artemka, nikitas, и всем форумчанам за помощь.

В данной статье будет минимум теории и максимум моей практики.

Данная статья для многих сможет послужить неким алгоритмом для создания собственной голографической установки на основе лазера из DVD привода.

По материалу из википедии:

Голография — набор технологий для точной записи, воспроизведения и переформирования волновых полей.

А если проще, то если через какую-то плоскость мы восстановим весь волновой фронт, то мы не сможем отличить оригинал от копии.

Если мы восстановим этот волновой фронт от какой-либо фигурки, то в идеальном случае мы сможем рассмотреть эту фигурку под всеми углами к плоскости.

Пожалуй на этом теория о голографии закончится, там очень много тонкостей и нюансов. Больше теории можно прочитать тут.

Для голографии нам понадобятся:

1. Лазерная установка, 650 нм.
2. Фотодиод с документацией и характеристиками.
3. Большая коробка из под обуви.
4. DVD болванка, любая.
5. Микроамперметр.
6. Много места в ванной.
7. Фотопластинки ПФГ-03.
8. Химия для проявки и закрепления.
9. Чёрная матовая краска, в баллончике
10. Прямые руки.
11. Голова на плечах с мозгом на борту.

Фотопластинки и химию можно заказать, зарегистрировавшись и связавшись с Holos. Цены в этой теме.

Лазерная установка.

С чего всё началось? Началось всё с желания.
Нет, не с желания сделать голограмму, а с желания заполучить таки достаточно мощный видимый лазер (вероятно именно по этой причине Вы и оказались на этом сайте). Чтобы спички поджигал или обжигал кожу. В общем, опасную игрушку хотел. Но денег не было. И тут в руки мне попался неисправный DVD привод, когда-то пишущий.
В общем вытащил из него лазерный диод, к счастью моему он оказался в стандартном корпусе ТО-56.

Вдоволь наигравшись с указкой, решил сделать стационарную систему для голографии.

Итак, для экспериментов спаял питающую схему:

Эта схема хороша тем, что она не сильно привередлива к источнику питания. Можно использовать 8 банок аккумуляторов типа АА. Можно подключить к блоку питания на 9 или 12 вольт с максимальным током на выходе до 500 мА.

К тому же эта схема сгладит скачки напряжения при включении, длительность которых примерно равна C3*R2=200 Ом * 100 мкФ = 0.02 секунды

Максимальный ток ограничивает резистор R3. В данной схеме ток через лазерный диод можно изменять с помощью потенциометра R4 от 17 до 300 мА.

V1 — Любой источник от 9 до 12 вольт, максимальный ток на выходе до 500 мА.

D1 — Стабилитрон на 2.4 Вольта, 0.2 Вт мощность. Не путать со стабистором!

R1, R2 — маломощные, 0.025 Вт хватит.

R3, R4 — мощнее, 2.5 Вт или мощнее. Будет надёжнее, если найти 5 Вт. R4 нужно расположить так, чтобы иметь простой доступ до него. Им мы будем часто пользоваться непосредственно перед созданием голограммы. Подстроечный маленький резистор не годится, нужно нечто более долговечное и износостойкое, легко крутящееся

На транзистор обязательно нужно повесить радиатор. На нём будет рассеиваться до 3 Вт.

Рекомендации относительно R3. Ниже приведены рекомендованные значения резистора R3, в зависимости от максимальной скорости записи DVD привода. С такими значениями Ваш лазерный диод никогда не сгорит от перегрузки по току, гонять можно часами.

В качестве корпуса использовал всё тот же многострадальный DVD привод.
Для диода выточил хороший алюминиевый радиатор. Радиатор для диода обязателен! Нужно обеспечить хороший теплоотвод. В своей установке я никаких элементов Пельтье не использовал.

ВНИМАНИЕ! Лазерный луч не нужно фокусировать!!! Никаких стёклышек или линз быть не должно! Если Лазерный диод с крышкой, нужно проверять чистоту излучения. От лазерного диода должно быть равномерное пятно, без кругов и чёрных точек. Белый лист бумаги должен быть равномерно освещён.
Если видны чёрные кольца или точки, то крышку у диода нужно спилить.
Лучше всего для голографии подходят диоды в корпусах типа Open-Can.

Включив диод Вы увидите, что по одной оси луч расходится больше, чем по другой, перпендикулярной оси.
Диод в радиаторе нужно закрепить так, чтобы ось, по которой расходимость больше, совпадала с линией горизонта. Это крайне важный момент, связанный с поляризацией луча лазера. Лазер должен быть поляризован по вертикальной оси. Опыт показал, что лазерные диоды нужно располагать именно так, как описано выше.

Далее необходимо сделать уголок, который бы отклонил нашу лазерную установку под углом Брюстера.
Теперь поняли, зачем нужно соблюсти нужную поляризацию и правильно расположить лазерный диод?
Нужно исключить отражение луча от поверхности стекла. И главное, мы таким образом исключаем отражения внутри стекла. Если этого не делать, то на нашей голограмме появятся чёрные интерференционные полоски.
Схематично всё, описанное выше,можно изобразить так:

Вот моя лазерная установка:

Уголок сделал из алюминия. Лучше даже будет сделать из толстого прочного пластика, т.к. он лучше глушит вибрации. А металл наоборот не приветствуется, т.к. он «звенит».Этой вибрации будет достаточно, чтобы голограмма вообще не получилась.

Лазерная установка должна стоять максимально устойчиво. Поэтому желательно сделать её на 3-х острых ножках.

Хорошо. Установка готова к использованию. О настройки его мощности будет описано во второй части.

Фотодиод. Время экспонирования.

Теперь нам понадобится фотодиод для измерения интенсивности лазерного излучения. Фотопластинки — они как фотоплёнка: если долго освещать — картинка станет слишком тёмной, ничего не будет видно. Если очень мало освещать — картинка будет слишком тусклой.

Для этих целей я купил фотодиод BPW20RF. К нему прилагалась и документация, по которой я смог оценивать интенсивность лазерного излучения. Из документации нам нужны следующие параметры:

1. Чувствительность фотодиода к световой волне 650 нм. Измеряется в Ампер/Ватт.
2. Площадь фотодиода, в метрах квадратных.

Так же нужно знать чувствительность фотопластинки к нашему лазеру. На коробке с фотопластинками указана «Голографическая чувствительность при максимальной Дэ, Дж/м^2″. Обычно там написана цифра 2. Реально же их светочувствительность получается порядка 5. Так же нужно не забывать, что чем старее фотопластинки, тем чувствительнее они становятся (время экспонирования становится меньше)

Ниже приведена формула, по которой легко оценить время экспонирования в зависимости от тока через фотодиод.

где

Pl — Голографическая чувствительность фотопластинки, указано на коробке с фотопластинками, измеряется в Дж/м^2
S — Чувствительность фотодиода к световой волне 650 нм. Измеряется в Ампер/Ватт. Смотрим в документации.
A — Площадь фотодиода, в м^2. Смотрим в документации.
I — Ток, в Амперах. Смотрим на амперметре перед снятием голограммы.
t — Время экспонирования, в секундах.

Желательно перед снятием голограммы подготовится и сделать график, где очень быстро и без вычисления можно было бы посмотреть необходимое время экспонирования. На графике зависимость времени экспонирования от тока через фотодиод.

Для тех, у кого волшебным образом окажется фотодиод BPW20RF, всё уже заранее готово. Все графики и вычисления выполнены в MathCad тут и тут.

Вот так выглядит мой измеритель:

Фотопластинки.

Как и упоминалось раньше, чем они старше — тем чувствительнее. Но и это ещё не всё! Срок их хранения очень мал, около 3-х месяцев. Хранить нужно в холодильнике. Если не проявленная фотопластинка на обычном свету имеет серый цвет (кстати если Вы на неё так посмотрели, то она уже будет испорчена) , то она уже не пригодна для голографии.
Так же от времени они становятся всё более чувствительными.
По своей сути Фотопластинка мало чем отличается от обычной фотоплёнки… только «зерно» разное. У обычной фотоплёнки разрешающая способность ~200 линий на мм, а у голографической — 3000-5000 линий на мм.
На обычную фотоплёнку мы записываем информацию об амплитуде того или иного цвета.
На голографическую пластинку мы записываем интерференционную картинку. Картинка получается посредством сложения луча, который пришёл от лазера и луча, который отразился от предмета.

Химия.

Как разводить химию — будет написано на листочках, которые будут вложены в коробку с химией при покупке.
Желательно разлить всё в пластиковые бутылки, с ними будет проще работать.
Хранить необходимо так же в холодильнике.
При проявлении и закреплении температура жидкостей должна лежать в диапазоне от 15 до 20 градусов. Иначе ничего не получится.

Обстановка.

Фотопластинки не терпят света! Ни в коем случае не открывайте коробочку в комнате!!! сразу всё испортите…
Открывать коробку с фотопластинками можно только в темноте. Менее всего эти пластинки чувствительны к зелёному свету. Поэтому нужно сделать зелёный светлячок. Но и он должен быть как можно менее ярким.
Лучше всего голографией заниматься в ванной (если Вы делаете это дома). Там можно запереться и гробовая темнота будет вам обеспечена.

Вот мой светлячок. Зелёный светофильтр, рюмка, 2 батарейки, лампочка, магнитики из DVD:

И лучше снимать голограммы ночью. Дело в том, что не допустимы любые вибрации при экспонировании. Даже говорить нельзя…Я во время экспонирования даже не дышу! Мельчавшие вибрации всё вам испортят. Если кто-то идёт в соседней комнате или слушает музыку, даже разговаривает и Вы это слышите — вряд ли голограмма получится. Нужна гробовая тишина и покой!

Если после прочтения данной статьи не отпало желание заниматься голографией, то смело можете приступать к прочтению второй части, где будет описан и продемонстрирован сам процесс.