Второе рождение голографии

Автор: Александр Акилов. Дата публикации: 21 марта 2019. Категория: Статьи по голографии.

С появлением лазеров ранние опыты Д. Габора и Ю. Денисюка можно было повторить с большим эффектом. Результат не заставил себя долго ждать. И вот наступил день, когда фотография,  как самый реалистический способ регистрации изображений, побледнела перед новым открытием.

Эммет Лейт (12.03.1927 – 23.12.2005)	Юрис Упатниекс (07.05.1936)

В 1962 году на одной из фотовыставок  ученые Эммет Лейт и Юрис Упатниекс в присущей американцам манере устроили сенсацию.  Они показали трехмерное изображение шахматной доски, записанное на плоской фотопластинке. Это была первая внеосевая голограмма. Но качество ее способно было потрясти видевших всякое.

Так называемая длина когерентности лазеров в отличие от ртутной лампы в опытах Денниса Габора уже составляла не миллиметры, а десятки сантиметров, что позволило разделить направления падения на фотопластинку интерферирующих лучей: опорного источника и волнового фронта, отраженного от объекта и записывать очень глубокие сцены. При рассматривании голограмм Лейта – Упатниекса восстанавливающий источник в этом случае не попадает в поле зрения наблюдателя.

Оптическая схема записи голограммы Лейта - Упатниекса

Голографический стол с оптической схемой записи голограммы Лейта и Упатниекса:

1 – лазер; 2 – объект; 3 – фотопластина; 4 – расширители луча; 5 – отклоняющие зеркала; 6 – светоделительное зеркало.

Одна из первых голограмм «Игрушечный паровозик»  изготовлена Лейтом и Упатниексом в марте 1964 года

Наблюдать трехмерную сцену голограммы Лейта и Упатниекса за куском прозрачного стекла (имейте в виду, что голограмма для большей ее яркости отбеливалась), было сверх границ традиционного сознания. Люди пытались нащупать фантом, изображение которого ничем не отличалось от материального оригинала. Мало того, изображение, восстановленное с голограммы светом лазера, можно было записать на другую голограмму, при этом изменив не только положение объекта относительно фотопластинки, но и сам тип голограммы.

Свойства голограмм

 Голографическое изображение отличается от фотографии не только своей объемностью, но и еще несколькими важными свойствами:

1. При записи голограммы на её поверхность падает свет, отражённый от всех точек объекта, которые, по принципу Гюйгенса, становятся точечными источниками света. Поэтому даже маленький кусочек голограммы может дать изображение целой сцены, причём, чем дальше объект расположен от плоскости голограммы при записи, тем от большего количества точек свет попадёт на ВСЮ голограмму и тем более целостным будет изображение объекта.
2. Позитив и негатив голограммы, где черные полосы стали прозрачными и наоборот, дает то же изображение, что исходная голограмма.
3. Голографическое изображение можно увеличить на стадии восстановления. Когда голограмму записывают параллельным световым пучком, а восстанавливают расходящимся, изображение увеличивается пропорционально углу расхождения (геометрический коэффициент увеличения (k_г), однако при этом возникают искажения изображения, причём тем значительнее, чем больше коэффициент k_г. Если запись ведется излучением длиной волны λ₁, а восстановление – λ₂ > λ₁, то изображение станет больше в k = λ₂/ λ₁  раз  (волновой  коэффициент  увеличения (k_в)).  Полное увеличение равно произведению обоих коэффициентов;  например,  для  рентгеновского  микроскопа  (λ ₁ = 10^–2  мкм, λ ₂ = 0,5 мкм)  с k_г = 200  полное  увеличение  k = 10⁶.  Следует помнить, что при линейном  изменении поперечного  масштаба  изображения,  глубина  сцены  изменяется  по  квадратичному  закону, поэтому и в этом случае возникают искажения изображения. Например, запись портрета с помощью рубинового лазера (глубокий красный цвет, λ₁=694 нм), а копирование с помощью гелий-неонового лазера (λ₂ = 633 нм) приведёт к уменьшению изображения лица в плоскости голограммы в 1, 1 раза, а всей головы в глубину в 1, 2.

Если на одну пластинку записать голограмму в сходящихся пучках (по схеме Лейта), используя разные длины волн, то все они могут быть считаны при помощи тех же лазеров, причём каждый лазер восстановит без искажения « только свою» голограмму, а остальные с соответствующими изменениями масштаба. Это приведет к тому, что зритель увидит неискаженные и искаженные изображения одновременно. Хаос в восстановленном изображении разрушит впечатление реального пространства.  Такая же голограмма, но записанная во встречных пучках (по схеме Денисюка), восстановит одно, масштабно не искаженное, многоцветное изображение при освещении белым светом.

Полноцветная голограмма Денисюка, изготовленная Владимиром Кузнецовым г. Новосибирск 2015г. на высокоразрешающем фотоматериале  «Ultimate 08». Запись голограммы осуществлялась с помощью трех лазеров, излучающих в красной, зелёной и синей области спектра.

1. Голограмму можно рассчитать и нарисовать при помощи компьютера, и даже вручную. Так, зонную пластинку Френеля нетрудно начертить, получив простейшую голограмму одной точки, но чем сложнее объект, тем более запутанной становится такая искусственная голограмма.
2. Голографические изображения можно получать при помощи любых когерентных волн, например, акустических, возбужденных в жидкости. Интерференция звуковых волн создает на поверхности жидкости рябь, с которой эту акустическую голограмму восстанавливают лазерным лучом.
3. Голограммы обладают ассоциативными свойствами. С помощью голограмм можно распознавать и сравнивать самые разные изображения, подобно тому, как это делает наш мозг. Попробуем рассмотреть это удивительное свойство голограммы на максимально упрощенном примере. В действительности все выглядит гораздо сложнее, но здесь мы должны уяснить лишь принцип, не вдаваясь в технические сложности эксперимента.

Существует еще много удивительных свойств так называемых динамических голограмм в оптически активных средах, но об этом мы расскажем чуть позже.