Голография

Первые голограммы получил в 1947 году венгерский физик Деннис Габор, работавший тогда в Англии. Это название восходит к словам «холос» (весь, полностью) и «грамма» (написание). До изобретения венгерского ученого любая фотография была плоской. Она передавала лишь два измерения предмета. Глубина пространства ускользала от объектива.

В поисках решения Габор отталкивался от одного известного факта. Лучи света, отброшенные трехмерным объектом, достигают фотопленки в разные моменты времени. И все они проделывают различный путь за разное время. Говоря научным языком: все волны приходят с фазовым смещением. Смещение зависит от формы предмета. Ученый пришел к выводу, что объем любого предмета можно выразить через разность фаз отраженных световых волн.

«Конечно, человеческий глаз не в состоянии уловить это запаздывание волн, – пишет в журнале «Всемирный следопыт» Николай Малютин, – ибо оно выражается в очень маленьких промежутках времени. Данную величину надо преобразовать в нечто более осязаемое, например в перепады яркости. Это и удалось ученому, прибегнувшему к одному трюку. Он решил наложить волну, отраженную от предмета – то есть искаженную – на попутную ("опорную") волну. Происходила "интерференция". Там, где встречались гребни двух волн, они усиливались – там появлялось светлое пятно. Если же гребни волны накладывались на впадину, волны гасили друг друга, там наблюдалось затемнение. Итак, при взаимном наложении волн возникает характерная интерференционная картина, чередование тонких линий, белых и черных. Эту картину можно запечатлеть на фотопластинке – голограмме. Она будет содержать всю информацию об объеме предмета, попавшего в объектив.

Чтобы "объемный портрет" получился очень точным и детальным, надо использовать световые волны одинаковой фазы и длины. При дневном или искусственном освещении такой фокус не пройдет. Ведь свет обычно представляет собой хаотическую смесь волн разной длины. В нем есть все краски: от коротковолнового голубого излучения до длинноволнового красного. Эти световые компоненты самым причудливым образом сдвинуты по фазе».

Поскольку источников когерентного света в то время не существовало, ученый использовал излучение ртутной лампы, «вырезав» из него с помощью различных ухищрений очень узкую спектральную полоску. Однако мощность светового потока при этом становилась такой мизерной, что на изготовление голограммы требовалось несколько часов. Само качество голограмм оказалось весьма низким. Причины были в несовершенстве и источника света, и самой оптической схемы записи. Дело в том, что при записи голограммы возникает сразу два изображения по разные стороны пластинки.

У венгерского ученого одно из них всегда оказывалось на фоне другого, и при их фотографировании резким оказывалось только одно изображение, в то время как второе создавало на снимке размытый фон. Чтобы в таком случае увидеть изображение на голограмме, ее нужно просветить насквозь излучением той же длины волны, которая применялась при записи. Но есть и очевидное преимущество: такое объемное изображение создается любым, даже самым маленьким участком голограммы-пластинки, вследствие того, что луч, рассеиваемый каждой точкой предмета, освещает голограмму полностью. Выходит, любая ее точка хранит информацию обо всей освещенной поверхности объекта.

Появление лазера дало новый толчок развитию голографии, поскольку его излучение обладает всеми необходимыми качествами: оно когерентно и монохроматично. В 1962 году в США физики Эммет Лейт и Юрис Упатниекс создали оптическую схему топографической установки, которая с некоторыми изменениями используется до сих пор. Для того чтобы устранить наложения картинок, лазерный луч расщепляют на два и направляют на пластинку под разными углами. В результате голографические картинки формируются независимыми лучами, идущими по разным направлениям.

Другой принципиально новый способ голографирования удалось создать российскому физику Юрию Николаевичу Денисюку. Ученый использовал интерференцию встречных пучков света. Попадая на пластинку с разных сторон, пучки складываются в слое фотоэмульсии, формируя объемную голограмму.

С появлением лазера давняя идея Габора наконец-то была реализована. В 1971 году ученый получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике.

В 1969 году Стивен Бентон придумал способ изготовления голограмм при обычном, белом свете. «Для этого, – отмечает Малютин, – с помощью фотошаблона – тонкого слоя с множеством микрошлицов – надо изготовить «мастер-голограмму» и копировать ее голографическим способом. Шлицевой шаблон, наподобие призм, расщепляет дневной свет на основные цвета спектра. В каждый из шлицов входит световой пучок одной-единственной длины волны. Это обеспечивает интерференцию и помогает получить картинку, яркую, разноцветную, сверкающую разными красками в зависимости от угла зрения, – ту самую голограмму, к которому мы привыкли за последние годы».

Главное преимущество цветной голографии кроется в том, что ее можно копировать машинным способом, используя определенную технику тиснения. Красочную копию экспонируют на особый светочувствительный слой – фоторезистный лак. Этот материал отличается высокой разрешающей способностью. (Его применяют, например, в микролитографии, чтобы нанести на плату те или иные элементы микросхемы.)

В нашем случае, при массовом тиражировании голограмм, вначале берут цифровую камеру и фотографируют объект со всех сторон. Компьютер соединяет отдельные снимки. И вот трехмерное изображение готово. Затем в лаборатории лазер «гравирует» эту картинку на фоточувствительной пластине. Получается тонкий поверхностный рельеф. С помощью электролиза «гравюру» наносят на никелевую матрицу.

Матрица нужна для массового тиражирования голограмм. Их оттиски – по методу горячего тиснения – получают на металлической фольге. Теперь, как только луч света падает на голограмму, она начинает играть всеми цветами радуги. Среди этого многоцветья предстает перед зрителем изображенный предмет. Подобные голограммы дешевы. Изготовить их можно в любом количестве, лишь бы было оборудование.

Такие голограммы используют во всем мире в качестве наклеек на товарные упаковки и документы. Они служат прекрасной защитой от подделок: скопировать голографическую запись очень трудно.

Можно создавать голограммы, на которых изображены предметы, не существующие в реальности. Достаточно компьютеру задать форму объекта и длину волны падающего на него света. По этим данным компьютер рисует картину интерференции отраженных лучей. Пропустив световой пучок сквозь искусственную голограмму, можно увидеть объемное изображение придуманного предмета.

По мнению Сергея Транковского: «Настоящим подарком голография стала для инженеров: теперь они могут исследовать и регистрировать процессы и явления, описанные порой только теоретически.

Например, лопатки турбореактивного авиационного двигателя во время работы нагреваются до сотен градусов и деформируются. Каким образом распределяется при этом напряжение в детали, где находится ее слабое место, угрожающее разрушением, – определить это прежде было либо крайне сложно, либо вообще невозможно. С помощью голографических методов такие исследования проводят без особого труда.

Освещенная лазерным светом, голограмма восстанавливает световую волну, отраженную деталью при съемке, и изображение появляется там, где раньше находилась деталь. Если же деталь осталась на месте, возникают сразу две волны: одна идет непосредственно от объекта, другая – от голограммы. Эти волны когерентны и могут интерферировать. В том случае, если объект во время наблюдения подвергся деформации, его изображение покрывается полосами, по которым судят о характере изменений.

Методы топографического контроля очень удобны. Они позволяют измерять величину деформации деталей и амплитуду их вибрации, исследовать поверхности предметов сложной формы, следить за точностью изготовления как очень больших изделий (например, зеркал диаметром в несколько метров для телескопов), так и миниатюрных линз (как в микроскопе). Объект может плохо отражать свет, иметь неровную поверхность, быть совершенно прозрачным – на качество голограммы это не влияет. Благодаря мощным лазерным импульсам голограммы записывают за тысячные доли секунды. А потому сейчас можно изучать взрывы, электрические разряды и потоки газов, движущиеся со сверхзвуковой скоростью».

С помощью голограммы можно видеть сквозь матовое стекло или другую рассеивающую свет преграду. С рассеивателя снимают голограмму и совмещают одно из восстановленных с нее изображений с самим рассеивателем. Световые волны, идущие навстречу друг другу от голограммы и от рассеивателя, складываются и взаимно уничтожаются. Преграда исчезает, а предмет, лежащий за ней, становится виден во всех подробностях.

У современных технологов появилась новая идея. Она основана на способности лазера по заданной программе «сделать» из заготовки деталь любой формы и размера. Достаточно внутрь технологического лазера вставить голограмму эталонной детали, чтобы избавиться от необходимости писать программу и настраивать лазерную установку. Голограмма сама «подберет» такую конфигурацию луча и распределение его интенсивности, что «вырезанная» деталь будет точной копией эталона.

Надо обратить внимание на еще один, очень похожий способ выделения полезных сигналов, который называется оптической фильтрацией, или распознаванием образов. Подобным образом можно отыскивать нужные изображения среди множества других похожих, например отпечатков пальцев. Для этого с эталона необходимо сделать голограмму, а затем поставить на пути светового пучка, отраженного от проверяемого объекта. Голограмма пропустит свет только от объекта, полностью идентичного эталону, «бракуя» другие изображения. Яркое пятно на выходе оптического фильтра – сигнал, что объект обнаружен. Примечательно, что поиск ведется с огромной скоростью, недостижимой при использовании других методов, поскольку он может вестись автоматически.

«Голографические методы, – пишет Транковский, – применимы не только к свету – электромагнитному излучению, но и к любым другим волнам. В частности, предмет, погруженный в непрозрачную или мутную жидкость, можно разглядеть с помощью звука. Излучатели акустических колебаний создают в жидкости две когерентные волны. Одна (предметная) «озвучивает» предмет, вторая (опорная) – поверхность жидкости. Их интерференция вызывает на ней рябь – так называемую акустическую голограмму. Освещая ее пучком лазерного света, восстанавливают объемное изображение предмета, лежащего в воде. Впрочем, поступают и по-другому: сигнал от системы миниатюрных микрофонов записывают на фотопластинку в виде полос почернения, а потом восстанавливают с нее объемное изображение лучом лазера».