Параллельные миры

Голография — метод получения объемного изображения объекта путем регистрации и последующего восстановления волн. Волны могут быть при этом любые — световые, рентгеновские, корпускулярные, акустические и т. д. Метод получения голограммы изобрел английский физик венгерского происхождения Д. Габор в 1948 году.

Слово голография в переводе с греческого означает весь., целый. Этим названием изобретатель хотел подчеркнуть, что в голографии регистрируется полная информация о волне — как амплитудная, так и фазовая.

В обычной фотографии регистрируется лишь распределение амплитуды (точнее, ее квадрата) в двухмерной проекции объекта на плоскость фотоснимка. Поэтому, рассматривая фотографию под разными углами, мы не получаем новых ракурсов, не можем, например, увидеть, что делается за предметами, расположенными на переднем плане.

Голограмма же восстанавливает не двухмерное изображение предмета, а поле рассеянной им волны. Смещая точку наблюдения в пределах этого волнового поля, мы видим предмет под разными углами, ощущая его объемность и реальность.

Физическая основа голографии — учение о волнах, их интерференции и дифракции, зародившееся еще в XVII веке при Гюйгенсе. Уже в начале XIX века Юнг, Френель и Фраунгофер располагали всеми научными возможностями, чтобы сформулировать основные принципы голографии. Многие ученые во второй половине XIX и начале XX века — Кирхгоф, Рэлей, Аббе, Вольфке, Брэгг — подходили к принципам голографии достаточно близко. Можно это объяснить тем, что они не имели технических средств для реализации голографии.

Правда, Габор в 1947 году также не имел лазера и делал свои первые опыты с ртутной лампой в качестве источника света. И тем не менее Габор смог с полной определенностью сформулировать идею восстановления волнового фронта и указать метод ее осуществления.

Но развитие голографии шло медленно. В 1963 году американцы Э. Лейт и Ю. Упатниекс впервые получили лазерные голограммы. За год до этого они предложили свою «двухлучевую схему», значительно усовершенствовав исходную схему Габора.

В соответствии с принципом Гюйгенса — Френеля действие исходной, первичной волны в произвольной точке А можно заменить действием виртуальных источников, расположенных на достаточно обширной, удаленной от точки А поверхности. Эти источники должны колебаться с теми же амплитудой и фазой, которые заданы дошедшей до них первичной волной, рассеянной каким-либо предметом. Элементарные сферические волны, испускаемые вторичными источниками, интерферируя, восстановят за поверхностью копию первичного волнового поля. Глаз или любой другой приемник не сможет отличить эту копию от поля волны, рассеянной самим предметом, и наблюдатель, таким образом, увидит мнимое изображение этого предмета, хотя он уже убран.

На чем основан принцип голограммы, понятно. Но остановимся подробнее на вопросах, касающихся природы света и его свойств. Это позволит ответить на вопрос, каким же образом волна может нести в себе информацию о предмете.

Процесс видения окружающих нас предметов осуществляется с помощью физического носителя, именуемого светом. По определению, слово свет означает оптическое излучение, видимое человеческим глазом. Свет представляет собой психофизическое понятие. Физическая природа света та же, что и радиоволн, — это распространяющиеся в пространстве электромагнитные колебания, разница в частотном диапазоне колебаний. Если в радиотехнике частотный диапазон простирается приблизительно до 100 миллионов герц (колебаний в секунду), то частотный диапазон световых волн примерно в 10 миллионов раз выше.

Изменение частоты световых колебаний воспринимается нашим глазом как изменение цвета. Так, наиболее медленно изменяющиеся из видимых глазом световых волн соответствуют красному цвету. Наиболее быстро изменяющиеся световые волны имеют примерно в 1,5 раза большую частоту и соответствуют фиолетовому цвету.

Как принято в современной физической картине мира, свет распространяется в пространстве с наивысшей возможной скоростью (с = 300 тыс. км/с). Быстрее света ничто не может двигаться. За время одного периода световых колебаний, соответствующих красному цвету, световая волна проходит путь от 770 до 620 нанометров. Этот путь представляет собой длину световой волны — расстояние в пространстве, на котором повторяются одинаковые фазы колебаний электромагнитного поля, например максимумы электрического поля.

Технические средства не в состоянии прямым путем измерить фазу столь высокочастотных колебаний, какими являются световые сигналы, поскольку реакция любого приемника света (фотоумножителя, фотодиода, фототранзистора и даже человеческого глаза) определяется значением средней интенсивности света. Однако решение этой задачи оказалось неожиданно очень простым. Д. Габор предложил использовать для получения голограммы интерференцию двух когерентных пучков света, называемых обычно объектным и опорным, а для восстановления изображения с голограммы — явление дифракции света.