Бесплатный фрагмент - Голография для любознательных

Авторы выражают искреннюю благодарность Владимиру Кузнецову талантливому инженеру и энтузиасту в области цветной голографии из Новосибирска за предоставленные образцы оригинальных разработок, а так же Сергею Тютину за полезные консультации и уникальные материалы по истории голографического кинематографа.

Эта книга для любознательных

А теперь, Бильбо, мой мальчик, неси–ка лампу и прольем немного света вот на эту вещь…

Дж. Р. Р. Толкиен. Хоббит

Что является двигателем прогресса? Как говорят ученые, человека из обезьяны сделал труд. Конечно, труд — это мощная сила, но еще сильнее нами движет любопытство. С тех пор, как наш предок освободил руки для созидательного труда, он так и не смог насытить своего любопытства. Мы глубоко убеждены, что в науке любопытство не на последнем месте. Не верите? Можем привести множество исторически достоверных примеров. Один из них — известный физик Роберт Вуд. Оставшись навсегда пытливым ребенком, он получал огромное удовольствие, когда находил ответы на бесконечные «отчего?», «как?» и «почему?». Что такое лазер? Чем фотография отличается от голографии? Как у себя дома сделать голограмму? Какая от всего этого польза? На эти и многие другие вопросы мы с вами будем искать исчерпывающие ответы и, безусловно, получать при этом большое удовольствие. Не беда, что физика — мудреная наука. Без сложных формул и вычислений мы попробуем разобраться в законах волновой оптики и квантовой механики, узнаем, как долго и упорно люди шли к пониманию этих явлений. В истории науки звездами сияют редкие бессмертные имена великих ученых, но сколько талантливых, часто несправедливо забытых людей строили тернистую дорогу к знаниям. Скромный вклад инженера или рядового научного сотрудника порой становится важным шагом к серьезному открытию. Габриэль Липпман, опередив время, изготавливал цветные интерференционные фотографии непревзойденного качества еще в XIX веке! Одна теория, которую создали два выдающихся мировых мыслителя, физик Дэвид Бом и нейрофизиолог Карл Прибрам, кажется нам невероятной, но очень заманчивой. Авторы воспользовались идеей Денниса Габора — голографическим эффектом. Эта теория позволила выдвинуть ученым невероятную гипотезу, которая объясняла, почему мысль постоянно стремится обрести форму и как материализуется созданный мозгом образ. Голограмма — это явление, в котором «целое» содержится в каждой из его составляющих. Возьмем для примера морскую звезду. Она обладает определенным голографическим эффектом — если у нее отрезать какую–то часть, она отрастет вновь. Более того, новая морская звезда может вырасти даже из отрезанной части. Ее генетический код заложен в каждой из ее частей. Если разбить так называемую Фурье — голограмму, то каждый ее осколок будет содержать не часть картины, а целое изображение. Здесь есть очевидное сходство. Никто до сих пор не знает достоверно, где хранится наша память, как мы распознаем объекты. Может быть, и наш мозг работает как голограмма? Мы думаем, что познакомившись с основами голографии, стоит задуматься и по этому поводу. Надеемся, что вы захотите узнать ответы на возникшие вопросы и обязательно обратитесь к книгам. Так что вперед, дорогие друзья! Если любопытство не подведет, вас ждут настоящие открытия и эффектные эксперименты.

Итак, начнем с истории.

---

Глава 1. Важные открытия в оптике

Да будет свет! — сказал Бог. И стал свет

Библия.

Основные положения корпускулярной теории Ньютона

Великий Исаак Ньютон был первым, кто начал основательно исследовать природу света. В 1666 году он произвел в Кембридже замечательный опыт с призмой. Через маленькое круглое отверстие в ставне окна (1) в затемненную комнату проникал луч света. На пути луча ученый установил стеклянную трехгранную призму (2). Пучок белого света неожиданно распался на множество разноцветных лучей. На экране (3), стоявшем за призмой, появилась разноцветная радуга, которую экспериментатор назвал спектром.

В 1704 году вышла в свет монография Исаака Ньютона «Оптика», определившая развитие этой науки до начала XIX века. В своем труде Ньютон сделал очень важные выводы:

— Свет состоит из малых частичек вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям или лучам светящимся телом, например, горящей свечой. Если эти лучи, состоящие из корпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник

— Отражение света от поверхности происходит вследствие отражения корпускул от стенки по закону абсолютного упругого удара.

— Световые корпускулы имеют разные размеры. Самые крупные частицы, попадая в глаз, дают ощущение красного цвета, самые мелкие — фиолетового. Белый цвет — смесь всех цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового.

— Явление преломления света он объяснял тем, что корпускулы притягиваются частицами среды. Чем среда плотнее, тем угол преломления меньше угла падения. С точки зрения механической теории, преломление обязано силам со стороны частиц стекла, действующим на световые корпускулы. Эти силы различны для разных корпускул. Со стороны стекла на частицы фиолетового света действуют наибольшие силы, а наименьшие — для красного. Путь корпускул в призме для каждого цвета будет преломляться по-своему, поэтому белый луч расщепится на цветные составляющие.

— Каждый цвет уже присутствует в белом свете. Все цвета передаются через межпланетное пространство и атмосферу совместно и дают эффект в виде белого света. Белый свет — смесь разнообразных корпускул.

Корпускулярная теория Ньютона удовлетворительно объяснила многие оптические явления, известные в то время. Ее автор пользовался в научном мире колоссальным авторитетом, и вскоре теория Ньютона приобрела многих сторонников во всех странах. Но, как часто бывает, даже великий Ньютон в своих опытах кое–что не разглядел.

---

Опыт Юнга

Эксперимент, проведенный Томасом Юнгом в начале XIX века, стал неоспоримым доказательством волновой природы света. Он рассмотрел весьма скрупулезно явления, связанные с прохождением света сквозь малые отверстия. Результаты одного из экспериментов были опубликованы автором в 1803 году.

В опыте Юнга использовался необычный пучок света, который он получал разделением и последующим сведением световых лучей, исходящих из одного и того же источника. Рассмотрим схему эксперимента Юнга. Свет от удаленного источника (S) проходил через узкую щель (S0) в экране (А), затем попадал на экран (В) с двумя щелями (S1) и (S2), расположенными достаточно близко друг к другу на расстоянии (d). Экран (Sk) располагался на расстоянии (L) от щелей, причем L>> d. Если бы свет представлял собой поток частиц, то на экране (Sk) можно было увидеть только два световых пятна на расстоянии (L) от экрана (В). Однако Юнг увидел периодическую картину светлых и темных полос. Самая яркая полоса располагалась на оси оптической схемы как раз посередине, между щелями (S1) и (S2). На основании увиденного, Юнг сделал вывод, что свет представляет собой волну, а не поток частиц, как до этого эксперимента со всей авторитетностью утверждал гениальный Исаак Ньютон.

---

Работы Огюста Френеля

Молодого дорожного инженера Огюстена Френеля, присоединившегося волонтером к роялистским войскам, которые должны были преградить дорогу Наполеону во время его возвращения с острова Эльба, уволили со службы, и он вынужден был уехать домой и посвятить свободное время исследованию дифракции, имея в своем распоряжении лишь случайное и примитивное экспериментальное оборудование. Два доклада, представленных им 15 октября 1815 года Парижской Академии наук, были первым результатом этих трудов. Френель был приглашен в Париж для повторения своих опытов в более благоприятных условиях. Френель начал исследовать тени, отбрасываемые небольшими препятствиями на пути лучей, и обнаружил образование полос не только снаружи, но и внутри тени, что до него уже наблюдал ученый Гримальди (1618–1663) и о чем лукаво умолчал Ньютон. Исследование тени, образуемой тонкой проволокой, привело Френеля к повторному открытию принципа интерференции после Томаса Юнга. «Внутренние каемки не могут образовываться от простого смешения этих лучей, потому что каждая сторона проволоки в отдельности направляет тень только на непрерывный поток света; следовательно, каемки образуются в результате перекрещивания этих лучей», — писал в своем докладе молодой ученый. Этот вывод, который представляет собой, так сказать, перевод явления на понятный язык, полностью противоречит гипотезе Ньютона и подтверждает теорию световых колебаний. Легко можно догадаться, что колебания двух лучей, которые скрещиваются под очень малым углом, могут взаимодействовать, образуя картину интерференции.

В Париже Френель узнал об опытах Юнга с двумя отверстиями, которые, по его мнению, были вполне подходящими для иллюстрации волновой природы света. Для исключения всякой возможности истолкования этого явления, как действия краев отверстий, Френель придумал известный «опыт с двумя зеркалами», о котором он сообщает в 1816г., а затем в 1819 году «опыт с бипризмой», ставший с тех пор классическим методом демонстрации принципа интерференции. Свет направляется на симметричную бипризму (2) от яркого источника через узкую щель (1), которая собирает два пучка света на экране (3). В результате сложения этих пучков возникает периодическая картина интерференции. Взяв на вооружение явление интерференции, Френель располагал теперь тремя принципами: принципом элементарных волн, принципом огибающей и принципом интерференции. Это были три отдельных принципа, которые Френель гениально решил слить воедино. Таким образом, для Френеля «огибающая» волн в явлении преломления света не просто геометрическое понятие, как для Гюйгенса, а представляет собой алгебраическую сумму импульсов, создаваемых каждой элементарной волной. Полная сумма всех этих импульсов складывается согласно принципу интерференции и в частном случае может быть равна нулю. Другими словами, световые волны одинаковой длины могут складываться и вычитаться в зависимости от значения их фаз в некоторой точке пространства.

Благодаря опытам Юнга и Френеля, монохроматическую плоскую световую волну в общем случае можно описать функцией вида:

ξ (x,t) = A*cos (ωt — kx + φ0), где:

ξ (x,t) — смещение частицы среды, находящейся на расстоянии (х) от источника колебаний в момент времени (t);

A — амплитуда колебаний;

ω — круговая (циклическая) частота, ω= kν;

ν = 1/Т — частота электромагнитных колебаний;

k — волновое число, k=2π/λ;

λ — длина волны;

υ — скорость распространения волны, υ = λ/T;

Т — период колебаний;

φ0 — начальная фаза колебаний.

Таким образом, описание интерференции монохроматических волн сводится к вычислению амплитуды (при необходимости и фазы) результирующей волны.

После нескольких лет перерыва в исследованиях, Френель вновь излагает свою теорию в обширном докладе о дифракции, представленном в 1818 году на конкурс Парижской Академии наук. Этот доклад рассматривался комиссией, состоявшей из Лапласа, Био, Пуассона, Араго и Гей–Люссака. Трое первых были убежденные ньютонианцы, Араго был настроен в пользу Френеля, а Гей–Люссак, по существу, не был компетентен в рассматриваемом вопросе, но был известен своей честностью. Пуассон заметил, что из теории Френеля можно вывести следствия, находящиеся как будто в явном противоречии со здравым смыслом, поскольку из расчета следует, что в центре геометрической тени непрозрачного диска надлежащих размеров должно наблюдаться светлое пятно, а в центре конической проекции небольшого круглого отверстия, на определенном расстоянии должно наблюдаться темное пятно. Комиссия предложила Френелю доказать экспериментально выводы из его теории, и Френель блестяще это выполнил, доказав, что «здравый смысл» в этом случае ошибается. После этого по единодушному предложению комиссии Академия наук присудила ему премию, а в 1823 году он был избран ее членом. Но для того, чтобы доказать, что дифракция и интерференция когерентных волн являются двумя сторонами одного и того же явления, должно было пройти целое столетие.

---

Определения

Зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волны) называется дисперсией.

Совокупность монохроматических компонент в излучении называется спектром.

Когерентностью в физике называется согласованность нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся в виде явления интерференции. Колебания когерентны, если частота и разность их фаз постоянны во времени.

Интерфере́нция све́та — перераспределение интенсивности света в результате наложения нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Распределение интенсивности колебаний в пространстве называется интерференционной картиной.

Дифра́кция во́лн (лат. Diffractus — буквально огибание препятствия волнами) — явление, которое проявляет себя, как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы.

Сведения из волновой оптики

Давайте рассмотрим перечисленные выше определения немного подробнее. Понимание всех этих явлений поможет нам в дальнейшем разобраться с принципами голографии.

Дисперсия

Белый свет имеет непрерывный спектр. Излучение отдельных атомов может иметь дискретный спектр.

Скорость света в вакууме не зависит от частоты или длины волны и равна (С) = 3·108 м/с. Если поочередно пропускать через стеклянную призму пучки монохроматического света разной длины волны под одним и тем же углом падения, то можно заметить, что фиолетовый луч преломляется больше, чем красный. Значит коэффициент преломления nф> nк. Абсолютный показатель преломления связан со скоростью распространения света в прозрачной среде формулой:

nф /nк = Ск* / Сф*;

где Ск* и Сф* — скорости света в стекле для красного и фиолетового цветов; nф и nк — коэффициенты преломления фиолетового и красного цвета соответственно.

Скорость фиолетового света в прозрачной среде будет меньше скорости красного света.

Приборы, с помощью которых исследуются спектры излучения различных источников, называются спектральными приборами (спектроскоп и спектрограф). Для разложения излучения в спектр в спектральном приборе используется призма.

Действие призмы основано на явлении дисперсии, то есть зависимости показателя преломления (n) вещества от длины волны света (λ). Щель S, на которую падает исследуемое излучение, находится в фокальной плоскости линзы Л1. Эта часть прибора называется коллиматором. Выходящий из линзы параллельный пучок света падает на призму (P). Вследствие дисперсии свет разных длин волн выходит из призмы под разными углами. В фокальной плоскости линзы Л2 располагается экран или фотопластинка, на которой фокусируется излучение. В результате в разных местах экрана возникает изображение входной щели S в свете разных длин волн. У всех прозрачных твердых веществ (стекло, кварц), из которых изготовляются призмы, показатель преломления (n) в диапазоне видимого света убывает с увеличением длины волны (λ). Монотонно убывающая зависимость n (λ) называется нормальной дисперсией. В спектральных приборах высокого класса и разрешения вместо призм применяются дифракционные решетки.

Когерентные волны и интерференция

Если две синусоидальных волны с одинаковой частотой, неизменной разностью фаз, распространяются с одной скоростью, накладываясь друг на друга, создают интерференционную картину, их называют когерентными.

Результат сложения когерентных волн зависит от состояния их фаз.

Световые волны не могут обладать бесконечной когерентностью. Дело в том, что в спектре самых высоко когерентных источников всегда присутствуют волны с разными частотами благодаря доплеровскому смещению излучения хаотично движущихся атомов. Поэтому существует понятие «длины когерентности» (Lk).

Если в начале своего пути волны совпадают по фазе и при сложении образуют волну с удвоенной амплитудой (белый цвет), то по мере распространения, фазы двух волн начинают смещаться относительно друг друга, и на расстоянии (L) оказываются в противофазе (черный цвет). Затем фазы, продолжая смещаться, начинают совпадать во второй зоне, третьей и так далее. Возникают так называемые биения взаимодействующих волн. Максимальная разность хода лучей, при которой волны при сложении образуют ярко выраженную картину интерференции, называют длиной когерентности (Lk) светового пучка.

Предположим, источник излучает волны длиной λ и λ ± Δλ, которые в какой-то момент в пространстве будут интерферировать на расстоянии (Lk).

Lk = λ2 /Δλ; где Lk — длина когерентности.

Одной из важных характеристик наблюдаемой интерференционной картины является видность (V), которая характеризует контраст интерференционных полос:

V = 2 (I1*I2) ^0,5/ (I1+I2); где I1 — интенсивность светлой полосы при Lk; I2 — интенсивность светлой полосы при нулевой разности фаз. Длина когерентности (Lk) связана с видностью картины интерференции. При значении видности V менее 0.7 волны считают некогерентными.

Условие интерференции: волны должны быть когерентны. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины (частоты), между которыми существует постоянная разность фаз.

Все источники света, кроме лазера, имеют очень маленькую когерентность, однако вспомните, как Томас Юнг впервые наблюдал явление интерференции, разделив световую волну на две когерентные с помощью двойной щели.

Пусть разность хода между двумя точками Δ = S1-S2, тогда условие максимума освещенности экрана:

Δ = kλ;

т. е. на этом направлении в точке (p) экрана (Э) укладывается четное число полуволн (k = 1, 2, 3, …), или целое число длин волн (λ) и наблюдается максимум яркости результирующей картины.

Условие минимума освещенности экрана:

Δ = λ (2k+1) /2;

на этом направлении укладывается нечетное число полуволн. В результате на фотопластинке записывают структуру с периодом (d):

2d = λ/sin (Ө/2),

где: λ — длина волны;

(Ө) — угол между направлениями интерферирующих лучей

Дифракция

Дифракционная решетка — система препятствий (параллельных штрихов), сравнимых по размерам с длиной волны. Решетки представляют собой периодические структуры, выгравированные специальной делительной машиной на поверхности стеклянной или металлической пластинки. У хороших решеток параллельные друг другу штрихи имеют длину порядка 10 см, а на каждый миллиметр приходится до 2000 штрихов. При этом общая ширина решетки достигает 10 — 15 см. Изготовление таких решеток требует применения самых высоких технологий. На практике применяются также и более грубые решетки с 50 — 100 штрихами на миллиметр, нанесенными на поверхность прозрачной пленки. В качестве дифракционной решетки может быть использован кусочек компакт-диска.

а — ширина щели; b — ширина непрозрачной части. Угол φ — угол отклонения световых волн вследствие дифракции. Наша задача — определить, что будет наблюдаться в произвольном направлении φ — максимум или минимум.

Оптическая разность хода:

Δ = ВС = d*sin (φ)

Из условия максимума интерференции получим:

Δ = nλ

Следовательно, формула дифракционной решетки:

2d*sin (φ) = nλ

В тех точках экрана, для которых это условие выполнено, располагаются так называемые главные максимумы дифракционной картины.

Как следует из формулы дифракционной решетки, положение главных максимумов (кроме нулевого) зависит от длины волны (λ). Поэтому решетка способна разлагать излучение в спектр, то есть она является спектральным прибором. Если на решетку падает немонохроматическое излучение, то в каждом порядке дифракции (т. е. при каждом значении (n) возникает спектр исследуемого излучения). Причем фиолетовая часть спектра располагается ближе к максимуму нулевого порядка. Радуга, полученная разложением белого света, будет иметь обратный порядок цветов, нежели при разложении спектра стеклянной призмой. Максимум нулевого порядка остается неокрашенным. С помощью дифракционной решетки можно производить очень точные измерения длины волны.

Глава 2. Изобретения в фотографии

Краски пылали в трех измерениях. Будто окна распахнуты в зримый и осязаемый мир, ошеломляющий своей подлинностью.

Рэй Бредбери. Человек в картинках

Пока одни ученые исследовали волновую природу света, другие, используя законы геометрической оптики, строили приспособления для регистрации пейзажей, портретов и натюрмортов. В середине XIX века благодаря усилиям нескольких талантливых инженеров был изобретен фотохимический процесс фиксации изображений.

Дагеротип

Луи — Жак — Манде Дагер явил миру первый достаточно технологичный способ регистрации изображений — дагеротип. В технике фотографии еще многое предстояло усовершенствовать и изобрести, но именно с этого момента принято отсчитывать возраст фотографии. Дагер не изобрел фотографию, но он сделал ее действующей и популярной.

В течение 1839 года, когда он сделал свое сообщение, его имя и его процесс стали известны во всех частях света. К нему пришли слава, богатство и уверенность. Имя настоящего изобретателя фотографии Жозефа Нисефора Ньепса было практически забыто. Однако Дагер был тем человеком, который сделал все, чтобы изобретение Ньепса воплотить в жизнь, но с использованием таких химических элементов, которые были неизвестны Ньепсу. Идея Дагера заключалась в том, чтобы получать изображение с помощью фотокамеры на специально приготовленных фоточувствительных пластинках. Проявление изображения осуществлялось парами ртути. Сначала Дагер проводил опыты с бихлоридом ртути, но изображения получались очень слабые. Затем он усовершенствовал процесс, используя сахар или закись хлора и, наконец, в 1837 году, после одиннадцати лет опытов, он стал подогревать ртуть, пары которой проявляли изображение. Он превосходно фиксировал изображение, пользуясь сильным раствором обычной соли и горячей водой для смывки частиц серебряного йодида, не подвергшихся воздействию света. Принцип Дагера проявлять с помощью ртутных паров был оригинален и надежен, и основан, без сомнения, на знаниях, полученных Дагером от Ньепса. К сожалению, Ньепс ничего не сделал, чтобы развить дальше свое изобретение после 1829 года, равно как и его сын, Исидор, который стал партнером Дагера после смерти отца. Сын, очень нуждаясь в средствах, спустя несколько лет заключил контракт с Дагером, в котором указывалось, что Дагер был изобретателем дагеротипа.

Этапы фотопроцесса Дагера были следующими:

1. Тонкий лист серебра припаивался к толстому листу меди.

2. Серебряная поверхность полировалась до блеска.

3. Серебряная пластина пропитывалась парами йодида и становилась чувствительной к свету.

4. Подготовленная пластина помещалась в темноте в камеру.

5. Камера устанавливалась на треногу, выносилась на улицу и направлялась на любой предмет, освещенный солнцем.

6. Объектив открывался на время от 15 до 30 минут.

7. Скрытое изображение проявлялось и закреплялось в следующем порядке:

a. Пластина помещалась в небольшую кабину под углом 45 градусов над контейнером с ртутью, которую спиртовая лампа нагревала до 150 градусов (по Фаренгейту).

b. За пластиной велось внимательное наблюдение до тех пор, пока изображение не становилось видимым благодаря проникновению частиц ртути на экспонированную часть серебра.

c. Пластина помещалась в холодную воду, чтобы поверхность стала твердой.

d. Пластина помещалась в раствор обыкновенной соли (после 1839 года заменена гипосульфитом натрия — фиксирующим элементом, открытым Джоном Гершелем и немедленно взятым для использования Дагером).

e. Затем пластина тщательно промывалась, чтобы прекратилось действие фиксажа.

В результате получалась единственная фотография, позитив. Видеть ее можно было только при определенном освещении — под прямыми лучами солнца она становилась просто блестящей пластинкой металла. Изображение получалось зеркальным. Невозможно было сделать несколько таких пластинок или напечатать неограниченное количество экземпляров, как можно напечатать позитивы с одного негатива. Фотографический принцип негатив — позитив был изобретен Фоксом Тальботом. Оба изобретения стали известны в одном и том же году.

Художники, ученые и простые фотолюбители вскоре улучшили и модифицировали процесс Дагера, сократив время экспозиции до нескольких минут. Применение призмы позволило перевернуть изображение, и теперь портреты смотрелись нормально, а не зеркально. Решительным шагом вперед было создание к 1841 году аппарата меньшего размера, что привело к уменьшению его веса. Были улучшены средства, предохранявшие поверхность дагеротипа от повреждений и царапин. В 1840 году Ипполит Физо стал тонировать изображение хлоридом золота. Это не только сделало изображение более контрастным — создавался превосходный глубокий серебряно-серый тон, который, окисляясь, превращался в богатый пурпурно-коричневый.

Признание и слава Дагера росли по мере того, как его изобретение повсюду покоряло воображение людей. Сам он, однако, ничего не внес в фотографию после опубликования данных о своем процессе. До самой смерти в 1851 году он жил в уединении в шести милях от Парижа. В 1843 году он заявил, что усовершенствовал мгновенную фотографию и может снимать птицу в полете, но не привел никаких доказательств в правдивость этого заявления.

В то время возникли жаркие споры о месте фотографии в искусстве. Художники упрекали фотографию в бесстрастной натуралистичности, а ее сторонники предрекали скорый конец живописи. К счастью, ни те, ни другие не оказались правы. Тем не менее, настойчивое желание отобразить мир в естественном для нашего восприятия объеме заставляло людей искать новые пути в третье измерение. XIX век вместе с появлением стереофотографии готовил еще один фантастический прорыв!

Метод цветной фотографии Габриэля Липпмана

В истории науки есть события, которые на многие десятки, а иногда сотни лет опережают время. Голография, как наука, могла бы появиться на шестьдесят лет раньше. Но этого не случилось, несмотря на то, что учеными XIX века был возведен основательный фундамент, как в области теории, так и практики.

В 1892 году Габриэль Липпман опубликовал результаты собственных опытов, связанных с регистрацией цветного изображения на черно–белых фотоматериалах. Как выяснилось 70 лет спустя, талантливым ученым–изобретателем был сделан огромный вклад в развитие голографии.

Принцип записи цветных изображений Липпмана заключался в том, что картина интерференции стоячих световых волн ограниченной когерентности записывалась на фоточувствительной эмульсии в виде сфокусированного изображения. За эту работу Габриэль Липпман был удостоен Нобелевской премии. Постараемся разобраться, как он это делал.

Представьте себе бассейн наполненный водой. В бассейне с помощью широкой доски мы создаем когерентные волны с постоянным периодом и фазой. Волны достигают противоположной стенки бассейна, отражаются и бегут обратно. В результате наложения друг на друга бегущих по поверхности бассейна волн мы получим удивительную картину. Гребни будут подниматься и опускаться, но бега их мы не увидим. И самое интересное, между гребнями окажутся точки, которые не будут ни подниматься, ни опускаться относительно уровня воды в спокойном бассейне. Это явление называют стоячими волнами, а эффект, вызывающий это явление, — интерференцией.

Свет — это тоже волна, только электромагнитная. И в случае со светом будет наблюдаться аналогичная картина.

Допустим, что световая волна прошла сквозь прозрачную фотоэмульсию, затем отразилась от некоторой поверхности и направилась обратно. Должна возникнуть та же картина, что и в бассейне. Там, где расположены неподвижные узлы стоячей волны, будет всегда темнота, а там, где «эфир» колеблется — будет свет. И самое главное, если электромагнитная «зебра» останется неподвижной, картину стоячих световых волн можно зафиксировать в фоточувствительной эмульсии.

После химической обработки фотопластинка, по мнению Липпмана, должна была восстанавливать отраженную волну той же частоты, какая использовалась при записи интерферограммы. Так, если в некоторую область фотоэмульсии попадает зеленый свет, то «зеркальце», записанное в этой точке, должно отражать только зеленую длину волны. Получается, что каждая точка сфокусированного изображения отражала световую волну той длины, посредством которой была записана картина стоячих волн. Липпман успешно получил прогнозируемый результат.

Свет солнца или электрической лампочки, отраженный от объектов, имеет очень малую когерентность, а точнее, длину когерентности. Область интерференции для такого излучения ограничится разностью хода лучей порядка нескольких микрометров. Другими словами, стоячие световые волны, отраженные от какой–либо поверхности, будут наблюдаться в области, сравнимой с толщиной фотоэмульсии. Липпман, понимая это, придумал в 1892 году оригинальную схему записи интерференционной картины световых волн с ограниченной когерентностью.

Для создания цветного изображения гениальным изобретателем использовалась фотографическая камера со светосильным объективом (3). Липпман сконструировал оригинальную кассету для стеклянных фотопластинок (1) с эмульсией очень высокого разрешения. Фотопластинка прижималась к задней стенке кассеты через тонкую резиновую прокладку (2), образуя герметичную полость, в которую из небольшого резервуара (4) перед съемкой заливалась ртуть. Фотоэмульсия во время регистрации соприкасается с жидкой ртутью, которая является идеально прилегающим зеркалом. После экспозиции, которая длилась 3 — 5 минут, ртуть снова выливалась в резервуар, а фотопластинка заменялась на новую. Ртутное зеркало отражало падающие лучи разной длины волны, создавая в объеме фотографической эмульсии картину стоячих волн соответствующей частоты.

После фотохимической обработки, которая сводилась к физическому проявлению и отбеливанию раствором двухлористой ртути, цветное изображение можно было увидеть со стороны эмульсии в белом рассеянном свете. Каждая точка сфокусированного изображения интерференционной фотографии отражала свет той длины волны, который попадал в эту точку при записи.

Надо заметить, что использование ртути и ее солей в методе Липпмана создавало серьезную угрозу здоровью экспериментаторов в силу губительного воздействия паров ртути на человеческий организм.

При рассматривании фотографий Липпмана в свете точечного источника «белого» света наблюдатель мог видеть действительное изображение объектива в виде яркого пятна, скользящего по темной эмульсионной поверхности. В рассеянном же свете, действительное изображение диафрагмы «расплывалось» до размеров всего фотоснимка, что позволяло зрителю рассматривать цветную интерференционную фотографию достаточно комфортно. Для удобства демонстрации своих фотоснимков, Липпман наклеивал со стороны эмульсии тонкую стеклянную призму, которая убирала блик от источника света, восстанавливавшего цветное изображение, и предохраняла фотографию от механических повреждений. На заводе Цейса по чертежам изобретателя изготовили несколько оригинальных приборов для рассматривания его фотографий. Тем не менее, метод был вскоре забыт.

Современники часто критиковали Липпмана за несусветную сложность предложенного метода. Его фотоснимки было невозможно рассматривать нескольким зрителям одновременно, а также производить копирование, как в обычной фотографии. Тем не менее, технология изготовления высокоразрешающих эмульсий, рецепты физических проявителей и тонкости фотохимической обработки голограмм мало изменились с 1892 года.

Габриэль Липпман, сам того не подозревая, создал первую в мире цветную отражательную голограмму сфокусированного изображения задолго до изобретения голографического метода. До сих пор технологии, предложенные Габриэлем Липпманом, используются в производстве и обработке голографических высокоразрешающих фотоматериалов.

Глава 3. Открытие голографии

Алиса встала на колени и заглянула в нору — в глубине её виднелся сад удивительной красоты. Ах, как ей захотелось выбраться из темного зала и побродить между яркими цветочными клумбами и прохладными фонтанами! Но она не могла просунуть в нору даже голову.

Льюис Кэрролл. Приключения Алисы в стране чудес

XIX век подготовил все, что было необходимо для совершения нового открытия, но только в середине двадцатого века (1947 год) Деннис Габор, английский физик (венгр, родившийся в Будапеште), занимаясь поисками способа повышения резкости изображений электронно-лучевой трубки, открыл поистине новый способ записи изображений — голографию. Если фотография означает буквально светопись, то голография — полная запись.

Новый метод получения изображений Денниса Габора

В 1927 году Габор окончил Высшее техническое училище в Берлине и поступил на службу в лабораторию фирмы «Сименс», производящей электронную технику. В числе выполненных там работ было изобретение кварцевой ртутной лампы. Вскоре после прихода Гитлера к власти в 1933 г., по истечении срока контракта с «Сименс и Хальске» Габор вернулся в Венгрию. Работая внештатным сотрудником лаборатории Научно-исследовательского института электронных ламп Тунгсрама, он создал новый тип флуоресцентной лампы, названной им плазменной. Не имея возможности продавать патент на свое изобретение в Венгрии, Габор решил эмигрировать в Англию. Там ему удалось найти место в компании «Бритиш Томсон-Хьюстон» (БТХ), в которой он проработал с 1934 по 1948 г. В 1946 году Деннис Габор получил британское подданство. Работая над катодной системой электронно–лучевой трубки, он изобретает магнитную линзу. При этом ученый почти вплотную подходит к изобретению электронного микроскопа. Хотя электронный микроскоп появился позже, после работ физиков Буша и Вольфа, но именно эта работа стимулировала Габора к созданию принципиально нового метода записи изображений.

В 1947 году им было сделано научное открытие, которое первоначально восприняли просто как очередное доказательство волновых свойств света, но впоследствии оказалось, что оно более фундаментально. Именно тогда была открыта голография. Габор сообщил о разработанном методе только узкому кругу специалистов. Им было введено понятие и разъяснена сущность нового процесса, состоящего из двух этапов — формирования изображения и его восстановления. Процесс получения и восстановления трехмерных изображений стали называть по предложению Денниса Габора и Джорджа Строука, с которым он работал, голографическим процессом, а возникший впоследствии раздел физики, занимающийся изучением этих процессов, голографией. Однако идеи Габора надолго остались нереализованными. Открытия никто не замечал, о нем не знали, не было и практических результатов.

Габор на стадии исследований изготовил несколько примитивных голограмм фазовых (светопреломляющих и прозрачных) объектов. При записи голограммы он фиксировал структуру интерференции волн монохроматического источника света и света, рассеянного фазовым объектом, помещенным перед фотопластинкой. Для получения высокого контраста интерференционной картины Габор использовал одну из самых ярких линий спектра излучения ртутной лампы.

После проявления и отбеливания фотопластинка восстанавливала трехмерное изображение объекта. Результат был впечатляющий, но мог взволновать только ученых.

Для того чтобы понять, как происходит запись и восстановление голограммы, рассмотрим самый простой пример — голограмму точки.

Рассеянная точечным объектом сферическая (см. рис. «Запись») и плоская референтная волна попадают на фоточувствительный слой, в котором записывается картина интерференции сходящихся лучей.

Расстояние между соседними интерференционными кольцами (d) равно:

d = λ /2*sin (Θ/2)

где λ — длина записывающей волны;

Θ — угол между интерферирующими лучами.

Интерференционную картину, записанную на фотопластинке, можно назвать голограммой. Если рассматривать маленькие участки этой голограммы, например в точках (1) или (2), то можно с уверенностью назвать их элементарными дифракционными решетками. При освещении миниатюрных элементов голограммы монохромной световой волной, подобной референтной, возникает множество новых волновых фронтов — порядков дифракции. Углы дифракции при этом, окажутся такими же, какими были углы схождения лучей во время записи голограммы.

Θ = ψ; где (ψ1) и (ψ2) — углы дифракции в точках (1) и (2).

Два симметричных дифракционных порядка в точках (1) и (2) формируют действительное и мнимое изображения точки (Об). Если продолжить направления дифракционных порядков, возникших в точках (1) и (2) нашей голограммы до их пересечения, то получим координаты мнимого и действительного изображений точки (Об). Возникшая в результате дифракции на голограммной структуре сферическая волна (см. рисунок «Восстановление»), создает мнимое изображение точки (Аi) и наблюдатель видит это изображение за голограммой. Вторая сходящаяся сферическая волна создает действительное изображение точки (Аd), которое расположено перед голограммой.

Восстановление изображения голограммой происходит благодаря тому, что интерференция и дифракция инвариантны. Эти два явления описываются практически одинаковыми уравнениями. Вспомним уравнение дифракционной решетки:

sin (ψ) = nλ/2d;

где n = +1; 0; -1 (см. рис. «Восстановление»)

Обратите внимание на зависимость углов дифракции от длины волны (λ) в приведенной формуле. Восстановление голографического изображения волной, отличающейся частотой от использованной при записи, приведет к изменению формы и положения объекта в пространстве.

Результат сложения интерференционных картин от множества точек материального тела будет обладать всеми вышеперечисленными свойствами. Голограмму протяженного объекта можно рассматривать как суперпозицию (сумму) элементарных голограмм множества геометрических точек, составляющих объект. Это и является принципом голографии, который предложил в 1947 году Деннис Габор.

В 1964 г. Профессором Мичиганского университета Джорджем Строуком, соавтором самого термина голография, а также автором многих принципиальных работ, выполненных совместно с Габором, был прочитан первый курс лекций по голографии. В 1966 г. Он также выпустил первую монографию, в которой были изложены основы теории голографии. Книга была переведена на русский язык уже в следующем году и вышла в свет под названием «Введение в когерентную оптику и голографию».

Определения

Изображение оптическое — картина, получаемая в результате прохождения через оптическую систему лучей, распространяющихся от объекта, и воспроизводящая его контуры и детали. Основой зрительного восприятия предмета является его оптическое изображение, спроецированное на сетчатку глаза.

Действительное изображение (оптическое) — создается сходящимися пучками лучей в точках их пересечения. Если в плоскости пересечения лучей поместить экран (фотопленку, регистрирующую среду любого типа), то можно на нем наблюдать оптическое действительное изображение.

Мнимое изображение (оптическое), формируется лучами, которые при выходе из оптической системы расходятся, но их можно мысленно продолжить в противоположную сторону и они соберутся в точках пересечения. Совокупность таких точек называют мнимым изображением, так как оно способно играть роль объекта по отношению к другой оптической системе (например, глазу), преобразующей его в действительное изображение. Особенностью изображений объекта, формируемых с помощью голограммы, является то, что действительное изображение объекта является псевдоскопическим, а мнимое — ортоскопическим.

Ортоскопическое изображение объекта — изображение, соответствующее реальному объекту. В голографическом эксперименте мнимое изображение представляет собой обычное ортоскопическое изображение.

Псевдоскопическое изображение объекта — изображение, в котором наблюдатель видит вместо выпуклостей — вогнутости, и наоборот. Действительное изображение объекта, сформированное голограммой, является псевдоскопическим.

Объектная (предметная) волна — одна из волн, образующих интерференционную картину при получении голограммы, в которой содержится информация, предназначенная для воспроизведения или преобразования. Обычно объектная волна формируется излучением, прошедшим через объект, либо отраженным от него.

Опорная (референтная) волна — одна из волн, образующих интерференционную картину при получении голограммы, которая обычно используется для восстановления объектной волны. Как правило, опорная волна имеет простую и легко воспроизводимую форму, например, плоскую или сферическую.

Развитие трехмерной голографии Юрием Денисюком

Совершенно независимо, отталкиваясь от сюжета фантастического рассказа Ивана Ефремова «Тень минувшего», в конце 50-х годов прошлого столетия молодой аспирант Государственного оптического института им. С. И. Вавилова Юрий Николаевич Дениcюк предложил свой метод записи «волновых фотографий». Вот что писал Ю. Н. Денисюк в своей работе «Мой путь в голографию»:

«У меня возникла дерзкая мысль: нельзя ли создать такую фотографию средствами современной оптики? Или, если быть более точным, нельзя ли создать фотографии, воспроизводящие полную иллюзию реальности зарегистрированных на них сцен? Первые шаги в решении этой задачи были достаточно просты. Было очевидно, что полностью обмануть зрительный аппарат человека и создать у него иллюзию того, что он наблюдает истинный предмет, можно, если бы удалось воспроизвести волновое поле света, рассеянного этим объектом. Было также понятно, что задача воспроизведения волнового поля могла бы быть решена, если бы удалось найти метод регистрации и воспроизведения распределения фаз этого поля. Работа Д. Габора, в которой он излагал принципы голографии, была мне неизвестна, и в 1958 г. я начал самостоятельно решать эту проблему. Следуя приблизительно по тому же пути, что и Габор, я пришел к идее выявления фаз сложной объектной волны за счет ее смешения с референтной волной, обладающей достаточно простой формой. Исходя, так же как и Габор, из принципа Гюйгенса, я считал, что запись и воспроизведение волнового поля должны обязательно осуществляться на поверхности. Именно в этом пункте и возникла основная сложность в реализации моей идеи. Выход из тупика подсказала работа Г. Липпмана, который в конце 19 века показал, что фотография объемной картины плоской стоячей волны обладает свойствами воспроизводить спектральный состав зарегистрированного на ней излучения. Тогда у меня возникло предположение, что может быть, не имеет смысла ограничиваться случаем записи на поверхности? Возможно, сложные изгибы поверхностей пучностей зарегистрированной в объеме стоячей волны содержат информацию не только о спектральном составе, но и о фазе волновых полей? Несколько вариантов теории и эксперимент подтвердили справедливость этого предположения. Действительно, оказалось, что объемная фотографическая модель картины стоячей волны обладает воистину чудесными отображающими свойствами: она способна воспроизвести точные значения фазы, амплитуды и спектрального состава объектной волны. В то время, поскольку я не знал о методе Габора, и введенном им термине «голография», я присвоил этой модели мой собственный термин «волновая фотография». Трехмерная голограмма: это метод или явление? Когда стали открыты волшебные свойства трехмерной голограммы, возник следующий вопрос: является ли трехмерная голограмма новым методом изображения или новым явлением природы, т.е. новой научной истиной? Несмотря на то, что моей первоначальной целью являлось создание нового метода получения изображений, мне стало ясно, что в данном случае самым важным было новое, интересное физическое явление. Различие между терминами «метод» и «явление» является далеко не формальным. В то время как метод предоставляет только возможности, обеспечиваемые его изобретателем, явление существует в соответствии со своими собственными законами и иногда может оказаться значительно более широким, чем считалось первоначально. Решив, что я имею дело с явлением, я дал ему довольно сложное название: «явление отображения оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения».

По существу, он превратил фантастическую идею И. Ефремова — увидеть за плоскостью объёмное изображение, неотличимое от реальности — в научно обоснованный метод получения таких изображений, который сейчас носит название его имя: «Метод Денисюка». В основе этого метода лежит то обстоятельство, что высокоразрешающая фотоэмульсия голографических пластинок совершенно прозрачна для света. Прошедший через рассеивающую линзу свет лазера падает на пластинку и проникает сквозь нее, создавая, таким образом, опорный пучок, одновременно освещая предметы за пластинкой. На светочувствительную эмульсию пластинки падает часть света, отраженная от поверхности голографируемых предметов. Этот предметный волновой фронт, который взаимодействует со встречным опорным пучком и создает интерференционную картину. В результате регистрации интерференционной картины после проявления вы получаете отражательную голограмму.

Конечно, в своей научной работе он опирался на плечи «гигантов» — Ньютона, Гюйгенса, Юнга, Нобелевских лауреатов Липпмана и Брэгга, и не знал, что идеи голографии уже сформулированы Деннисом Габором. Свою первую голограмму Ю. Н. Денисюк получил 3 декабря 1959 года, т.е. ещё в «долазерную» эпоху. В качестве источника он, как и Габор, использовал зелёную линию из спектра ртути, а в качестве объекта использовал обычную линзу.

Восстановление изображения осуществлялось в белом свете. Выбор объекта, как сетовал впоследствии сам Юрий Николаевич, был неудачным, голограмма была маленькая и не очень яркая, поэтому она не впечатлила коллег. Однако, очень скоро появились лазеры и пришло мировое признание его открытия, зарегистрированного под №88 от 1 февраля 1962 г. «Явление отображения оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения (голография)». Первые голограммы Денисюка так же, как и у Габора, были осевыми в силу малой когерентности, но направление интерферирующих пучков у Юрия Николаевича было встречным. И это принципиально важно!

В схеме Денисюка картина интерференции световых фронтов, бегущих навстречу друг другу, отображает не только амплитуду и фазу (информацию о трехмерной сцене), но и частоту волны (цвет), зашифрованный в объеме дифракционных структур, как в методе Липпмана. Это позволяет использовать для восстановления изображения голограммы источники «белого света» и открывает перспективу записи цветных голограмм.

В 1962 г. было установлено, что двумерная голограмма — это лишь частный случай трехмерной и что запись в трехмерной среде обладает гораздо более полным комплексом отображающих свойств. Переход от плоскости к трехмерному пространству не только расширил сферу исследований, но и одновременно предопределил переход голографии из области инструментальной оптики в область физики. В своих работах Ю. Н. Денисюк открыл новые горизонты и возможности в голографии, чем навсегда прославил Российскую науку. Но главное событие, открывшее широкую дорогу голографии, неторопливо зрело в мире физиков. В начале шестидесятых годов двадцатого века появились лазеры — удивительные источники излучения высокой когерентности.

Глава 4. Лазеры

Как программист, вы, вероятно, без особого труда освоили бы умклайдет электронного уровня, так называемый УЭУ–17… Но квантовый умклайдет… Гиперполя… трансгрессивные воплощения… Обобщенный закон Ломоносова — Лавуазье…

А. Стругацкий, Б. Стругацкий. Понедельник начинается в субботу

Слово «ЛАЗЕР» является аббревиатурой английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» — «Усиление света в результате вынужденного излучения».

Лазер излучает когерентный (строго согласованный в пространстве и времени), монохроматичный и поляризованный луч. Принцип действия лазера можно описать только с помощью теории квантовой механики, но он достаточно прост и для популярного объяснения.

Чтобы понять, как работает лазер, обратимся к физике.

У электромагнитной, как и у любой волны, есть количественные характеристики, такие, как амплитуда, частота, фаза и направление распространения. Поэтому физики привыкли описывать световую волну с помощью уравнений в векторной форме. Важно знать, что электромагнитные волны являются поперечными и имеют одновременно два взаимно перпендикулярных направления колебаний магнитной H и электрической E составляющих. Волны сохраняют ориентацию колебаний на всем пути распространения до момента взаимодействия с веществом. Так что, можно назвать еще один параметр электромагнитных волн — ориентацию плоскости поляризации. Теорию электромагнитных волн досконально разработал Джеймс Максвелл.

Исследуя спектры излучения нагретых тел, Макс Планк придумал формулу, которая идеально описывала это явление. Согласно этой формуле электромагнитное излучение обладало свойствами необычной частицы, у которой минимальная энергия равнялась произведению некоторой константы — постоянной Планка (h) на частоту электромагнитного колебания (ν).

Свет в теории Планка одновременно является и волной, и частицей с энергией кратной некоторому числу — постоянной Планка (h).

Ученые основательно призадумались. Что же тогда представляет собой свет? Частица или волна? Кто прав? Ньютон или Френель? Оказывается, правы все. Вот такая получается история.

Еще в 1916 году Альберт Эйнштейн предсказывает возможность возбуждения внешним электромагнитным полем излучения атомов, которое обладает исключительной монохроматичностью. Чтобы понять, в чем же скрыта суть этого явления, рассмотрим в упрощенной форме процесс взаимодействия кванта света с веществом.

---

1. Электромагнитная частица может взаимодействовать с электронными оболочками атомов вещества, переводя электроны на более высокий энергетический уровень, а атомы в возбужденное состояние.

2. В возбужденном квантами состоянии атомы могут оставаться, по меркам микромира, достаточно долго. В течение этого времени индуцирующие кванты «накачки» способны перевести в возбужденное состояние значительное количество атомов вещества.

3. Но что случится, если с атомом, находящимся в возбужденном состоянии, встретится квант, который имеет энергию точно такую же, как и энергия возбуждения электрона?

4. В этом случае сработает чудесный спусковой механизм, и атом покинут уже два кванта–близнеца, удаляющиеся в том же направлении. Электроны при этом с возбужденных уровней вернутся в исходное, устойчивое состояние. Таким образом, поток света увеличит свою энергию в два раза при сохранении частоты, поляризации и фазы.

И так может происходить многократно на пути распространяющейся лавины частиц, что равносильно усилению мощности излучения пропорционально количеству встретившихся на их пути возбужденных атомов.

— В 1939 году Валентин Фабрикант, сотрудник МЭИ, формулирует принцип усиления электромагнитного излучения в среде, в которой можно создать возрастающее количество возбужденных электронов.

— 1955–й год. Николай Басов и Александр Прохоров разрабатывают мазер, активной средой которого являлся аммиак.