1. Физические принципы голографии

1.1. Краткая история

Год рождения голографии — 1947. Своим появлением она обязана электронной микроскопии.[4]

В 40-х годах ХХ века группа английских ученых решала очень узкую техническую проблему, связанную с возможностью получения высококачественных изображений объектов атомных размеров. Речь шла об увеличении разрешающей способности электронного микроскопа, которая зависела от электронной линзы. Из-за её сферической аберрации изображения получались размытыми. В стеклянных линзах она исправляется довольно просто, но здесь эти методы были не приемлемы. Значит, надо было искать иные пути решения поставленной задачи. И вот английский ученый, венгр по происхождению, Денис Габор высказал в 1947 году идею создания нового способа, который позволил бы получать изображение объектов атомных размеров. Он предложил построить точную модель электронных волн в световом диапазоне электромагнитного спектра, а затем устранить сферическую аберрацию средствами обычной оптики. Для этого он предусматривал двухступенчатый процесс, благодаря которому изображение предмета регистрируется с помощью пучка электронов, а восстанавливается с помощью светового пучка. Принцип такого восстановления состоит в следующем: наложение сложной волны, приходящей от объекта, на простую волну записывается на фотопластинку, и затем необходимо осветить её простой волной, восстановив исходную. Возникшее при этом изображение объекта оказывалось двухмерным или трехмерным.

Габор назвал описанный метод методом восстановления волнового фронта — таким было первоначальное название голографии. Фотографию волнового поля объекта, сделанную при освещении его когерентным пучком света и представляющую собой интерференционную картину, Габор назвал «голограммой» (от греческих слов: «голос» — полный, «грамма» — запись). Для регистрации волнового фронта был необходим когерентный источник света, а таковых тогда не было. Габор использовал дуговую ртутную лампу с монохроматором, поэтому качество записи было невысоким, а на фотонегативе вместо одного, получалось два сопряженных изображения предмета (действительное и мнимое), которые нельзя было разделить.

Результаты своих экспериментальных работ Габор опубликовал в английском журнале «Нейчур» в 1948 году, но они, казалось, имели частное значение. Метод голографии применялся главным образом в электронной и рентгеновской микроскопии. Дальнейшее развитие голографии упиралось в отсутствие мощного источника когерентного света. « Я рано изобрел свой метод»,— говорил Габор.

В 1960 году был изобретен мощный источник когерентного монохроматического света — лазер, и снова вспомнили о голографии. Поворотным для неё моментом стали работы двух американских исследователей, Иммета Лейта и Юриса Упатниекса, которым удалось избавиться от изображения-двойника. В 1964 году Лейт и Упатниекс, применив лазер, с помощью своей двухлучевой схемы получили высококачественные объемные изображения. Это было поистине второе рождение голографии. Первый портрет человека был снят с помощью рубинового лазера в 1967 году.

Результаты исследований американских ученых послужили толчком для начала интенсивных научных работ по голографии во всем мире. С этого момента голография начала широко применяться в науке и технике. В 1971 году Габору была присуждена Нобелевская премия по физике за огромную практическую значимость голографии.

Существенную роль в развитии голографии сыграли работы советского физика, Юрия Николаевича Денисюка. В 1958 году он начал самостоятельные исследования по получению пространственных изображений без применения преломляющих оптических приборов. В процессе работы возникла идея записи волнового поля во время его смешения с опорной волной. Использовав ртутную лампу с монохроматором, исследователь получил некоторые положительные результаты. О методе Габора по восстановлению волнового фронта Денисюк тогда ещё не знал, но уже получил первую простенькую голограмму вогнутого зеркала.

В основном направление работ Денисюка сводилось к выяснению возможности получить объемное изображение в трехмерной среде. Появление лазера очень помогло его опытам. В 1962 году экспериментатор получил голограмму очень хорошего качества. Достоинство голограммы Денисюка в том, что на стадии восстановления, её можно освещать лучами белого света, например, солнца или электрической лампочки. Это послужило утверждению отличающегося от предлагаемого Габором и Лейтом-Упатниексом направления в голографии. Появилась трехмерная голография. Современная изобразительная голография в большой степени базируется на методах, предложенных Денисюком.

В 1969 году Стивен Бентон изготовил пропускающую голограмму, видимую в обычном белом свете. Голограммы, изобретенные Бентоном, были названы радужными, так как они переливаются всеми цветами радуги, из которых состоит белый свет. Открытие Бентона позволило начать массовое производство недорогих голограмм путем "штамповки" интерференционных картин на пластик. Голограммы именно такого типа применяются сегодня для защиты от подделок документов, банковских карточек и т.д. Благодаря Бентону голография обрела популярность в широких слоях общества.

В 1977 году Ллойд Кросс получил мультиплексную голограмму, состоящую из множества обычных фотографий объекта, снятых с множества точек зрения, лежащих в горизонтальной плоскости. При перемещении такой голограммы в поле зрения можно увидеть все запечатленные кадры.

После 70 годов основными направлениями развития голографии являлись: разработка методики и определение параметров записи (схема, время записи, температура и время проявления, тип фоточувствительного материала и др.), определение способов повышения дифракционной эффективности, исследование различных регистрирующих сред, разработка эффективных схем и совершенствование источников излучения для записи голограмм.

В настоящее время интерес к голографии по-прежнему не угасает. Зачастую голографическое производство сводится к выпуску голограмм, как средств защиты от фальсификации различных документов, этикеток, марок, пластиковых карт и др.

Кроме того с развитием технологий и вычислительной техники стали популярны так называемые цифровые голограммы, в которых изображение рассчитывается при помощи компьютера и синтезируется из набора точечных голограмм. Синтезированные голограммы отличаются от оптических (радужных) повышенной яркостью и простотой реализации всевозможных кинетических эффектов.

Не пропадает интерес и к изобразительной голографии. Каждый год в различных городах проходят масштабные выставки увлекательных голограмм многих видов: 2D и 3D голограммы, мультиплексные и деметаллизированные голограммы, и др.

Современной голографии есть куда совершенствоваться и развиваться, поэтому её история еще не закончена.