ПостНаука продолжает рассказывать о современных технологиях в проекте «Банк знаний», созданном совместно с Корпоративным университетом Сбербанка.

Само слово «голография» состоит из двух частей. Если переводить с греческого, то это будет «пишу» и «всё», то есть «пишу всё». Если взять фотографию как очень похожее слово, то она с точки зрения науки регистрирует амплитуду светового сигнала. А основу голографии составляет запись амплитуды и фазы. И это качественное изменение позволило человечеству открыть новый способ воспроизведения информации, когда записана объемная информация и ее можно воспроизвести. То есть про реальные предметы мы знаем, что они трехмерные, знаем, что наше реальное пространство довольно сложно организовано. Но когда мы фотографируем, мы все проектируем на плоскость. Конечно, человеческое воображение может восстановить трехмерную картину. Но с 1947 года появляются первые публикации по голографии. Деннис Габор, ее создатель, объяснил, что запись не только амплитуды, но и фазы световой волны позволяет впоследствии воспроизвести объемную картину.

Надо сказать, что голография — это метод, у которого нет аналогов в природе. Это изобретение человеческого разума — запись фазы и амплитуды. Но, конечно, современная голография шагнула уже в жизнь, и часто люди воспринимают голографию как область прикладной, развлекательной индустрии. Трехмерные дисплеи, какие-то наклейки со словом «голография» — зачем они, почему? Для того чтобы разобраться в этих вопросах, надо сначала понять принцип голографии. А чтобы понять принцип голографии, надо отдавать себе отчет, что любая регистрация информации начинается с двух вещей: с носителя информации — это свет, а второй — на чем зарегистрировать информацию, то есть регистрирующая среда.

Для голографии нужны особые регистрирующие среды. Прежде всего, они должны быть высокоразрешающими, потому что мы знаем, что длина волны света, который мы видим, где-то от 0,4 до 0,7 микрон. И если это проектировать на человеческие масштабы, то это гораздо меньше толщины человеческого волоса. И соответственно, чтобы такую волну зарегистрировать, нужны очень высокоразрешающие регистрирующие среды.

Исторически сначала придумали регистрирующие среды, которые были не очень высокоразрешающие, но на которых можно было делать фотографию. А потом по мере развития этой индустрии оказалось, что можно делать и голограмму. То есть зарегистрировать не только амплитуду, но и фазу. Но тут возникла проблема, что источников информации было очень мало, придумывали специальные газосветные трубки, у которых спектр очень тоненький. А потом оптики обобщили все требования к свету и назвали это одним словом — когерентность.

Рекомендуем по этой теме:
21785
Голография: история и применение

Когерентность — это, грубо говоря, качество света. Чем выше, говорят, когерентность, тем лучше качество света. На самом деле так оно и есть. Если свет рассматривать как волну, то у нее бывает длина волны и еще устойчивость во времени.

Создание лазера открыло и для голографии большие перспективы. Это было связано с тем, что качество оптического излучения, генерируемое лазером, гораздо выше, чем все, что мы видим в природе. И это высококогерентное лазерное излучение оказалось совершенно необходимым для того, чтобы записывать голограммы. То есть голография образовалась как метод до открытия лазера, а с открытием лазера она получила бурное развитие. И здесь надо назвать кроме Денниса Габора еще двух ученых — это американцы Лейт и Упатниекс. Они в начале 1960-х годов занимались способами регистрации информации на основе метода Габора. А наши ученые (в частности, был у нас замечательный ученый Юрий Денисюк, живший и работавший в Санкт-Петербурге, тогда Ленинграде) пошли по несколько иному пути. Преемственность этого пути можно возвести к Липпману.

Габриэль Липпман очень интересный человек. Он жил в конце XIX века и активно работал. И он открыл новый способ фотографической регистрации информации. Они так и назывались — фотографии Липпмана. По сути, Липпман открыл голографию, только он не называл это голографией. Он не ставил перед собой цель создать объемные изображения — он ставил цель зарегистрировать изображение в естественных цветах. И оказалось, что эти естественные цвета образуются именно тогда, когда фактически регистрируется голограмма. Но голограммы на нынешний лад — это голограммы сфокусированных изображений. То есть Липпман в конце XIX века придумал способ, который в начале 1960-х годов развил наш ученый Юрий Денисюк.

И получилось, что с двух сторон — со стороны Денниса Габора и со стороны Липпмана — сошлись две дорожки, открылся новый удивительный широкий путь исследования природы света — голография.

Теперь надо сказать, что такое голография по своей сути. Для того чтобы зарегистрировать фазу (как я говорил, в голографии кроме амплитуды надо зарегистрировать фазу), необходимо, чтобы было два пучка. Один пучок будет нести информацию об объекте, который мы будем записывать. А другой пучок будет опорным. То есть этот пучок будет нести информацию об источнике света, который освещает и предмет, и голограмму. И таким образом, будет опорная волна, от которой будут отсчитываться фазы регистрируемого сигнала.

В прямом виде Лейт и Упатниекс в своей оптической схеме сделали два пучка. Взяли предметный пучок, опорный пучок, сбили их в области высокоразрешающей фотографической пластинки и записали голограмму. А воспроизвести голограмму можно тем же путем, как она была при записи, то есть поставить в то же место, где она была при записи, и осветить уже опорным пучком. И когда вы осветили опорный пучок, возникает пучок предметный — тот, который нес информацию об объекте. И вы видите трехмерную картинку.

А Денисюк придумал еще интереснее: по методу Липпмана он поставил голографическую оптическую пластинку (она прозрачная), осветил ее когерентным светом, а с другой стороны поставил объект, и первый лучик, опорный, проходил через голограмму, не исказившись, а второй — предметный лучик — отражался от объекта. Они встречались в той же голограмме и тоже записывались. Но свойства денисюковских голограмм оказались гораздо более интересными, чем у Лейта и Упатниекса. Оказалось, что они сами по себе являются фильтрами для света. То есть можно было осветить денисюковскую голограмму белым светом — а она восстанавливала изображение в том цвете, который был использован при записи. То есть запись была лазерным лучом, воспроизводили белым светом и увидели объемную картинку. То же самое у Липпмана. Только там была фотография, и вы видели фотографию цветную, хотя пластинка была черно-белой, там не было никаких цветных фильтров.

Это и есть принцип голографии. А дальше возникает вопрос: где полезно голографию использовать? Прежде всего, голография начала распространяться как способ записи самого изображения, потому что всех поразила возможность записи трехмерного изображения. Потом появилась запись живых объектов, но для того, чтобы это записывать, нужны были импульсные лазеры, то есть очень короткий импульс света. За время действия этого импульса света человек или другой объект не должен сместиться. Потому что, как я уже говорил, для записи голограмм нужная высокоразрешающая эмульсия. И малейшие смещения объекта или опоры приводят к тому, что интерференционная картина между ними смещается, а вы получаете замазанное низкоэффективное голографическое изображение или вообще его не видите, а видите там какую-то шумовую картинку.

Этот принцип голографии сейчас применяется прежде всего, конечно, в спектроскопии, там, где нужны решетки. Если взять в качестве предмета точечный источник, то тогда у вас интерференционная картина между точечным и опорным источниками будет похожа на линзу. И эта линза обладает очень большим хроматизмом — то, что нужно для спектроскопии. То есть для спектроскопии можно таким образом записывать фокусирующие дифракционные решетки.

Это широко используется сейчас в линиях связи, потому что плотность линий связи возросла, уже без так называемого уплотнения по длине волны пропускная способность канала недостаточна. Уплотнение по длине волны — это значит, что нужно мультиплицировать и демультиплицировать такие сигналы, то есть разделять по длинам волн. То, что делает спектроскопия, но она делает это для неизвестных объектов. А когда у вас известный объект — волоконная линия связи, — разделение каналов по длине волны производится при помощи решеток.

Следующая область применения голографии — это, конечно, дисплеи, защита информации. Все хорошо знают и акцизные марки, есть защита каких-то ценных предметов или защита банковской тайны — везде ставятся голографические марки, потому что их трудно подделать. Конечно, индустрия подделки развивается тоже, поэтому стараются применять все более сложные методы записи голограмм: кодированная запись, специальные регистрирующие среды, которые так просто в магазине не купишь. И все время идет вечное соревнование между теми, кто хочет защитить информацию, и теми, кто хочет вскрыть ее.

Рекомендуем по этой теме:
15073
Стив Фурнелл — Кибербезопасность

Если суммировать все области применения голограмм, то на самом деле, куда ни обратись сейчас, обязательно будут следы голографии. Недавно я подумал, что в микроэлектронике вроде бы все обходятся без голограмм. Ничего подобного. Оказывается, самые точные датчики перемещения на данный момент (а вы знаете, что любая микроэлектронная технология — это точное перемещение объектов, микросхем при производстве, точное совмещение; везде используются датчики перемещения) — это решетчатые датчики, а для записи решетки используется лазер, то есть те же методы голограммы. Буквально во всех областях человеческого знания голография уже проявила себя.

Но и перспективы есть большие. Почему? Потому что мне, как человеку, занимающемуся голографией, очень нужна динамическая регистрирующая среда. Сейчас мы записываем голограмму, она статическая. А нужна динамическая, чтобы я мог записывать динамически, считывать. Это будет голографическое кино. Конечно, можно записать на специальную высокоразрешающую кинопленку, но это очень трудоемкий процесс, после этого требуется химическая обработка, и к тому же это один экземпляр, его очень трудно будет тиражировать. А нужна динамическая среда. Вот фотографию вы записываете, да? У вас есть сейчас высокоразрешающие камеры. А для того, чтобы записать голограмму, нужно еще повысить разрешение и размер — одновременно нужно увеличивать и размер, и разрешение. Для технологии это всегда очень трудно. К примеру, просто увеличивать изображение можно. В современных фотоаппаратах, которые сейчас используются, 5–10 микрон — большие пиксели. А для камер, которые встраиваются в телефоны, уже размер пикселя порядка микрона. Но размер их очень маленький. А для голографии нужно, чтобы одновременно была большая площадь и маленький пиксель. Это трудно. С другой стороны, голография всегда старается обойти какие-то ограничения. Поэтому существует проекционная голография, когда мы будем проектировать трехмерные изображения. Только для отображения, скорее всего, понадобятся другие типы голограмм, голографические экраны. И таким образом у голографии появляются все новые и новые области. Предела мы не видим, и это нам внушает оптимизм.