Большой вклад в развитие голографии внесли Э. Лейт и Ю. Упатниекс.
Они впервые использовали для записи голограммы лазер. Их метод оказался
более эффективным по сравнению с методом Габора. Рассмотрим его
подробнее.
Луч лазера расщепляется полупрозрачным зеркалом (рис. 19) на два
потока. Прошедший поток называют опорным. Линза и вогнутое зеркало
формируют в нем плоские волны. Их лучи параллельны друг другу. Другой,
отраженный, поток называют объектным. С помощью системы зеркал и линзы
он расширяется и освещает предмет. Если для простоты представить предмет
в виде точки, то отраженные от него волны будут иметь сферическую форму
с центром в этой точке. Опорный и объектный потоки проходят через
фотопленку и в ее плоскости интерферируют. Там, где световые волны
усиливают друг друга, фотоэмульсионный слой пленки засвечивается больше,
а где ослабляют одна другую - меньше. После проявления пленка
представляет собой голограмму - записанную интерференционную картину.
Такую запись можно получить тогда, когда разность фаз между волнами
объектного и опорного потоков постоянна, т. е. когда излучение
когерентно. Если за время экспозиции разность фаз меняется, рисунок на
пленке становится размытым. К подобному результату приводит также сдвиг
предмета во время экспозиции. Достаточно сместить предмет на 2 10~5 см,
как голограмма оказывается испорченной. Чаще всего в этом повинны
вибрации. Поэтому устройство для записи голограмм стремятся установить
на массивные каменные или мраморные плиты.
Итак, голограмма получена. По сути это ни что иное, как дифракционная
решетка.
Рис. 20. Восстановление изображения предмета в
прямом (а) и обратном (б) ходах луча через пленку: 1 - восстанавливающий
поток: 2 - эмульсионный слой: 3 - действительное изображение: 4 - мнимое
изображение
Роль штрихов в ней играют темные и светлые полосы, но в голограмме
они расположены не всегда параллельно, и расстояние между ними не всегда
постоянно. Записанную на пленку голограмму освещают восстанавливающим
потоком лазера (рис. 20, а). Проходя через узор на голограмме, свет
испытывает дифракцию, в результате чего из пленки вместо одного выходят
три потока. Один проходит, не меняя своего направления, а по обе стороны
от него симметрично формируются два других. Если взглянуть на голограмму
под таким углом, чтобы в глаза попадал любой из боковых потоков, то
создается иллюзия присутствия предмета, которого
в действительности там нет. Это лишь результат деятельности нашей
зрительной системы. Причем одно изображение мнимое. В этом нетрудно
убедиться, поместив на его месте лист белой бумаги. Изображение на
бумаге не появится. Изображение, полученное с помощью другого пучка,
действительное, но сильно искаженное.
Повернем пленку обратной стороной к свету (рис. 20, б), теперь свет
проходит через голограмму как бы в обратном направлении. Снова за
голограммой образуется два боковых потока, но на этот раз исказится или
пропадет мнимое изображение. Представим теперь, что предмет имеет
некоторую протяженность. Интерференционная картина, фиксируемая пленкой,
становится намного сложнее. И тем не менее, освещая голограмму светом,
вновь получаем два изображения - мнимое и действительное. Если менять
угол зрения в пределах бокового потока, то предмет можно рассматривать
спереди и с боков, поскольку изображение трехмерно. Это одно из
удивительных свойств голографии.
Давая оценку этому методу, Габор отметил, что Э. Лейту и Ю. Упатниексу
удалось получить то, что в свое время не смог сделать он -
пространственно разнести мнимое и действительное изображения. Схема
Габора (рис. 21) была однолучевой, и полученные с ее помощью два
изображения - действительное и мнимое - накладывались одно на другое. От
этого страдало качество изображения. Лейт и Упатниекс, используя
двухлучевую схему с разнесенными в пространстве опорным и объектным
потоками, избавились от этого недостатка.
Присмотримся внимательнее к действительному изображению на рис. 20.
Предмет кажется вывернутым наизнанку, его передняя поверхность
воспринимается более далекой, чем боковые. Эта особенность оказалась
полезной для изготовления голографических копий. Полученная голограмма
становится матрицей (рис. 22, а).
Ее освещают восстанавливающим потоком, а в плоскости действительного
изображения предмета помещают вторую пленку, будущую копию. Одновременно
с восстанавливающим на пленку направляют также опорный поток. Потоки
интерферируют, и на пленке записывается интерференционная картина.
Пленку проявляют, после чего копия готова, и ею можно пользоваться так
же, как обычной голограммой. Через нее пропускают восстанавливающий
поток и получают трехмерное действительное изображение предмета (рис.
22, б). Но в этом случае изображение уже не вывернуто наизнанку, а
полностью соответствует предмету. И, что особенно важно, оно находится
перед голограммой. Это позволяет сильнее ощутить эффект присутствия
предмета. Изображение видно более четко, нежели когда его приходится
рассматривать сквозь голограмму. Такой метод позволяет тиражировать
голограммы, не прибегая к многократной съемке. Им широко пользуются в
музейной практике для получения голографических портретов. Применяют его
и для рекламы промышленных товаров.
Наиболее интересным свойством голограммы является то, что любой
небольшой ее фрагмент содержит информацию о всем предмете. Если пленку
разрезать на несколько кусков, то каждый из них полностью воспроизведет
весь предмет. Правда, качество изображения при этом ухудшается, однако
такие дефекты, как царапины, затертости, практически не будут заметны.
Таким образом, голограмма представляет собой элемент распределенной
памяти. Это обстоятельство вызвало предположение о том, что, возможно,
память мозга человека по своей природе также является голографической.
Ведь хорошо известно, что можно разрушить часть мозга, но сохранить
память.
Интересно, что на одной пленке помещается более 10 000 голограмм. При
необходимости каждую из них восстанавливают независимо от других. Это
свойство оказалось особенно ценным для создания систем памяти большой
емкости.
Для записи и восстановления голограмм не обязательно пользоваться
лазерами с одинаковой длиной волны. Голограмму можно записать, например,
ультрафиолетовым светом, а восстановить - видимым. При этом изображение
увеличится, т. е. меняя длину волны света, можно изменять масштаб
изображения.
Рис. 23. Метод цветной фотографии Липпмана: 1 -
зеркало; 2 - мелкозернистая эмульсия; 3 - стеклянная подложка
Рис. 25. Запись и воспроизведение <радужной
голограммы>: а - получение копии; б - восстановление изображения
монохроматическим светом; в - восстановление изображения белым светом; 1
- восстанавливающий поток; 2 - опорный поток; 3 - копия; 4 - щель; 5 -
действительное одноцветное изображение щели; 6 - красное изображение; 7
- синее изображение
Схема Лейта и Упатниекса была реализована в 1963 г., а годом раньше
советский ученый Ю. Н. Денисюк предложил новое направление развития
голографии. Он остроумно соединил голографический метод с методом
цветной фотографии, за который французский ученый Габриель Липпман в
1908 г. получил Нобелевскую премию. Липпман изготовил очень
мелкозернистую толстослойную эмульсию, содержащую коллоидное бромистое
серебро, и нанес ее на подложку из ртути, которая служила зеркалом (рис.
23). Свет, упавший на эмульсию, отражается от зеркала и вместе с
падающей волной создает систему стоячих волн. Зерна коллоидного серебра
выпадают в осадок на участках, где расположены максимумы волн. В толще
эмульсии образуются слои, расстояние между которыми составляет половину
длины волны. Если такую пластину проявить, а затем осветить белым
светом, то слои отразят свет определенной длины волны. В результате
изображение приобретает окраску.
Взяв за основу метод Липпмана, Ю. Н. Денисюк предложил освещать
толстослойную эмульсию предметной и опорной волнами с противоположных
сторон (рис. 24). В результате этого в эмульсии образуются стоячие
волны, но расположены они уже не параллельно слою эмульсии, а по
биссектрисе угла между волновыми фронтами. Если эмульсию проявить, а
затем осветить белым светом, появится объемное одноцветное изображение
предмета. Причем, когда свет падает на голограмму с той стороны, где
находился предмет при записи, то получают действительное изображение, а
с противоположной - мнимое.
В 1971 г. Габор писал: <Несмотря на высокое искусство экспериментатора,
из-за отсутствия лазера в 1962 г. Ю. Н. Денисюк смог привести лишь
доказательство существования цветной отражающей голограммы, которую
можно освещать белым светом, но сама голограмма была впервые изготовлена
в 1965 г. Строуком и Лабейри, а двухцветный ее вариант - позднее Ли-ном,
Пеннигтоном, Строуком и Лабейри. С тех пор техника изготовления
одноцветных отражающих голограмм была доведена до высокого уровня.
Однако двух- и тем более трехцветные голограммы все еще далеки от
совершенства>.
В 1969 г. американский ученый С. Беннет предложил так называемые
<радужные голограммы>. В отличие от голограмм Ю. Н. Денисюка, их
получают двухступенчатым методом. Сначала изготовляют матрицу, а затем с
нее снимают копию. Метод нам уже знаком. Но есть некоторая особенность:
при копировании свет пропускают не через всю матрицу, а только чррез
узкую щель в ней (рис. 25, а). Теперь изображение предмета можно увидеть
отчетливо, стоя там, где находится действительное изображение щели (рис.
25, б). Но при этом информация о глубине пространства сохраняется только
в направлении вдоль изображения щели. В поперечном направлении эффект
объемности пропадает. Когда через копию проходит белый свет, лучи разных
цветов создают изображения щели на неодинаковых расстояниях от копии
(рис. 25, в). Для красных лучей это расстояние меньше (около 30 см), для
синих - больше (до 50 см). При рассмотрении пленки под разными углами
можно заметить, как меняется цвет изображения. Например, там, где
сходятся красные лучи, изображение окрашивается в красный цвет.
