Голография для любознательных. Книга для научных сотрудников школьного возраста

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.

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.

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.

Этот липпмановский снимок, хранящийся в Московском Политехническом музее, сделал не автор изобретения, а его коллега немец Нейгауз в 1901 году. Качество передачи цветов раритета не хуже, чем на современных цветных фотографиях, которые через сто лет уже наверняка поблекли бы и выцвели

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

Деннис Габор (05.06.1900 – 09.02.1979)

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.

Иллюстрация к патенту Д. Габора по восстановлению волнового фронта

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.

Схема записи Деннисом Габором первой глограммы.

1 – ртутная лампа; 2 – светофильтр; 3 – конденсорная линза; 4 – диафрагма; 5 – прозрачный объект; 6 – фотопластинка

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.

К сожалению, на голограмме можно было видеть и мнимое, и действительное изображения, и восстанавливающий источник света одновременно

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

Запись голограммы точечного объекта

Восстановление голографического изображения

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

Интерференционная картина на голограмме точки

Расстояние между соседними интерференционными кольцами (d) равно:

d = ? /2*sin (?/2)

где ? – длина записывающей волны;

? – 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.

? = ?; где (?

) и (?

) – углы дифракции в точках (1) и (2).

Два симметричных дифракционных порядка в точках (1) и (2) формируют действительное и мнимое изображения точки (О

). Если продолжить направления дифракционных порядков, возникших в точках (1) и (2) нашей голограммы до их пересечения, то получим координаты мнимого и действительного изображений точки (О

). Возникшая в результате дифракции на голограммной структуре сферическая волна (см. рисунок «Восстановление»), создает мнимое изображение точки (А

) и наблюдатель видит это изображение за голограммой. Вторая сходящаяся сферическая волна создает действительное изображение точки (А

), 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 (?) = n?/2d;

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

Обратите внимание на зависимость углов дифракции от длины волны (?) 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.

Джордж Строук демонстрирует голограмму

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.