Что такое голографический эффект. Голография и ее применение. До чего дошли современные технологии

Первым на вопрос «Что такое голограмма?» попытался ответить венгерский физик Денеш Габор в конце 40-х годов. Ему и суждено было стать основоположником голографии и одновременно создателем первой голограммы (он же и придумал этот термин), за что впоследствии получил Нобелевскую премию.

Однако качество первых голограмм было невысоким по причине использования для их создания примитивных газоразрядных ламп. Все изменилось в 60-е годы с изобретением лазеров, что поспособствовало стремительному развитию голографических технологий. Первые высококачественные лазерные голограммы были получены советским физиком Ю. Н. Денисюком в 1968 году, а спустя 11 лет, его американский коллега Ллойд Кросс создал еще более сложную мультиплексную голограмму.

Принцип формирования голограммы

В процессе визуализации голограммы в определенной точке пространства происходит сложение двух волн – опорной и объектной, образовавшихся в результате разделения лазерного луча. Опорную волну формирует непосредственно источник света, а объектная отражается от записываемого объекта. Здесь же размещается фотопластина, на которой «отпечатываются» темные полосы в зависимости от распределения электромагнитной энергии (интерференции) в данном месте.

Аналогичный процесс происходит и на обычной фотопленке. Однако для воспроизведения изображения с нее требуется распечатка на фотобумаге, тогда как с голограммой все происходит несколько иначе. В данном случае для воспроизведения «портрета» объекта достаточно «осветить» фотопластину волной, близкой к опорной, которая преобразует ее в близкую к объектной волну. В результате мы увидим почти что точное отражение самого объекта при отсутствии его в пространстве.

3D-голограмма и ее применение

Как работают голографические проекторы

В ряду новейших технологий передачи информации – видеоконференции и интерактивная голография, формирующая эффект висящей в воздухе прозрачной поверхности.

Возможности голографических проекторов по мере развития современных технологий постоянно расширяются, а качество изображений улучшается. Они становятся доступнее и компактнее. Сегодня на вечеринках и в ночных клубах можно встретить лазерные голографические мини-проекторы, создающие сложные лазерные «рисунки», которые сочетаются с дымовыми эффектами.

Голограмма человека

О том, что с тех пор голография совершила головокружительный технологический рывок, стало ясно 19 мая 2014 года в Лас-Вегасе при вручении премии Billboard Music Awards, когда перед потрясенными зрителями, как в старые добрые времена спел и станцевал… покойный Майкл Джексон. Чудесное «воскресение» стало возможным, благодаря великолепной голограмме, которую сотворила компания Pulse Evolution.

Голография на дисплее смартфона

С появлением мобильных телефонов, а позже смартфонов, стало ясно, что однажды пути этих двух знаковых технологий XXI века пересекутся. Так и случилось. И вот уже YouTube переполнен советами пользователей по превращению смартфона в голографический мини-проектор.

Свежую идею подхватил один из лидеров по производству цифровых фото- и видеокамер компания RED. В июле прошлого года она представила первый в мире смартфон с 5,7 дюймовым голографическим экраном – RED Hydrogen One. Кроме привычных 2D-изображений он воспроизводит трехмерный контент без помощи специальных очков, а также контент для виртуальной и дополненной реальностей.

Голограммы из будущего

Свою лепту внесла Microsoft, разработав технологию . Она предполагает передачу объемного отсканированного изображения собеседника в режиме онлайн и создания его трехмерной модели.

Специалисты лаборатории Digital Nature Group из Японии научились с помощью фемтосекундных лазеров создавать голограммы, которые к тому же можно потрогать руками, не опасаясь нежелательных последствий. Это стало возможным за счет сокращения длительности лазерных импульсов с нано- до фемтосекунд.

И получил «за изобретение и развитие голографического принципа» Нобелевскую премию по физике в 1971 году .

Физические принципы

Рассеянные объектом волны характеризуются амплитудой и фазой. Регистрация амплитуды волн не представляет затруднений; обычная фотографическая пленка регистрирует амплитуду, преобразуя её значения в соответствующее почернение фотографической эмульсии. Фазовые соотношения становятся доступными для регистрации с помощью интерференции, преобразующей фазовые соотношения в соответствующие амплитудные. Интерференция возникает, когда в некоторой области пространства складываются несколько электромагнитных волн, частоты которых с очень высокой степенью точности совпадают. Когда записывают голограмму, в определённой области пространства складывают две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В этой же области размещают фотопластинку (или иной регистрирующий материал), в результате на этой пластинке возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине интерференции) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует эту волну в волну, близкую к объектной. Таким образом, мы будем видеть (с той или иной степенью точности) такой же свет, какой отражался бы от объекта записи.

Собственно любая голограмма является способом сохранения информации об электромагнитной волне в виде интерференционной картины (максимумов и минимумов пучностей) методом физической записи в специальной среде об отражённом от объекта, рассеянном, волновом фронте электромагнитного излучения, его амплитуде (яркости) и сдвиге фазы (объёме) в некоторой точке с возможно меньшей потерей информации, либо имитации такой картины специальными голографическими методами.

Источники света

Голограмма является записью интерференционной картины, поэтому важно, чтобы длины волн (частоты) объектного и опорного лучей с максимальной точностью совпадали друг с другом, и разность их фаз не менялась в течение всего времени записи (иначе на пластинке не запишется чёткой картины интерференции). Поэтому источники света должны испускать электромагнитное излучение с очень стабильной длиной волны в достаточном для записи временном диапазоне.

Крайне удобным источником света является лазер . До изобретения лазеров голография практически не развивалась (вместо лазерного излучения использовали очень узкие линии в спектрах испускания газоразрядных ламп , что очень затрудняло эксперимент). На сегодняшний день голография предъявляет одни из самых жёстких требований к когерентности излучения лазеров.

Чаще всего когерентность принято характеризовать длиной когерентности - той разностью оптических путей двух волн, при которой контраст интерференционной картины уменьшается в два раза по сравнению с интерференционной картиной, которую дают волны, прошедшие от источника одинаковое расстояние. Для различных лазеров длина когерентности может составлять от долей миллиметра (мощные лазеры, предназначенные для сварки, резки и других применений, нетребовательных к этому параметру) до сотен и более метров (специальные, так называемые одночастотные лазеры).

История голографии

Первая голограмма была получена в 1947 году (задолго до изобретения лазеров) Денешем Габором в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа . Он же придумал само слово «голография», которым он подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно.

Схема записи Денисюка

Схема Денисюка

Q = 2 π λ d n Λ 2 {\displaystyle Q={\frac {2\pi \lambda d}{n\Lambda ^{2}}}} ,

Где λ - длина волны; d - толщина слоя; n - средний показатель преломления слоя; Λ - расстояние между интерференционными плоскостями.

Объёмными (толстыми) голограммами считаются такие, у которых Q > 10. И наоборот, голограмма считается тонкой (плоской), когда Q < 1.

Галогенсеребряные фотоматериалы

Основным фотоматериалом для записи голограмм являются специальные фотопластинки на основе традиционного бромида серебра . За счёт специальных присадок и специального механизма проявления удалось достичь разрешающей способности более 5000 линий на миллиметр, однако за это приходится платить крайне низкой чувствительностью пластинки и узким спектральным диапазоном (точно подобранным под излучение лазера). Чувствительность пластинок настолько низкая, что их можно выставить на несколько секунд под прямой солнечный свет без риска засветки.

Кроме того, иногда применяются фотопластинки на основе бихромированной желатины , которые обладают ещё большей разрешающей способностью, позволяют записывать очень яркие голограммы (до 90 % падающего света преобразуется в изображение), однако они ещё менее чувствительны, причём они чувствительны только в области коротких волн (синий и, в меньшей степени, зелёный участки спектра).

В России крупное промышленное (кроме некоторого количества мелких) производство фотопластинок для голографии осуществляет российская «Компания Славич ».

Некоторые схемы записи позволяют писать и на пластинках с меньшей разрешающей способностью, даже на обычных фотоплёнках с разрешением порядка 100 линий на миллиметр, однако эти схемы имеют массу ограничений и не обеспечивают высокого качества изображения.

Фотохромные кристаллы

Наряду с фотографическими мелкозернистыми галогенсеребряными средами, применяются так называемые фотохромные среды , изменяющие спектр поглощения под действием записывающего света.

KCl

Одними из эффективнейших среди фотохромных кристаллов являются щёлочно-галоидные кристаллы , из которых наилучшие результаты были получены на аддитивно окрашенных кристаллах хлорида калия (KCl). Голограммы, записанные на таких кристаллах, достигают 40 % относительной дифракционной эффективности при теоретически возможной в данной среде 60 %. При этом голограммы в данном материале весьма толстые (толщиной до нескольких миллиметров, и могут в принципе достигать единиц сантиметров). Голографическая запись в аддитивно окрашенных кристаллах KCl базируется на фототермическом F-X преобразовании центров окраски , то есть фактической коалесценции одиночных анионных вакансий в более крупные кластерные образования размером десятки нанометров . При этом голографическая запись в таких кристаллах реверсивна (обратима) и очень устойчива по времени .

Также возможна голографическая запись с помощью легирования кристаллов соответствующей примесью. Возможно использовать для этой цели эффект компенсационного влияния введенных в АО KCl катионных (ионы Са ++) и анионных (ионы ОН −) примесей на процесс фототермического преобразования F-центров. Показано, что просветление при этом в максимуме полосы поглощения F-центров достигает 90 % и не сопровождается образованием центров, обуславливающих поглощение в видимой области спектра. Разработан механизм такого влияния, основанный на фотохимических реакциях, конечные продукты которых поглощают в УФ-диапазоне. Обосновано, что ключевую роль в рассматриваемом явлении играют бивакансии и комплексы Са ++ (ОН −) 2 - катионная вакансия. На основе полученных результатов разработана новая фотохромная система для формирования голограмм, основанная на эффекте компенсации влияния катионных и анионных примесей

Ни один научно-фантастический фильм, в котором действие происходит как в ближайшем, так и в очень отдаленном будущем, не может обойтись без голографических устройств. Голограмма - это объемное трехмерное изображение, которое, собственно, и помогает героям футуристических миров общаться друг с другом. С другой стороны, все элементы научной фантастики рано или поздно становятся частью повседневной жизни - чего только стоят роботы и полеты в космос, о которых еще сто лет назад человечество только мечтало. Но насколько далеки от нас голограммы и можно ли сделать объемное изображение в домашних условиях без использования специального оборудования?

Будущее у порога

До настоящего времени это слово могло ассоциироваться с научно-фантастическими фильмами или книгами, но наука, как известно, развивается очень быстро, и голографические изображения в скором времени могут стать неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Каким прорывом для связи было создание телефона, сколько изменений привнесла технология сообщения при помощи онлайн-трансляции с веб-камеры! Трудно даже представить, что может дать будущим поколениям развитие голографических технологий. К примеру, почему бы и не пройтись вместе с другом, который живет за несколько тысяч километров от вас, по парку, используя такие устройства?

Механизм в действии

Конечно, все эти фантазии пока еще находятся в достаточно далекой перспективе. На сегодня в более узком, научном смысле голограмма - это особый вид фотографий, которые создаются при специальном освещении, подобие трехмерных изображений. Голографическую фотографию можно даже без особого труда создать на практике. Главное - это механизм создания многомерного, на первый взгляд, изображения. Обеспечивается голографический эффект при помощи полупрозрачного зеркала, разделяющего пучки лазерных излучений на два четких луча. Последние также называются учеными предметной и опорной волной. Первая волна отражает фотографируемый объект и попадает на пленку, а вторая встречает ее на самой пленке, обходя при этом предмет с других ракурсов. Вот так, в принципе, и создается 3D-голограмма. Если во время освещения полученной пленки направить на нее лазерное излучение с такими же по длине волнами, то оно будет преломляться в правильных конфигурациях. Ученые сейчас разрабатывают механизмы, способные передать голографические изображения при обычном свете, без особых преломлений лучей.

Многомерная Вселенная?

Голограмма - это уникальное изобретение человека. Фактически это трехмерное пространство, которое закодировано в плоском изображении. Угол и форма зрительного представления предмета будут изменяться относительно вашей точки зрения. Подобная идея наталкивает писателей-фантастов и некоторых совсем оригинальных ученых на то, что в нашем трехмерном мире также может содержаться бесконечное количество других измерений. Такая идея получила название «теория многомерного мира», и она активно разрабатывается и популяризируется в научно-фантастических произведениях уже много лет. Непосредственным истоком идеи о многомерности была теория струн, также очень популярная в современной физике. Если верить доводам ученых, поддерживающих теорию о многомерности, то сама наша Вселенная - голограмма, поскольку наш трехмерный мир - проекция многомерного пространства. Если возможно кодирование трехмерного изображения в двухмерном, то почему нельзя допустить, что трехмерное пространство, в котором мы воспринимаем реальность, в свою очередь, является проекцией чего-то большего?

Человеческий глаз и многомерность мира

С обычными фотографиями всегда все предельно просто. Глаз воспринимает изображение таким, какое оно есть только на плоскости. Фактически функцией глаза и является «фотографирование» реальности и передача этой информации в мозг, в то время как понятие трехмерности достигается за счет перемещения глаза или самого объекта. В свою очередь, лазерный свет голограммы воспроизводит все необходимые категории изображения - плотность, цвет, освещение - и дает полноценное изображение с любой точки, с которой можно на него смотреть.

До чего дошли современные технологии?

И все-таки, голограмма - это что? Лучше всего представить особенности инноваций в сфере передачи многомерного изображения позволят данные о современной стадии разработок голографических технологий.

Особенно отличаются в этой сфере, как и везде в футуристических технологиях, японцы. Отдельно следует отметить разработки компании Aerial Burton. Результатами исследований стало устройство, позволяющее создавать голограмму при помощи ионизации молекул воздуха. Обычно для создания трехмерной проекции необходима специальная среда, за счет которой лазер формирует изображение. Такой средой может быть и водяной пар, и брызги - вода прекрасно отражает изображение лучей. Японские ученые же смогли создать совершенно иной тип лазера, который добивается переноса изображения на молекулы воздуха, благодаря чему и расположена голограмма в воздухе. Долго, правда, этот лазер пока работать не может, вновь и вновь нужно повторять процедуру ионизирования молекул воздуха. Конечно, пока даже японская компания Aerial Burton смогла достичь только переноса в пространство нескольких светящихся точек, но сами технологии подают большие надежды. В скором времени трехмерные изображения могут появиться и в сфере развлечений, а наиболее далеко идущие предположения - это замена дорожных указателей на голограммы.

Голографический проектор - своими руками!

Но пока трехмерные изображения прямо в воздухе еще нам недоступны, голограмма на телефоне - вполне обыденная вещь. Все, что для этого требуется, несколько часов на создание специального голографического проектора при помощи подручных средств.

Голограмма, своими руками созданная, не потребует от вас большого количества сложных деталей и операций. В принципе, кроме смартфона с выходом в интернет и прозрачной коробочки от CD, ничего больше и не понадобится. От такого способа воссоздания голографических изображений без ума дети, так что, если вам нечем удивить ребенка, возьмите на заметку этот метод.

Алгоритм действий

Итак, берем прозрачную пластиковую коробочку от компакт-дисков, канцелярский нож или нож для стекла, обычные ножницы, линейку, небольшой рулон скотча и, конечно же, смартфон. При помощи линейки чертим на обычном листе бумаги очертание трапеции, придерживаясь следующих пропорций: нижняя основа - шесть сантиметров, верхняя - один. Высота при этом будет равна трем с половиной сантиметрам. Прикладывая такой трафарет к стенкам коробочки, вырезаем четыре фигуры. Скрепив их между собой при помощи обычного скотча или же суперклея, получите необходимую для проекции трапецию.

Невероятное зрелище

Ну вот, теперь и настал момент истины. Проектор готов, осталось только проиграть специально обработанное изображение или видеоряд, рассчитанный на трехмерное проектирование.

Огромным плюсом создания голограмм является то, что сделать это "чудо" может практически каждый в домашних условиях, даже если нет в наличии специального оборудования. Голограммы своими руками создать может каждый, это очень легко и просто!