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.
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.
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.
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 того чтобы понять, как происходит запись и восстановление голограммы, рассмотрим самый простой пример – голограмму точки.
Рассеянная точечным объектом сферическая и плоская референтная (опорная) волна попадают на фоточувствительный слой, в котором записывается картина интерференции сходящихся лучей.
Распределение света на фотопластинке фиксируется в виде системы темных и прозрачных концентрических колец, очень похожих на зонную пластинку Френеля
Расстояние между соседними интерференционными кольцами (d) равно:
d = λ /2*sin (Θ/2);
где λ – длина записывающей волны;
Θ – 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.
Два симметричных дифракционных порядка в точках (1) и (2) формируют действительное и мнимое изображения точки (Об).
Θ = ψ; где (ψ1) и (ψ2) – углы дифракции в точках (1) и (2);
Если продолжить направления дифракционных порядков, возникших в точках (1) и (2) нашей голограммы до их пересечения, то получим координаты мнимого и действительного изображений точки (Об). Возникшая в результате дифракции на голограммной структуре сферическая волна (см. Рис. 18 «Восстановление»), создает мнимое изображение точки (Аi) и наблюдатель видит это изображение за голограммой. Вторая сходящаяся сферическая волна создает действительное изображение точки (Аd), 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(ψ) = nλ/2d; где n = +1; 0; -1
Обратите внимание на зависимость углов дифракции от длины волны (λ) 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 (векторную сумму) элементарных голограмм множества геометрических точек, составляющих объект. Это и является принципом голографии, который предложил в 1947 году Деннис Габор.
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»
