2.9. ФИЗИЧЕСКАЯ ГОЛОГРАФИЯ

Своим появлением на свет голография обязана трем выдающимся открытиям, между которыми лежат века. Первое сделано в 1690 году X. Гюйгенсом. В «Трактате о свете» он указал, что каждую точку пространства, до которой дошло световое возмущение, можно рассматривать как центр нового возмущения, распространяющегося в виде сферической волны; эти вторичные волны комбинируются таким образом, что их огибающая определяет волновой фронт в любой последующий момент времени. Коротко это можно сказать так — свет распространяет волны сложной формы.

Второе сделано Т. Юигом в 1801 году. Он открыл интерференцию света: при наложении световые волны гасят друг друга, если не совпадают по фазе, но усиливаются при совпадении фаз. И третье сделал Д. Габор в

1948 году. Желая избавить электронный микроскоп от сферического искажения, он предложил использовать двухступенчатый метод: «перевести» поле электронных волн в оптический диапазон спектра, исправить у этой точки модели сферическую аберрацию (искажения) обычными методами, а затем «вернуться обратно». В процессе реализации этой частной задачи и была предложена голография — двухступенчатый процесс, состоящий из этапов формирования и восстановления изображения.

На этапе формирования изображения используются две световые волны: одной облучают объект, другая служит для образования однородного когерентного фона. При взаимодействии этих волн возникает хорошо известная в оптике интерференционная картина, которая несет в себе полную запись пространственной структуры световой волны (по амплитуде и по фазе). Запись интерференционной картины, полученную после этапа формирования изображения, называют голограммой. Записанная на фотоматериал голограмма несет информацию об амплитуде и фазе волны, отраженной от предмета, но не имеет никакого сходства с предметом и при визуальном рассмотрении кажется бессмысленной комбинацией полос и дифракционных колец. На этапе восстановления изображения используется когерентный пучок света, которым освещается голограмма для получения изображения первоначального предмета. При этом возникают два типа изображения: действительное и мнимое. Действительное изображение появляется на стороне, противоположной источнику излучения. Мнимое изображение появляется на той стороне голограммы, где размещается источник излучения. Физическое объяснение этому может быть дано такое. Очевидно, что голограмма пропустит свет только в тех местах, где располагаются максимумы интерференционной картины, т. е. там, где фазы волн от объекта и источника совпадали. В этих условиях голограмма как бы «выбирает» на поверхности фронта волны источника такие места и пропускает их сквозь себя. Приблизительно на половине площади голограммы будет воспроизведена объективная волна. То, что голограмма не воспроизводит поле объекта на месте темных полос интерференции, приводит к некоторой неоднозначности воспроизведения фазы, в результате которой появляется ложное изображение объекта. В схеме Д. Габора лучи, образующие истинное и ложное

изображение, распространялись вдоль одной оси, и поэтому эти изображения были искажены взаимной интерференцией. Полученное этим методом изображение имело вид тени и не передавало ни особенностей формы объекта, ни его цвета. В силу этого, а также из-за отсутствия источников когерентного излучения — лазеров — о возможности использования голографии в изобразительной технике в то время даже не упоминалось — метод развивался исключительно в применении к задаче электронно-структурного анализа.

Советский физик Ю. Денисюк в 1958 году, тогда еще аспирант, предложил в качестве диссертационной тему: «Об отображении оптических свойств объекта в волновом Поле рассеянного им излучения». Тема была настолько необычной, что ему не нашлось научного руководителя. Пришлось взяться за решение большой задачи самому. Рассуждал он примерно так. Если нет света, то мы не видим изображение предмета. Только когда на предметы падает свет, человек их видит. Он видит отраженные от предмета волны. Следовательно, человек благодаря свету видит не сами предметы, а их световые образы. И тогда у Юрия Николаевича возникла идея: записать световое поле на фотопластинке. Если затем направить на пластинку плоскую световую волну, она отразится в форме, уже записанной. Тем самым будет воскрешен образ отсутствующего предмета. Появилась следующая схема эксперимента (рис. 35). Слева на рисунке расположен источник излучения от которого направлена волновая поверхность на объект. Сам объект расположен справа и обозначен буквой О. Дойдя до предмета, световая волна отразилась от него, и естественно, что форма ее исказилась, поскольку предмет был объемным. Теперь в этой искаженной волне присутствует в закодированной форме информация об объекте. Закодированная информация содержится в фазе отраженного излучения. В точке К отраженная волна встретилась с волновой поверхностью С, и образовались стоячие волны в результате интерференции. Стоячие волны имеют пучности в тех местах, где фазы волн от источника и от объекта совпадали. Теперь, если зафиксировать произвольный объект этой стоячей волны, то можно предположить, что в нем содержится не только спектральный состав отраженного предметом излучения, но и все компоненты волнового поля — амплитуда и фаза.

Рис. 35. Схема эксперимента для получения голограммы

Сведения об этих параметрах заключены в причудливых изгибах и изменениях интенсивности поверхностей пучностей стоячей волны. Отсюда возникла еще одна идея: записывать нужно интерференционную картину не только по поверхности, в двухмерном измерении, а и в глубину, т. е. запись должна быть трехмерной. Этот метод впоследствии стал носить название — метод Денисюка. Но для его практической реализации ушло несколько лет напряженного труда исследователя, отягченного борьбой с рутинерами, не увидевшими большого значения выполняемой работы и стремившимися ее всеми способами свернуть. Попытки провести эксперименты для обоснования выдвинутой гипотезы натолкнулись на трудности, связанные с отсутствием фотографических пластинок, способных регистрировать стоячие световые волны. В связи с этим были предприняты дополнительные исследования по разработке метода приготовления толстослойных фотографических пластинок на основе современной технологии синтеза эмульсий. Применение сенсибилизации золотом позволило повысить первоначальную чувствительность пластинок при сохранении высокой разрешающей способности фотослоя. Попутно были выяснены пути устранения такого нежелательного в данном случае явления, как изменение толщины эмульсионного слоя в процессе

проявления и фиксирования фотопластинки. Второй трудностью являлось отсутствие источников излучения с монохроматическим потоком (вот где нужны были лазерные источники света), и поэтому была использована ртутная лампа. Эксперименты с простейшими объектами (зеркалами и шкалами микрометров) подтвердили выдвинутую гипотезу.

Теперь, на основании развитой теории волновой голографии, можно сказать, что принцип трехмерной голограммы в общих чертах состоит в следующем. На первом этапе, для записи голограммы, фотопластинка, имеющая толстый эмульсионный слой, устанавливается перед объектом со стороны источника. После экспозиции и проявления в эмульсионном слое фотопластинки образуется трехмерная слоистая структура, моделирующая пространственное распределение интенсивности в стоячей волне, образованной в результате наложения излучения, рассеянного объектом, и излучения источника. Такая структура обладает селективностью (она играет роль интерференционного фильтра) по отношению к падающему на нее излучению и поэтому допускает восстановление с помощью обычного источника со сплошным спектром (лампа накаливания, Солнце). Механизм воспроизведения голограммы заключается в следующем. Поверхность пучностей данной стоячей волны есть геометрическое место точек, в которых фаза излучения источника совпадает с фазой излучения, рассеянного объектом. Очевидно, что если на зарегистрированную голограммой поверхность пучностей направить излучение источника, то фаза отраженной волны совпадет с фазой излучения, рассеянного объектом. Амплитуда в этом случае восстанавливается, поскольку коэффициент отражения рассматриваемого слоя пропорционален амплитуде излучения, рассеянного объектом. Каждую зарегистрированную трехмерной голограммой поверхность стоячей волны можно представить как зеркало сложной формы, которое преобразует сферическую волну источника в волну, полностью идентичную волне излучения, рассеянного объектом. Таким образом, оказывается, что двухмерная голограмма в действительности представляет собой лишь частный случай более общего явления. Существенно более полный комплекс отображающих свойств заключен в объемной картине интерференции — стоячей волне. Трехмерная модель такой волны

(голограмма Денисюка) однозначно воспроизводит амплитуду, фазу и спектральный состав записанного на голограмме излучения. Ложное изображение при этом отсутствует. В дальнейшем было показано, что отображающими свойствами обладают не только стоячие, но и бегущие волны интенсивности, которые образуются в том случае, когда частоты объектной и опорной волн различны. Но все это было лишь позднее. А пока аспирант вышел на защиту кандидатской диссертации в ГОИ имени С. И. Вавилова и стал кандидатом наук. После этого случилось самое худшее — ему закрыли данное направление работы и отобрали помощников и оборудование. Многие коллеги [30] не хотели верить доказанному. Кое-кто говорил, что Ю. Н. Денисюк играет в физику, что это не имеет отношения к науке. Лишь благодаря поддержке академика В. П. Линника ему удалось опубликовать статью, которая сыграла важную роль в жизни молодого ученого, позволила доказать, что приоритет в открытии нового явления принадлежит нашему государству.

Развитие голографии в период с 1962 по 1964 годы можно охарактеризовать тем, что в это время были практически полностью завершены исследования по созданию научного фундамента голографии с записью в двухмерных средах. Развитие более общего метода голографии с записью в трехмерных средах шло значительно медленнее главным образом из-за того, что отсутствовали достаточно эффективные среды, пригодные для записи таких голограмм. Лишь только толстослойные пластинки, полученные Ю. Денисюком и И. Протас, имели толщину 5 мкм и позволяли записать вглубь пять, восемь пучностей. В последующие годы пробел в записывающих средах стал заполняться в связи с разработкой фотополимеров, а также других сред на основе полимерных материалов. Характерно, что именно из голографии с записью в трехмерных средах впоследствии выделился ряд принципиально новых областей, лежащих на стыке голографии и нелинейной оптики, таких как резонансная голография, голография на бегущих волнах интенсивности, динамическая голография. В 70-е годы происходит бурное развитие технических приложений голографии: голографической интерферометрии, оптической записи и обработки информации, Фурье-голографии, радиоголографии, акустоголографии, цифровой голографии,

поляризационной голографии. Вследствие значительного расширения тематики начинается процесс профессиональной дифференциации ученых-голографистов.