Ирина Радунская - Крушение парадоксов

Вскоре выяснилось, что объемная голограмма Денисюка не единственный возможный вариант лазерной голографии. Лазер оказался гибким орудием. И всякий смог применить его по-своему. Ведь и обычный карандаш в руках разных людей приводит к несходным результатам: один пишет роман, другой сонет, а третий докладную записку. Совершенно независимо от Денисюка после появления лазеров начали исследования в области голографии Эммет Лейт и Юрис Упатниекс, сотрудники Мичиганского университета. Они ранее специализировались в области радиофизики, и им было легко почувствовать принципиальную общность между идеями Габора и некоторыми методами, давно применяемыми в радиотехнике. Поэтому, несомненно, они смогли предвидеть чрезвычайно широкие возможности, открываемые перед голографией применением лазеров, этих полпредов радиотехники в царстве оптики.

Радиопередатчик излучает в пространство радиоволны вполне определенной частоты. Они в высшей степени когерентны. Но в таком виде радиоволны несут предельный минимум информации. Приняв их, можно лишь узнать, что передатчик включен, измерить его частоту и определить местонахождение.

Для того чтобы передать по радио какую-нибудь информацию, необходимо нарушить неизменность радиоволн, вплести в них информацию, подлежащую передаче. Для этого можно изменять амплитуду, частоту или фазу волны. Эта процедура называется модуляцией — амплитудной, частотной или фазовой соответственно. Саму радиоволну, над которой проводятся эти процедуры, радисты называют несущей.

Для того чтобы в месте приема извлечь из модулированной несущей информацию, которую она несет, необходимо провести операцию, обратную модуляции, — демодуляцию. В результате образуются сигналы, при помощи которых можно на экране телевизора восстановить передаваемые изображения или при помощи громкоговорителя восстановить переданный звук.

Одним из простейших методов, теперь почти не применяемых в радиотехнике, является гетеродинный прием. Модулированная несущая смешивается в приемнике с сигналом местного гетеродина. Этот опорный сигнал в точности совпадает по частоте с сигналом передатчика. Простое устройство вычитает его из принимаемого. В разности остается то, что было внесено в несущую в процессе модуляции. Остается информация, передача которой и является целью радиосвязи. Лейт и Упатниекс поняли, что применение лазера позволяет реализовать идеи Габора совершенно аналогичным путем.

Свет лазера, обладающий высокой степенью когерентности, играет роль несущей. При рассеянии света от объекта строгое постоянство лазерных волн нарушается. Это не что иное, как модуляция. Отдельные точки объекта по-разному воздействуют на амплитуду и фазу соответствующего участка волны. Каждая точка объекта превращает упавшую на нее часть волны в разбегающуюся сферическую волну, несущую в себе информацию об оптических свойствах этой точки поверхности объекта. Вся система разбегающихся от объекта волн содержит в себе наиболее полную, из возможной оптической, информацию об объекте. Если часть этих волн попадает в глаз, мы видим объект.

Лейт и Упатниекс поставили перед собой задачу зафиксировать на фотоэмульсии всю информацию, заключенную в свете лазера, рассеянном объектом. Они поставили фотопластинку так, чтобы на нее падала часть рассеянных волн, и при помощи зеркала направили на нее пучок света непосредственно от лазера. По аналогии с радиотехникой они назвали пучок опорным.

В процессе взаимодействия волны, пришедшей от объекта, и опорной волны метод Лейта и Упатниекса ни в чем не отличается от метода Денисюка. В той части пространства, в которой опорный пучок света налагается на рассеянный, возникает система стоячих волн. Стоячие волны воспринимают всю модуляцию, вносимую объектом в падающий на него свет. Таким путем полная информация об объекте переносится в стоячую волну. Но так как в каждую точку пространства попадают рассеянные волны от каждой из точек поверхности объекта, эта информация запечатлевается в любой точке стоячей волны. В том числе она фиксируется в каждой точке фотопластинки, помещенной там, где на нее может одновременно действовать и свет, рассеянный объектом, и опорный пучок.

Коренное отличие от метода Денисюка обнаруживается на стадии взаимодействия света с фотопластинкой. Лейт и Упатниекс, как и Габор, пользовались пластинками, покрытыми тонкослойной эмульсией. Поэтому на их пластинках не могли одновременно поместиться несколько пучностей стоячей волны. В них не получалось ничего похожего на многослойный оптический фильтр, позволявший Денисюку восстанавливать изображение при помощи белого света.

Тонкослойная эмульсия пересекает систему стоячих волн, как пила древесный ствол, обнаруживая скрытую систему годичных колец. В результате на эмульсии возникает сложный узор, в котором и заключена вся информация. Разница в толщине слоя фотоэмульсии привела, таким образом, к существенному различию в структуре голограммы, и это, конечно, сказалось на стадии восстановления изображения.

Лейт и Упатниекс должны были освещать полученную ими голограмму светом лазера, который выполнял ту же функцию, что гетеродинный сигнал в радиоприемнике. Пройдя через голограмму, свет оказывается промодулированным. Он воспринимает всю информацию, заключенную в голограмме. Смотря сквозь голограмму, можно увидеть, как и по методу Денисюка, объемное изображение объекта, как бы висящее в воздухе за голограммой. Возникают все эффекты, с которыми мы уже знакомы, но в отличие от предыдущего цвет изображения совпадает не с окраской объекта, а с цветом лучей лазера.

Существеннейшее отличие плоской голограммы от объемной проявится при попытке воспользоваться для восстановления изображения белым светом. Объемная голограмма Денисюка, действующая подобно многослойному интерференционному фильтру, отбирает из белого света ту длину волны, при помощи которой была получена голограмма, так что воспроизводимое изображение имеет точно тот же цвет. Плоская голограмма состоит из одного слоя, заполненного точками и линиями, образовавшимися в результате разреза плоскостью фотоэмульсии пространства, заполненного стоячей волной. Она не может справиться с этой задачей. При освещении белым светом она не даст ровно ничего.

Плоская голограмма, так же как объемная, содержит полную информацию о форме объекта, но в отличие от объемной голограммы плоская голограмма не содержит информации о цвете объекта.

Однако это тот случай, когда слабость обращается в силу. Вследствие того, что плоская голограмма не обладает свойствами многослойного фильтра и нечувствительна к цвету объекта, мы можем восстановить записанное в ней изображение при помощи любого лазера, а не только тем, который применялся при получении голограммы. Более того, если при воспроизведении плоской голограммы применяется более длинноволновое излучение, чем при записи, изображение окажется увеличенным. Например, если голограмма получена в ультрафиолетовых лучах длиной 0,23 микрона, а изображение восстанавливается при помощи рубинового лазера, то увеличение равно трем. Для голограмм, получаемых в рентгеновых лучах или при помощи электронного микроскопа и восстанавливаемых в видимом свете, увеличение достигает сотен. О голографическом микроскопе, дающем еще большие увеличения, мы расскажем поподробнее ниже. Сейчас же постараемся понять, как такой метод создает цветную иллюзию.