Тим Скоренко - Изобретено в СССР

А в 1947 году венгерский физик Денеш Габор придумал способ, позволяющий плоскому изображению отражать (или пропускать) свет ровно так же, как это делает исходный трёхмерный предмет.

Свою Нобелевскую лекцию в 1971 году Денеш Габор начал словами: «В отличие от многих своих предшественников, выступавших здесь, я нахожусь в более выгодном положении, поскольку мне не нужно выписывать уравнения или показывать сложные графики». Он немного слукавил, поскольку графики и схемы в его лекции всё-таки присутствовали, но, действительно, лекция Габора получилась намного проще, чем выступления его предшественников, в первую очередь потому, что голография относительно простая технология. Ключевое слово тут, конечно, «относительно».

На момент своего изобретения Габор жил уже не в Венгрии: он покинул родину в 1933 году, когда к власти в Германии пришла НСДАП, а Венгрия, поддержав новое немецкое правительство, двинулась примерно таким же курсом. 33-летнему еврею Габору, защитившему диссертацию, специалисту по электронным трубкам и газоразрядным лампам, делать в новом мире было нечего, и он заблаговременно, ещё до начала погромов и преследований, эмигрировал в Великобританию.

В 1947 году Габор работал в компании British Thomson-Houston в Рагби и занимался электронными микроскопами. Это были ранние годы электронной микроскопии – первый коммерческий прибор такого типа производства Siemens появился лишь в 1938-м, – и «детских болезней» у микроскопов хватало с избытком. С помощью электронных микроскопов надеялись увидеть атомы кристаллической решётки, но разрешающая способность новых приборов оказалась ограничена сферической аберрацией [26] Сферическая аберрация – это один из видов искажения изображения в оптических системах. Суть его в том, что лучи, проходящие через края линзы, собираются в одной точке ближе к линзе, чем лучи, проходящие через центр. В результате изображение выглядит размытым. магнитных линз, которые фокусировали электронный пучок. Технический уровень того времени не позволял делать более совершенные линзы, и итоговые снимки оказывались недостаточно чёткими, на них были видны в лучшем случае элементы размером в несколько десятков атомов.

Габору пришла в голову интересная мысль, позволяющая, вместо того чтобы решать эту проблему «в лоб», изобретательно её обойти. А что, если не мучиться с получением чёткой электронной фотографии, а сначала записать с помощью электронного пучка полную информацию об объекте, а потом исправить размытую картинку оптическими средствами?

Обычное изображение, неважно, получено оно с помощью электронного пучка или обычного света, содержит только информацию об интенсивности волны, которую отразил или рассеял объект (это так называемая предметная волна). Габор же предложил записывать полную информацию об объекте, которая включает не только интенсивность, но и фазу отражаемой (или рассеянной) волны. Для этого нужно использовать вторую – опорную – волну. Предметная волна освещает объект съёмки, а от него отражается на фотопластинку. Опорная волна падает на фотопластинку непосредственно. Если эти волны когерентны, то есть одинаковой частоты, с постоянными амплитудами и постоянной разностью фаз, они наложатся друг на друга и возникнет чёткая интерференционная картина – чередование ярких и тёмных полос, определяемое разностью фаз наложенных волн. В точках, где фазы одинаковы, яркость максимальна, а где противоположны – минимальна. Вот эту интерференционную картину, а не просто «отпечаток» интенсивности предметной волны и предложил фиксировать Габор. Если через фотопластинку с интерференционной картиной снова пропустить волну, идентичную опорной, то пластинка сработает как дифракционная решётка (можно сказать, фильтр) и на выходе мы получим волну, полностью идентичную предметной, с полной информацией об объекте, которая включает и интенсивность, и фазу. Итоговое изображение называется восстановленным. Таким образом, Габор предполагал разделить процесс на два этапа: сначала получать с помощью электронного микроскопа полное изображение предмета на фотопластинке, а потом с помощью источника опорной световой волны восстанавливать точную копию его настоящего трёхмерного изображения.

Компания, в которой работал физик, поддержала исследования, он получил финансирование и оборудование для опытов. Но возникла проблема, которая так и не позволила реализовать новоизобретённый принцип на практике, – проблема когерентности. Как уже упоминалось, волны называются когерентными, если они имеют одинаковую частоту (физики называют такие волны монохроматическими), а их амплитуды и разность фаз не меняются во времени. Только когерентные волны способны давать отчётливую интерференционную картину. Казалось бы, если взять монохроматическое излучение от одного источника и разделить его на предметную и опорную волны, они всегда будут когерентны. Но на самом деле это не так.

Существует такая физическая характеристика – длина когерентности [27] Для тех, кто интересуется природой вещей, расскажу подробнее, что это такое. Обычные источники света – те же нити в лампах накаливания или пары ртути в газовом разряде – состоят из множества атомов, каждый из которых излучает свет независимо от других в случайные моменты. В каждую единицу времени большое количество атомов излучают одновременно, при этом акт излучения длится всего несколько наносекунд. За это время на смену уже «отработавшим» атомам приходят другие, и набор излучающих атомов обновляется. В результате излучение источника представляет собой последовательность обрывков волн – цугов. Каждый цуг имеет свою фазу, а фазы двух любых цугов отличаются на случайную величину. Поэтому колебания в разных цугах не являются когерентными, а интерференция возможна только при сложении волн, относящихся к одному цугу. Это и накладывает ограничение: разность хода этих волн не может превышать длины цуга, которая также называется длиной когерентности. . Если разность хода двух волн – опорной и предметной – превышает длину когерентности, то они становятся некогерентными и никакой интерференционной картины, которую можно было бы записать для последующего восстановления, не появится.

И предметную, и опорную волны Габор получал с помощью ртутной лампы высокого давления – лучшего источника достаточно интенсивного излучения на конец 1940-х просто не существовало. Её излучение он последовательно пропускал через узкополосный цветной фильтр, что обеспечивало относительную монохроматичность, и через маленькое точечное отверстие. И вот тут вступало в свои права вышеупомянутое ограничение: длина когерентности излучения ртутной лампы составляет доли миллиметра и получить качественную голограмму, способную реально решить проблему, ради которой Габор всё это придумал, было попросту невозможно.