Ирина Радунская - Крушение парадоксов
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.
Действительность и иллюзия
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.
Если плоская голограмма освещается белым светом, то в ней одновременно возникает множество изображений одного и того же объекта, каждое в одном цвете, причем масштабы изображений будут различными — крайне красные будут вдвое больше наиболее фиолетовых. Все изображения сольются в глазах наблюдателей в серую пелену.
И тем не менее при помощи плоской голограммы можно получить объемное трехцветное изображение. Для этого необходимо на одну голограмму записать информацию об объекте в трех цветах — синем, зеленом и красном — и при восстановлении изображения пользоваться одновременно тремя лазерами, дающими эти же цвета.
Второе существенное отличие плоской голограммы от объемной состоит в том, что она дает одновременно два изображения объекта — действительное и мнимое. Действительным изображением называется такое, которое образуется на экране, например на киноэкране или на фотопластинке, стоящей позади объектива. Мнимое изображение невозможно непосредственно наблюдать на экране. Его необходимо предварительно преобразовать в действительное при помощи выпуклой линзы. Но мнимое изображение можно видеть глазом, так как хрусталик, являющийся выпуклой линзой, преобразует его на сетчатке в действительное изображение. Дело опять в том, что плоская голограмма не обладает свойством многослойного оптического фильтра. Опорный пучок лучей лазера, служащий для восстановления изображения, попадая на плоскую голограмму, распадается на три пучка. (В действительности возникает еще несколько пучков, но они обычно очень слабы и не играют роли в формировании изображения.) Один из этих пучков является продолжением опорного. Он не имеет для нас никакого значения. Второй, идущий под углом к первому, состоит из расходящихся лучей. Они являются точной копией расходящихся лучей рассеянного света, исходивших от объекта в момент получения голограммы. Третий образует действительное изображение.
Большая интенсивность и высокая когерентность света лазеров позволили Лейту и Упатниексу расположить зеркало далеко от фотопластинки и так, что опорный пучок света, идущий от зеркала, падает на пластинку под углом к свету, рассеянному объектом. Благодаря этому при восстановлении голограммы действительное и мнимое изображения не накладываются друг на друга и не возникают искажения, свойственные первоначальному методу Габора.
Вот как рассказывал о голографии один из ученых, активно работающий над ее применением.
— Можно представить себе, — говорил он, — что лучи рассеянного света, которые при получении голограммы под действием опорного пучка были преобразованы в систему стоячих волн, «вмерзли» в голограмму. А опорный пучок, применяемый для восстановления изображения, «разморозил» их, и световые волны как ни в чем не бывало побежали дальше. Если теперь они попадут в глаза наблюдателя, он увидит точно такую же картину, как если бы объект стоял на прежнем месте. Объект будет казаться находящимся за голограммой, как за окном. И, перемещая голову, наблюдатель сможет рассматривать его с различных точек зрения, получая полное впечатление объемности реального объекта. Изображение, конечно, мнимое. Поставив на место глаза экран, мы не увидим на нем изображения. Но его можно получить, поставив между голограммой и экраном выпуклую линзу. Перемещая линзу относительно экрана, можно получить резкие изображения различных частей объекта, совсем так, как это происходит в фотоаппаратах или при пользовании подзорной трубой.
— Но это не все, — продолжал он, — от голограммы исходит еще один пучок света, содержащий информацию об объекте. Он состоит из сходящихся лучей. Они сходятся в точках, расположенных перед голограммой строго симметрично тем точкам, где за голограммой сходятся несуществующие продолжения расходящихся лучей пучка, образующего мнимое изображение. Если заполнить дымом ту область пространства, куда направлены сходящиеся лучи, то действительное изображение появится во всей своей естественности. Оно будет казаться висящим в этой дымке. И если вы расположитесь относительно голограммы там, откуда можно сквозь голограмму видеть мнимое изображение, возникнет удивительная иллюзия. Переводя глаза от облака дыма с висящим в нем действительным изображением на голограмму, за которой видно мнимое изображение, вы будете чувствовать себя как перед зеркалом. Действительное изображение будет казаться реальным объектом, а мнимое — его зеркальным изображением.
Мало того. Если туда, где расположено действительное изображение, поместить белый экран, на нем возникнет яркое и четкое изображение. Немного перемещая экран к голограмме и от нее, можно делать резкими те или другие части изображения. И это при полном отсутствии линз! Ведь линзы не применяются ни при записи, ни при воспроизведении голограммы.
