Применение голографии
Введение.
Оптика - раздел физики, в котором изучаются оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света с веществом, - относится к числу наиболее старых и хорошо освоенных областей науки. Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика как наука закончила развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли революционные изменения, связанные как с открытием новых закономерностей (принципы квантового усиления, лазеры), так и с развитием идей, основанных на классических и хорошо проверенных представлениях. Здесь прежде всего имеется в виду голография, которая значительно расширяет область практического использования волновых явлений и дает толчок теоретическим исследованиям. Голография (от греч. holos - весь и grapho – пишу, т.е. «полная запись») – особый способ записи и последующего восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины. Она обязана своим возникновением законам волновой оптики – законам интерференции и дифракции. Этот принципиально новый способ фиксирования и воспроизведения пространственного изображения предметов изобретен английским физиком Д.Габортом (1900-1979) в 1947г. (Нобелевская премия 1971г.). экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка этого способа (советским ученым Ю.Н.Денисюком в 1962г. и американскими физиками Э.Лейтом и Ю.Упатниексом в 1963г. стали возможными после появления в 1960г. источников света высокой степени когерентности – лазеров. Методы голографии (запись голограммы в трехмерных средах, цветное и панорамное голографирование и т.д.) находят все большее развитие. Она может применяться в ЭВМ с голографической памятью, голографическом электронном микроскопе, голографическом кино и телевидении, голографической интерферометрии и т.д.
Голографическое кино и телевидение.
Изображения, наблюдаемые при восстановлении волнового фронта с голограммы, поражают своей реальностью. Параллакс, яркие блики от отражающих поверхностей, перемещающиеся по предмету при изменении точки зрения, стереоскопичностью изображения, возможность получения многоцветных изображений – все это делает перспективы голографического кино и телевидения весьма заманчивыми.
На пути голографического кино стоят большие, но, по-видимому, преодолимые трудности; главная из них – создание огромных голограмм, через которые, как через окно, одновременно могли бы наблюдать изображение большое количество людей. Эти голограммы должны быть «живыми», т.е. меняться во времени в соответствии с изменениями, происходящими с объектом. Один из возможных вариантов – запись многих изображений на одну голограмму при разном наклоне опорного пучка. Если при восстановлении поворачивать голограмму, то изображения будут последовательно восстанавливаться, создавая эффект движения. Принципиальная возможность осуществления таких систем уже экспериментально доказано, однако на одну двухмерную голограмму нельзя записать более одного-двух десятков кадров. Гораздо большие возможности представляют в этом смысле трехмерные среды, например кристаллы. Однако размеры кристаллических голограмм пока не могут быть достаточно большими.
Будущее голографического кино, по-видимому, определяется успехами в разработке регистрирующих сред для записи динамических голограмм. Такие среды должны обладать высокой чувствительностью и разрешающей способностью, иметь малую инерцию и допускать многократную (миллиарды раз) запись и стирание голограмм. Располагая такой записывающей средой, можно последовательно копировать на нее голографические кадры с помощью мощного импульсного лазера.
Помимо очевидных преимуществ, связанных с трехмерностью изображения, отметим здесь помехоустойчивость, надежность голографического телевидения, возможность передачи больших контрастов, кодирования телевизионных передач и т.д. Следует, однако, иметь в виду, что трехмерная сцена, демонстрируемая на экране телевизора современных размеров, приведет к ощущению «кукольности» изображенного на ней, поэтому настоящим реальным зрелищем голографический телевизор станет лишь, когда появится техническая возможность прейти к голографическому экрану больших размеров.
Перед техникой голографического телевидения стоит и ряд других нерешенных проблем. Для передачи трехмерного изображения высокого качества необходима примерно в несколько тысяч раз большая передающая способность (ширина полосы пропускания) телевизионного канала, чем используемая сейчас в вещательном телевидении. Прогресса в голографическом телевидении следует ожидать, с одной стороны, в увеличении передающей способности каналов связи, а с другой – в уменьшении количества информации, необходимой для построения голограммы.
Широкополосные каналы связи, по-видимому, могут быть созданы на лазерных пучках. Для уменьшения количества информации, необходимой для построения голограммы, возможны различные приемы как разработанные для телевидения, так и специально голографические. Например, можно передавать по телевизионному каналу не всю голограмму, а ее узкую горизонтальную полоску. На выходе эта полоска мультиплицируется и таким образом составляется полная голограмма, состоящая из одинаковых горизонтальных полосок. Естественно, что при восстановлении по такой голограмму волнового фронта параллакс останется только в горизонтальной плоскости. Однако именно этот параллакс наиболее важен для ощущения глубины сцены – ведь наши глаза находятся в одно горизонтальной плоскости. Этот же метод может оказаться полезным для голографического кино. Проекция щелевой голограммы может осуществляться при ее непрерывном движении с постоянной скоростью.
Если избавиться также и от горизонтального параллакса, составляя голограмму не из полосок, а из одинаковых маленьких квадратиков, то удастся уменьшить количество передаваемой информации примерно на три порядка без чрезмерного ухудшения качества изображения. При этом, конечно, изображение на экране уже не будет стереоскопичным и из всех преимуществ останется только ее помехоустойчивость.