Голография – фантастика или реальность?

Андрей Смирнов

Спецвыпуск Xakep, номер #034, стр. 034-040-3

Двое американских ученых продолжили дело Габора и в результате получили первую голограмму трехмерного объекта, передаваемую лазером. Им удалось создать 3D-изображения игрушечного поезда и птицы, которые ты можешь увидеть на рисунке 3.

Физика света

Теперь, думаю, ты готов познакомится с физическими основами голографии. Сейчас мы посмотрим, что происходит с нашим восприятием света с точки зрения физики,

По современным физическим представлениям, мы "видим" физические тела (в частности, окружающие нас предметы), благодаря их способности излучать и отражать свет.

Светом - видимым оптическим излучением - называют электромагнитные волны длиной 0,38-0,76 нм (в этом диапазоне они вызывают у нас зрительные ощущения). То есть свет имеет такую же физическую природу, как и, к примеру, радиоволны. Только у последних частота находится в диапазоне приблизительно от нуля до 100 Герц, а у видимого света - в 10 миллионов раз больше: самые "медленные" из световых волн имеют частоту примерно 5*10 в 14 степени Герц. Эта частота соответствует красному цвету. Честно говоря, оптика не самый простой раздел физики, хотя бы потому, что невозможно свет "пощупать и рассмотреть со всех сторон".

Все знают, что скорость света (в вакууме) максимальна и равна 300000 км/ч. Расстояние, которое волна проходит за одно колебание, называется длиной световой волны. Длина волны - это минимальное расстояние, на котором колебания происходят в одной фазе (смотри рисунок 4).

Это самое необходимое из того, что нужно знать о свете для понимания принципов голографии. Теперь нам осталось только понять физику нашего зрения.

Рассмотрим простейший пример – монохроматическую волну (т.е. "бесконечную синусоиду", ее участок изображен на рисунке 4). Источник света точечный: его размеры столь малы, что ими можно пренебречь, а внутренняя структура несущественна при нашем рассмотрении.

Любая точка пространства характеризуется двумя величинами: амплитудой волны и ее фазой (фаза - это то, что находится под знаком синуса в волновой функции). Поверхность, в каждой точке которой фаза одинакова - поверхность постоянных фаз - называется фронтом волны.

Чтобы все вышесказанное не казалось тебе запудриванием мозгов, рассмотрим несколько примеров.

Пусть наша волна плоская, т.е. ее фронт - плоскость. Если взять какую-нибудь фиксированную точку на пути распространения волны и посмотреть на изменение амплитуды, мы увидим, что она будет изменяться по синусоидальному закону с тем же периодом колебаний. Получается, что во времени и пространстве волна движется как бы параллельно самой себе вдоль какой-то оси. Усложним задачу: пусть источник испускает волны равномерно во все стороны - типичный точечный источник. Теперь одинаковую фазу будет иметь множество точек, расположенных на одинаковом расстоянии от источника. Если помнишь школьную геометрию, такая поверхность называется сферой, а волна, соответственно, сферической. По мере удаления от источника, радиус сферы увеличивается. Для определения расстояния до источника нам достаточно определить кривизну волнового фронта (радиус сферы). Вот оно третье измерение – кривизна волнового фронта, которая, если учесть еще и анатомию человеческого глаза, дает нам полное представление об объеме. Именно эту информацию фотографии теряют и не могут отразить на фотобумаге: ведь на пленке регистрируется интенсивность излучения (средний квадрат амплитуды), а фаза - нет.