Holografia: Nagrywanie Fal Interferencyjnych Światła

Dlaczego zdjęcie to za mało

Czujnik aparatu mierzy |E|² – średnią intensywność pola elektromagnetycznego w każdym pikselu. Ta pojedyncza liczba pomija fazę fali świetlnej, a właśnie ona przenosi głębokość: dwa punkty na różnych odległościach rozszepczają światło, które przebyło różne drogi, co powoduje różnice w fazie przybyszowych fal. Zdjęcie spłaszcza scenę do jednego punktu widzenia; niczym nie zmienia się, gdy pochylasz głowę. Hologram robi to, ponieważ zapisuje również fazę, a faza koduje kierunek każdej fali uderzeniowej.

Jedynym praktycznym sposobem na zarejestrowanie fazy jest uczynienie jej widoczną jako intensywność – co oznacza interferencję. Dwie nakładające się fale tworzą jasne i ciemne pręgi, gdziekolwiek występuje różnica fazowa, a emulsja fotograficzna może idealnie to zarejestrować. Kluczem jest ułożenie tak, aby wzorzec interferencji zakodował całą falę obiektu.

Spójność: jedynym trudnym wymaganiem

Stabilne pasma interferencyjne pojawiają się tylko wtedy, gdy dwie falę interferencyjne utrzymują stały związek fazowy przez cały czas ekspozycji – muszą być spójne. Zwykłe źródła światła są niejednostajne po zmianie drogi o kilka mikrometrów, dlatego też światło słoneczne lub żarówka nigdy nie generuje używalnego wzoru interferencyjnego. Światło laserowe natomiast zachowuje spójność na metry, a czasem nawet kilometry, co jest wystarczająco długo dla rzeczywistego układu optycznego z podziałkami wiązki i lustrami.

Dennis Gabor zaprezentował holografię w 1948 roku, latami wcześniej niż istniał laser, wykorzystując przefiltrowane źródło światła rtęciowego – kontrast pasma był słaby, a pomysł pozostał ciekawostką przez ponad dziesięć lat. Były to Emmett Leith i Juris Upatnieks, którzy połączyli tę technikę z światłem laserowym w 1962 roku, a ich odwrócona wiązka referencyjna – dzielenie lasera pod kątem tak, aby odbudowany obraz oddzielał przestrzennie od rozszczepionego światła – stała się podstawą współczesnych hologramów.

Nagrywanie: dwa wiązki, jedna płyta

Pojedynczy laser jest dzielony na wiązkę referencyjną, która podróżuje bezpośrednio do filmu, oraz wiązkę obiektu, która oświetla podmiot i rozszala się z niego we wszystkich kierunkach – każdy punkt obiektu staje się drugorzędnym źródłem przenoszącym własny przesunięcie fazowe. Tam, gdzie fala obiektu nakłada się na falę referencyjną na filmie, interferują one i tworzą wzór o skali submikrometrów jasnych i ciemnych prążków. Emulsja srebrohalogenowa rejestruje ten wzorzec jako zmienną gęstość po wykiełkowaniu.

Zapisanie wiązki referencyjnej jako fali płaskiej R = A·e^(iφ_R) i wiązki obiektu na filmie jako O, zarejestrowana intensywność wynosi:

I = |R + O|² = |R|² + |O|² + R*O + RO* = |A|² + |O|² + A·e^(-iφ_R)·O + A·e^(iφ_R)·O* Pierwsze dwa terminy to po prostu jasność tła. Terminy krzyżowe R*O i RO* są tymi, które mają znaczenie: R*O jest mnożeniem wiązki obiektu przez sprzężenie zespolone fali referencyjnej, co koduje zarówno amplitudę obiektu, jak i jego fazę. Ponieważ każdy punkt obiektu przyczynia się do prążków na całej płycie, nawet mały fragment holograficzny nadal zawiera informacje o całym scenariuszu – przy zmniejszonej rozdzielczości kątowej, ale bez pominięcia zawartości, co jest jedynym faktem, który najbardziej odróżnia hologramy od zdjęć.

I = |R + O|²  =  |R|² + |O|² + R*O + RO*
              =  |A|² + |O|² + A·e^(-iφ_R)·O + A·e^(iφ_R)·O*

Rekonstrukcja: odczytanie fali z powrotem

Aby zrekonstruować scenę, oświetlić płytkę wywołaną tym samym promieniowaniem referencyjnym R. Przekazane światło to R·I:

R·I = R(|R|² + |O|²) + |R|²·O + R²·O* Trzeci człon, |R|²·O, jest dokładnie falą obiektu, tylko przeskalowana. Emituje się z płytki tak, jakby obiekt nadal znajdował się za nią, więc obserwator widzi autentyczny obraz 3D wirtualny na oryginalnej pozycji obiektu – poruszaj głową bok do boku i paraleleizm ujawnia powierzchnie, które wcześniej były ukryte. Czwarty człon, R²·O*, generuje obraz koniugaty rzeczywistej, który jest związany z lustrami fazowymi używanymi w optyce nielinej do odwracania czasu światła i korygowania zniekształceń atmosferycznych w laserach.

R·I  =  R(|R|² + |O|²)  +  |R|²·O  +  R²·O*

Przesyłanie, odbijanie i poza tym

Przekaz holograficzny przechowuje fałdy grzebnie w przybliżeniu prostopadle do płyty i wymaga przejścia lasera przez nią, aby je zobaczyć – ostre i kontrastowe, ale związane z długością fali rejestracji. Odbicie holograficzne, opracowane niezależnie przez Yuri Denisyuka w 1962 roku, przechowuje fałdy równolegle do powierzchni, więc płyta działa jako lustro selektywne na długość falową, odbijające tylko kolor rejestrujący z zwykłego światła białego – to rodzaj używany w wystawach muzealnych i, w formie wypukłej, masowo produkowanej, na kartach kredytowych, paszportach i banknotach. Hologram generowany komputerowo omija całkowicie rejestrację optyczną: wzór interferencyjny jest obliczany numerycznie i drukowany z rozdzielczością submikrometrów, umożliwiając kodowanie dowolnej wirtualnej sceny 3D – podejście wykorzystywane w wyświetlaczach takich jak HoloLens.

Ponad wyświetlacze, ta sama fizyka napędza przechowywanie danych holograficznych – wiele hologramów może być nakładanych w jednym wolumenie poprzez zmianę kąta wiązki referencyjnej, technikę zwaną wielokrotnością kątową, o teoretycznej gęstości bliskiej 1 TB/cm³ – oraz tomografię holograficzną, która rekonstruuje mapy 3D współczynników załamania żywych komórek bez ich barwienia.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz the simulation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.