Як працює голографа: Запис світлових хвиль як фронтових площин

Чому Когерентне Світло Важливе

Фотографія записує |E|² — середню інтенсивність електромагнітного поля – та втрачає всю інформацію про фазу. Але фаза несе інформацію про глибину: дві точки на різних відстанях розсіюють хвилі, що подорожують різними шляхами та накопичують різні фази. Запис фази вимагає інтерференції, яка в свою чергу потребує когерентного світла, яке підтримує постійну фазову взаємозв’язність протягом експонування. Однорідні джерела світла мають коефіцієнт згомосності мікрометрів; лазерне світло підтримує згомогенність на метрах або кілометрах. Денніс Габор продемонстрував голограму в 1948 році, використовуючи відфільтрований меркурійний прожектор до появи лазерів, але контраст був поганим, поки Лі та Упатнієк не адаптували техніку до лазерів у 1960-62 роках.

Запис: розділення пучка на об'єктну та опорну хвилі

Одинокий лазерний промінь поділяється на опорний промінь (що прямує безпосередньо до плівки) та об’єктний промінь (я освітлює об’єкт). Об’єктний промінь розсіюється від об’єкта у всіх напрямках, і кожна точка стає джерелом другорядної хвилі з власним фазовим зсувом. Опорна та об’єктні хвилі зустрічаються на голографічній плівці, створюючи інтерференційний малюнок мікрометричного масштабу, який фіксується срібногалогенідною емульсією (з зернами 100-1000 нм), як варіації щільності після розробки. Плівку необхідно утримувати нерухомою з точністю до третини довжини хвилі лазера (~300 нм) під час експонування – типові часи експонування коливаються від 1 до 30 секунд на вібродільній оптичній столі.

Запис світлової хвилі та реконструкція

З посиланням на промінь відбиття R та об’єктний промінь O на плівці, записана інтенсивність дорівнює I = |R+O|² = |R|² + |O|² + R*O + RO*. Останні два члени містять інформацію про голографію — R*O є дифракційною решіткою, що несе амплітуду та фазу об’єктного променя, розподілені по всій плівці. Для реконструкції необхідно освітити розроблений голограф тим самим променем відбиття R; хвиля, що проходить через нього R·I, містить член |R|²·O, який дорівнює оригінальному об’єктному променю, масштабованому. Він випромінюється з плівки так, ніби об'єкт все ще там – ідеальне 3D віртуальне зображення з повною передишкою, тому рухаючи головою, можна побачити приховані поверхні, як і у реального об’єкта.

Recorded intensity:   I = |R|² + |O|² + R*O + RO*
Reconstruction:        R·I = R(|R|²+|O|²) + |R|²·O + R²·O*
                                              ↑ this term reconstructs
                                                the object wave exactly

Винахід Габора та розрив осі

Денніс Габор винайшов голографу в 1948 році, покращуючи роздільну здатність електронного мікроскопа, і отримав Нобелівську премію з фізики у 1971 році. Його початкова однопромінна "лінія" налаштування виробляла перекриті реальні та віртуальні зображення. Еммент Літ і Юріс Упатнієкс (1962) представили розрив осі опорного променя — розділення променя під кутом, щоб реальне зображення, віртуальне зображення та нульовий термін відокремлювалися просторово, конфігурація, що використовується в усіх сучасних дисплеях голограм. Юрій Денисюк (1962, СРСР) незалежно розробив відбивні голограми, які можна бачити у білому світлі, основу для виграшених голограм на кредитних картках і банкнотах.

Від безпекових смуг до голографічного зберігання даних

Вигравілювані голограми – це основна голограма, яка пресована на металізований пластик, є дешевими у масовому виробництві та важко підробляти, використовуючись на кредитних картках, паспортах і банкнотах. Голографічне зберігання теоретично може досягти 1 ТБ/см³ шляхом надкладання кількох голограм в одному об’ємі за допомогою кутового мультиплексування; InPhase Technologies досягла 515 Гбіт/дюйм до того, як компанія збанкрутувала у 2010 році. Поляризаційно-чутливе оптичне когерентне томографія використовує біваріантність тканин для неінвазивної диференціації типів тканин, а Microsoft HoloLens використовує дифракційні волнопровідні комбінетори, пов’язані з комп’ютерною голографією, щоб накладати зображення на реальний світ.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.