🔴 Оптика · Фізика хвиль
📅 Березень 2026⏱ 9 хв читання🟡 Середній

Як працює голографія: запис світла як хвильових фронтів

Фотографії записують 2D-проєкцію інтенсивності світла. Голограми записують повний хвильовий фронт світла — і амплітуду, і фазу — кодуючи всю інформацію про глибину. При освітленні правильним джерелом світла збережена хвиля відтворює сама себе у просторі, створюючи справжнє 3D-зображення.

1. Чому когерентне світло необхідне

Фотографія записує |E|² — усереднену за часом інтенсивність електромагнітного поля. Інформація про фазу втрачається. Але саме фаза несе всю інформацію про глибину: дві точки на різних відстанях від камери розсіюють хвилі, що пройшли різні шляхи й накопичили різні фази.

Щоб записати фазу, нам потрібна інтерференція. Для стабільних інтерференційних смуг дві хвилі мають бути когерентними — вони мають зберігати сталий фазовий зв'язок упродовж часу експозиції. Звичайні джерела світла мають довжину когерентності в мікрометрах; лазерне світло зберігає когерентність на метрах чи кілометрах.

Денніс Габор (1948) продемонстрував голографію ще до появи лазерів, використовуючи фільтровану ртутну дугову лампу, але контраст був поганим, і техніка залишалася дивовижею, доки Лейт та Упатнієкс не пристосували її до лазерів у 1960–62 роках.

2. Запис голограми

① Світлоподільник

Єдиний лазерний промінь розділяється на два: опорний промінь (іде безпосередньо до плівки) та об'єктний промінь (освітлює предмет).

② Розсіювання об'єктом

Об'єктний промінь розсіюється від предмета в усіх напрямках. Кожна точка предмета стає вторинним джерелом хвилі, несучи свій фазовий зсув, набутий за пройдений шлях.

③ Інтерференція

Об'єктна хвиля та опорна хвиля зустрічаються на голографічній плівці, створюючи складну інтерференційну картину світлих і темних смуг — субмікрометрового масштабу.

④ Запис

Плівка (емульсія галогеніду срібла, зерна 100–1000 нм) записує картину інтенсивності. Після хімічного проявлення смуги витравлюються в емульсії як змінна густина.

Голографічна пластина має залишатися абсолютно нерухомою під час експозиції — зсув навіть на частку довжини хвилі лазера (~300 нм) розмиває смуги. Типовий час експозиції: 1–30 секунд на віброізольованому оптичному столі.

3. Інтерференційна картина

Нехай опорний промінь — це плоска хвиля: R(x,y) = A·e^{iφ_R(x,y)}. Об'єктна хвиля на плівці — це O(x,y) — суперпозиція всіх хвиль, розсіяних від об'єкта. Записана інтенсивність дорівнює:

I(x,y) = |R + O|² = |R|² + |O|² + R*O + RO* = |A|² + |O|² + A·e^{−iφ_R}·O + A·e^{iφ_R}·O*

Два останні члени містять голографічну інформацію. R*O — це об'єктна хвиля, помножена на спряжену опорну — дифракційна ґратка, що кодує і амплітуду, і фазу об'єкта. Кожна точка об'єкта дає смуги по всій пластині — кожне місце пластини зберігає інформацію від усіх точок об'єкта.

Це ключова відмінність від фотографії: навіть малий фрагмент голограми містить інформацію про всю сцену (хоча зі зниженою кутовою роздільною здатністю).

4. Відтворення

Щоб відтворити, освітіть проявлену голограму тим самим опорним променем R. Пропущена хвиля дорівнює R · I(x,y):

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

Третій член |R|²·O — це точно об'єктна хвиля (масштабована на |R|²). Ця хвиля випромінюється від пластини рівно так, ніби оригінальний об'єкт був за нею — глядач бачить ідеальне 3D-уявне зображення в позиції оригінального об'єкта. Паралакс повністю збережено: рухайте головою вбік — і ви бачите об'єкт під іншим кутом, відкриваючи приховані поверхні.

Четвертий член R²·O* утворює спряжене (псевдоскопічне) дійсне зображення, що з'являється перед пластиною за певних умов.

Фазово-спряжене дзеркало: спряжений член пов'язаний із принципом фазово-спряжених дзеркал у нелінійній оптиці. Ці дзеркала обертають час світлових променів і використовуються для корекції атмосферних спотворень у лазерних системах.

5. Нобелівське відкриття Габора

Денніс Габор винайшов голографію 1948 року, намагаючись покращити роздільну здатність електронних мікроскопів. Він отримав Нобелівську премію з фізики 1971 року. Його початкова «осьова» (in-line) схема використовувала єдиний промінь — об'єкт і опора йшли вздовж однієї осі — даючи накладені дійсне й уявне зображення.

Прорив здійснили Еммет Лейт та Юріс Упатнієкс (1962), які запровадили позаосьовий опорний промінь — розщеплюючи промінь під кутом так, щоб дійсне зображення, уявне зображення та члени нульового порядку (недифраговані) розділялися просторово. Це конфігурація, яку використовують у всіх сучасних демонстраційних голограмах.

Юрій Денисюк (1962, СРСР) незалежно розробив відбивні голограми, які можна розглядати в білому світлі — основу тиснених захисних голограм на кредитних картках.

6. Типи голограм

7. Застосування