Відновлення хвильового фронту · інтерференція предметного й опорного променів · запис і відтворення смуг
Голограма зберігає не зображення, а хвильовий фронт. Під час запису світло від предмета (предметний промінь) і чистий нахилений опорний промінь накладаються на пластині. Оскільки обидва походять від одного когерентного лазера, вони інтерферують, і пластина записує інтенсивність I = |E_obj + E_ref|² = I_obj + I_ref + 2√(I_obj·I_ref)·cos(Δφ). Саме останній перехресний член кодує різницю фаз Δφ між променями як мікроскопічну картину смуг, тож і амплітуда, і фаза предметної хвилі фіксуються у пластині.
Період смуг залежить лише від кута між променями: Λ = λ / (2·sin(θ/2)). Більший кут опорного променя робить смуги щільнішими (вища просторова частота), тому голографічна плівка має розрізняти тисячі пар ліній на міліметр.
Під час відтворення пластину освітлюють лише опорним променем. Смуги діють як дифракційна решітка й розділяють світло на три порядки: нульовий порядок (недифраговане опорне світло), порядок +1, що відновлює початковий розбіжний хвильовий фронт предмета — це уявне зображення за пластиною, та порядок −1, фазово-спряжений, що сходиться у дійсне зображення перед пластиною. Саме відновлення хвильового фронту, а не плоского зображення, дає голограмам повний тривимірний паралакс.