голограмма получена в ультрафиолетовых лучах длиной 0,23 микрона, а изображение восстанавливается при помощи рубинового лазера, то увеличение равно трем. Для голограмм, получаемых в рентгеновых лучах или при помощи электронного микроскопа и восстанавливаемых в видимом свете, увеличение достигает сотен. О голографическом микроскопе, дающем еще большие увеличения, мы расскажем поподробнее ниже. Сейчас же постараемся понять, как такой метод создает цветную иллюзию.
Если плоская голограмма освещается белым светом, то в ней одновременно возникает множество изображений одного и того же объекта, каждое в одном цвете, причем масштабы изображений будут различными — крайне красные будут вдвое больше наиболее фиолетовых. Все изображения сольются в глазах наблюдателей в серую пелену.
И тем не менее при помощи плоской голограммы можно получить объемное трехцветное изображение. Для этого необходимо на одну голограмму записать информацию об объекте в трех цветах — синем, зеленом и красном — и при восстановлении изображения пользоваться одновременно тремя лазерами, дающими эти же цвета.
Второе существенное отличие плоской голограммы от объемной состоит в том, что она дает одновременно два изображения объекта — действительное и мнимое. Действительным изображением называется такое, которое образуется на экране, например на киноэкране или на фотопластинке, стоящей позади объектива. Мнимое изображение невозможно непосредственно наблюдать на экране. Его необходимо предварительно преобразовать в действительное при помощи выпуклой линзы. Но мнимое изображение можно видеть глазом, так как хрусталик, являющийся выпуклой линзой, преобразует его на сетчатке в действительное изображение. Дело опять в том, что плоская голограмма не обладает свойством многослойного оптического фильтра. Опорный пучок лучей лазера, служащий для восстановления изображения, попадая на плоскую голограмму, распадается на три пучка. (В действительности возникает еще несколько пучков, но они обычно очень слабы и не играют роли в формировании изображения.) Один из этих пучков является продолжением опорного. Он не имеет для нас никакого значения. Второй, идущий под углом к первому, состоит из расходящихся лучей. Они являются точной копией расходящихся лучей рассеянного света, исходивших от объекта в момент получения голограммы. Третий образует действительное изображение.
Большая интенсивность и высокая когерентность света лазеров позволили Лейту и Упатниексу расположить зеркало далеко от фотопластинки и так, что опорный пучок света, идущий от зеркала, падает на пластинку под углом к свету, рассеянному объектом. Благодаря этому при восстановлении голограммы действительное и мнимое изображения не накладываются друг на друга и не возникают искажения, свойственные первоначальному методу Габора.
Вот как рассказывал о голографии один из ученых, активно работающий над ее применением.
— Можно представить себе, — говорил он, — что лучи рассеянного света, которые при получении голограммы под действием опорного пучка были преобразованы в систему стоячих волн, «вмерзли» в голограмму. А опорный пучок, применяемый для восстановления изображения, «разморозил» их, и световые волны как ни в чем не бывало побежали дальше. Если теперь они попадут в глаза наблюдателя, он увидит точно такую же картину, как если бы объект стоял на прежнем месте. Объект будет казаться находящимся за голограммой, как за окном. И, перемещая голову, наблюдатель сможет рассматривать его с различных точек зрения, получая полное впечатление объемности реального объекта. Изображение, конечно, мнимое. Поставив на место глаза экран, мы не увидим на нем изображения. Но его можно получить, поставив между голограммой и экраном выпуклую линзу. Перемещая линзу относительно экрана, можно получить резкие изображения различных частей объекта, совсем так, как это происходит в фотоаппаратах или при пользовании подзорной трубой.
— Но это не все, — продолжал он, — от голограммы исходит еще один пучок света, содержащий информацию об объекте. Он состоит из сходящихся лучей. Они сходятся в точках, расположенных перед голограммой строго симметрично тем точкам, где за голограммой сходятся несуществующие продолжения расходящихся лучей пучка, образующего мнимое изображение. Если заполнить дымом ту область пространства, куда направлены сходящиеся лучи, то действительное изображение появится во всей своей естественности. Оно будет казаться висящим в этой дымке. И если вы расположитесь относительно голограммы там, откуда можно сквозь голограмму видеть мнимое изображение, возникнет удивительная иллюзия. Переводя глаза от облака дыма с висящим в нем действительным изображением на голограмму, за которой видно мнимое изображение, вы будете чувствовать себя как перед зеркалом. Действительное изображение будет казаться реальным объектом, а мнимое — его зеркальным изображением.
Мало того. Если туда, где расположено действительное изображение, поместить белый экран, на нем возникнет яркое и четкое изображение. Немного перемещая экран к голограмме и от нее, можно делать резкими те или другие части изображения. И это при полном отсутствии линз! Ведь линзы не применяются ни при записи, ни при воспроизведении голограммы.
При использовании объемных голограмм Денисюка тоже можно получить действительное изображение. Нужно только направить на нее опорный пучок света в противоположном, чем раньше, направлении. Пустив дым туда, где раньше сквозь голограмму мы видели мнимое изображение, мы увидим теперь действительное. Видеть их одновременно, конечно, нельзя.
Несмотря на существенные преимущества объемных голограмм — возможность восстановления изображения в белом свете без использования лазеров и получения лишь одного изображения, а не нескольких, как в случае плоских голограмм, — плоские голограммы сейчас имеют более широкое применение. Это связано с чисто техническими причинами. Современные толстослойные фотоэмульсии заметно поглощают свет. Поэтому чем глубже слой эмульсии, тем меньше информации он получает, особенно о тех деталях объекта, которые освещены слабее или хуже отражают свет.
Для плоских голограмм применяются эмульсии, толщина которых меньше половины длины волны используемого лазера. Здесь поглощение, конечно, не играет существенной роли.
Потенциальные преимущества объемных голограмм, в особенности возможность концентрации огромных количеств информации в элементах малых размеров, стимулируют усилия с целью создания новых специальных фотоэмульсий и поиска новых процессов, позволяющих фиксировать информацию, содержащуюся в стоячих волнах.
Один из таких процессов — образование окрашенных центров в некоторых прозрачных кристаллах. Такие центры возникают в кристаллах под действием электронов или фотонов, обладающих достаточно большой энергией. Вероятность образования окрашенных центров при фиксированной энергии возбуждающего излучения пропорциональна плотности энергии излучения. В случае стоячих волн она больше в пучностях и меньше в узлах. Поэтому интенсивность окраски, как и интенсивность почернения фотоэмульсии, оказывается пропорциональной интенсивности стоячей волны. Важным преимуществом такого метода является принципиальная возможность стирания полученной голограммы и многократного повторного использования кристалла. В некоторых кристаллах это достигается путем простого нагревания. К сожалению, такие кристаллы еще не нашли применения в практической голографии.
Современной голографии, основанной на применении лазеров, неизмеримо превосходящих по когерентности все другие источники света, всего восемь лет. Что же она уже может и что обещает в будущем?
Удивительно, но голография может успешно соревноваться с обычной фотографией, применяющей объективы, даже в ее коронной области — получении плоских черно-белых изображений. Возможности обычной фотографии ограничены в двух отношениях. Разрешающая способность, то есть способность воспроизвести раздельно две мелкие детали изображения, ограничивается и качеством объектива, и качеством фотоэмульсии. В лучшем случае изображение может содержать детали размером около сотой доли миллиметра. Иногда существенна и способность эмульсии воспроизводить градацию яркости объекта. Лучшие фотоматериалы позволяют воспроизводить не более ста ступеней между наиболее белым и наиболее темным участком изображения.
Разрешающая способность голограммы зависит главным образом от ее размера, который, в свою очередь, может быть ограничен свойствами источника света. Однако в настоящее время предел
