Что нам стоит д̶о̶м̶ голограмму построить?
Картинка freepik
Голограмма… Известное многим слово, за которым скрываются высокие технологии, сулящие большие перспективы в деле хранения информации, защиты, а также художественном самовыражении.
Нет, в этой статье речь не пойдёт о голографическом проецировании изображений или видео в воздухе, как в Звёздных Войнах (хотя, это было бы неплохо), мы поговорим о возможности самостоятельного изготовления голограмм для различных целей.
▍ Общая информация
Ниже я постараюсь рассказать о голографии максимально популярно, избегая сложных понятий и конструкций (чтобы у вас появилось общее понимание), а также дать обзор сути вопроса, который позволит вам при возникновении соответствующего интереса, сконцентрироваться уже на конкретном направлении. Итак…
Начало голографии было положено работами физика Дениша Габора, ещё в 1947 году, когда он работал над усовершенствованием метода микроскопии. К слову сказать, за эту работу в 1971 году он получил Нобелевскую премию по физике.
В отличие от обычных фотографий, где при записи изображения происходит регистрация только самих световых волн — в голографии, регистрируются ещё и их фазы, и направления. Благодаря явлению интерференции (под которой понимается взаимное изменение амплитуд волн), при взаимодействии их друг с другом, это приводит к возникновению участков максимумов и минимумов интенсивности, которые выглядят как яркие и затемнённые участки:
Картинка laser-portal
Картинка obrazovaka
К слову сказать, интересным моментом в голографии является то, что объективы не требуются. Достаточно только направлять когерентные источники света должным образом, чтобы луч от них полностью осветил как регистрируемой объект (например, натюрморт, который мы «фотографируем»), так и светочувствительную пластинку.
Если подобную интерференционную картину нанести на какую-либо прозрачную пластинку, после чего осветить её лучом с той же длиной волны, который использовался при создании её (опорный луч), то произойдёт восстановление волны второго луча (объектный луч), который использовался для создания этой картины.
Таким образом, можно сказать, что эта картина выступает как дифракционная решётка.
Именно на этом принципе и построен способ регистрации голограмм, называемый схемой Лейта — Упатниекса.
На этой картинке вы можете видеть, что один и тот же источник когерентного излучения делится на два луча, один из которых называется опорным, — который направлен на фоточувствительную пластинку, и второй, который называется объектным, — тот, что освещает регистрируемый объект.
В результате наложения двух световых лучей, попадающих на фотографическую пластинку, и возникает интерференционная картина, подобная той, что была показана выше. Причём в дальнейшем, возможно «оглядывать» объёмное голографическое изображение объекта, в пределах того угла расхождения двух лучей, при помощи которых производилась запись изображения (опорного и объектного).
Визуально изображение на пластинке является не наблюдаемым невооружённым взглядом, и становится видимым, только при освещении соответствующим когерентным источником света.
В дальнейшем эта схема была улучшена Юрием Денисюком, который предложил улучшение, заключающееся в том, что объект располагается за пластинкой, и когерентный луч света, проходя сквозь пластинку, отражается от объекта и возвращается обратно. В результате этого на пластинке возникало взаимодействие двух противоположно направленных лучей, что приводило к возникновению интерференционной картины. Эта схема была хороша тем (в отличие от предыдущего варианта), что в ней возможно использовать три отдельных когерентных источника света, которые поочерёдно освещают пластинку:
Картинка holographypro
В результате чего образуется интерференционная картина, которая может быть восстановлена обычным белым цветом, то есть, говоря популярно, для просмотра подобной голограммы не требуются лазеры и она может быть просмотрена даже при обычном дневном свете!
Все дальнейшие работы, проводящиеся в лабораториях, либо энтузиастами — в той или иной степени опираются на эти две схемы.
▍ Трудности и пути решения
Если попытаться некоторым образом подытожить все трудности, которые подстерегают на пути к голографии, то основной из них является способ регистрации голограмм.
Суть проблемы заключается в «отсутствии всего и сразу».
А именно: по идее, вам необходим фотографический материал, который мог бы с достаточно высокой скоростью фиксировать падающее световое излучение. Однако, здесь мы сталкиваемся с противоречием: если материал достаточно высокочувствительный, то он, к сожалению, и достаточно высокозернистый. В свою очередь, если материал обладает малой зернистостью, то его чувствительность оставляет желать лучшего.
«И при чём же здесь зернистость?» — спросите вы. А вот причём: дело в том, что для создания голограмм хорошей чёткости, необходимо высокое разрешение материала. Выше вы уже видели, что по своей сути голограмма представляет собой дифракционную решётку, которая сочетает в себе участки затемнения и участки просветления. Для качественных голограмм — чередование этих участков должно идти с частотой не менее 5–7 тысяч линий на миллиметр и физические свойства фотографического материала должны подобное обеспечивать.
Здесь существуют два с половиной противоположных подхода:
1. Использование импульсных лазеров высокой мощности. Первый способ является достаточно интересным, так как он позволяет регистрировать даже короткоживущие события. Например, клубы дыма и мало того, даже в движении!
Вторым плюсом способа является отсутствие потребности в жёсткой фиксации всей системы в процессе регистрации картины (что в классической голографии является большой проблемой).
2. Использование лазеров низкой мощности, продолжительного действия, в течение долгого периода времени, воздействующих на фоточувствительную основу, относительно низкой чувствительности (но зато — хорошего разрешения).
Второй способ является интересным тем, что он позволяет (за сравнительно небольшие деньги) с помощью использования хромированной желатины достигать хорошего разрешения и получать яркие голограммы. Однако, проблема этого способа заключается как раз в его низкой чувствительности. Это приводит к тому, что вся система должна быть сверхжёстко укреплена на некой основе. В лабораторных условиях для этого используют гранитные или металлические блоки весом в несколько тонн.
Вкратце, для чего это было необходимо: устранить смазывание. Так как в нашем случае выдержка будет достаточно долгой и измеряться десятками минут, на всё это время необходимо устранить даже малейшие возможности воздействия вибраций и любое температурное расширение/сужение системы. Для понимания — насколько стабильной должна быть система: допустимая величина вибраций в процессе экспонирования не должна превышать ¼ от длины волны!
Однако, в какой-то момент, было найдено весьма удачное решение, которое заключается в использовании ящиков, наполненных песком, в который втыкаются элементы системы, укреплённые на штырях. Это позволяет эффективно устранить вибрации в процессе экспонирования и такое решение сделало доступным голографию высокого разрешения для широких масс энтузиастов.
3. Использование обычной фотоэмульсии. Третий способ, является гибридным от двух предыдущих. Он обладает высокой чувствительностью и быстрым временем реакции. Кроме того, некоторые любители самостоятельно изготавливают фоточувствительные эмульсии, обладающие большей чувствительностью, чем стандартные заводские. Например, вот здесь, вы можете прочитать весьма подробный мануал, который пошагово объясняет процесс изготовления подобной эмульсии и использования её для применения на стеклянных пластинках и бокалах:
Картинка holographypro
Фотографический способ изготовления позволяет получать поистине потрясающие вещи, особенно если голограмма было записана так, чтобы иметь возможность восстановления с помощью обычного света, а не лазера.
▍ И что дальше?
Как мы помним, интерференционная картина представляет собой, по сути, «всего лишь» чередование полос затемнения и просветления, а мы живём в цифровую эру, и логично было бы предположить, что подобное чередование может быть, с той или иной степенью успешности, быть просчитанным компьютером! И это предположение будет совершенно верным. Однако, здесь существует следующая проблема: это интерференционная картина представляет собой хранилище весьма большого количества информации. А именно: особенностью голограммы является то, что она фактически не может быть уничтожена. Каждый элемент голограммы содержит информацию обо всей оставшейся части! Таким образом, если мы будем ломать голографическую пластинку на отдельные части, то каждая отдельная часть может восстановить полную информацию обо всей голограмме. Ограничением здесь может явиться снижение чёткости, которое рано или поздно проявится на каком-то пороговом уровне. Это обусловлено физическим пределом плотности хранения информации.
Таким образом, можно сказать, что каждая точка голограммы содержит информацию обо всём множестве остальных точек.
Другими словами, расчёт всей этой картины (даже на достаточно современном компьютере), — будет сложен и займёт много времени.
Однако, не всё так плохо. В настоящее время уже предпринимаются некоторые попытки генерации голограмм на мощных компьютерах с использованием нейронных сетей и результаты весьма потрясающие. Например, разработка MIT, которая на базе нейросетей генерит голограммы в реальном времени и почти моментально. Требует всего 1 Мб памяти!
Кроме того, некоторые энтузиасты пишут собственные программы, которые вы можете даже попробовать сами.
Например, один из таких энтузиастов написал приложение CorticalCafe CGHMaker.
Как заявляет её создатель, это приложение позволяет генерировать плоские голограммы из простых изображений, а выходным форматом голограммы является формат GIF. Для восстановления подобной голограммы используется обычная лазерная указка, а распечатывается она на обычном чёрно-белом лазерном принтере.
Картинка corticalcafe
Да-да, вы всё правильно прочитали — сгенерированная голограмма распечатывается на принтере, на котором выставляется максимальное разрешение в 1200 dpi. Распечатка производится на специальные высокотемпературные плёнки для лазерных принтеров. Я такую многократно покупал в канцелярских магазинах, для использования в школьном диапроекторе и для печати разнообразных схем. Да, это было достаточно давно, когда ещё видеопроекторы не распространились. Но, тем не менее — она до сих пор имеется в продаже и в большом количестве.
Там же на сайте есть предварительно вычисленные голограммы, которые вы можете просто взять и распечатать.
Картинка corticalcafe
Для тех же, кто желает большего контроля над этим процессом, на сайте имеется и открытый Java-код, который по своему желанию позволяет настраивать все элементы процесса.
Ещё одним достаточно интересным проектом является VividQ — который представляет собой программное обеспечение, позволяющие генерировать голограммы в реальном времени, с использованием стандартных мощностей компьютеров, «обеспечивая глубину, более чем в 200 слоёв» (что бы это ни значило :-)).
Говоря об искусственном создании голограмм, нельзя не упомянуть и способ создания голограмм с помощью гравирования материала с применением лазера. Например, известен способ, который позволяет гравировать на металле, с разрешением в 275 штрихов на миллиметр (всего лишь), и, тем не менее — позволяет получать качественную голограмму (но, этот момент необходимо исследовать глубже, так как в данном случае, мы имеем дело с отражающей голограммой, которая требует большого разрешения в линиях на миллиметр (5–7 тыс.), в противовес просвечиваемой, для наблюдения которой, источник излучения должен находиться сзади пластинки (она как раз допускает меньшее разрешение).
Кроме того, известен способ, когда голограмма гравируется на металле, с использованием сфокусированного в маленькую точку электронного луча в вакууме. Так называемый — EBM (Electron Beam Melting). Именно так изготавливаются матрицы для всем известных голографических наклеек на всякого рода продукцию (этот способ по возможностям разрешения многократно превышает любой лазерный оптический способ).
Ещё одним интересным моментом является то, что уже сейчас идут активные разработки голографических видеопроекторов, ряд документов в формате PDF по этой теме вы можете прочитать вот по этой ссылке.
«Почти подытоживая» :-) этот рассказ, хочется сказать, что голография является весьма интересным занятием. Кроме того, её можно (при определённой коммерческой жилке) вполне и на коммерческие рельсы поставить. Говоря же о способе создания голограмм для самодельщика, мне видится наиболее целесообразным — использование фотографического способа, с использованием фоточувствительности слоёв на основе желатина. Я специально не стал заострять внимание на покупке готовых голографических пластинок, так как, на мой взгляд, если уж заниматься этим искусством, то следует изучить технологию создания фотографических эмульсий, чтобы иметь возможность «играть» как чувствительностью пластин, так и их размером. К тому же — это явно выйдет намного дешевле, чем покупка готовых пластин, и даст большую гибкость в экспериментах.
▍ А что если…
В процессе изучения темы — мне пришла в голову ещё одна интересная мысль, которую я в сети ещё не встречал (что совершенно не исключает возможности её наличия где-то в недрах научных порталов), коей я и хочу с вами поделиться.
В настоящее время идут разработки в направлении создания голографических дисплеев, которые пока наталкиваются на трудность, которая заключается в необходимости очень высокой плотности пикселей, что должна быть меньше длин воспроизводимых волн. Поэтому исследователи озвучивают необходимость дальнейших разработок в области нанотехнологий, чтобы подобные дисплеи стали реальностью.
Однако, как ни странно, мы можем претворить в жизнь подобную технологию прямо сейчас! Каким образом это можно сделать: у меня есть большое подозрение, что если мы возьмём один из самых современных смартфонов, с большой плотностью пикселей его оптического датчика камеры, считаем интерференционную картину и спроецируем её с помощью линзы — в объектив смартфона, то, скорее всего, плотности пикселей датчика будет достаточно, для качественной регистрации этой картины.
Почему: датчик смартфона маленький и если он современный, то плотность пикселей там очень большая. Осталось уменьшить луч и уместить в этот датчик (теоретически, в роли большой линзы можно использовать линзу Френеля — они бывают весьма большие и недорогие. Скажем, 0,5×0,5 метра за 5–6 тыс. руб.):
На следующем этапе — мы вполне можем прожечь эту картину (используя лазерную гравировку волоконным лазером) и получить более-менее сносную голограмму.
Таким образом, если мы реализуем этот способ, мы можем получить схему быстрого создания голограмм на любых основаниях: прозрачных, непрозрачных и т.д. На мой взгляд, способ достаточно интересный и заслуживает своего внимания. В любом случае — выбор за вами, и получив общее представление о понятии голограммы, вы сможете самостоятельно решить, какое направление для вас наиболее интересно, а может быть, вам придёт какая-то светлая мысль, которая станет прорывной в этом направлении ;-)
