Глава 1. Голография начиналась так...

Голография как наука официально родилась в 1947 г., когда английский физик Дэннис Габор поставил свой замечательный эксперимент, который теперь входит во все учебники физики.

Габор, венгр по происхождению, еще перед второй мировой войной переехал в Англию. Здесь он стал работать в маленькой лаборатории одной из лондонских фирм. Надо сказать, что замечательное открытие пришло к Габору в общем-то случайно. Это, по-видимому, обусловило недостаточное внимание коллег к полученным результатам и сравнительно длительный период забвения.

Шел второй послевоенный год. Жители Лондона постепенно отвыкали от бомбежек и леденящего душу воя самолетов-снарядов. Восстанавливались заводы и научные лаборатории. Габор продолжил работу над совершенствованием электронного микроскопа. Точнее, он пытался улучшить четкость изображения, даваемого таким микроскопом. К тому времени максимальное увеличение оптических микроскопов было достигнуто. Повышение качества обработки стеклянных линз не давало никакого эффекта. Оптический микроскоп не мог уже увеличивать в принципе. Между тем и ученым, и инженерам требовалось изучать все более мелкие объекты из царства микромира.

Выход был найден с открытием электронных волн. Эти волны значительно короче световых. Кратность увеличения микроскопа, или его разрешающая способность, зависит от диапазона волн, используемых для подсветки. Облучая вещество не пучком видимого света, а пучком электронных волн, мы увидим детали, недоступные даже самому мощному оптическому микроскопу. Благодаря электронному микроскопу ученые повысили предел разрешения в сотни раз и стали наблюдать даже крупные молекулы.

Но вот дальнейшее повышение кратности увеличения электронного микроскопа застопорилось. Дело в том, что для фокусировки электронных пучков в нем, как и в оптическом микроскопе, используются линзы, но линзы особенные: не стеклянные, а электронные. У электронной линзы появилась болезнь, называемая аберрацией, устранить которую никак не удавалось. Между тем успешно лечить ту же болезнь - аберрацию для линз, сделанных из стекла, научились еще в XVIII в. Габор предложил следующий способ устранения аберрации электронной линзы: преобразовать электронную волну в световую, "подлечить" ее (устранив хорошо изученную оптическую аберрацию), вновь преобразовать в электронную и эту электронную, очищенную от аберрации, волну использовать в дальнейших исследованиях. Так удавалось повысить кратность увеличения электронного микроскопа. Правда, удавалось пока в теоретическом плане. Ведь для лечения световой волны ее нужно хотя бы на время "остановить", а еще лучше-"законсервировать", чтобы без помех уложить на "операционный стол". Перед Габором встала новая задача: как получить моментальный портрет или своего рода фотографию световой волны.

Но прежде чем приступить к рассказу о решающем опыте, подарившем миру голографию, напомним основные свойства света.

Свет - это волна

Сейчас этим не удивишь и школьника.

Но еще два столетия назад в науке безраздельно господствовала так называемая корпускулярная теория великого Ньютона. Колоссальные успехи, достигнутые Ньютоном в механике, оказали решающее влияние на объяснение им и оптических явлений. Строгая прямолинейность распространения света, на которое обратили внимание еще древние греки, утвердила Ньютона в мысли, что свет - это поток мельчайших светящихся частичек - корпускул. По Ньютону, корпускулы вылетают из источника света подобно дробинкам из ружья.

Первым, кто провозгласил, что свет - это волна, был Христиан Гюйгенс Цюйлихен.

В 1678 г. Гюйгенс читает членам Парижской академии наук свой "Трактат о свете". В нем были такие строки: "Если принять во внимание... что лучи света проходят один через другой, не мешая друг другу, то станет совершенно понятным, что когда мы видим светящийся предмет, то это не может происходить вследствие переноса световой материи, доходящей до нас от этого предмета наподобие пули или стрелы, пересекающих воздух..."

Категорически отказавшись от гипотезы о световых частицах, Гюйгенс высказал предположение, что свет распространяется так же, как и звук, сферическими поверхностями или волнами. "Я называю эти поверхности,- писал Гюйгенс,- волнами по сходству с волнами, наблюдаемыми на поверхности воды, в которую брошен камень".

Эти слова обычно рассматриваются как первое изложение волновой теории света.

Согласно принципу Гюйгенса каждая точка пространства, до которой дошла световая волна, сама становится источником вторичных световых волн. Результирующая поверхность, огибающая эти вторичные "линии-волны", представляет собой поверхность волнового фронта.

Световой луч огибает препятствие

Но если свет - волна, то он должен, подобно волне, огибать препятствие, поставленное на его пути. Действительно, мы не раз могли наблюдать, как волна, возникшая на поверхности пруда, огибает сваи, плавающие на воде предметы.

Но то волны водяные, а попробуйте заглянуть в щель двери. Каждый на основе собственного опыта может сказать, что он видит ровно столько, сколько позволяет вырез щели. Свет никуда "не загибается", и мы видим обстановку комнаты только в узком секторе прямолинейно распространяющегося светового луча. В чем же дело? Ведь если свет - волна, то мы обязаны видеть через щель гораздо больше.

Оказывается, такое проявление волновой природы света, как огибание препятствия, мы замечаем только тогда, когда размеры этого "ставшего поперек луча" предмета сравнимы с длиной световой волны, а она очень мала: меньше одной тысячной миллиметра. Естественно, и препятствие должно быть очень маленьким.

Явление дифракции - так называют огибание световой волной препятствия - наблюдали еще в начале XVIII в. Однако объяснить его удалось только в 1818 г. французскому инженеру О. Френелю. Френель представил свои результаты на конкурс Парижской академии наук. Работу рассматривали выдающиеся ученые того времени Лаплас и Пуассон. Они считали Френеля выскочкой и дилетантом в математике. Кроме того, они были "несгибаемыми ньютонцами", т. е. никак не хотели уверовать в волновую природу света. Тем не менее научная добросовестность всех членов академической комиссии была выше подозрений. Причем Пуассон столь глубоко изучил представленный на конкурс доклад, что сумел обнаружить удивительный вывод, вытекавший из расчетов Френеля. "Позвольте,- ехидно улыбнулся Пуассон, обратившись к "провинциальному дилетанту",- из ваших расчетов следует, что свет, как морская волна, обогнет и сплошной черный диск". "Именно так, ваша честь",- потупил голову Френель. "Значит,- торжествующе заключил Пуассон,- в центре его тени появится светлое пятнышко, как если бы в диске было пробито отверстие. Но диск-то сплошной. Это же абсурд!"

Авторитетная комиссия согласилась с мнением Пуассона, что подобное противоречит здравому смыслу. Правда, она не отвергла с порога довольно странно звучавшие доводы дорожного инженера, а мудро рассудила, что лучший судья - практика. Она предложила Френелю подтвердить разработанную им теорию дифракции опытом.

Решающий эксперимент проводил нейтральный судья - французский физик Араго. Каково же было удивление Пуассона, когда оказалось, что его первоначальный вывод полностью соответствует действительности. Но тем самым он еще раз подтверждал справедливость расчетов Френеля!

В центре тени, отбрасываемой сплошным диском, действительно наблюдалось светлое пятнышко. "Здравый смысл" был посрамлен, и волновая теория восторжествовала. Френель получил причитающуюся премию академии наук. В память об этом историческом курьезе злополучное светлое пятно в центре геометрической тени стало называться "пятном Пуассона".

Свет может гасить свет!

Но, пожалуй, самым убедительнейшим доказательством того, что свет - волна, является такое физическое явление, как интерференция.

Тонкая пленка бензина на асфальте щедро одаривает нас радужным разноцветьем павлиньего пера. Это пример интерференции. Именно интерференция света делает мыльный пузырь достойным детского трепета и восхищения.

Что же такое интерференция? Интерференция - это явление, которое наблюдается в результате сложения двух волн. Впервые правильно объяснил его талантливый английский врач и физик Томас Юнг.

Еще в юношеском возрасте Юнг опубликовал свою первую книжку "Наблюдения над процессом зрения". В ней на основе своих опытов он ставил под сомнение корпускулярную теорию света Ньютона. Однако в то время авторитет Ньютона был так велик, что молодого ученого осмеяли. Под давлением критики ученых того времени Юнг публично признал необоснованность своих научных взглядов и забросил опыты, но мысли о том, что же представляет собой свет на самом деле, он не оставил.

Однажды в книге Юнг натолкнулся на сообщение, что вблизи Филиппинских островов ученые не раз наблюдали необычайно высокие и бурные морские приливы. Юнг посмотрел название книги. По иронии судьбы, это был третий том знаменитого труда Ньютона "Математические начала натуральной философии". Великий Ньютон объяснял (и совершенно справедливо) подобное явление взаимным наложением приливных волн.

Этот частный пример был толчком, изначальным импульсом, породившим лавину научных открытий. Юнга буквально озарило: "Представьте себе ряд одинаковых волн, бегущих по поверхности озера... Представьте себе далее, что по какой-либо аналогичной причине возбуждена другая серия волн той же величины, проходящих... с той же скоростью одновременно с первой системой волн. Ни одна из этих систем не нарушит другой, но их действия сложатся, если... вершины одной системы волн совпадут с вершинами другой системы; если же вершины одной системы волн будут расположены в местах провалов другой системы, то они в точности заполнят эти провалы и поверхность воды останется ровной. Так вот, я полагаю, что подобные явления имеют место, когда смешиваются две порции света; и это наложение я называю общим законом интерференции света".

Свою гениальную догадку Юнг подкрепил знаменитым, вошедшим во все школьные учебники опытом. Опыт столь же прост, сколь и гениален. Он не требует никаких линз, зеркал, ювелирно выточенных стеклянных призм и прочей оптической амуниции.

В куске картона Юнг проколол булавкой две маленькие дырочки. Затем он поставил картон на пути тонкого лучика света, сочившегося из щели в ставне. После картона лучик как бы раздваивался и попадал на бумажный экран. И тут возникало настоящее чудо: на экране, где по здравому смыслу должно было быть яркое световое пятно, вдруг возникли черные полосы. Этот факт находился в вопиющем противоречии с корпускулярной теорией Ньютона. Ведь добавление друг к другу световых частичек - корпускул всегда должно вести к увеличению интенсивности суммарного светового луча. А тут свет, прибавленный к свету, вызывал темноту. Свет гасил свет! Значит, световой луч - это не "светящиеся дробинки", а самая настоящая световая волна. А раз так, то световые волны, подобно морским, могут как усиливать, так и ослаблять друг друга. Если же две волны имеют одинаковые амплитуды, а одна подошла к экрану спустя половину периода колебаний (в противофазе), то по правилам арифметики они вычтутся и уничтожат друг друга. В результате мы получим нуль, т. е. темную полоску на экране. Так на экране возникает зеброподобный черно-белый рисунок, или интерференционная картина.

Габор - архитектор световой волны

Вот эти три фундаментальных положения оптики - волновая природа света, дифракция и интерференция - и лежат в основе голографии. Все они были не просто известны, но и досконально изучены еще полтора столетия назад. Требовалось совсем немного: нужен был пытливый ум, объединивший все эти три положения воедино, чтобы голография родилась еще в XVIII в. Но в том-то и дело, что развитие науки идет не по прямой линии, а по незримым виткам спирали.

Итак, Лондон, 1947 год. Габор пытается сделать моментальный снимок световой волны, воссоздать испускаемый предметом волновой фронт. Оторвавшись от предмета, световая волна начинает собственную жизнь. Она уже никак больше не связана с ним, не принадлежит ему, подобно облачку дыма, оторвавшемуся от костра. Значит, именно в световой волне, и только в ней и заключена вся информация о предмете. Поймав волну, мы узнаем о предмете абсолютно все.

Но как же можно остановить, "заморозить" световую волну?

Вспомним эпизод из "Приключений барона Мюнхгаузена", когда однажды звуки охотничьего рожка замерзли, а после в теплой комнате оттаяли, и рожок заиграл сам.

"Заморозить" звуковую волну удалось. Уже давно изобретен тот "волшебный рожок" - фонограф, прочно вошли в наш быт долгоиграющие пластинки, магнитофон и стереофонические проигрыватели.

Казалось бы, изобретение фотографии решило проблему со световой волной. Но возьмем в руки любую фотографию. Она бесстрастно зафиксировала всю информацию о заснятом предмете. Но всю ли?

Отчего на фотоснимке все получается плоским

Глядя на фотографию, мы не получаем впечатления объемности, как бы мы ни крутили головой. Если на снимке перед домом стоит автомобиль, то он закрывает все, что находилось за ним в момент съемки. Изображение выглядит плоским, пропадает эффект присутствия. Особенно резко выражены эти явления, когда мы рассматриваем фотоснимок при косом его расположении.

Почему же фотография не дает нам информации об объемности окружающего мира?

Еще раз вспомним, что свет - это волна, и как любая волна характеризуется двумя главнейшими величинами: амплитудой и фазой. А фотография дает нам информацию только об амплитуде излученной предметом световой волны и ничего не говорит о ее фазе. Значит, фотография не дает ровно 50% информации о заснятом предмете.

Почему так происходит?

Чувствительный слой пленки (фотоэмульсия) реагирует только на интенсивность падающего на него света, т. е. на амплитуду световой волны. Действительно, те части предмета, которые были сильнее освещены при съемке, те и вышли ярче на фотоснимке. Те, что слабее - менее ярко. Амплитуду световой волны, посланной каждой точкой предмета, фотопленка уловила, а вот фазу этой же световой волны она не чувствует, не реагирует на нее. Но именно фаза световой волны и дает нам информацию об объемности предмета! А раз ее нет, снимок получается нежизненным, плоским.

Казалось, выход есть: дополнить фотоаппарат специальной приставкой (как говорят инженеры - детектором), реагирующей на фазу.

Из школьного учебника по физике известно, что длина световой волны (λ) равна скорости света (с), деленной на частоту световых колебаний (v). Значит, эта частота v = с/ λ. Отсюда видно, что световая волна колеблется с сумасшедшей частотой: 3*10¹⁴ Гц. Попробуй тут уловить ее фазу, определить насколько одна волна придет позже другой! Все существующие приемники света (в том числе и фотопленка) просто не поспевают реагировать на столь быстрое изменение, они слишком медлительны, инерционны для световой волны.

Где же выход? Значит ли это, что измерить фазу световой волны невозможно и остается только смириться со сложившимся положением вещей - неизбежной потерей 50% информации на каждом фотоснимке?

Но в том-то и состоит заслуга Габора, что он не опустил руки, как тысячи его предшественников.

Альпинисты подсказывают метод

Вспомним, как поступают альпинисты, когда хотят измерить высоту покоренной вершины. Идя в горы, они берут с собой не раскладной метр или мерную веревку, а маленький прибор - высотомер, который автоматически показывает какой высоты достиг альпинист. Шкала прибора проградуирована в метрах, но прибор измеряет вовсе не метры и километры. Он меряет... давление воздуха.

Существует строгая закономерность между атмосферным давлением и высотой подъема. Чем выше в горы, тем воздух разреженнее. Каждой высоте соответствует свое атмосферное давление. Так, измеряя одну физическую величину - давление газа, мы находим совершенно другую - высоту подъема альпиниста.

А нельзя ли подобный метод использовать для того, чтобы найти фазу световой волны? И Габор обратился к интерференционной картине.

Вспомним, что зеброподобный интерференционный рисунок порожден сложением двух световых волн. Черные полосы получились там, где волны пришли в противофазе, т. е. со сдвигом фаз в 180°, а светлые полосы - там, где волны действовали в такт, согласованно, без сдвига фаз. Остальные участки - сероватые места интерференционной картины - соответствуют промежуточным случаям, когда сдвиг фаз между волнами есть, но меньше или больше 180°. Таким образом, интерференционная картина содержит в себе информацию о фазе световой волны. Правда, о фазе результирующей суммарной волны, получившейся в результате интерференции. Но и это уже кое-что!

Рождение голографии

Габор взял маленький полупрозрачный кубик и осветил его ярким светом ртутной лампы. По тем временам это был наилучший источник световых волн с постоянной длиной волны. Грани кубика засверкали - он сам засветился. Разумеется, засветился не своим светом, а отражая свет ртутной лампы (рис. 1а).

На пути световых волн, отражаемых кубиком, и световых волн, испускаемых ртутной лампой, Габор поставил высокочувствительную фотопластинку. Она стала играть роль экрана (в опыте Юнга экраном служил чистый лист бумаги).

Волна от лампы (В₁) стала складываться с волной от кубика (В₂). В результате такого сложения или интерференции родилась новая суммарная световая волна: В₃ = В₁ + В₂.

Ее-то и поймала фотопластинка. Таким образом, на фотоэмульсии зафиксировалась интерференционная картина - чередующиеся черные и светлые полосы. Заснятую на фотопластинке интерференционную картину Габор назвал голограммой.

Проявленная фотопластинка была исполосована рядами черно-белых полос. Понять, что на ней изображено, было нельзя. Казалось, что пластинку просто засветил неряшливый фотолюбитель. И тем не менее на пластинке был запечатлен полный портрет световой волны: ведь фотоэмульсия прореагировала как на амплитуду, так и на фазу суммарной волны. Практическая ценность подобного светового коктейля, казалось бы, была невелика. Но Габор придерживался иного мнения.

Рис. 1. Упрощенная схема голографирования

Желая воссоздать, или, как он говорил, "реконструировать" световую волну от любого предмета, Габор выбрал для начала объект простейшей формы - кубик. Удача пришла: испускаемую кубиком световую волну удалось "заморозить". К сожалению, не одну, а вместе с "пустой породой": волной В₁. Таким образом, фотоэмульсия стала своего рода "световой рудой". Как же теперь "выплавить" из нее "металл" - изначальную световую волну?

Если искомую световую волну обозначить через В₂ , то В₂ = В₃ - B₁.

Таким образом, чтобы знать, чему равна Вг> надо знать величины В3 и В1. Величина В3 нам известна: она "законсервирована" в фотоэмульсии. А вот величина В₁ ?

И здесь Габора выручило то, что свет ртутной лампы (волна В₁) обладает замечательным свойством. Эта лампа не только ярко светит, но и излучает свет, обладающий постоянной длиной волны и другими очень стабильными характеристиками, которые в оптике давно изучены. Можно утверждать: величина В₁ тоже известна!

Но как вычесть из одной волны другую? Одно дело вычитать, скажем, яблоки, железнодорожные вагоны и даже километры, и совсем другое - световые волны, которые летят с бешеной скоростью. Ведь вычесть-то надо не на бумаге!

И Габор предложил простой и оригинальный метод. Он заменил вычитание сложением. Ведь вычесть волну В₁ - это то же самое, что и прибавить волну -В₁. Знак "минус" означает: волна идет в обратном направлении.

Как же выглядела схема знаменитого эксперимента Габора? (рис 1.б).

Он поставил справа от голограммы ту же самую ртутную лампу, что использовал раньше. Только теперь свет от нее шел не слева направо, а наоборот - справа налево. Эта волна натолкнулась на черно-белое сито голограммы. В результате дифракции слева за голограммой возникли те же самые волны, которые ее породили, т. е. волны В₁ и В₂. Но волна В₁ в точности равна волне (-В₁) и направлена ей навстречу. Значит, эти волны уничтожаются, погашая друг друга. Останется только волна В₂. Но это и есть "размороженная" волна от кубика! Глаз, заглянувший в голограмму, как в окошко, увидит плавающий в воздухе кубик!

В первый момент Габор был поражен: он ясно различал тени на гранях, даже маленькие выщерблинки. Изображение было настолько реальным, что его хотелось потрогать, проверить наощупь.

Габор протянул руку, и она захватила... пустоту. Как он мог забыть! Ведь это же было всего лишь фантомное, мнимое изображение предмета. За голограммой находился не предмет, а реконструированная световая волна предмета. Но человеческий глаз не ощущал подмены!

Оказывается, человеческий глаз тоже можно обмануть. Ведь глаз - это своего рода оптический прибор. А у каждого прибора, пусть даже очень совершенного, есть своя ахиллесова пята.