Warto przeczytać

Robiąc zdjęcie za pomocą aparatu fotograficznego lub smartfona otrzymujemy obraz dwuwymiarowy, który z łatwością możemy wydrukować. Nasuwa się jednak pytanie, czy otrzymany obraz mógłby mieć trzy wymiary? Gdybyśmy naświetlili odpowiednią metodą płytkę holograficzną, byłoby to możliwe. Jak? By to zrozumieć, należy przede wszystkim przypomnieć sobie, czym są zjawiska interferencji i dyfrakcji, a następnie przyjrzeć się trzem teoriom, będącym kamieniami milowymi w historii holografii:

  1. Teorii Ernsta Abbego,

  2. Pomysłowi Mieczysława Wolfkego,

  3. Metodzie zaproponowanej przez Dennisa Gabora.

R3wVtvPasUNVh
Rys. 1. Ernst Abbe (1840–1905) stworzył podstawy teoretyczne współczesnej optyki dyfrakcyjnej, a także wniósł ogromny wkład w budowę współczesnych mikroskopów badawczych, teleskopów astronomicznych i innych instrumentów optycznych
Źródło: dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ernst_Abbe_(HeidICON_29803)_(cropped).jpg [dostęp 14.11.2022], licencja: CC BY-SA 4.0.

Pierwszym kamieniem milowym w rozwoju holografii była teoria Ernsta Abbego (Rys. 1.) uważanego za ojca współczesnej optyki dyfrakcyjnej. To właśnie on opisał metody konstrukcji zaawansowanych obiektywów fotograficznych, sposoby obliczania rozdzielczości układów obrazujących, a także opracował teorię tworzenia obrazów w mikroskopie. Najważniejszym jednak elementem jego dorobku naukowego była analiza obrazu powstającego w ognisku soczewki. Abbe uważał, że tworzenie obrazów w soczewkach można zapisać dwuetapowo. Na początku – po przejściu światła przez soczewkę zauważył, że w płaszczyźnie ogniskowej tej soczewki tworzy się obraz dyfrakcyjny, kolejno – na znajdującym się dalej ekranie – następuje drugi proces, a mianowicie synteza tego obrazu, czyli ponowne połączenie światła w falę o kształcie podobnym do pierwotnego. Współcześnie można to zilustrować doświadczalnie za pomocą prostego układu zaprezentowanego na Rys. 2.

R1QZwMc3NcklO
Rys. 2. Doświadczalna ilustracja dwuetapowego procesu tworzenia się obrazu szczeliny za pomocą soczewki. W płaszczyźnie ogniskowej zachodzi analiza przedmiotu w postaci obrazu dyfrakcyjnego fali światła, później następuje synteza, w wyniku której tworzy się rzeczywisty obraz przedmiotu. Należy zauważyć, że zastosowano tutaj laser, który dla Abbego nie był dostępny. Abbe nie opierał jednak swojej teorii na doświadczeniach, a jedynie na własnościach falowych światła
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, dostępny w internecie: http://ilf.fizyka.pw.edu.pl/podrecznik/3/8/15 [dostęp 14.11.2022], licencja: CC BY 4.0.
RGA11TOrLdNEF
Rys. 3. Mieczysław Wolfke zauważył, że można najpierw zapisać obraz na płytce fotograficznej, a następnie odczytać go w powiększeniu po zastosowaniu dodatkowego układu optycznego i światła widzialnego
Źródło: Archiwum Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej.

Analizując prace Abbego w ramach swojej pracy doktorskiej i prowadzonych na Uniwersytecie Wrocławskim badań Polak, Mieczysław Władysław Wolfke (Rys. 3.) pewnie niejednokrotnie zastanawiał się nad zaproponowanymi w nich teoriami. Owocem jego wieloletnich przemyśleń dotyczące obrazowania optycznego, popartych doświadczeniami, był opublikowany w 1920 roku artykuł „O możliwości obrazowania optycznego siatek molekularnych”, który ukazał się w 21 numerze jednego z najbardziej znanych wówczas pism naukowych: Physikalische Zeitschrift. W tekście tego artykułu zawarta została dwuetapowa koncepcja obrazowania, według której można było za pomocą promieni X zapisać na płytce fotograficznej obraz, a następnie za pomocą dodatkowego układu optycznego i światła widzialnego odczytać go w powiększeniu (Rys. 4.).

Rqr4Ils6cjkBb
Rys. 4. Dwuetapowy proces zapisu hologramu: fala o stałej amplitudzie przechodzi przez szczelinę i ugina się, dając falę dyfrakcyjną o zmiennej amplitudzie, następnie następuje synteza fali dyfrakcyjnej w jedną falę o stałej amplitudzie
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, dostępny w internecie: http://ilf.fizyka.pw.edu.pl/podrecznik/3/8/15, licencja: CC BY 4.0.

I chociaż Wolfke nie docenił tego pomysłu, idea ta została dokładnie rozwinięta przez Denisa Gabora (Rys. 5.), który otrzymał za nią Nagrodę Nobla w 1971 roku. W referacie noblowskim Gabor podkreślił, że nie wiedział o pracy Wolfkego. Noblista uważał, że nasz rodak nie podjął doświadczalnej próby realizacji swojego pomysłu. Mylił się jednak, gdyż Wolfke pisał „o pozytywnych próbach doświadczalnych”, jednak ich wyniki uznał za zbyt słabe do publikacji. Dlaczego tak było? W 1920 roku nie istniały wystarczająco silne źródła światła spójnego. Dopiero rok 1960 i wynalezienie lasera pozwoliły na skuteczne prace nad holografią.

RzpbTnuRRTlHI
Rys. 5. Denis Gabor (1900‑1979) cztery lata po konstrukcji przez Theodore’a Harolda Maimana lasera uzyskał w 1964 roku pierwsze hologramy
Źródło: Associated Press, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dennis_Gabor_1971.jpg [dostęp 14.11.2022], domena publiczna.

W 1964 roku (cztery lata po wynalezieniu lasera) Denis Gabor stworzył swój pierwszy hologramhologramhologram. Przy zapisie hologramów na kliszę fotograficzną padają równocześnie dwie wiązki światła spójnego (monochromatycznego) pochodzące z jednego źródła laserowego, lecz rozdzielone na soczewce: wiązka rozproszona na przedmiocie i wiązka odbita od zwierciadła. Dlaczego aż dwie? Gdyby nie było tej, odbitej od zwierciadła, to klisza zarejestrowałaby tylko natężenie światła ugiętego. Dzięki temu, iż są one dwie, to interferują ze sobą, tworząc miejsca wzmocnienia (gdy fazy są zgodne) i wygaszenia (w przypadku przeciwnych faz). Zatem oprócz amplitudy, zostaje zapisana faza (Rys. 6.).

R1A4fnB2VEQB2
Rys. 6. Rejestracja hologramu za pomocą wiązki rozdzielonej na soczewce, docierającej do kliszy dwiema drogami, a następnie interferującej na niej
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, dostępny w internecie: http://ilf.fizyka.pw.edu.pl/podrecznik/3/8/15 [dostęp 14.11.2022], licencja: CC BY 4.0.

Na kliszy powstaje obraz dyfrakcyjny w postaci prążków, który po wywołaniu staje się siatką dyfrakcyjnąsiatka dyfrakcyjnasiatką dyfrakcyjną. Padające na nią światło lasera ulega więc dyfrakcji i odtwarza sytuację początkową (Rys. 7.).

RFtF2lbgumkx6
Rys. 7. Odtworzenie hologramu polega na oświetleniu go wiązką światła ulegającą dyfrakcji. Powstają wówczas dwa obrazy przestrzenne: pozorny i rzeczywisty
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, dostępny w internecie: http://ilf.fizyka.pw.edu.pl/podrecznik/3/8/15 [dostęp 14.11.2022], licencja: CC BY 4.0.

Rozwój holografii trwa nieustannie. Obecnie nie trzeba stosować soczewki do zapisu hologramuhologramhologramu, czy światła laserowego do jego odtworzenia. Obok hologramów tworzonych w układach optycznych pojawiły się hologramy tworzone komputerowo. I to właśnie one znajdują obecnie największe zastosowanie. Współcześnie hologramy używane są do zabezpieczania dokumentów tożsamości, biletów czy produktów. Mogą także pełnić rolę plomb zabezpieczających. Dodatkowo, hologramy mogą być nośnikami danych, jeśli zapisane zostały na nich dane w postaci kodów QR.

Na koniec wróćmy jeszcze do tego, od czego zaczęliśmy, a mianowicie do porównania fotografii i holografii w postacie zestawienia tabelarycznego (Tab. 1.).

FOTOGRAFIA

HOLOGRAFIA

zapis amplitudy

zapis amplitudy i fazy

wymagany obiektyw

nie wymaga układów optycznych

obraz ostry w zakresie głębi ostrości obiektywu

obraz ostry w całym zakresie

obraz płaski, dwuwymiarowy

obraz przestrzenny, trójwymiarowy

przeważnie używa światła białego

wymaga światła spójnego

obraz czytelny bezpośrednio

obraz zaszyfrowany

rozdzielczość około 50 linii na milimetr

rozdzielczość powyżej 1000 linii na milimetr

Tab. 1. Porównanie fotografii i holografii https://dna.wat.edu.pl/images/dna/podziel-sie-wiedza/zjankiewicz/holografia_i_co_dalej_.pdf

Słowniczek

Hologram
Hologram

(ang.: hologram) – trójwymiarowy zapis przedmiotu na światłoczułym elemencie zawierający zarówno zapis amplitudy, jak i zmiany fazy.

Siatka dyfrakcyjna
Siatka dyfrakcyjna

(ang.: diffraction grating) – układ równoległych, jednakowo odległych szczelin o tej samej szerokości, służący do przeprowadzenia analizy spektralnej światła.