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

Zdjęcie w kolorze sepii. Postać męska z brodą, wąsami i w okularach. Ubiór składa się z marynarki dwurzędowej i kamizelki oraz białej koszuli. Na czole zmarszczki. Postać spogląda w bok.

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

Układ optyczny. Na białym tle z lewej strony szary prostokąt podpisany: laser. Z lasera wychodzą trzy przerywane linie, przechodzą przez pionową przeszkodę, podpisaną: szczelina z otworem w środku, dół oznaczony wielkie A, góra oznaczona wielkie B. Następnie przechodzą przez przeźroczystą dwuwypukłą soczewkę i po przejściu przez soczewkę skupiają się w jednym punkcie. W punkcie tym wystawiono pionową oś liczbową podpisaną: duża litera E oraz mała litera x. Symetrycznie po obu strona punktu na tej osi czerwoną linią zaznaczona krzywą o kształcie tłumionej z dwóch stron sinusoidy. Między szczeliną a soczewką odcinek z dwoma grotami z podpisem: mała litera f plus mała litera delta mała litera f. Między soczewką a osią odcinek z dwoma grotami z podpisem: mała litera f. Od punktu na osi trzy przerywane czerwone linie biegną rozbieżnie na odcinek leżący na pionowej osi liczbowej podpisanej: duża litera E, wskaźnik górny prim oraz mała litera x wskaźnik górny prim, a na dole podpis: ekran. Skrajne rozbieżne promienie kończą się w punktach oznaczonych: duża litera A wskaźnik górny prim (na górze) i duża litera B wskaźnik górny prim (na dole) i wyznaczają pionowy czerwony odcinek na osi.

RGA11TOrLdNEF

Fotografia czarno biała przedstawiająca mężczyznę siedzącego na ozdobnym fotelu. Mężczyzna ma wąsy, ciemny ubiór, jasną koszulę, obrączkę lub sygnety na obu dłoniach.

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

Ilustracja składa się z dwóch części, górnej i dolnej. Część górna: Układ optyczny składający się z czterech elementów: pionowa czarna gruba linia z przerwą w środku o szerokości d (szczeliną), cienka soczewka dwuwypukła, oś liczbowa podpisana: mała litera x, skierowana w dół, pionowa czarna gruba linia z czerwonym odcinkiem w środku w raz z pionową osią skierowaną w dół i podpisaną: mała litera x wskaźnik górny: prim. Przez środek wszystkich elementów przechodzi czerwona pozioma przerywana linia. Z lewej strony trzy pionowe odcinki, przechodzą przez pionową przeszkodę z otworem w środku. Za przeszkodą trzy wiązki równoległych czerwonych odcinków, w centrum wiązka pozioma (odcinki pionowe), symetrycznie po bokach wiązki na ukos. Trzy wiązki przechodzą przez soczewkę i tłumione dochodzą do osi, gdzie widać trzy podłużne czerwone plamy na osi w miejscach przechodzenia wiązek. Wiązki następnie biegną poziomo w kierunku ekranu, dając czerwony pasek na nim. Między szczeliną a soczewką pod soczewką podpis: analiza. Między soczewką a osią x podpis: synteza. Środki skrajnych promienie kończą się w punktach oznaczonych: duża litera A wskaźnik górny prim (na górze) i duża litera B wskaźnik górny prim (na dole) i wyznaczają pionowy czerwony odcinek na osi. Odległość między tymi punktami zaznaczona odcinkiem z grotami na końcach i podpisem: mała litera d wskaźnik górny: prim. Część dolna składa się z trzech osi liczbowych skierowanych w dół : lewa oś jest jest dokładnie pod przegrodą ze szczeliną i posiada podpis: duża litera A wskaźnik dolny zero, znak równości, const,, środkowa oś jest pod osią x i posiada podpis: duża litera A, znak równości, duża litera A wskaźnik dolny zero, kreska ułamkowa, nad kreską ułamkową: sin mała litera alfa, pod kreska ułamkową, mała litera alfa. a prawa‑pod ekranem z osią nazywaną: mała litera x, wskaźnik górny prim posiada podpis: duża litera A wskażnik górny prim, znak równości, const. Napisy nad osiami to od lewej: mała litera a, nawias zwykły zamykający; mała litera b, nawias zwykły zamykający; mała litera c, nawias zwykły zamykający; Przez osie przebiega oś pozioma z grotem skierowanym w prawo. Oś ta jest czarno‑czerwona. Na osi pionowej lewej po prawej stronie prostokąt styczny z osią, a po lewej stronie osi pionowy odcinek z dwoma grotami i podpisem: mała litera d. Na osi pionowej środkowej linia krzywa przypominająca tłumioną sinusoidę symetryczną. Na osi pionowej prawej po prawej stronie podłużny prostokąt styczny z osią, a po lewej stronie osi pionowy odcinek z dwoma grotami i podpisem: mała litera d. Prostokąt z lewej osi jest mniejszy od prostokąta z prawej osi.

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

Ilustracja czarno‑biała przedstawia mężczyznę o wysokim czole ze zmarszczkami w okularach. Mężczyzna trzyma rolkę z kliszą fotograficzną i przegląda kliszę. W tle skomplikowana aparatura naukowa.

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

Na białym tle widać cztery niebieskie elementy: od prawej, laser (prostokąt z paskami czarnymi ukośnymi, soczewka płasko‑wklęsła (prostokąt z jednym wklęsłym bokiem), przedmiot (koło) i zwierciadło długi prostokąt z jednym wyraźnie zaznaczonym bokiem skierowanym w stronę lasera, jeden prostokąt z czarnymi i beżowymi częściami podpisany hologram. Od lasera biegnie czerwony odcinek z grotem, przechodzi przez soczewkę, od soczewki odchodzą trzy czerwone promienie z grotami: jeden dochodzi do przedmiotu i po odbiciu trafia na hologram; dwa lecą rozbieżnie w kierunku zwierciadła i po odbiciu trafiają na hologram. Promień odbity od przedmiotu posiada łukowate równoległe linie (grzbiety fali), a promienie odbite od zwierciadła mają linie proste linie równoległe, które są prostopadłe do promieni.

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

W centrum znajduje się pionowy prostokąt z czarnymi i beżowymi polami. Z lewej strony prostokąta widać pionowe równoległe do siebie czerwone odcinki, skrajny odcinek ma podpis: Fala odtwarzająca. W górnej części mały niebieskie kółko podpisane: na górze duża litera P bis, na dole: obraz pozorny. Od kółka biegną rozbieżnie dwie linie przerywane czerwone i przechodzą przez hologram bez zmiany kierunku. Po prawej stronie hologramu symetrycznie do niebieskiego kółka widać takie samo niebieskie kółko podpisane: na górze: duża litera P prim, na dole: obraz rzeczywisty. Od tego kółka biegną w kierunku hologramu łukowate ciągłe odcinki równoległe do siebie. Przecinają one w kilku miejscach łukowate przerywane odcinki biegnące od strony hologramu w prawo.

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.).

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

Słowniczek