Начнём с того, что голография – это метод фотосъёмки. Так же как и в обычной фотографии, в голографии регистрируются световые волны, отражённые объектом. Но в чём разница? Почему обычный фотоснимок – плоский, а голограмма создаёт полное впечатление объёма?
Хитрость состоит в способе фиксации световых волн. Фотоплёнка регистрирует свет с помощью фотоэмульсионного слоя, который темнеет или изменяет цвет в зависимости от интенсивности излучения. В цифровой фотокамере роль плёнки играет светочувствительная матрица, фиксирующая изображение с помощью фотодиодов. И в том и в другом случае мы проецируем картинку на плоскость, сохраняя лишь её контрастные и цветовые характеристики, то есть мы учитываем интенсивность, но теряем всю информацию о фазе волны. Но форма объекта тоже играет роль: световые волны, отражаемые плоским изображением, на которое мы смотрим, будут отличаться по своим характеристикам, в частности по фазе, от световых волн, которые отражал изначальный трёхмерный объект фотографирования.
А в 1947 году венгерский физик Денеш Габор придумал способ, позволяющий плоскому изображению отражать (или пропускать) свет ровно так же, как это делает исходный трёхмерный предмет.
Голография Габора
Свою Нобелевскую лекцию в 1971 году Денеш Габор начал словами: «В отличие от многих своих предшественников, выступавших здесь, я нахожусь в более выгодном положении, поскольку мне не нужно выписывать уравнения или показывать сложные графики». Он немного слукавил, поскольку графики и схемы в его лекции всё-таки присутствовали, но, действительно, лекция Габора получилась намного проще, чем выступления его предшественников, в первую очередь потому, что голография относительно простая технология. Ключевое слово тут, конечно, «относительно».
На момент своего изобретения Габор жил уже не в Венгрии: он покинул родину в 1933 году, когда к власти в Германии пришла НСДАП, а Венгрия, поддержав новое немецкое правительство, двинулась примерно таким же курсом. 33-летнему еврею Габору, защитившему диссертацию, специалисту по электронным трубкам и газоразрядным лампам, делать в новом мире было нечего, и он заблаговременно, ещё до начала погромов и преследований, эмигрировал в Великобританию.
В 1947 году Габор работал в компании British Thomson-Houston в Рагби и занимался электронными микроскопами. Это были ранние годы электронной микроскопии – первый коммерческий прибор такого типа производства Siemens появился лишь в 1938-м, – и «детских болезней» у микроскопов хватало с избытком. С помощью электронных микроскопов надеялись увидеть атомы кристаллической решётки, но разрешающая способность новых приборов оказалась ограничена сферической аберрацией[26] магнитных линз, которые фокусировали электронный пучок. Технический уровень того времени не позволял делать более совершенные линзы, и итоговые снимки оказывались недостаточно чёткими, на них были видны в лучшем случае элементы размером в несколько десятков атомов.
Габору пришла в голову интересная мысль, позволяющая, вместо того чтобы решать эту проблему «в лоб», изобретательно её обойти. А что, если не мучиться с получением чёткой электронной фотографии, а сначала записать с помощью электронного пучка полную информацию об объекте, а потом исправить размытую картинку оптическими средствами?
Обычное изображение, неважно, получено оно с помощью электронного пучка или обычного света, содержит только информацию об интенсивности волны, которую отразил или рассеял объект (это так называемая предметная волна). Габор же предложил записывать полную информацию об объекте, которая включает не только интенсивность, но и фазу отражаемой (или рассеянной) волны. Для этого нужно использовать вторую – опорную – волну. Предметная волна освещает объект съёмки, а от него отражается на фотопластинку. Опорная волна падает на фотопластинку непосредственно. Если эти волны когерентны, то есть одинаковой частоты, с постоянными амплитудами и постоянной разностью фаз, они наложатся друг на друга и возникнет чёткая интерференционная картина – чередование ярких и тёмных полос, определяемое разностью фаз наложенных волн. В точках, где фазы одинаковы, яркость максимальна, а где противоположны – минимальна. Вот эту интерференционную картину, а не просто «отпечаток» интенсивности предметной волны и предложил фиксировать Габор. Если через фотопластинку с интерференционной картиной снова пропустить волну, идентичную опорной, то пластинка сработает как дифракционная решётка (можно сказать, фильтр) и на выходе мы получим волну, полностью идентичную предметной, с полной информацией об объекте, которая включает и интенсивность, и фазу. Итоговое изображение называется восстановленным. Таким образом, Габор предполагал разделить процесс на два этапа: сначала получать с помощью электронного микроскопа полное изображение предмета на фотопластинке, а потом с помощью источника опорной световой волны восстанавливать точную копию его настоящего трёхмерного изображения.
Компания, в которой работал физик, поддержала исследования, он получил финансирование и оборудование для опытов. Но возникла проблема, которая так и не позволила реализовать новоизобретённый принцип на практике, – проблема когерентности. Как уже упоминалось, волны называются когерентными, если они имеют одинаковую частоту (физики называют такие волны монохроматическими), а их амплитуды и разность фаз не меняются во времени. Только когерентные волны способны давать отчётливую интерференционную картину. Казалось бы, если взять монохроматическое излучение от одного источника и разделить его на предметную и опорную волны, они всегда будут когерентны. Но на самом деле это не так.
Существует такая физическая характеристика – длина когерентности[27]. Если разность хода двух волн – опорной и предметной – превышает длину когерентности, то они становятся некогерентными и никакой интерференционной картины, которую можно было бы записать для последующего восстановления, не появится.
И предметную, и опорную волны Габор получал с помощью ртутной лампы высокого давления – лучшего источника достаточно интенсивного излучения на конец 1940-х просто не существовало. Её излучение он последовательно пропускал через узкополосный цветной фильтр, что обеспечивало относительную монохроматичность, и через маленькое точечное отверстие. И вот тут вступало в свои права вышеупомянутое ограничение: длина когерентности излучения ртутной лампы составляет доли миллиметра и получить качественную голограмму, способную реально решить проблему, ради которой Габор всё это придумал, было попросту невозможно.
Более того, вся конструкция Габора располагалась на одной оси (голограмма с прямым опорным пучком), и излучение должно было проходить через объект насквозь, иначе разность хода превышала длину когерентности. Это серьёзно ограничивало возможности метода: он позволял записывать только очень маленькие, диаметром чуть более миллиметра, прозрачные объекты. А изображение, восстановленное при просвечивании фотопластинки когерентной опорной волной, наблюдалось только в микроскоп.
Габор и его группа плотно работали над усовершенствованием метода и над разработкой голографического электронного микроскопа вплоть до 1955 года. Они пробовали разные источники света, применяли различные оптические хитрости – но проблема оставалась. Голографические изображения получались некачественными из-за низкой интенсивности и длины когерентности получаемой волны. Это был классический пример учёного, который придумал гениальную идею, но слишком опередил своё время.
Тем не менее Габор опубликовал ряд серьёзных работ по голографии, описал сам принцип, технику – и отложил этот проект в дальний ящик в надежде, что когда-нибудь появятся когерентные источники света и голография обретёт смысл. Ждать, как ни странно, оставалось всего пять лет.
Голографическая гонка: США
В 1960 году американский физик Теодор Майман представил миру первый работающий рубиновый лазер. Почти сразу же стало понятно, что это именно тот источник света, которого не хватало голографической технологии. Статьи Габора обрели новое звучание, ряд групп в разных концах мира начали заниматься вопросами голографии, в том числе в США и СССР – странах, где лазерные технологии были развиты особенно хорошо.
Качественный прорыв произошёл в 1962 году, причём синхронно в двух концах мира. На тот момент, к сожалению, оттепель сошла на нет, контакты между советскими и американскими учёными снова нарушились, набирала обороты холодная война. Поэтому американцы Эмметт Лейт и Юрис Упатниекс и советский физик Юрий Денисюк ничем друг другу не помогли.
Лейт и Упатниекс были сотрудниками Мичиганского университета. Они использовали в качестве источника опорного излучения относительно простой гелий-неоновый лазер – и сразу же добились значительно более качественных результатов, нежели Габор. За счёт своего принципа работы (отдельные атомы в нём излучают синхронно, в одной и той же фазе) лазер снимал сразу несколько проблем.
Во-первых, лазерное излучение было гораздо более интенсивным и имело длину когерентности примерно в тысячу раз больше, чем у ртутной лампы с цветным фильтром. Это сразу же позволило разнести опорный и освещающий пучки, что решило проблему двоения изображения и позволило значительно повысить детализацию.
Во-вторых, благодаря большой длине когерентности появилась возможность получать изображения достаточно крупных объектов, видимые с разных ракурсов, то есть по-настоящему объёмные (трёхмерность видимых только под микроскопом голограмм Габора была номинальной: крошечный объект, очень узкое поле зрения микроскопа – заметить 3D-эффект физически не представлялось возможным). И наконец, лазерное излучение имело значительно большую интенсивность – это позволило использовать мелкозернистую фотоэмульсию и получать большие и более детальные голограммы.
Лейт и Упатниекс опубликовали первые работы по своему методу в 1962 году, а в 1964-м представили миру первые в истории полноценные трёхмерные голограммы, сделанные с помощью лазера. В схеме Лейта – Упатниекса лазерный луч разделяется на опорный и предметный пучки, идущие под углом друг к другу. Первый падает непосредственно на регистрирующую среду (фотопластинку), второй сначала отражается от объекта и лишь затем попадает на фотопластинку с той же стороны, что и опорный пучок. Восстановление изображения происходит при просвечивании фотопластинки лазерным пучком, идентичным опорному.
Голографическая гонка: СССР
Параллельно шла работа в СССР, и вёл её, по сути, один человек – Юрий Николаевич Денисюк. В 1954 году он, молодой 27-летний учёный, поступил на работу в Государственный оптический институт в Ленинграде, а в 1958-м, в какой-то момент наткнувшись на работы Габора, увлёкся голографией. Как и Габор, Денисюк экспериментировал с ртутной лампой (первые опыты он поставил летом 1959 года) и, подобно Габору, не мог добиться с её помощью более или менее приемлемого результата.
Как только в СССР появились первые лазеры, Денисюк тут же поставил с их помощью несколько экспериментов и в 1962 году – одновременно с Лейтом и Упатниексом – опубликовал в журнале «Доклады Академии наук» небольшую, буквально на одну страницу, статью «Об отображении оптических свойств объектов в волновом поле рассеянного им излучения», в которой, впрочем, полностью излагался основной принцип усовершенствования габоровской технологии. В том же году, 1 февраля, он подал заявку на открытие (не на изобретение) и получил авторское свидетельство.
Удивительно то, что Денисюк, сам того не зная, изобрёл совершенно другую схему, нежели американские коллеги. В его схеме лазерный луч делился на опорный и предметный пучки. Опорный пучок от лазера и предметный, отразившийся от объекта съёмки, с противоположных сторон падали на полупрозрачную пластинку с толстым слоем фотоэмульсии – навстречу друг другу. Такая схема сегодня называется записью объёмной голограммы на встречных пучках.
Схемы Лейта – Упатниекса и Денисюка имеют ряд отличий. Американская дает пропускающую голограмму на тонком слое фотоэмульсии, и изображение восстанавливается только при облучении светом, идентичным опорной волне (то есть лазером). Схема же Денисюка требует толстослойных фотопластинок, но дает отражательную голограмму, для наблюдения которой не нужен лазер, хватит самой обычной лампы. Цвет восстановленного изображения предмета будет при этом идентичным цвету записывающего излучения. Кроме того, такая схема очень проста и объединяет в едином узле фотопластинку и объект съёмки, что делает её нечувствительной к вибрациям объекта. Поэтому, например, любительские голограммы в основном делаются именно таким способом. Сегодня по схеме Денисюка можно свинтить аппарат для голографической съёмки из лазерной указки и увеличительного стекла. Я, конечно, немного утрирую, но от истины недалёк.
Обе схемы распространены примерно одинаково – в лабораторных и научных целях используется в основном американский вариант, в любительских и художественных – советский. Впрочем, схема Денисюка встречается и в профессиональной голографии.
Что же было дальше? Юрий Денисюк продолжал работу над голографией и в 1970 году получил за свои исследования Ленинскую премию. В 1971-м он возглавил только что созданную голографическую лабораторию ГОИ, позже преобразованную в отдел. ГОИ, кстати, в течение долгого времени был закрытым и даже засекреченным предприятием, есть история о том, как в начале 1980-х некий студент приехал в Ленинград, мечтая поступить в ученики к Денисюку, но не нашёл вообще никаких сведений о существовании Оптического института – ни адреса, ни телефонов – и уехал обратно.
Впоследствии Денисюк получил множество премий и международное признание. В 1983 году он разделил с Лейтом и Упатниексом первую премию имени Габора, получал награды, в том числе от американского Оптического общества (OSA). Над голографией Денисюк работал по всей ширине спектра её применений – например, вторую Ленинскую премию в 1989 году он получил за голографический метод обработки радиолокационных сигналов. Вплоть до самой смерти Юрий Денисюк был знаменосцем и в то же время знаменем советской, а затем российской голографии, ездил в зарубежные командировки, выступал на конференциях и в университетах – в общем, прожил достойную и интересную жизнь.
Подводя итог, можно сказать следующее. Голографию, конечно, изобрёл Денеш Габор – в этом нет никаких сомнений. Он придумал идею и заложил основные принципы технологии. А в практическое поле её параллельно вывели Лейт, Упатниекс и Денисюк – никому из них нельзя отдать однозначного приоритета. Хотя бы потому, что они создали разные схемы, использующиеся ныне одинаково широко.
Так что тут незачем перетягивать одеяло на свою половину. Пусть это делают Венгрия с Великобританией, доказывая всему миру, что Денеш Габор был именно их гражданином.