Изобретатель голографии Деннис Габор (1900-1979) родился в том же году и в той же стране Австро-Венгрии, что и Вольфганг Паули. Правда, родились они в разных столицах – Паули в Вене, Габор в Будапеште – и с разницей примерно в 40 дней. В дальнейшем, для получения качественного научного образования, молодые люди выбрали университеты Германии и там же остались работать. Однако, когда к власти в стране пришли нацисты, оба были вынуждены эмигрировать. Очень похожую судьбу, как известно, в ту пору пришлось разделить множеству выдающихся ученых Европы. Но если большинству из них, включая Паули, в конечном счете пришлось уехать подальше от войны, в Америку, то для Денниса Габора новым домом стала Великобритания. Так что на всю свою последующую жизнь он стал британским ученым венгерского происхождения.

Для описания одного из главных талантов Габора как исследователя в английском языке имеется отдельное труднопереводимое слово serendipity. В других языках его смысл приходится разворачивать в целую фразу типа «интуитивная прозорливость, позволяющая делать открытия, неожиданные для самого первооткрывателя». Например, еще в 1920-е годы при поисках оптимальной конструкции одной газоразрядной лампы, кадмиевой, Габор изобрел существенно иную лампу, ртутную, получившую широчайшее распространение. А еще через два десятка лет, работая над довольно специфической задачей, как повысить разрешающую способность электронного микроскопа, ученый придумал новый и весьма оригинальный метод фотосъемки, которому дал название голография – от греческих слов «холос» и «графе», т.е. «полная запись».[1]

Принципиальная особенность нового метода в том, что голография использует волновые свойства света, а не корпускулярные, как в традиционной фотографии. Обычные фотоснимки фиксируют лишь интенсивность света, рассеиваемого фотографируемым объектом. Для передачи же изображения во всей полноте нужно регистрировать не только интенсивность, т.е амплитуду, но и фазу отражаемых объектами волн. Однако фиксировать сдвиги волновых фаз можно лишь относительно чего-то, а в обычной фотографии сравнивать их просто не с чем. Габор же придумал способ, как это можно сделать, добавив в процесс съемки так называемый когерентный фон, то есть эталонные волны для регистрации фазы. Благодаря наложению «предметной волны» от объекта с когерентным фоном, или «опорной волной», возникает интерференционная картина, которая и фиксируется на фоточувствительной пластине.

Получившаяся при такой съемке картинка на пластине визуально не имеет ничего общего с тем, что фотографировалось, представляя собой весьма хаотичное чередование темных и светлых полос, крапинок и пятен. Но если эту интерференционную картину осветить эталонным пучком когерентного фона, то происходит маленькое чудо – волна рассеянного предметом света восстанавливается и воспроизводит полное изображение снятого объекта. Эта полнота дает возможность увидеть предмет во всех подробностях, включая объемные очертания, глубины резкости и эффекты параллакса, т.е. появление загороженных прежде деталей при смещении точки обзора по горизонтали или вертикали.

*

Столь замечательные результаты, правда, начали стабильно получать лишь лет через двадцать, к середине 1960-х. В конце же 1940-х годов открытая Габором голография явно опередила свое время. С самого начала было ясно, что качество голографического изображения напрямую зависит от высокой степени когерентности волн, формирующих интерференционную картину. Иначе говоря, было крайне желательно, чтобы частоты предметных волн, отраженных от объекта, с высокой точностью соответствовали частотам опорной волны фона. Но источниками стабильного когерентного излучения наука в ту пору еще не располагала, поскольку лазеры начнут появляться десятком лет позже.

Голограммы, полученные Габором с помощью ртутной лампы, хотя и подтверждали в целом концепцию, однако имели чрезвычайно низкое качество и для реального применения явно не годились. Несколько лет оживленных экспериментов вокруг явно перспективной идеи закончились по сути ничем, и к 1955 году интерес к голографии пропал. Время технологии еще не пришло. Так это представлялось, точнее говоря, для ученых открытого научного сообщества. С точки же зрения секретных военных проектов картина выглядела существенно иначе. Базовые принципы голографии абсолютно универсальны и справедливы для волн любой частоты. И если работа с когерентными частотами в диапазонах оптического или тем более электронного излучения поначалу была связана с гигантскими трудностями, то из этого вовсе не следовали такие же проблемы для других электромагнитных волн.

Для тех, в частности, что широко использовались в радиосвязи и, самое главное, в радиолокации. Если длина электронных волн примерно в 100 000 раз короче световых, то длина электромагнитных волн, используемых в радиолокации, в свою очередь примерно в 100 000 раз превосходит длину волн света. По этой причине уже в 1950-е годы на основе того же голографического принципа в США сумели успешно создать радиолокатор с синтезированной (когерентной) антенной, размещаемый на борту самолета и дающий качественные снимки местности в условиях плохой оптической видимости. По сути дела, новая технология «боковой радиолокации» представляла собой двумерную голографию для микроволнового диапазона частот, аналогичную электронной голографии Габора. Но для большинства ученых этот секретный военный проект долгое время оставался неизвестным.

Однако к 1963 году сразу в нескольких точках планеты были независимо получены очень важные новые результаты, положившие начало не просто возрождению, а взрывному развитию голографии. Самым знаменитым, вероятно, событием из этого ряда следует считать публикации [2] Эммета Лейта и Юриса Упатниекса, сообщивших об успешном создании ими лазерной монохромной голограммы в Мичиганском университете. Успех этой группы был обусловлен не только появлением лазера, но также многолетней работой Лейта в составе секретного проекта, разработавшего радиолокатор с когерентной антенной. Поэтому далеко не случайность, что несколько идей, впервые примененных в военной радиолокации, впоследствии были использованы в лазерной голографии Лейта-Упатниекса. Наиболее существенной из них стала двухлучевая схема записи, в которой исходный пучок лазера расщепляется делителем на два когерентных – опорный и предметный пучки, сходящиеся затем под углом благодаря зеркалам. В исходной схеме Габора оба источника волн находились на одной оси.

**

Другой важнейший результат был получен в СССР, где ленинградскому физику Юрию Денисюку (1927-2006) удалось разработать собственную – цветную – технологию голографии [3], существенно отличавшуюся и от габоровской, и от американской. Абсолютно иной подход советского изобретателя объяснялся тем, что он просто ничего не знал о подобных разработках за рубежом и развивал идеи волновой фотографии совершенно самостоятельно. В основу своей конструкции заложив интересные, но в ту пору большинством давно уже забытые идеи французского физика Габриэля Липпмана (1845-1921).

В 1890-е годы этот ученый разработал оригинальный метод цветной фотографии на основе обычной фотоэмульсии черно-белых снимков и грамотного использования интерференции света. За свою технологию Липпман в 1908 году был удостен Нобелевской премии, однако последующее развитие фотографии пошло по направлению более практичных многоцветных эмульсий. Так что интерференционный метод, можно сказать, практически канул в забытье. Пока о нем не вспомнил Денисюк. Главная хитрость метода Липпмана состояла в том, чтобы использовать не плоский-двумерный, а объемный, или как еще говорят толстый слой фотоэмульсии. Благодаря ему фотография может сначала регистрировать, а затем и воспроизводить не только информацию об интенсивности, но и о спектральном составе волн света. Иначе говоря, передавать не только степень яркости каждого из участков картинки, но и их цветовую окраску.

Достигал этого Липпман тем, что с помощью ртути подложку каждой фотографии делал зеркальной. Так что в объемном слое фотоэмульсии фиксировалась – в виде параллельных слоев разной толщины – интерференция волн, рассеянных объектом и отраженных зеркалом подложки. А Юрий Денисюк, в свою очередь, предположил, что если вместо отраженных зеркалом волн использовать более регулярный монохромный фон, то, быть может, удастся зафиксировать не только амплитуду и спектральный состав, но еще и фазовые сдвиги волн…

В оптической лаборатории, где работал Денисюк, лазера в ту пору еще не было, поэтому и ему, как когда-то Габору, пришлось использовать не очень подходящую лампу на парах ртути. Но и этого источника хватило, чтобы экспериментами убедительно подтвердить собственно идею – волновая фотография в объемном слое, который при съемке подсвечивается с обратной стороны когерентным светом, действительно могла воспроизводить не просто цветное, но полное 3-мерное изображение объекта. И что существенно, воспроизводится голограмма Денисюка в обычном белом свете, а не при освещении снимка особой опорной волной лазера, как в системе Эммета-Упатниекса на основе плоской или «тонкой» фотоэмульсии.

***

Еще одна очень важная работа теоретического характера, опубликованная в тот же период совершенно независимо от Денисюка, но при этом принципиально расширившая возможности голограмм в объемных 3-мерных средах (толстых эмульсиях, кристаллах и т.д.), была проделана голландским ученым Питером ван Херденом. Работавший в исследовательском центре Polaroid Research Labs, шт. Массачусетс, США, ван Херден занимался поиском новых материалов и технологий, перспективных с точки зрения эффективного хранения информация. Проанализировав возможности объемных (или глубоких) голограмм для записи и хранения данных, ученый отметил целый ряд важнейших преимущества голографической памяти перед уже имевшимися в то время магнитными, полупроводниковыми и другими системами.[4]

В частности, расчеты ван Хердена продемонстрировали возможности чрезвычайно высокой плотности записи данных в голограммах по сравнению с более традиционными средами. Кроме того, поскольку каждая из единиц информации записывается в голограмме в виде интерференционной картины, распределенной по всему объему регистрирующей среды, метод предоставляет очень высокую помехоустойчивость хранения данных. Иначе говоря, частичные потери изображения в такой среде не влекут за собой потерю всей единицы информации. Ведь любая часть голограммы, даже самая малая, способна воспроизводить полное изображение, хотя и с потерей в разрешении.

И, наконец, еще одно очень важное из отмеченных ван Херденом свойств голографической памяти – это возможность использования полного информационного ресурса объемной регистрирующей среды за счет наложенной записи многих изображений. Это можно сделать, используя для каждой снимаемой картины свою собственную пространственно-частотную несущую волну, подобно тому, как в телевизионном кабеле по множеству каналов одновременно передается большое число картинок с помощью различных несущих частот. Особенности голографической записи позволяют при считывании информации избирательно выделить и восстановить каждую из картин с помощью своей опорной волны.

Внятные и четко обоснованные идеи ван Хердена о свойствах объемных голограмм и о создании на их основе существенно нового типа памяти были и остаются базовым фундаментом для огромного числа самых разных проектов, пытающихся внедрить устройства голографической памяти. Эти проекты начались еще в 1960-е годы, т.е. задолго до появления коммерчески куда более успешной оптической памяти на компакт-дисках. Однако по сию пору, несмотря на очень интенсивные и почти уже полувековые усилия, трехмерная голографическая память так и не смогла составить сколь-нибудь ощутимую конкуренцию более традиционным микроэлектронным, магнитным и оптическим технологиям. Главной причиной тому является отсутствие подходящего материала, то есть объемной регистрирующей среды с параметрами, которые обеспечили бы одновременно удобную, дешевую и надежную голографическую память. Пока что все эти параметры удается достигать лишь по частям.

[1] Gabor D. «A new microscopic principle», Nature, 1948, V.161, pp.777-778

[2] Leith, E.N.; Upatnieks, J.. «Reconstructed wavefronts and communication theory». Journal of the Optical Society of America. 1962, V 52: pp.1123-1130 ; Leith E. N. and Upatnieks J. «Wavefront reconstruction with diffused illumination and three-dimensional objects», Journal of the Optical Society of America, 1964,V. 54, p.1295

[3] Denisyuk Y.N. «On the reflection of optical properties of an object in a wave field of light scattered by it». Doklady Akademii Nauk SSSR (1962) 144: 1275-1278

[4] Van Heerden P.J. «Theory of optical information storage in solids», Applied Optics. 1963. V. 2, pp. 393-400