ОТ ОБРАБОТКИ ВЕЩЕСТВА К ОБРАБОТКЕ ПОЛЯ

Нынешние школьники знают: материя существует в двух формах — в форме вещества и в форме поля. Что такое вещество, объяснять не надо. Все окружающие нас предметы ’’сделаны” из вещества. Труднее объяснить, что такое поле, потому что наши органы чувств, как правило, поле не воспринимают.

Исключением является
164
лишь электромагнитное поле в диапазоне длин волн 0,4 — 0,75 мкм, т. е. световое поле, или просто, видимый свет.
Итак, есть две формы существования материи. С одной из них — веществом — человек работает давно. Он очень неплохо научился обрабатывать вещество, видоизменять его, хранить в том или ином виде, одним словом, над этой формой материи человек властвует. А вот другая форма материи — поле — человеку до сих пор почти неподвластна. Первые шаги на пути овладения полем были сделаны совсем недавно — на рубеже XIX и XX веков, когда была изобретена радиосвязь. Дальнейшим развитием этого открытия было появление телевидения и телеуправления. И все же насколько беспомощным продолжает оставаться человек, когда ему приходится иметь дело не с веществом, а с полем!
Разве он умеет сохранять (консервировать) световое поле заданной конфигурации, чтобы по своему желанию затем восстанавливать (воспроизводить) его? Разве он может произвольно изменять конфигурацию поля, т. е., иначе говоря, производить его обработку? Еще четверть века назад ответ на подобные вопросы мог быть только отрицательным. Теперь же, с развитием научно-технического направления, называемого голографией (она основана на применении лазеров), на все упомянутые вопросы мы может отвечать утвердительно. Что же это такое — голография?
Предварительно зададим вопрос: что такое ’’видеть”? Вот, например, мы видим яблоко. Почему? Ответ прост: потому, что в наши глаза попадают световые лучи, отражаемые поверхностью яблока. Чтобы такие лучи возникли, нужен, прежде всего, источник света; в темноте мы ничего не увидим. Сначала на яблоко должны упасть лучи от источника света, а затем от яблока во все стороны направятся отраженные лучи. Как говорят физики, эти лучи содержат информацию о внешнем виде яблока; попав в глаз наблюдателя, они создадут у него зрительный образ наблюдаемого предмета. Нельзя увидеть яблоко, если его нет перед нами.
Нельзя ли? В наши дни это стало возможным. Можно получить световые лучи, в точности копирующие те лучи, которые отражал предмет; поэтому можно видеть предмет даже тогда, когда на самом деле его нет. Подчеркнем: речь идет не о фотографии предмета, а о его ’’двойнике”, настолько похожем на сам предмет, что невольно хочется потрогать его, взять в руки. Представьте себе, что ’’висит” в воздухе перед вами яблоко — совсем как настоящее: оно объемное, более того, можно поглядеть на него то с одной, то с другой
165

Схема записи голограммы. Световой пучок, выходящий из лазера 1, расширяют с помощью линз и затем расщепляют на два пучка с помощью полупрозрачного зеркала 2. На поверхности голограммы 3 пересекаются два пучка — идущий непосредственно от лазера (опорный пучок) и отраженный от предмета (предметный пучок)

ния программы). Предметный пучок на обоих рисунках выделен цветом

стороны. Вы протягиваете руку к удивительному яблоку — рука совершенно свободно проходит сквозь него. Яблока нет, хотя мы прекрасно его видим. Не правда ли, похоже на чудо? Сотворением таких ’’чудес” и занимается голография.
Чтобы подольше сохранить ягоды, их замораживают. В таком виде они могут долго храниться в морозильной камере холодильника. Через какое-то время их вынимают оттуда и восстанавливают, или, говоря проще, размораживают. Нечто подобное делается в голографической лаборатории со световыми лучами (световым полем). Сначала световое поле, отражаемое вредметом, как бы ’’замораживается” (разумеется, это не надо понимать в буквальном смысле). В ’’замороженном” виде световое поле может храниться сколь угодно долго. Сам предмет более не нужен. В любой момент можно ’’разморозить” (восстановить, получить) это поле — и тогда можно увидеть предмет в отсутствие его самого.
Итак, войдем в голографическую лабораторию. Первое, что мы заметим, это лазер. Его применяют здесь в качестве источника света, так как лазеры дают свет, обладающий способностью ’’замораживаться”. Посмотрим, как это делается на практике. Все до удивления несложно! Лучи от лазера попадают сначала на полупрозрачное зеркало; в результате часть лучей проходит дальше, а часть отклоняется и падает на предмет (пусть это будет уже знакомое нам яблоко). Лучи, прошедшие сквозь зеркало, образуют так называемый опорный световой пучок. Лучи, отразившиеся от яблока, образуют так называемый предметный световой пучок. Оба пучка — опорный и предметный — пересекаются. В то место, где они пересекаются, помещают специальную фотопластинку с очень большим разрешением. На такой фотопластинке можно различить (воспользовавшись микроскопом) две тончайшие параллельные линии, отстоящие друг от друга всего на 0,001 мм. Складываясь друг с другом, опорный и предметный световые пучки интерферируют, в результате чего на фотопластинке возникает крайне сложный ’’рисунок” из великого множества тонких и тончайших линий, образующих замысловатые узоры. В результате фотообработки этот ’’рисунок” закрепляют. Процесс ’’замораживания” предметного светового пучка на этом заканчивается. По-научному он называется записью голограммы предмета.
Вот перед нами голограмма яблока. Она нисколько не похожа на его фотографию. Бесполезно пытаться различить какие-либо очертания яблока в сложной картине пятен, за-
167

мысловатых узоров переплетений линий. Можно лишь подивиться тому, что именно в этой картине и хранится в ’’замороженном виде” предметный световой пучок. Если бы не было опорного пучка, предметный пучок прошел бы через фотопластинку, оставив на ней лишь след в виде фотографического образа предмета. Но произошло сложение двух световых пучков — в результате предметный пучок оказался как бы ’’плененным”. Конечно, голограмма сохраняет не сам световой пучок, а только информацию о предмете, которая содержалась в пучке после того, как он отразился от поверхности предмета. Важно, что здесь записана полная информация — настолько полная, что она дает возможность восстановить реальный предметный световой пучок. Отметим, что слово-’’голография” в переводе с греческого означает ’’полная запись” (’’голос” — полный, весь, целиком, ”гра- фо” — записываю, фиксирую).
Как же теперь ’’разморозить” предметный световой пучок? Как восстановить прежнее световое поле? Для этого надо осветить голограмму точно таким же световым пучком, который ранее (на этапе записи голограммы) играл роль опорного пучка. Встанем перед голограммой и направим сзади на нее опорный световой пучок от лазера. Сразу же, как по волшебству, голограмма просветлится, в ней возникнет прозрачное окно, в глубине которого мы и увидим наше яблоко. На схеме восстановления предметного светового пучка (схеме считывания голограммы) видно, что тот же самый предметный пучок, который на этапе записи падал на фотопластинку, теперь продолжает распространяться от голограммы к наблюдателю. Итак, яблока давно уже нет, однако голограмма генерирует то самое световое поле, которое формировалось в результате отражения света от реального яблока. В результате наблюдатель очень реально воспринимает предмет наблюдения — как если бы тот продолжал находиться на прежнем месте.
Мы уже говорили, что сама по себе голограмма — это ’’рисунок”. Он может быть, в принципе, рассчитан на ЭВМ. Более того, с помощью ЭВМ этот ’’рисунок” можно нанести на фотопластинку. Одним словом, голограмму можно изготовить искусственно. При считывании такой голограммы мы увидим объемную копию предмета, которого в действительности вообще не существовало.

Вместо того чтобы делать некоторую модель из материала, можно предварительно получить и изучить ее ’’световую копию”. Таким образом появляется возможность выполнять своеобразное ’’оптическое
168
конструирование”, иначе говоря, рассчитывать и воспроизводить световое поле нужной конфигурации.
Подобные голограммы полезны в архитектуре и при проектировании различных технических устройств: они дают возможность наглядно представить, как будет выглядеть разрабатываемая новая модель или проектируемое здание. Другое применение таких голограмм — создание плоских аналогов оптических элементов, выполняющих то или иное преобразование фронта световой волны.
Представьте, что вам подарили голограмму. Зачем мне она? — спросите вы. — Ведь у меня все равно нет лазера, чтобы ’’прочитать” ее. Не спешите отказываться от подарка! Существуют голограммы, для считывания которых лазер не нужен — годится солнечный свет и даже свет от обычной лампы, висящей под потолком комнаты. Такие голограммы можно использовать в качестве иллюстраций. Представьте себе: вы садитесь за соответствующим образом освещенный стол, раскрываете учебник — и перед вами объемная картинка или совсем необычный объемный график. По такому учебнику заниматься значительно интереснее; объемные изображения помогают лучше разобраться в материале. Пока еще таких учебников нет, но со временем они непременно появятся.
В Ленинграде при Государственном оптическом институте имени С. И. Вавилова организован музей голографии, в котором имеются голограммы с изображением ряда скульптур и изделий из металла, хранящихся в Эрмитаже. В конце 70-х годов в Москве на ВДНХ можно было присутствовать на открытии необычной экспозиции. Вниманию посетителей предлагались голограммы произведений скульптуры, живописи, ювелирного искусства. Были там и голограммы некоторых драгоценных камней из Алмазного фонда СССР. Все, кто видит такие голограммы, отмечают, что создается впечатление, будто перед вами находятся подлинные объекты. Подобные экспозиции на различных выставках и в музеях устраиваются в наши дни во многих странах. Возможно, что благодаря голограммам жители любого города смогут в недалеком будущем знакомиться с шедеврами отечественного и мирового изобразительного искусства, с уникальными археологическими находками. Когда-нибудь музеи с такими голограммами будут создаваться в каждой школе.
В Советском Союзе исследуется проблема создания голо- графического кино. На XII конгрессе Международного союза технических кинематографических ассоциаций, проходив-
169

шемв Москве в октябре 1976 г., демонстрировался короткометражный голографический кинофильм. Правда, он длился всего полминуты и демонстрировался на небольшом экране размером 60X80 см, перед которым могли находиться одновременно только четыре зрителя (остальным голографическое изображение не было видно). Но тем не менее этот фильм подтвердил практическую возможность создания голографического кино. Об этой необычной демонстрации газета ’’Правда” писала в те дни: ”... Когда погас свет, за небольшим полупрозрачным экраном неожиданно появилась девушка в русском наряде. Не обращая внимания на зрителей, она двигалась, играла драгоценностями, помещала их в сверкающий сосуд. Изображение было необычным. Впервые оно существовало самостоятельно, как бы вне экрана, за растворившейся в темноте зала стеклянной ’’перегородкой”. И это казалось сказкой: на наших глазах прерывалась ставшая привычной связь изображения с экраном”.
Фильм, о котором мы рассказываем, создан во Всесоюзном научно-исследовательском кинофотоинституте. Он записан на пленке шириной 70 мм. Кадры пленки представляют собой голограммы, сменяющие друг друга с частотой 30 Гц (30 голограмм-кадров в секунду). Съемка производилась с использованием импульсного лазера на рубине. Каждый кадр снимался одним лазерным импульсом длительностью 50 нс.
Расскажем еще об одном применении голографии — из совсем другой области. Из кинозала перенесемся мысленно в исследовательскую лабораторию, где с помощью лазерного луча изучают невидимые глазу деформации различных объектов, подвергающихся механическим нагрузкам или нагреванию. Это очень важные для практики исследования. Представьте себе: работает прибор — и какая-то его деталь от нагревания совсем немного удлинилась, в результате прибор выходит из строя или становится неточным. Или большая конструкция, испытывая значительные механические нагрузки, деформируется — и вдруг в каком-то месте разрушается. Все эти неприятности можно предвидеть заранее, если иметь перед глазами своеобразную ’’карту” деформаций интересующего нас объекта (детали прибора, узла конструкции). Эта ’’карта” должна быть необычной; глядя на нее, мы должны видеть, как меняются деформации со временем, по мере нагревания или по мере возрастания механических нагрузок. Возможно ли такое? Оказывается, возможно. Надо применить голографию.
170

Напомним, что при считывании голограммы некоего объекта происходит воспроизведение световой волны, представляющей собой точную копию той самой световой волны, которая отразилась от объекта в момент записи голограммы. Теперь предположим, что голограмма записывалась дважды — в два разных момента времени. Назовем условно — момент А и момент Б. При считывании такой голограммы будут одновременно воспроизводиться сразу две световых волныта, которая отразилась от объекта в момент А, и та, которая отразилась от него в момент Б. Обе эти волны возникают одновременно и, значит, могут интерферировать друг с другом.
Теперь представим себе более конкретную ситуацию. Мы изучаем какую-то деталь, подвергающуюся механическим нагрузкам. Снимем эту деталь на одну и ту же голограмму дважды: в момент А, когда механические нагрузки отсутствовали (и, следовательно, деталь не подвергалась деформации) , и в момент Б, когда нагрузки имелись (деталь была деформирована). Конечно, эти деформации ”на глазок” незаметны, и при считывании такой голограммы мы получим отнюдь не двойное, а совершенно четкое изображение нашей детали. Но это изображение (объемное изображение) будет покрыто системой чередующихся светлых и темных полос, хорошо видной невооруженному глазу. Эти полосы возникли в результате интерференции световых волн, одна из которых есть копия волны, отраженной от недсформированной детали, а другая — от деформированной. Полосы изгибаются, имеют в разных местах разную ширину — в зависимости от характера и степени деформации различных участков нашей детали. Перед нами действительно карта деформаций; человек, умеющий ’’читать” эту карту, поймет, в каком месте деталь оказалась наиболее сильно деформированной, где именно можно скорее всего ожидать разрушения.
Можно поступить еще остроумнее — изучать полосы, возникающие от интерференции двух световых волн, одна из которых отражается непосредственно от изучаемой детали, а другая восстанавливается с голограммы, где была записана эта деталь в недеформированном состоянии. При этом надо поместить деталь точно в то самое место, где формируется объемное изображение детали, наблюдаемое при считывании голограммы — совместить деталь с ее голографическим образом. Если теперь деталь будет со временем деформироваться, то можно будет видеть, как по ее поверхности начнут
171

перемещаться, видоизменяясь, интерференционные полосы. Вот она — ожившая карта деформаций! Вы постепенно нагреваете или сжимаете деталь — и все это прекрасно отслеживается во времени на удивительной карте.
Голография делает пока еще первые шаги, она только начинает проникать в нашу жизнь. Но уже ясно, что с помощью голографии человек получил, наконец, возможность консервировать, хранить, воссоздавать, видоизменять световое поле. Это кажется чудом. Недаром такое впечатление производят на нас голографические изображения. Ведь мы еще не привыкли, мы еще только учимся властвовать над световым полем.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме ОТ ОБРАБОТКИ ВЕЩЕСТВА К ОБРАБОТКЕ ПОЛЯ:

- Биофизика - Популярная физика -