Голограмма своими руками: записать волну, а не картинку

Чего не умеет фотография

Наведите камеру на предмет и снимите. На матрицу приходит свет, каждый пиксель складывает всё, что в него попало, и записывает одно число — сколько энергии пришло.

Этого достаточно, чтобы восстановить картинку. И недостаточно, чтобы восстановить объём.

Потому что свет — волна, а у волны есть не только амплитуда, но и фаза: где именно в данный момент находится гребень. Именно разница фаз говорит, что одна точка предмета ближе, а другая дальше. Фотоматериал фазу не чувствует — он реагирует на суммарную энергию.

Отсюда простой вывод: чтобы сохранить объём, надо как-то записать фазу. Прямо это сделать нельзя. Но можно хитростью.

Хитрость: сложить с опорной волной

Пусть на пластинку падают одновременно две волны:

• предметная — та, что рассеялась от предмета, со всей своей сложной фазой;
• опорная — идущая напрямую от источника, с известной, простой фазой.

Волны складываются. Там, где гребень встретил гребень, — светло. Где гребень встретил впадину — темно. Возникает интерференционная картина: система полос, чрезвычайно мелких, с шагом порядка длины волны.

И вот главное. Расположение этих полос зависит от разности фаз двух волн. То есть фаза, которую пластинка не умеет записывать напрямую, превратилась в яркость — а яркость записывается прекрасно.

Проявленная пластинка не содержит изображения. На ней бессмысленная рябь. Но если осветить её той же опорной волной, рябь сработает как сложная дифракционная решётка и восстановит предметную волну целиком — с фазой. Глаз получит ровно тот свет, который шёл бы от настоящего предмета. Со всей глубиной, с параллаксом: сдвинулись вбок — и заглянули за край.

Голограмма — это не картинка предмета. Это записанный волновой фронт.

Условие ровно одно: свет должен быть когерентным. Две волны обязаны сохранять постоянную разность фаз всё время записи, иначе полосы размажутся. Отсюда лазер. Отсюда же — главная трудность опыта, о которой ниже.

Опыт 1: голограмма, которая ею не является

Бесплатно, 8+, полчаса.

Начнём с подделки — так понятнее, что такое настоящее.

Что нужно: прозрачный пластик (подойдёт коробка от диска, обложка папки, толстая плёнка), ножницы, скотч, смартфон.

Что делать. Вырежьте четыре одинаковые трапеции и склейте из них усечённую пирамидку без дна. Поставьте её на экран телефона узкой стороной вниз. Включите ролик, специально снятый для такой пирамидки (их легко найти по запросу «hologram pyramid video»), — на чёрном фоне четыре одинаковых изображения по сторонам.

В пирамидке повиснет светящаяся фигура. Выглядит как объёмная. Все вокруг назовут это голограммой.

Теперь проверка. Обойдите пирамидку. Изображение поворачивается, но это лишь потому, что вы смотрите в другую грань, на другую из четырёх картинок. Наклонитесь и посмотрите сверху или снизу — объёма нет. Попробуйте заглянуть за фигуру сбоку — ничего не откроется, потому что сзади ничего и не записано.

Вы построили «призрак Пеппера» — сценический приём 1860-х годов: отражение в наклонном прозрачном стекле. Именно так в 2012 году на фестивале Coachella «воскресили» Тупака, и именно поэтому пресса тогда написала слово «голограмма» неправильно.

Плоская картинка в отражении. Ни фазы, ни объёма.

Опыт 2: настоящая голограмма по схеме Денисюка

3000–6000 ₽, 14+, вечер. Здесь начинается физика.

Почему именно схема Денисюка

Есть две классические схемы. В пропускающей (Габор, позже Лейт и Упатниекс) опорный и предметный лучи падают на пластинку с одной стороны, а смотреть готовую голограмму нужно опять же в лазерном свете.

В отражательной, придуманной Юрием Денисюком в 1962 году, лазерный луч проходит сквозь пластинку насквозь, освещает предмет за ней, и отражённый свет возвращается на пластинку с другой стороны. Две волны идут навстречу.

Полосы в этом случае ложатся слоями в глубине эмульсии, параллельно поверхности. Такая слоистая структура отражает избирательно — только ту длину волны, под которую она построена. Поэтому готовую голограмму можно осветить обычной лампой или солнцем: белый свет она сама «отфильтрует» и покажет изображение в цвете записи.

Проще в сборке и красивее в результате. Для самостоятельного опыта — единственный разумный выбор.

Что нужно

Пластинка. ПФГ-03М — высокоразрешающий галогенсеребряный материал на стекле, специально для встречных пучков. Производит «Славич» в Переславле-Залесском, цена около 2290 ₽ за упаковку. Хранить в холодильнике; гарантийный срок около восьми месяцев, просроченные заметно теряют чувствительность.

Лазер. Годится обычная красная указка. Мощность решает не всё: достаточно и 1 мВт — меньше мощность просто означает дольше выдержку. Важнее стабильность и то, чтобы луч не «прыгал» по модам.

Рассеиватель — короткофокусная линза или просто капля клея на стекле, чтобы расширить луч в пятно.

Кювета с песком — противень или коробка, наполненная сухим песком. Это виброизоляция.

Предмет — небольшой, светлый, неподвижный и жёсткий. Классика — монета, гайка, керамическая фигурка. Ничего мягкого, ничего живого, ничего, что может осесть за время выдержки.

Химия — проявитель для голографических материалов и отбеливатель; продаются комплектами.

Тёмная комната и слабый зелёный фонарь для ориентации.

Как это делается

1. В песок вдавите предмет так, чтобы он лежал мёртво.
2. Над ним, почти вплотную, установите пластинку эмульсией к предмету.
3. Лазер с рассеивателем закрепите выше, чтобы расширенное пятно накрывало пластинку целиком и проходило сквозь неё на предмет. Никаких зеркал и делителей — в этом прелесть схемы.
4. Выждите. Это самый важный и самый пропускаемый шаг: после каждого касания системе нужно несколько минут, чтобы успокоиться.
5. Откройте луч на время выдержки — от нескольких секунд до минуты, зависит от мощности и материала. Точное время подбирается пробами.
6. Проявите и отбелите по инструкции к комплекту, промойте, высушите.
7. Осветите готовую пластинку точечным источником — фонариком или солнцем из окна — под тем же углом, под каким падал лазер.

Почему не получится с первого раза

Скажем прямо: часть попыток уйдёт в брак, и это не провал, а свойство метода.

Полосы, которые вы записываете, имеют шаг порядка длины волны — сотые доли микрона. Значит, за всё время выдержки предмет и пластинка не должны сместиться друг относительно друга больше чем на малую долю микрона.

Что этому мешает:

• шаги в соседней комнате и проезжающий транспорт — отсюда песок;
• потоки тёплого воздуха от вашего тела и от лампы — отсюда пауза перед съёмкой и никакого дыхания над установкой;
• собственная усадка конструкции;
• просроченная или неправильно хранившаяся пластинка;
• неверная выдержка — главный подбираемый параметр.

Именно поэтому голография до сих пор считается пробным камнем аккуратности. Тот, кто получил свою первую голограмму, узнал про экспериментальную работу больше, чем из десяти удачных опытов подряд.

Безопасность: берегите глаза

Лазер, даже маломощный, нельзя направлять в глаза — ни свой, ни чужой, ни через отражение.

Отдельная опасность в этом опыте: вы работаете с зеркальными и стеклянными поверхностями, а расширенный пучок легко даёт неожиданный блик. Перед включением уберите со стола всё блестящее: часы, кольца, металлические линейки, чашки.

И помните про маркировку: у дешёвых указок реальная мощность часто в разы выше заявленной. Если написано «до 1 мВт», это не гарантия. Работайте так, как будто мощность больше, чем на этикетке.

Что делать с результатом

Посмотрите на параллакс. Сдвиньте голову вбок. Если запись удалась, вы заглянете за край предмета — увидите то, чего с прежней точки видно не было. Ни одна плоская картинка так не умеет; это и есть доказательство, что записана волна, а не изображение.

Разбейте пластинку. Звучит варварски, но опыт того стоит. Возьмите неудачный экземпляр, отколите кусочек — и осветите его. Изображение останется целым, только потускнеет и потеряет угол обзора.

Потому что каждая точка пластинки видела весь предмет. Информация распределена по всей площади, а не разложена по пикселям, как в фотографии. Осколок голограммы — это тот же предмет, но подсмотренный в узкое окно.

Сравните с опытом 1. Пирамидка из пластика и стеклянная пластинка выглядят похоже ровно до первого движения головой.

Что происходит на самом деле

Читать дальше

→ Голография: как это сделано: Денисюк против Габора, приоритет и почему «голографические экраны» так называются незаконно → Как работает лазер: откуда берётся когерентность, без которой этот опыт невозможен → Толщина волоса лазером: та же интерференция, но результат — число → Квантовый ластик: что происходит, когда волна оказывается ещё и частицей