Hologramų šviesos interferencijos vaizdai

Kai šviesa susitinka su šviesa

Hologramos – tai ne tik mokslinės fantastikos filmų rekvizitas ar futuristinių koncertų efektas. Tai tikra, veikianti technologija, kuri remiasi vienu įdomiausiu fizikos reiškiniu – šviesos interferencija. Paprasčiau tariant, kai dvi ar daugiau šviesos bangų susitinka, jos gali viena kitą sustiprinti arba susilpninti, priklausomai nuo to, kaip jų „viršūnės” ir „duburiai” sutampa. Būtent šis reiškinys leidžia užfiksuoti ne tik objekto spalvą ir ryškumą, bet ir jo erdvinę struktūrą – tai, kas daro hologramas tokias ypatingas.

Įsivaizduokite, kad metate du akmenis į ramų vandens telkinį. Nuo kiekvieno akmens sklinda bangos, kurios galiausiai susitinka. Kai dvi bangų viršūnės sutampa vienoje vietoje, vanduo ten pakyla aukščiau – tai vadinama konstruktyvia interferencija. O kai viršūnė sutampa su duburiu, jos viena kitą panaikina – destruktyvi interferencija. Panašiai vyksta ir su šviesos bangomis, tik mes to nematome plika akimi, nes šviesos bangos yra mikroskopiškai mažos.

Kaip gimsta holografinis vaizdas

Hologramos kūrimas prasideda nuo labai specialios šviesos šaltinio – lazerio. Kodėl būtent lazerio? Skirtingai nuo paprastos lemputės, kuri skleidžia chaotiškas, įvairaus ilgio šviesos bangas, lazeris generuoja idealiai suderintas, vieno ilgio bangas. Tai vadinama koherentiškumu, ir be šios savybės hologramų kurti tiesiog neįmanoma.

Lazerio spindulys padalijamas į dvi dalis naudojant specialų veidrodį. Viena spindulių dalis – vadinamasis objektinis spindulys – apšviečia objektą, kurį norime užfiksuoti. Šviesa atsispindi nuo objekto paviršiaus ir krenta ant fotografinės plokštelės. Kita dalis – atskaitos spindulys – eina tiesiai į tą pačią plokštelę, neliesdama objekto. Kai šie du spinduliai susitinka ant plokštelės, įvyksta magija – jie interferuoja, sukurdami sudėtingą šviesių ir tamsių dryžių raštą.

Šis raštą gali atrodyti kaip visiškas chaosas, tarsi kažkas atsitiktinai išbarstytas taškelius. Tačiau šiame „chaose” užkoduota visa informacija apie objekto formą, tekstūrą, gylį ir net jo padėtį erdvėje. Fotografinė plokštelė užfiksuoja šį interferencijos vaizdą, ir būtent jis tampa holograma.

Kodėl hologramos atrodo trimačiai

Įprastos nuotraukos fiksuoja tik šviesos intensyvumą – kur šviesiau, kur tamsiau. Hologramos užfiksuoja kažką daug daugiau – šviesos bangų fazę. Fazė parodo, kurioje vietoje yra banga – viršūnėje, duburyje ar kur nors tarp jų. Būtent ši informacija leidžia atkurti tikrą objekto erdvinę struktūrą.

Kai apšviečiate hologramą tokiu pat lazeriu, kokiu ji buvo sukurta, įvyksta nuostabus dalykas. Šviesa, praeidama pro tuos sudėtingus interferencijos raštus, „atsimena” pradinį objektą ir atkuria jo vaizdą erdvėje. Jūs galite žiūrėti į hologramą iš skirtingų kampų ir matyti objektą iš skirtingų pusių – visai kaip žiūrėdami į tikrą daiktą.

Dar įdomiau tai, kad net jei sudaužytumėte hologramą į gabalėlius, kiekvienas gabalėlis vis tiek atvaizduotų visą objektą! Tiesa, vaizdas taptų šiek tiek miglotesnis ir žiūrėti būtų galima iš mažesnio kampų diapazono, bet visa informacija išliktų. Tai kardinaliai skiriasi nuo paprastos nuotraukos, kurios gabalėlis rodytų tik vieną objekto dalį.

Nuo analoginių plokštelių iki skaitmeninių sistemų

Pirmosios hologramos buvo sukurtos dar 1947 metais, kai vengrų kilmės fizikas Dennisas Gáboras ieškojo būdų pagerinti elektroninių mikroskopų raišką. Tačiau tikrasis holografijos klestėjimas prasidėjo tik 1960-aisiais, kai buvo išrastas lazeris. Staiga tapo įmanoma kurti ryškias, aiškias hologramas, kurios stebino žiūrovus savo realumu.

Ankstyvosios hologramos buvo įspūdingos, bet turėjo apribojimų. Jos dažniausiai būdavo vienos spalvos – paprastai raudonos, nes naudoti raudonieji lazeriai. Objektai turėjo būti visiškai nejudantys įrašymo metu, nes net mažiausias virpesys sugadindavo interferencijos vaizdą. Fotografinės plokštelės reikėjo kruopščiai išryškinti cheminiais reagentais, o rezultatą pamatyti galėjai tik po kelių valandų darbo.

Šiuolaikinė holografija žengė milžinišką žingsnį į priekį. Dabar naudojami galingi kompiuteriai, kurie gali apskaičiuoti interferencijos vaizdus skaitmeniniu būdu, net neturint tikro objekto. Specialūs ekranai gali rodyti hologramas realiuoju laiku. Medicinos srityje naudojami holografiniai mikroskopai, kurie leidžia stebėti gyvų ląstelių procesus be jokio jų pažeidimo. Duomenų saugojimo srityje tyrinėjamos galimybės įrašyti informaciją trimačiai, kas leistų viename diske sutalpinti šimtus kartų daugiau duomenų nei įprastame.

Spalvotų hologramų paslaptis

Sukurti spalvotą hologramą yra daug sudėtingiau nei vienspalvę. Principas panašus į spalvotą fotografiją – reikia užfiksuoti tris pagrindines spalvas: raudoną, žalią ir mėlyną. Tačiau hologramų atveju tai reiškia, kad reikia padaryti tris atskirus įrašus, naudojant trijų skirtingų spalvų lazerius.

Kiekvienas lazeris sukuria savo interferencijos vaizdą toje pačioje plokštelėje. Kai vėliau apšviečiate tokią hologramą baltąja šviesa (kuri susideda iš visų spalvų), kiekvienas interferencijos sluoksnis „išrenka” sau tinkamą spalvą ir atkuria savo vaizdą. Kai šie trys vaizdai susilieja, matote visaspalvį trimačią objektą.

Yra ir kitoks būdas – vadinamosios vaivorykštinės hologramos, kurias matote ant kreditinių kortelių ar pinigų. Jos veikia šiek tiek kitaip – naudoja baltąją šviesą ir sukuria spalvas dėl to, kad skirtingos spalvos atsispindi skirtingais kampais nuo labai smulkių paviršiaus struktūrų. Tai paprastesnis ir pigesnis metodas, tačiau vaizdas nėra tikrai trimatis – greičiau tai optinis efektas, kuris kinta priklausomai nuo žiūrėjimo kampo.

Praktinis hologramų panaudojimas šiandien

Daugelis žmonių mano, kad hologramos – tai kažkas iš ateities, bet iš tikrųjų jos jau dabar naudojamos daugelyje sričių. Saugumo požiūriu holografiniai ženklai ant dokumentų ir pinigų yra vienas efektyviausių būdų apsisaugoti nuo klastojimų. Sukurti tikslią hologramos kopiją be specialios įrangos ir žinių yra beveik neįmanoma.

Meno pasaulyje holografinės parodos tampa vis populiaresnės. Menininkai kuria erdvinius kūrinius, kurie keičiasi žiūrovui judant, pasakoja istorijas iš skirtingų perspektyvų. Kai kurie muziejai naudoja hologramas, kad atkurtų sunaikintus ar dingusius eksponatus – lankytojams tai suteikia unikalią galimybę pamatyti tai, kas kitaip būtų nepasiekiama.

Medicinos srityje holografija leidžia gydytojams geriau planuoti sudėtingas operacijas. Iš kompiuterinės tomografijos ar magnetinio rezonanso duomenų galima sukurti paciento organų hologramas, kurias chirurgai gali apžiūrėti iš visų pusių prieš operaciją. Tai padeda sumažinti riziką ir pagerinti rezultatus.

Pramonėje holografinė interferometrija naudojama tiksliai matuoti objektų deformacijas ir vibraciją. Pavyzdžiui, lėktuvo sparno ar automobilio kėbulo dalies hologramą galima palyginti su jos holograma po apkrovos – net mikroskopiniai pokyčiai bus akivaizdūs.

Kodėl dar nematome hologramų visur

Jei hologramos tokios nuostabios, kodėl mes vis dar žiūrime į plokščius televizorių ekranus ir telefonų displėjus? Atsakymas slypi techninėse ir ekonominėse kliūtyse, kurios vis dar nelengvai įveikiamos.

Pirma, tikroms hologramoms reikia labai didelio duomenų kiekio. Įprastas 4K televizorius rodo apie 8 megapikselius. Holografiniam ekranui, kuris leistų matyti vaizdą iš įvairių kampų su geru raiškumu, reikėtų gigapikselių – tūkstančių kartų daugiau. Tokio duomenų kiekio perdavimas ir apdorojimas realiuoju laiku vis dar yra didžiulis iššūkis.

Antra, hologramoms reikia labai tikslių optinių komponentų. Kad interferencijos vaizdas veiktų, visi elementai turi būti suderinti su šviesos bangos ilgio tikslumu – tai maždaug pusė mikrometro. Tokį tikslumą pasiekti masinėje gamyboje yra brangu ir sudėtinga.

Trečia, daugelis šiuolaikinių holografinių sistemų vis dar reikalauja specialių sąlygų – tamsaus kambario, lazerio šviesos, tam tikro žiūrėjimo kampo. Sukurti hologramą, kurią būtų patogu žiūrėti įprastomis sąlygomis, dienos šviesoje, iš bet kurio kampo, vis dar yra didelis technologinis iššūkis.

Kai fizika tampa menu ir mokslu vienu metu

Hologramos puikiai iliustruoja, kaip gilus fizikos reiškinių supratimas gali atvesti prie visiškai naujų technologijų. Šviesos interferencija – tai ne tik abstraktus mokslinis terminas, bet realus reiškinys, kurį galima panaudoti informacijos įrašymui ir atkūrimui trimačiame pasaulyje.

Ateityje holografinės technologijos greičiausiai taps dar įspūdingesnės. Jau dabar kuriami interaktyvūs holografiniai ekranai, kuriuos galėsite liesti ir manipuliuoti vaizdais ore. Telekomunikacijų srityje galite tikėtis holografinių vaizdo skambučių, kur pašnekovas atrodys esantis tame pačiame kambaryje su jumis. Švietimo srityje mokiniai galės mokytis anatomijos ar astronomijos tiesiogiai manipuliuodami trimačiais modeliais.

Jei norite patys paeksperimentuoti su hologramijomis, pradėti galite nuo paprastų dalykų. Internete rasite instrukcijų, kaip sukurti primityvias hologramas namuose naudojant tik išmaniojo telefono ekraną ir plastikinę piramidėlę. Nors tai ne tikros hologramos fizikine prasme, o greičiau optinė iliuzija, jos puikiai iliustruoja pagrindinius principus ir tikrai įdomu pažiūrėti.

Tikros hologramos, sukurtos naudojant šviesos interferencijos vaizdus, išlieka vienu įspūdingiausių fizikos ir technologijų sankirtos pavyzdžių. Jos primena, kad mūsų pasaulis yra daug sudėtingesnis ir įdomesnis, nei atrodo pirmu žvilgsniu – net šviesa, kuri atrodo tokia paprasta, slepia savyje galimybes, kurias tik pradedame atskleisti.