Holografia to technika umożliwiająca rejestrację i późniejszą rekonstrukcję czoła fali świetlnej. Holografia jest najlepiej znana jako metoda generowania rzeczywistych obrazów trójwymiarowych, ale ma również szeroki wachlarz innych zastosowań praktycznych. W zasadzie możliwe jest wykonanie hologramu dla każdego rodzaju fali nie tylko, dla światła widzialnego.
Hologram jest tworzony przez nałożenie drugiego czoła fali (zwykle nazywanego wiązką odniesienia) na interesujące nas czoło fali, generując w ten sposób wzór interferencyjny, który jest zapisywany na nośniku fizycznym.Kiedy tylko drugie czoło fali oświetla wzór interferencyjny, ulega dyfrakcji, aby odtworzyć oryginalne czoło fali. Hologramy można również generować komputerowo, modelując dwa czoła fal i łącząc je cyfrowo. Powstały obraz cyfrowy jest następnie drukowany na odpowiedniej masce lub filmie i oświetlany przez odpowiednie źródło w celu zrekonstruowania interesującego czoła fali.
Rozwój lasera umożliwił wykonanie pierwszych praktycznych hologramów optycznych rejestrujących obiekty 3D w 1962 roku przez Jurija Denisyuka w Związku Radzieckim oraz przez Emmetta Leitha i Jurisa Upatnieksa z University of Michigan w USA. Wczesne hologramy wykorzystywały emulsje fotograficzne halogenku srebra jako nośnik zapisu. Nie były one zbyt wydajne, ponieważ wytworzona siatka pochłaniała większość padającego światła. Opracowano różne metody przekształcania zmian przepuszczalności na zmiany współczynnika załamania światła (znane jako „wybielanie”), co umożliwiło wytwarzanie znacznie wydajniejszych hologramów.
W jednym powszechnym układzie wiązka laserowa jest dzielona na dwie części, jedną zwaną wiązką obiektową, a drugą wiązkę odniesienia. Wiązka obiektu jest rozszerzana poprzez przepuszczanie jej przez soczewkę i służy do oświetlania obiektu. Nośnik zapisu znajduje się w miejscu, w którym to światło, po odbiciu lub rozproszeniu przez obiekt, uderzy w nie. Krawędzie medium ostatecznie będą służyć jako okno, przez które widzi się obiekt, więc jego lokalizacja jest wybierana z myślą o tym. Wiązka odniesienia jest rozszerzana i kierowana bezpośrednio na medium, gdzie wchodzi w interakcję ze światłem pochodzącym od obiektu, tworząc pożądany wzór interferencji.
Holografię łatwiej zrozumieć, porównując ją ze zwykłą fotografią analogową. Hologram reprezentuje zapis informacji dotyczących światła pochodzącego z oryginalnej sceny jako rozproszonego w różnych kierunkach, a nie tylko w jednym kierunku, jak na fotografii. Pozwala to na oglądanie sceny pod różnymi kątami, tak jakby wciąż była obecna. Zdjęcie można zarejestrować przy użyciu zwykłych źródeł światła (światła słonecznego lub oświetlenia elektrycznego), podczas gdy do zarejestrowania hologramu potrzebny jest laser. W fotografii do rejestracji obrazu potrzebny jest obiektyw, podczas gdy w holografii światło obiektu jest rozpraszane bezpośrednio na nośnik zapisu. Nagranie holograficzne wymaga skierowania drugiej wiązki światła (wiązki odniesienia) na nośnik zapisu. Fotografię można oglądać w szerokim zakresie warunków oświetleniowych, podczas gdy hologramy można oglądać tylko przy bardzo specyficznych formach oświetlenia. Kiedy zdjęcie jest przecięte na pół, każdy fragment przedstawia połowę sceny. Kiedy hologram zostanie przecięty na pół, cała scena nadal będzie widoczna w każdym kawałku. Dzieje się tak dlatego, że podczas gdy każdy punkt na zdjęciu reprezentuje tylko światło rozproszone z jednego punktu na scenie, każdy punkt na holograficznym nagraniu zawiera informacje o świetle rozproszonym z każdego punktu na scenie. Można to sobie wyobrazić jako oglądanie ulicy na zewnątrz domu przez okno o wymiarach 120 cm × 120 cm (4 stopy × 4 stopy), a następnie przez okno o wymiarach 60 cm × 120 cm (2 stopy × 4 stopy). Wszystkie te same rzeczy można zobaczyć przez mniejsze okno (przesuwając głowę, aby zmienić kąt widzenia), ale widz może zobaczyć więcej na raz przez okno 120 cm (4 stopy). Fotografia jest dwuwymiarową reprezentacją, która może odtworzyć jedynie prymitywny efekt trójwymiarowy, podczas gdy odtworzony zakres widzenia hologramu dodaje o wiele więcej wskazówek dotyczących postrzegania głębi, które były obecne w oryginalnej scenie. Te sygnały są rozpoznawane przez ludzki mózg i przekładane na takie samo postrzeganie trójwymiarowego obrazu, jak w przypadku oglądania oryginalnej sceny. Zdjęcie wyraźnie odwzorowuje pole światła oryginalnej sceny. Powierzchnia wywołanego hologramu składa się z bardzo drobnego, pozornie przypadkowego wzoru, który wydaje się nie mieć żadnego związku z zarejestrowaną sceną.
Hologram można wykonać, kierując część wiązki światła bezpośrednio na nośnik zapisu, a drugą na przedmiot w taki sposób, aby część rozproszonego światła padła na nośnik zapisu. Bardziej elastyczny układ do rejestrowania hologramu wymaga, aby wiązka laserowa była kierowana przez szereg elementów, które zmieniają ją na różne sposoby. Pierwszym elementem jest rozdzielacz wiązki, który dzieli wiązkę na dwie identyczne wiązki, z których każda skierowana jest w innym kierunku: Jedna wiązka (znana jako „oświetlenie” lub „wiązka obiektu”) jest rozprowadzana za pomocą soczewek i kierowana na scenę za pomocą luster. Część światła rozproszonego (odbitego) od sceny pada następnie na nośnik zapisu. Druga wiązka (zwana „wiązką odniesienia”) jest również rozprowadzana za pomocą soczewek, ale jest kierowana tak, aby nie stykała się ze sceną, a zamiast tego przemieszczała się bezpośrednio na nośnik zapisu.
Jako nośnik zapisu można użyć kilku różnych materiałów. Jednym z najczęstszych jest film bardzo podobny do filmu fotograficznego ( emulsja fotograficzna halogenku srebra ), ale ze znacznie mniejszymi ziarnami reagującymi na światło (najlepiej o średnicy mniejszej niż 20 nm), dzięki czemu jest zdolny do znacznie wyższej rozdzielczości wymaganej przez hologramy. Warstwa tego nośnika zapisu (np. halogenku srebra) jest przytwierdzona do przezroczystego podłoża, którym zwykle jest szkło lub inny twardy materiał.
Kiedy dwie wiązki laserowe docierają do nośnika zapisu, ich fale świetlne przecinają się i interferują ze sobą. To właśnie ten wzór interferencji jest odciskany na nośniku zapisu. Sam wzór jest pozornie przypadkowy, ponieważ przedstawia sposób, w jaki światło sceny kolidowało z oryginalnym źródłem światła – ale nie samo oryginalne źródło światła. Wzór interferencji można uznać za zakodowaną wersję sceny, wymagającą określonego klucza – oryginalnego źródła światła – w celu wyświetlenia jej zawartości. Ten brakujący klucz jest później dostarczany przez naświetlanie wywołanej kliszy laserem, identycznym jak ten, którego użyto do zarejestrowania hologramu. Kiedy ta wiązka oświetla hologram, jest uginana przez wzór powierzchni hologramu. Powoduje to powstanie pola świetlnego identycznego z polem pierwotnie wytworzonym przez scenę i rozproszonym na hologramie. Aby lepiej zrozumieć proces, konieczne jest zrozumienie interferencji i dyfrakcji. Interferencja występuje, gdy jeden lub więcej frontów falowych nakłada się na siebie. Dyfrakcja występuje, gdy czoło fali napotyka obiekt. Proces tworzenia rekonstrukcji holograficznej wyjaśniono poniżej wyłącznie w kategoriach interferencji i dyfrakcji. Jest to nieco uproszczone, ale wystarczająco dokładne, aby dać zrozumienie, jak działa proces holograficzny. Siatka dyfrakcyjna to struktura z powtarzającym się wzorem. Prostym przykładem jest metalowa płyta ze szczelinami wyciętymi w regularnych odstępach czasu. Fala świetlna padająca na siatkę jest dzielona na kilka fal; kierunek tych ugiętych fal jest określony przez odstępy między siatkami i długość fali światła. Prosty hologram można wykonać, nakładając dwie płaskie fale z tego samego źródła światła na holograficzny nośnik zapisu. Dwie fale interferują, dając prosty wzór prążków, którego intensywność zmienia się sinusoidalnie w ośrodku. Odstępy wzoru prążków są określone przez kąt między dwiema falami i długość fali światła. Zarejestrowany wzór światła jest siatką dyfrakcyjną. Kiedy jest oświetlona tylko przez jedną z fal użytych do jej wytworzenia, można wykazać, że jedna z ugiętych fal pojawia się pod tym samym kątem, pod którym pierwotnie padała druga fala, tak że druga fala została „zrekonstruowana”. Zatem zarejestrowany wzór światła jest zapisem holograficznym, jak zdefiniowano powyżej.
Jeśli nośnik zapisu jest oświetlony źródłem punktowym i normalnie padającą falą płaską, wynikowym wzorem jest sinusoidalna płyta strefowa, która działa jak ujemna soczewka Fresnela, której ogniskowa jest równa odległości źródła punktowego od płaszczyzny zapisu. Gdy czoło fali płaskiej oświetla soczewkę ujemną, rozszerza się w falę, która wydaje się odbiegać od ogniska soczewki. Tak więc, gdy zarejestrowany wzór jest oświetlany oryginalną falą płaską, część światła ulega dyfrakcji w rozbieżną wiązkę równoważną oryginalnej fali sferycznej; utworzono holograficzny zapis źródła punktowego. Kiedy fala płaska pada pod kątem innym niż normalny w czasie nagrywania, utworzony wzór jest bardziej złożony, ale nadal działa jak soczewka ujemna, jeśli jest oświetlona pod oryginalnym kątem. Aby zarejestrować hologram złożonego obiektu, wiązka lasera jest najpierw dzielona na dwie wiązki światła. Jedna wiązka oświetla obiekt, który następnie rozprasza światło na nośnik zapisu. Zgodnie z teorią dyfrakcji każdy punkt obiektu działa jako punktowe źródło światła, więc nośnik zapisu można uznać za oświetlony przez zestaw źródeł punktowych znajdujących się w różnych odległościach od nośnika. Druga (referencyjna) wiązka oświetla bezpośrednio nośnik zapisu. Każda punktowa fala źródłowa interferuje z wiązką odniesienia, powodując powstanie własnej płytki strefy sinusoidalnej na nośniku zapisu. Wynikowy wzór jest sumą wszystkich tych „płytek strefowych”, które łączą się, tworząc przypadkowy wzór ( plamki ), jak na powyższym zdjęciu. Kiedy hologram jest oświetlony przez oryginalną wiązkę odniesienia, każda z poszczególnych płyt strefowych rekonstruuje falę obiektu, która ją wytworzyła, a te indywidualne czoła fali są łączone w celu zrekonstruowania całej wiązki obiektu. Widz dostrzega czoło fali, które jest identyczne z czołem fali rozproszonym z obiektu na nośnik zapisu, tak że wydaje się, że obiekt nadal jest na miejscu, nawet jeśli został usunięty. Na początku artyści dostrzegli potencjał holografii jako medium i uzyskali dostęp do laboratoriów naukowych, aby tworzyć swoje prace. Sztuka holograficzna jest często wynikiem współpracy między naukowcami i artystami, chociaż niektórzy holografowie uważają się zarówno za artystę, jak i naukowca.
Przechowywanie danych holograficznych to technika umożliwiająca przechowywanie informacji o dużej gęstości wewnątrz kryształów lub fotopolimerów. Możliwość przechowywania dużych ilości informacji na jakimś nośniku ma ogromne znaczenie, ponieważ wiele produktów elektronicznych zawiera urządzenia pamięci masowej. Ponieważ obecne techniki przechowywania, takie jak dyski Blu-ray, osiągają granicę możliwej gęstości danych (ze względu na ograniczony rozmiar wiązek zapisujących z powodu dyfrakcji), holograficzna pamięć masowa ma potencjał, aby stać się następną generacją popularnych nośników pamięci. Zaletą tego rodzaju przechowywania danych jest to, że wykorzystywana jest objętość nośnika zapisu, a nie tylko powierzchnia. Obecnie dostępne SLM są w stanie wytworzyć około 1000 różnych obrazów na sekundę w rozdzielczości 1024×1024 bity, co dałoby ok.prędkość zapisu gigabitów na sekundę. Podczas gdy wiele holograficznych modeli przechowywania danych wykorzystywało pamięć „opartą na stronach”, w której każdy zarejestrowany hologram zawiera dużą ilość danych, nowsze badania nad wykorzystaniem „mikrohologramów” o rozmiarach submikrometrowych zaowocowały kilkoma potencjalnymi optycznymi rozwiązaniami do przechowywania danych 3D. Chociaż takie podejście do przechowywania danych nie pozwala na osiągnięcie wysokich szybkości transmisji danych w przypadku pamięci opartej na stronach, tolerancje, przeszkody technologiczne i koszt wytworzenia produktu komercyjnego są znacznie niższe. W holografii statycznej nagrywanie, wywoływanie i rekonstrukcja zachodzą sekwencyjnie i powstaje trwały hologram. Istnieją również materiały holograficzne, które nie wymagają procesu wywoływania i mogą zarejestrować hologram w bardzo krótkim czasie. Pozwala to na wykorzystanie holografii do wykonywania prostych operacji w sposób całkowicie optyczny. Przykłady zastosowań takich hologramów czasu rzeczywistego obejmują lustra sprzężone fazowo („odwrócenie światła w czasie”), optyczne pamięci podręczne, przetwarzanie obrazu (rozpoznawanie wzorców obrazów zmieniających się w czasie) i obliczenia optyczne. Ilość przetwarzanych informacji może być bardzo duża (terabity/s), ponieważ operacja wykonywana jest równolegle na całym obrazie. Rekompensuje to fakt, że czas zapisu rzędu mikrosekundy jest wciąż bardzo długi w porównaniu z czasem przetwarzania komputera elektronicznego. Obróbka optyczna wykonywana przez dynamiczny hologram jest również znacznie mniej elastyczna niż obróbka elektroniczna. Z jednej strony operację trzeba wykonać zawsze na całym obrazie, az drugiej strony operacja, którą może wykonać hologram, to w zasadzie albo mnożenie, albo koniugacja faz. W optyce dodawanie i transformata Fourierasą już łatwo wykonywane w materiałach liniowych, te ostatnie po prostu przez soczewkę. Umożliwia to niektórym aplikacjom, takim jak urządzenie porównujące obrazy w sposób optyczny.
W 2006 r. Dostępna stała się duża liczba nadwyżek zielonych laserów o jakości holograficznej (Coherent C315), dzięki czemu holografia dichromowanej żelatyny (DCG) znalazła się w zasięgu holografa-amatora. Społeczność holograficzna była zaskoczona niesamowitą wrażliwością DCG na zielone światło. Założono, że ta wrażliwość będzie bezużytecznie niewielka lub żadna. Jeff Blyth odpowiedział preparatem DCG G307, aby zwiększyć szybkość i czułość tych nowych laserów. Kodak i Agfa, dawni główni dostawcy płyt i filmów z halogenkiem srebra o jakości holograficznej, nie są już obecni na rynku. Podczas gdy inni producenci pomogli wypełnić lukę, wielu amatorów tworzy teraz własne materiały. Ulubionymi preparatami są dichromowana żelatyna, dichromowana żelatyna uwrażliwiona błękitem metylenowym i preparaty halogenków srebra metodą dyfuzyjną. Jeff Blyth opublikował bardzo dokładne metody ich wytwarzania w małym laboratorium lub garażu. Interferometria holograficzna (HI) to technika umożliwiająca pomiar statycznych i dynamicznych przemieszczeń obiektów o optycznie chropowatych powierzchniach z interferometryczną precyzją optyczną (tj. z dokładnością do ułamków długości fali światła). Może być również używany do wykrywania zmian długości drogi optycznej w przezroczystych mediach, co umożliwia na przykład wizualizację i analizę przepływu płynu. Może być również używany do generowania konturów reprezentujących kształt powierzchni lub regionów izodozowych w dozymetrii promieniowania. Hologram przechowuje informacje o amplitudzie i fazie pola. Kilka hologramów może zawierać informacje o tym samym rozkładzie światła, emitowanego w różnych kierunkach. Analiza numeryczna takich hologramów pozwala naśladować dużą aperturę numeryczną, co z kolei umożliwia zwiększenie rozdzielczości mikroskopii optycznej. Odpowiednia technika nazywa się mikroskopią interferometryczną. Ostatnie osiągnięcia mikroskopii interferometrycznej pozwalają zbliżyć się do ćwierćfalowej granicy rozdzielczości.
