Ирина Радунская - Крушение парадоксов

• Название: Крушение парадоксов
• Автор: Ирина Радунская
• Издательство: «Молодая гвардия»
• Жанр: История
• Год: 1971

Мазеры и лазеры сделались не только орудием техники, но и скальпелем науки. Они помогли обнаружить столько неожиданных явлений, что ученым впору ринуться на штурм самых глубинных свойств материи.

В книге рассказывается о работах академиков Николая Геннадиевича Басова и Александра Михайловича Прохорова в этой области.

---

Но обнаружилось и второе существенное различие. При рассматривании голограммы Габора образовывалось сразу два изображения объекта — действительное, подобное тому, что видно через выпуклую линзу, и мнимое, аналогичное возникающему в обычном зеркале. Изображения налагались друг на друга, вызывая взаимные помехи.

Метод Денисюка приводил к одновременному восстановлению лишь одного изображения объекта. Это могло быть действительное изображение или мнимое, в зависимости от того, с какой стороны направлялся на голограмму пучок света при восстановлении изображения. Благодаря такому свойству объемной голограммы не возникало искажений, свойственных методу Габора.

Не менее отчетливо видны и различия между объемной голограммой Денисюка и цветной фотографией Липмана, объединяемыми тем, что та и другая основаны на возникновении в толще эмульсии пространственной системы, соответствующей распределению пучностей стоячих волн света. В фотографиях Липмана белый свет, отраженный от объекта, попадает на объектив, а объектив рисует плоское изображение объекта на эмульсин. Ртутное зеркало, отражая обратно свет, прошедший эмульсию, образует в ней систему стоячих волн. После проявления в эмульсии возникают слои почернения, выделяющие из белого света цвета, «окрашивающие» изображение. Все сведения о пространственной структуре объекта оказываются утраченными в результате комбинации специфических свойств объектива и фотоэмульсии.

В голограмме Денисюка зеркало, образующее опорный пучок света, вынесено на некоторое расстояние от эмульсии. Он использует упорядоченный фильтром одноцветный свет, выделенный из излучения ртутной лампы. И жертвует воспроизведением окраски объекта. Но он может обойтись без объектива, без непосредственного формирования изображения и благодаря этому получает возможность полностью фиксировать сведения о пространственной структуре объекта, о его форме.

Но Денисюк называет свою голограмму объемной не потому, что она способна воспроизводить объемность объекта, этого можно достигнуть и при помощи плоской голограммы Габора, а лишь потому, что его голограмма формируется во всем объеме толстослойной эмульсии. Только это позволяет ему реконструировать изображение в белом свете и избежать искажений, свойственных голограммам Габора.

В отличие от Габора Денисюк не прекращал работы в области голографии. Дело двигалось медленно. Основным препятствием оставалось отсутствие подходящего источника света. Но, может быть, Денисюк предчувствовал грядущую революцию в этой области. Ведь квантовая электроника уже тогда достигла высокого уровня развития. Денисюк не занимался ею. У него хватало своих проблем. Однако он внимательно следил за работами Басова и Прохорова, за статьями других советских и иностранных ученых.

Конечно, и для Денисюка известие о создании первого лазера было сюрпризом. Можно понимать глубокое родство между радиоволнами и светом, сознавать принципиальную возможность получения оптических волн, по упорядоченности — когерентности — не уступающих радиоволнам. Следить за тем, как Басов и Прохоров и Таунс с сотрудниками идут в этом направлении. Но кто мог предсказать, что именно в 1960 году, почти одновременно, Мейман создаст лазер на рубине, а Джаван с сотрудниками — лазер на смеси гелия и неона.

Естественно, первые лазеры были несовершенны. Но стала ясна близкая перспектива. Благодаря усилиям многих ученых она вскоре превратилась в реальность. Лазеры теперь столь стабильны, что они способны покрыть системой упорядоченных стоячих световых волн объемы размером во много кубических метров.

Именно этого и недоставало для нужд голографии. Теперь перед нею открылись огромные возможности.

Не приходится сомневаться в том, что Денисюк тотчас начал работать с лазерами. Первоначально они ничего не изменили в его методе. Просто стало удобнее и легче работать. Заменив лазером ртутную лампу с фильтром, Денисюк смог получать голограмму значительно быстрее. В ряде случаев, практически за мгновения. Очень существенное обстоятельство.

Теперь голография имеет дело не со специально изготовленными миниатюрными объектами и даже не с шахматными фигурами и игрушками, а с предметами обычной жизни и техники. А в технике скорость исследования играет не последнюю роль.

Лазер внес в работу Денисюка еще одно важное достижение. Объемная голограмма способна запомнить столь полную информацию об объекте, что, освещая его тремя лазерами, дающими синее, зеленое и красное излучения, Денисюк может получать голограммы, которые при солнечном свете дают не только объемное, но и многоцветное изображение.

Но Денисюк — реалист, умеющий разумно оценивать и нужды техники, и потребности искусства. Он отнюдь не стремился конкурировать таким путем с современными дешевыми и удобными цветными фотоэмульсиями, фиксирующими цветное изображение при естественном освещении, непосредственно кодируя его в трех основных цветах. Он увидел в лазерах средство получения изображений одновременно и объемных и цветных.

Конкуренты

Вскоре выяснилось, что объемная голограмма Денисюка не единственный возможный вариант лазерной голографии. Лазер оказался гибким орудием. И всякий смог применить его по-своему. Ведь и обычный карандаш в руках разных людей приводит к несходным результатам: один пишет роман, другой сонет, а третий докладную записку. Совершенно независимо от Денисюка после появления лазеров начали исследования в области голографии Эммет Лейт и Юрис Упатниекс, сотрудники Мичиганского университета. Они ранее специализировались в области радиофизики, и им было легко почувствовать принципиальную общность между идеями Габора и некоторыми методами, давно применяемыми в радиотехнике. Поэтому, несомненно, они смогли предвидеть чрезвычайно широкие возможности, открываемые перед голографией применением лазеров, этих полпредов радиотехники в царстве оптики.

Радиопередатчик излучает в пространство радиоволны вполне определенной частоты. Они в высшей степени когерентны. Но в таком виде радиоволны несут предельный минимум информации. Приняв их, можно лишь узнать, что передатчик включен, измерить его частоту и определить местонахождение.

Для того чтобы передать по радио какую-нибудь информацию, необходимо нарушить неизменность радиоволн, вплести в них информацию, подлежащую передаче. Для этого можно изменять амплитуду, частоту или фазу волны. Эта процедура называется модуляцией — амплитудной, частотной или фазовой соответственно. Саму радиоволну, над которой проводятся эти процедуры, радисты называют несущей.

Для того чтобы в месте приема извлечь из модулированной несущей информацию, которую она несет, необходимо провести операцию, обратную модуляции, — демодуляцию. В результате образуются сигналы, при помощи которых можно на экране телевизора восстановить передаваемые изображения или при помощи громкоговорителя восстановить переданный звук.

Одним из простейших методов, теперь почти не применяемых в радиотехнике, является гетеродинный прием. Модулированная несущая смешивается в приемнике с сигналом местного гетеродина. Этот опорный сигнал в точности совпадает по частоте с сигналом передатчика. Простое устройство вычитает его из принимаемого. В разности остается то, что было внесено в несущую в процессе модуляции. Остается информация, передача которой и является целью радиосвязи. Лейт и Упатниекс поняли, что применение лазера позволяет реализовать идеи Габора совершенно аналогичным путем.

Свет лазера, обладающий высокой степенью когерентности, играет роль несущей. При рассеянии света от объекта строгое постоянство лазерных волн нарушается. Это не что иное, как модуляция. Отдельные точки объекта по-разному воздействуют на амплитуду и фазу соответствующего участка волны. Каждая точка объекта превращает упавшую на нее часть волны в разбегающуюся сферическую волну, несущую в себе информацию об оптических свойствах этой точки поверхности объекта. Вся система разбегающихся от объекта волн содержит в себе наиболее полную, из возможной оптической, информацию об объекте. Если часть этих волн попадает в глаз, мы видим объект.

Лейт и Упатниекс поставили перед собой задачу зафиксировать на фотоэмульсии всю информацию, заключенную в свете лазера, рассеянном объектом. Они поставили фотопластинку так, чтобы на нее падала часть рассеянных волн, и при помощи зеркала направили на нее пучок света непосредственно от лазера. По аналогии с радиотехникой они назвали пучок опорным.

В процессе взаимодействия волны, пришедшей от объекта, и опорной волны метод Лейта и Упатниекса ни в чем не отличается от метода Денисюка. В той части пространства, в которой опорный пучок света налагается на рассеянный, возникает система стоячих волн. Стоячие волны воспринимают всю модуляцию, вносимую объектом в падающий на него свет. Таким путем полная информация об объекте переносится в стоячую волну. Но так как в каждую точку пространства попадают рассеянные волны от каждой из точек поверхности объекта, эта информация запечатлевается в любой точке стоячей волны. В том числе она фиксируется в каждой точке фотопластинки, помещенной там, где на нее может одновременно действовать и свет, рассеянный объектом, и опорный пучок.