Принцип Г. Обычно для получения изображения какого-либо объекта фотографическим методом пользуются фотоаппаратом, который фиксирует на фотопластинке излучение, рассеиваемое объектом. Каждая точка объекта в этом случае является центром рассеяния падающего света; она посылает в пространство расходящуюся сферическую световую волну, которая фокусируется с помощью объектива в небольшое пятнышко на светочувствительной поверхности фотопластинки. Так как отражательная способность объекта меняется от точки к точке, то интенсивность света, падающего на соответствующие участки фотопластинки, оказывается различной. Поэтому на фотопластинке возникает изображение объекта. Это изображение складывается из получающихся на каждом участке светочувствительной поверхности изображений соответствующих точек объекта. При этом трёхмерные объекты регистрируются в виде плоских двухмерных изображений.

  В процессе фотографирования на фотопластинке фиксируется лишь распределение интенсивности, то есть амплитуды электромагнитной волны, отражённой от объекта (интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды). Однако световая волна при отражении от объекта изменяет не только амплитуду, но и фазу в соответствии со свойствами поверхности объекта в данной точке.

  Г. позволяет получить более полную информацию об объекте, так как представляет собой процесс регистрации на фотопластинке не только амплитуд, но и фаз световых волн, рассеянных объектом. Для этого на фотопластинку одновременно с волной, рассеянной объектом (сигнальная волна), необходимо направить вспомогательную волну, идущую от того же источника света (лазера), с фиксированной амплитудой и фазой (опорная волна, рис. 1 ).

  Интерференционная картина (чередование тёмных и светлых полос или пятен), возникающая в результате взаимодействия сигнальной и опорной волн, содержит полную информацию об амплитуде и фазе сигнальной волны, то есть об объекте. Зафиксированная на светочувствительной поверхности интерференционная картина после проявления называется Голограммой. Если рассматривать голограмму в микроскоп, то в простейшем случае видна система чередующихся светлых и тёмных полос (рис. 2 ). Интерференционный узор реальных объектов весьма сложен.

  Для того чтобы увидеть изображение предмета, голограмму необходимо просветить той же опорной волной, которая использовалась при её получении. В простейшем случае — интерференции двух плоских волн (двух параллельных пучков) — голограмма представляет собой обычную дифракционную решётку . Плоская волна, падая на такую голограмму, частично проходит сквозь неё, сохраняя прежнее направление, а частично вследствие дифракции преобразуется в две вторичные плоские волны, распространяющиеся под углом q (рис. 3 ). Угол q связан с шагом решётки d и длиной световой волны l формулой:

Как видно из рисунка, волна, которая идёт «вниз», является как бы продолжением сигнальной волны, использовавшейся при съёмке голограммы (рис. 1 ). Поэтому она ничем не отличается от волны, идущей от объекта при непосредственном его наблюдении. Таким образом, при просвечивании голограммы восстанавливается та же самая волна, которая исходила от объекта. В результате этого наблюдатель, смотрящий сквозь голограмму, увидит мнимое изображение объекта в том месте, где объект находился при съёмке. Волна, идущая «вверх» (рис. 3 ), также содержит информацию об объекте и образует его действительное изображение.

  Голограмма точки. Пусть свет от лазера падает на точечный объект А и на плоский отражатель, который создаёт опорную волну (рис. 4 ). Рассеянная от точечного объекта волна и опорная волна падают на фоточувствительный слой, на котором регистрируется интерференционная картина. Голограмма в этом случае образуется в результате интерференции сферической сигнальной волны с плоской опорной волной и представляет собой систему концентрических тёмных и светлых колец. Поскольку расстояние между интерференционными кольцами равно

, то чередование светлых и тёмных колец становится более частым при приближении к нижнему краю голограммы (рис. 5 ).

  При просвечивании голограммы плоской опорной волной в результате дифракции возникают две сферические волны. Эти волны формируют действительное и мнимое изображения точки А , которые можно наблюдать под различными углами (рис. 5 ). Расходящаяся сферическая волна I создаёт мнимое изображение A' и наблюдатель, воспринимающий эту волну, видит восстановленное изображение A' за голограммой в том же месте, где находился реальный объект А . Вторая сходящаяся сферическая волна // создаёт действительное изображение объекта А" , которое расположено перед голограммой.

  Объёмность голографических изображений. Повторяя приведённые рассуждения для каждой из точек объекта, состоящего, например, из 4 точек, можно убедиться, что интерференционная картина, которая фиксируется на голограмме, будет содержать полную информацию о всех 4 точках. При просвечивании голограммы опорным лучом появятся 2 изображения — мнимое и действительное, причём оба изображения будут восприниматься наблюдателем как объёмные.

  Мнимое изображение наблюдается, если смотреть сквозь голограмму, как в окно (рис. 6 ). Действительно, в положениях б , в , г мы увидим точку 1, а в положениях в , г , д — точку 3; в, положениях в , г наблюдатель увидит одновременно точки 1, 3 и точки 2, 4, которые расположены между ними, то есть весь объект. Если наблюдатель переводит взгляд с точки 2 на точку 3 (или 4), он должен изменить фокусировку глаз, а если наблюдатель переменит своё место, например от в к г , то изменится и перспектива изображения. Более того, в некоторых положениях наблюдатель не увидит точки 4, так как она будет заслонена точкой 2 объекта, расположенной ближе к наблюдателю. Таким образом, голографическое изображение является объёмным, причём зрительное восприятие этого изображения ничем не отличается от восприятия исходного объекта. Фотографируя мнимое изображение, можно, в зависимости от места расположения фотоаппарата и его фокусировки, зафиксировать все эти особенности на снимках (рис. 7 ). Экспериментально такие голограммы впервые получили амер. физики Э. Лэйтс и Ю. Упатниекс в 1962.

  Действительное изображение также трёхмерно и обладает всеми упомянутыми свойствами; оно как бы висит перед голограммой, но наблюдать его несколько труднее.

  Свойства голограмм. Голографическое изображение точки представляет собой собой пятно, диаметр d которого равен:

, где D — размер голограммы, l — длина волны, Н — расстояние объекта до голограммы. Величина d характеризует разрешающую способность голографического изображения, то есть различимость 2 близких точек объекта. Одно из замечательных свойств голограммы состоит в том, что каждый её участок содержит информацию обо всём объекте и поэтому позволяет восстановить полное изображение объекта (при уменьшении размера голограммы D ухудшается лишь разрешающая способность изображения). Следствием этого является высокая надёжность хранения информации, записанной в виде голограммы.

  При просвечивании голограмм можно изменить длину опорной волны l. В этом случае наблюдаются 2 изображения, но на другом расстоянии H' от голограммы, определяемом формулой:

Здесь Н — расстояние между объектом и голограммой при съёмке, l₁ — длина опорной волны при съёмке, а l₂ — при просмотре голограммы. Таким способом можно визуализировать (сделать видимыми) изображения объектов, записываемых в виде голограмм, полученных с помощью радиоволн или инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений.