Ученые: для голографической записи не нужна согласованность волновых процессов

Исследователи изучили возможность голографической записи в отсутствие взаимной когерентности волновых пучков, или импульсов, то есть когда они не согласованы во времени и пространстве. Обычно голографическая запись объекта создается на основе взаимного увеличения или уменьшения амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга. Данное же исследование доказало, что когерентность волновых пучков необязательна. Исследованный подход открывает новые возможности получения информации с предельно точным временным соответствием в интерферометрических и голографических экспериментах. О проделанной работе ученые рассказали на страницах журнала Письма в ЖЭТФ и на страницах журнала Optics Express. Исследование поддержано грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда. Результаты работы были удостоены Первой премии на Всероссийском конкурсе лучших работ по оптической голографии и интерферометрии имени Ю. И. Островского.

Голография — это особая технология фотографирования, с помощью которой получаются трехмерные изображения объектов. Это стало возможным благодаря двум свойствам световых волн — дифракции (огибание волнами препятствий и неоднородностей) и интерференции (перераспределение интенсивности света при наложении нескольких волн). Обычная голограмма работает следующим образом. Испускаемый лазером пучок света расширяется и делится на две части. Одна из них (опорный пучок) падает на фотопластинку, отразившись от зеркала, другая (предметный пучок) отражается от предмета. Оба импульса должны быть когерентными, то есть должно выполняться условие согласованности волновых процессов во времени и пространстве. При голографической записи когерентные опорный и предметный пучки складываются на фотопластинке, образуя интерференционную картину. Там, где находятся максимумы интенсивности, эмульсия засвечивается сильнее, где минимумы — слабее. Если убрать объект и осветить фотопластинку, на которой зафиксирован результат интерференции, только предметным пучком, то возникнет импульс, являющейся копией пучка, отраженного объектом.

Если объект перемещается, то необходимым становится применение коротких импульсов света. Здесь уместна аналогия с фотографией, применяющей яркую короткую световую вспышку, которая позволяет устранить нечеткость объекта. В голографии движение объекта размывает интерференционную картину, что приводит к исчезновению пучка-копии объекта. Но чем короче импульс, тем меньше область перекрытия и интерференции лучей. Применять совсем короткие импульсы для голографической записи интересно при фиксации очень быстрых процессов, но сформировать с их помощью интерференционную картину практически невозможно.

На сегодняшний день достигнут огромный прогресс в генерации предельно коротких световых импульсов. Они активно используются для изучения и управления динамикой сверхбыстрых процессов в веществе. На сегодняшний день удается получать световые импульсы сверхкороткой (аттосекундной) длительности. Уже обсуждаются пути получения униполярных и субцикловых импульсов, в которых имеется только половина периода колебаний световой волны. Предложив использовать такие импульсы, ученые разрешили противоречие, существующее в обычной интерферометрии и голографии. Оно заключается в том, что для большой точности отображения объекта в голографии необходимо иметь монохроматический свет, то есть световую волну со строго постоянными во времени частотой, амплитудой и фазой. А для создания голограммы, способной фиксировать быстро меняющийся объект, нужны импульсы, которые обладают малой длительностью. В данном исследовании показано, что длительность импульса неважна, так как ученые уходят от прямого пересечения световых пучков в регистрирующей среде (они не пересекаются в среде в один и тот же момент). Высокая монохроматичность, которая необходима для записи голограммы, остается за счет того, что ее предложено перенести в долгоживущую волну поляризации среды. И затем с этой волной будет взаимодействовать очень короткий импульс. Причем чем он короче, тем точнее его действие.

"Мы показали, что осуществить голографическую запись информации об объекте можно и без когерентности между опорным и предметным пучком, даже воспользовавшись излучением от разных источников. Подобная запись может быть осуществлена с применением импульсов субциклового или униполярного излучения, когда в качестве записывающей среды используется резонансная среда с большим временем фазовой памяти, — рассказывает руководитель исследования Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель Санкт-Петербургского государственного университета. — В таком случае в среде регистрируется картина интерференции отраженного от объекта субциклового или униполярного импульса с волной поляризации среды, созданной таким же коротким импульсом. Когерентность обеспечивается волной поляризации, которая при взаимодействии с отраженным от объекта излучением наведет в среде решетку заселенностей энергетических уровней среды. Эта решетка будет повторять картину интерференции в аналогичном голографическом процессе с монохроматическим источником с длиной волны, равной длине волны резонансного перехода в среде".

Голографические технологии играет важную роль в жизни человека. Например, можно записывать информацию по всему объему материала со всех углов и тем самым увеличивать вместимость устройств хранения, манипулировать большими массивами частиц на малых расстояниях (световой голографический пинцет, используемый учеными). Также голограммы есть на банкнотах, кредитных картах, фирменных упаковках. Воспроизводство таких структур является чрезвычайно сложным, что затрудняет подделку и защищает потребителей от недоброкачественных товаров.