Голография: от нобелевского открытия Габора к хранилищам данных будущего

---

Введение

Голограмма — это плоская среда, которая при соответствующем освещении воспроизводит убедительное трёхмерное изображение. Некоторые голограммы даже проецируют живую сцену в свободное пространство, создавая образ, который можно сфотографировать, но нельзя потрогать. Поскольку их невозможно скопировать обычными методами, голограммы служат надёжной защитой от подделок на кредитных картах, водительских удостоверениях и билетах. Термин происходит от греческих holos (целое) и gramma (сообщение). Процесс создания — голография — заключается в записи интерференционных узоров света на фотоплёнке или пластинке.

Существует два основных типа голограмм: отражающие и просквозные. Отражающие рассматривают спереди, а просквозные требуют прохождения света сзади. Рельефные голограммы сочетают просквозную голограмму со зеркальной подложкой, что позволяет просматривать их спереди. Кинематические голограммы (стереограммы) фиксируют последовательности длительностью 3–20 секунд, создавая эффект короткометражного фильма.

В отличие от фотографии, где каждый фрагмент воспроизводит только часть исходного объекта, каждый участок голограммы содержит изображение всего объекта с точки зрения этого участка. Поэтому, если разбить пластинку просквозной голограммы, каждый осколок всё равно проецирует полное изображение, хоть и под немного иным углом. Сохраняются и оптические свойства объекта: например, голограмма лупы, наложенная на бабочку, увеличит те части бабочки, которые видны через стекло.

Коммерчески голографическая упаковка стимулирует продажи. Проекционные голограммы — эффектные дисплеи на выставках и в торговых залах. Исторические примеры: в 1970 году снаружи флагманского магазина Cartier в Нью-Йорке проецировали руку с бриллиантом, а в ресторане бывшего тренера «Чикаго Берз» Майка Дитки демонстрировали его голографический портрет. Даже хрупкие артефакты — вроде 2300-летней мии Линдоу-мен — изучали через голографические копии, что позволило судебно-медицинским экспертам создавать точные физические модели без контакта с оригиналом.

Любители могут создавать голограммы при скромном оборудовании: лазер, виброизолированный стол и высокорозрешающая плёнка. Коммерческое производство варьируется: мастер-голограмма со стоковыми образами стоит $2500, а индивидуальный дизайн — $5000–10 000. После создания мастера каждая копия обходится в 1–4 цента на 2,5 см, что на 40 % дешевле, чем в конце 1970-х. Готовые голограммы наклеиваются как самоклеящиеся этикетки (0,5–1,5 цента за шт.) или горячим тиснением (2–5 центов). Производственный цикл в среднем занимает три месяца, а в 1995 году по всему миру изготовили рельефных голограмм на сумму более $200 млн.

История

Первую голограмму получил в 1947 году Деннис Габор, венгерский ученый из Имперского колледжа Лондона. Работая над улучшением электронных микроскопов, он придумал метод записи интерференционных узоров с помощью фильтрованного света. Прорыв ждал когерентного света — единой частоты и длины волны — который стал доступен после изобретения лазера в 1960 году.

В 1962 году Эмметт Лейт и Юрис Упатникс в Мичиганском университете воспроизвели работу Габора с лазером, создав просквозную голограмму игрушечного поезда и птицы, видимую только в лазерном свете. В том же году Юрий Денисюк в СССР сделал отражающую голограмму, видимую при обычном освещении. Прорыв Стيفена Бентона 1968 года — просквозная голограмма, видимая в обычном свете — открыл путь к рельефным голограммам и массовому производству.

Габор получил Нобелевскую премию по физике в 1971 году за пионерскую голографию. В 1972 году Ллойд Кросс записал первую движущуюся голограмму, нанося последовательные кадры обычной плёнки на голографическую.

Сырьё

Любительские голограммы проявляют на высокорозрешающей фотоплёнке с эмульсией галогенида серебра. Для массового производства используют стеклянные пластины, предварительно обработанные оксидом железа и покрытые фотoresistом, чувствительным к длине волны выбранного лазера. Любители обычно применяют гелий-неоновые лазеры, а коммерческие объекты — рубиновые, гелий-кадмиевые или криптон-аргоновые ионные лазеры.

После экспозиции плёнку или пластину проявляют в фотокамерах. Никель и серебро формируют производственные матрицы для тиснения копий на полиэстер или полипропилен. Алюминий даёт отражающее покрытие рельефным голограммам.

Дизайн

Источником голограммы может служить физический объект или компьютерно сгенерированный образ. Размер голографического изображения обычно совпадает с размером объекта, что часто требует детальной макетной модели. Для цифровых дизайнов программное обеспечение управляет лазерной экспозицией пиксель за пикселем.

Производственный процесс

Ниже — краткий обзор этапов коммерческого массового производства: от создания мастера до упаковки.

Создание мастера (Mastering)

• 1. Лазер освещает объект; отражённый луч и опорный луч попадают на фотoresistовую пластину, формируя интерференционный узор, записывающий голограмму. Время экспозиции — от 1 до 60 секунд. Даже дробное смещение на долю длины волны размывает образ, поэтому установка требует экстремальной стабильности.
• 2. Экспонированная пластина — мастер — проявляется в химической ванне. Получившаяся поверхность напоминает виниловую пластинку: ~15 000 борозд на дюйм глубиной ~0,3 мкм.

Гальваническое формование (Electroforming)

• 3. Мастер монтируют в приспособление, опрыскивают серебряной краской и погружают в никелевую ванну. Электрическим током осаждают тонкий слой никеля, создавая металлическую матрицу-шим с негативным (зеркальным) образом голограммы. Последующие поколения — «бабушки», «матери», «дочери» и штамповочные шимы — чередуют негативные и позитивные образы, завершая штамповочной шимой для массового производства.

Тиснение (Embossing)

• 4. Штамповочные шимы под давлением и нагревом втискивают голографический рисунок в рулон полиэстерной плёнки с акриловым покрытием на глубину 25 мкм. Тиснутую плёнку навивают на катушку для следующего этапа.

Метталлизация (Metallizing)

• 5. Рулон проходит через вакуумную камеру, где парами алюминия покрывают поверхность. После регидратации и нанесения лакового верхнего слоя плёнку (шириной до 92 дюймов / 2,3 м) режут на более узкие рулоны для финишной обработки.

Конвертирование (Converting)

• 6. В зависимости от применения плёнку ламинируют на картон, вырезают фигуры, наносят печать и клеят термо- или самоклеящимися клеями для стикеров.

Финишная обработка (Finishing)

• 7. Готовые голограммы либо наклеивают на продукты, либо упаковывают и отгружают заказчикам.

Будущее

Сегодня голограммы доминируют в потребительской упаковке и рекламе. Новые сферы — голографические приборные панели в военной авиации и перспективные проекционные дисплеи на ветровых стеклах автомобилей.

Голография не ограничена видимым светом. Ультрафиолет, рентгеновские и акустические волны создают голограммы, раскрывающие структуры от атомов до крупномасштабных объектов. Микроволновая голография фиксирует радиоволны глубокого космоса для астрономии, а акустическая — визуализирует внутренности твёрдых тел, аналогично ультразвуку.

Проецируемые голографические телевизоры и волоконно-оптическая голографическая связь обещают погружение, позволяя реалистично «посещать» удалённые места. В хранении данных трёхмерные голографические носители смогут разместить эквивалент Конгрессовой библиотеки на диске размером с кусок сахара, совершив революцию в архивных емкостях.