Mokslas nuolat stebina mus naujovėmis, o viena iš įdomiausių sričių yra holografija. Ar pastebėjote ant savo banko ar asmens tapatybės kortelės mažą blizgantį lipduką? Siekiant apsaugoti svarbius ir vertingus daiktus nuo klastojimo, šiais laikais tapo įprastine praktika ant jų užklijuoti hologramas. Tačiau kur pasidėjo tos hologramos, kurias prieš dešimtmečius įsivaizdavo mokslinės fantastikos autoriai - žmogaus dydžio projekcijas, leidžiančias bendrauti per atstumą tarsi būtumėte vienas greta kito? Šiame straipsnyje panagrinėsime, kas yra holograma, kaip ji veikia ir kur ji naudojama.
Kas yra holograma?
Holograma (iš graikų kalbos žodžių 'holos' - visas ir 'gramma' - užrašas) yra interferencinis vaizdas, užregistruotas holografijos būdu. Tai susikertančių pamatinės ir objekto išsklaidytosios bangų vaizdas, užfiksuotas elektromagnetinėms, akustinėms ar kitomis bangoms jautrioje terpėje. Būtent ši interferencija leidžia hologramoms atkurti trimatį vaizdą.
Holografijos principas ir istorinės ištakos
Holografija - tai elektromagnetinių (optinių, radijo, rentgeno) ar akustinių bangų lauko užrašymo ir atkūrimo metodas, kuris remiasi koherentinių bangų interferencija ir difrakcija. Holografijos būdu įrašoma ir atkuriama visa informacija apie objekto išsklaidytąsias bangas, įskaitant jų sklidimo kryptį, amplitudę, fazę, bangos ilgius ir poliarizaciją.
Holografijos idėją 1948 m. iškėlė D. Gaboras, ji buvo realizuota sukūrus lazerius. Holografiją išplėtojo Emmettas Normanas Leithas ir Juris Upatnieksas (abu Jungtinės Amerikos Valstijos) - 1962 m. sukūrė neašinę hologramos įrašymo schemą. 1962 m. Jurijus Denisiukas (SSRS) panaudojęs G. J. Lippmanno fotografijos procesą pasiūlė priešpriešinių pluoštų schemą (iš hologramos vaizdas atkuriamas baltąja šviesa).
Hologramų tipai
Yra įvairių tipų hologramų, kurios skiriasi pagal įrašymo ir atkūrimo būdus, taip pat pagal jų savybes:
- Plokščioji holograma: Tai holograma, kurios šviesai jautrus sluoksnis yra plonas, palyginti su interferencinio vaizdo erdviniu periodu.
- Tūrinė holograma: Tai holograma, kurios šviesai jautraus sluoksnio storis gerokai viršija interferencinio vaizdo erdvinį periodą. Tūrines hologramas galima atkurti ir baltąja šviesa.
- Amplitudinė holograma: Holograma, kurios poveikis atkuriančiai bangai priklauso nuo amplitudės.
- Fazinė holograma: Holograma, kurios poveikis atkuriančiai bangai priklauso nuo fazės.
- Stacionarioji holograma: Holograma, kurios įrašyta informacija išlieka neribotą laiką.
- Dinaminė holograma: Holograma, kurios įrašyta informacija išnyksta savaime per labai trumpą laiką (nuo 10-12 iki 1 sekundės). Dinaminės hologramos naudojamos spartiems vyksmams medžiagose tirti ir adaptyviosios optikos prietaisuose.
- Skaitmeninė holograma: Holograma, sukurta naudojant programinę įrangą. Jos leidžia gauti realiai neegzistuojančių objektų vaizdus.
Hologramos užrašymo ir atkūrimo procesas
Interferencinis vaizdas, susidaręs susikirtus objekto išsklaidytajai bangai su koherentine pamatine banga, užfiksuojamas holografinėje terpėje, pavyzdžiui, fotografinėje plokštelėje. Šiame procese naudojamas lazeris, kurio spinduliuotės pluoštas yra išplečiamas optine sistema ir nukreipiamas į objektą bei veidrodį. Toje terpėje užregistruotas interferencinis vaizdas vadinamas holograma. Atkūrimo metu pro hologramą perėjusios ir difragavusios bangos sukuria menamąjį ir tikrąjį atvaizdą. Stebėtojo akis suvokia šį vaizdą kaip trimatį objektą.
Svarbu pažymėti, kad iš hologramos atkurtų elementariųjų bangų amplitudžių ir fazių pasiskirstymas erdvėje yra toks pat, koks buvo užrašant hologramą. Iš hologramos galima atkurti erdvinį (trimatį) objekto vaizdą, sukuriant realaus daikto iliuziją. Ši banga, patekusi į stebėtojo akį, sukelia tokį pat regėjimo pojūtį, kaip ir žiūrint į objektą tiesiogiai. Artimi ir tolimi daiktai matomi vienodai ryškiai. Keičiant stebėjimo vietą galima matyti įvairias objekto detales.
Spalvotų hologramų kūrimas
Natūralių spalvų atvaizdą galima gauti, kai vienoje tūrinėje hologramoje įrašomi interferenciniai vaizdai, susidarę apšvietus daiktą trijų pagrindinių spalvų (raudonos, žalios ir mėlynos) monochromatinės šviesos bangomis. Atkūrimo metu naudojant baltosios šviesos spinduolį, trijų spalvų sutapdintus daikto atvaizdus žmogaus akis suvokia kaip vieną tūrinį natūralios spalvos objekto atvaizdą. Taikant storasluoksnių fotoemulsijų metodą, objekto vaizdus galima atkurti ir baltąja šviesa.
Hologramų panaudojimo sritys
Holografija taikoma labai plačiai:
- Taikomoji optika: Hologramos naudojamos optinių sistemų ydų šalinimui, difrakcijos gardelių gamybai ir optinių atvaizdų kūrimui.
- Infraraudonųjų ir aukštų dažnių technika: Holografija naudojama šiose srityse vaizdų formavimui ir informacijos apdorojimui.
- Rentgeno ir elektroninė mikroskopija: Holografija padeda gauti aukštesnės kokybės vaizdus.
- Akustika ir radiolokacija: Holografija naudojama garso ir radijo bangų laukų vizualizavimui.
- Spektroskopija: Holografija naudojama medžiagų analizei.
- Medžiagotyra: Holografija padeda tirti medžiagų savybes ir deformacijas, tiriant dujų srautų struktūrą.
- Informacijos saugojimas: Hologramos gali būti naudojamos didelės apimties informacijos saugojimui.
- Apsauga nuo klastojimo: Hologramos naudojamos ant banknotų, kreditinių kortelių ir kitų vertingų daiktų apsaugai nuo klastojimo, atpažįstant simbolius.
- Menas ir pramogos: Hologramos naudojamos kuriant įspūdingus vaizdus ir iliuzijas.
Ateities perspektyvos: interaktyvios hologramos ore
Nors mokslinės fantastikos autoriai prieš dešimtmečius įsivaizdavo žmogaus dydžio projekcijas, leidžiančias bendrauti per atstumą tarsi būtumėte vienas greta kito, šiandien technologijos sparčiai tobulėja. Įmonė „GLUK media“, iki šiol kūrusi įspūdingus virtualios realybės vaizdus, pristatė naują holografinę atvaizdavimo sąsają „Holograil“, valdomą ore. Ši technologija žada perversmą įvairiose srityse - nuo medicinos iki pramogų.
Iki šiol matytos „hologramos“ dažniausiai būdavo tik vaizdo projekcijos ant specialios plėvelės, vandens garų ar kitų paviršių. „Jos gražiai atrodydavo iš pakankamai didelio atstumo", - teigia įmonės „GLUK media“ direktorius Simas Chomentauskas. Tačiau tikroji holograma yra atvaizduojama tiesiog ore. „GLUK Media“ pavyko ištobulinti šią technologiją iki tokio lygio, kad hologramą galima liesti ir per ją valdyti įvairius įrenginius, pavyzdžiui, apšvietimą, garso sistemas ar inžinerines sistemas.
Pandemijos įkvėpta inovacija
Įdomu, jog tokios technologijos idėja gimė COVID-19 pandemijos pradžioje. Bendrovės technikai suprato, kad liečiami ekranai tokioje situacijoje nėra idealus sprendimas, nes žmonės stengiasi kuo mažiau liesti paviršius. Ore liečiamas ekranas būtų visiškai saugus naudoti net ir ten, kur juo naudojasi daugybė žmonių. Be to, jis puikiai veiktų ir su pirštinėmis.
Pritaikymo galimybės
Šį rudenį įmonė pristatė kelias sukurtas ore liečiamas hologramas technologijų parodoje „Balttechnika“ ir tarptautinėje informacinių technologijų konferencijoje „Build Stuff“. S. Chomentauskas teigia, kad pirmą kartą pamačiusiems šią hologramą lieka didelis įspūdis. Dėl geros vaizdo raiškos, matomų smulkių detalių, holograma gali būti pritaikoma medicinos sektoriuje. Ore atvaizduojamos hologramos nereikia valyti, ji mechaniškai nesugenda, nesulaužoma ir veikia bet kokiomis sąlygomis.
Šiuo metu įmonė yra sukūrusi kelias hologramas, kurių kiekviena leidžia perprasti skirtingas technologijos pritaikymo galimybes. Viena iš hologramų - ore „kabanti“ klaviatūra, kuria galima pakankamai tiksliai rinkti tekstą ir skaičius. Kita - lazeriais nuskenuotas muziejaus eksponatas, atvaizduojamas kaip 3D objektas ore. Vartotojas jį gali sukioti, padidinti ar sumažinti, apžiūrinėti iš visų pusių. Hologramos sistema „supranta“ įprastus gestus, kuriais valdome liečiamuosius ekranus, t.y. vaizdo didinimą, praslinkimą į šoną, norint pamatyti kitą nuotrauką. „Tai būtų galimybė muziejams demonstruoti tuos eksponatus, kurie saugomi saugyklose ir lankytojams nėra prienami,“ - sako S. Chomentauskas.
Technologija galėtų praversti ir medicinos srityje, pavyzdžiui, operacinėje, kur viskas turi būti sterilu. S. Chomentauskas nori, kad ši technologija būtų ne tik įspūdinga, bet ir panaudota ten, kur šiandien liečiamojo ekrano naudojimas yra sudėtingas ir nepatogus.
Prognozuojama, kad technologiją panaudos pramogų organizatoriai, reklamos sektorius, tačiau ji tiktų ir gamybos įmonėse, kaip priemonė, padedanti aiškiau atvaizduoti gamybinius procesus. „Kai pradėjome eksperimentuoti su ore atvaizduojama holograma, nieko panašaus rinkoje dar nebuvo. Šiandien atsirado dar viena kompanija JAV, kuri taip pat eksperimentuoja“, - teigia S. Chomentauskas.
Holografinis principas ir Visata
Rubrika „Fizika prie kavos“ yra laidos „Mokslo sriuba“ dalis. Pakalbėkime apie tai tiesiai iš Fizinių ir technologijos mokslų centro.
Holografinis principas teigia, kad matematiniam Visatos apibūdinimui reikia vienu matmeniu mažiau, nei mes manome. Tai reiškia, kad Visata, kuri mums atrodo trimatė, iš tikrųjų gali būti aprašyta dvimačiu paviršiumi. 1997 metais buvo pasiūlytas Maldacenos atitikimas, kuris teigia, kad viena fizikos teorija tam tikroje erdvėje gali būti aprašyta kita fizikos teorija, gyvenančia tos erdvės pakraštyje. Iki šiol buvo išspausdinta jau tūkstančiai mokslinių tyrimų apie Maldacenos atitikimą.
Grumilleris ir jo vadovaujamų mokslininkų grupė nustatė, kad holografinis principas gali būti realizuotas ir plokščiose erdvėse, įrodydamas atitikimą mūsų Visatoje. Šis skaičiavimas patvirtina, kad kvantinė informacija ir susietumo entropija gali būti susiję su gravitacijos teorija. Ypač turi išryškėti vienas esminis kvantinės mechanikos bruožas - kvantinis susietumas. Kai kvantinės dalelės yra susietos, jos negali būti apibūdintos atskirai. Jos suformuoja vieną objektą, net jei yra atskirose vietose.
„Mokslo sriubą“ galima ragauti kiekvieną sekmadienį 14.05 val. per LRT Plius, o išalkus dar - www.mokslosriuba.lt.