«Целостная картина»: инженер-оптик — о голограммах и их прикладном применении

— В российском Университете ИТМО вы прочитали курс лекций о голографии и голограммах. Могли бы вы объяснить далёким от науки людям, что такое голограммы и как их можно использовать? 

— Фотография не содержит никакой подробной информации. По сути это лишь вид через замочную скважину. У нас есть только один угол обзора, и относительное положение объектов на картине не зависит от наших движений глазами или головой. А смотреть на голограмму — всё равно что смотреть в окно. Мы можем двигаться, меняя точку обзора, и наблюдать картину с разных ракурсов. Одним словом, фотография даёт двухмерную информацию, а голограмма — более полную трёхмерную информацию.

Слово «голограмма» означает «целостная картина». Первоначально, ещё в 1940-х годах, её изобрели как способ получить доступ к большему количеству информации из рентгеновских изображений. Изобретатель голографии Денеш Габор получил Нобелевскую премию за эту идею. Сегодня голограммы используются не только для визуализации, они имеют широкий спектр применения. Поскольку их трудно подделать, они, к примеру, используются для защиты от мошенничества: на кредитных картах, банкнотах и даже лекарствах.

• Голографические знаки на банкноте в 5000 йен 
• Reuters 
• © Issei Kato

— Расскажите о перспективных голографических технологиях.

— Сегодня полноцветные голограммы можно записать на очень тонких и плоских пластиковых слоях — они прочны и почти ничего не весят. Одно из применений таких голограмм — использование их в качестве линз. Рефракционные линзы, изготовленные из стекла, могут быть большими и тяжёлыми. Но, используя голограммы, можно делать плоские, очень большие по площади линзы, которые при этом компактны. Два популярных способа применения таких линз — концентрирование (накопление) солнечного света для выработки электроэнергии и как элемент формирования луча в автомобильных фарах.

— Расскажите о голографической связи. В фантастических фильмах герои зачастую участвуют в переговорах в виде голографических аватаров...

— Голограмма принцессы Леи в «Звёздных войнах» и голографическая палуба в «Звёздном пути», безусловно, вызвали очень большие надежды! К сожалению, современные инженеры ограничены законами физики — какими мы знаем их сейчас. Заставить свет искривляться в свободном пространстве довольно сложно. Однако инженеры никогда не сдаются, и многие умные трудолюбивые профессионалы прямо сейчас пытаются сделать такие разработки реальными. Уже сегодня выпускают очки виртуальной и смешанной реальности, с помощью которых можно видеть человека с разных ракурсов в реальном времени, перемещаясь по специально оборудованной студии. Трёхмерные очки уже доступны, существуют даже контактные линзы с аналогичным эффектом.

• Голографическое изображение Элвиса Пресли на шоу в Лас-Вегасе 
• AFP 
• © Ethan Miller / GETTY IMAGES NORTH AMERICA

— Когда же появятся первые мобильные устройства для голографических звонков?

— Боюсь, что я не предсказатель, но я поражён тем, что произошло за последние 20 лет. Трудно объяснить молодым людям, насколько необычны мобильные телефоны. В моей юности идея иметь устройство, которое помещается в кармане и на котором можно посмотреть фильм, а затем позвонить куда-то, звучала бы безумно.

Что касается создания портативных 3D-коммуникационных устройств, существует множество перспектив их развития. Обычно запись голограмм требует использования лазерного излучения. Но есть и другой способ захвата данных, который называется интегральным отображением. Используя множество камер, вы делаете несколько снимков одновременно при обычном освещении. Затем с помощью хитроумных компьютерных алгоритмов создаётся трёхмерное изображение. Большинство мобильных телефонов уже имеют по несколько камер. Учитывая конкуренцию технологических решений, я думаю, что устройства голографического звонка — не фантазия.

— Как вы считаете, голография открывает новые возможности и для образования?

— Те же видеолекции и дистанционное обучение доступны для людей не первый день. Если добавить к ним доступную дистанционную голографическую связь, то это, безусловно, откроет новые возможности распространения информации. Чем лучше способ коммуникации, тем меньше барьеров для понимания и тем больше ареал распространения и доступа к новым идеям.

Я отчетливо вижу преимущества модели онлайн-обучения в небольших профильных группах из 10—15 студентов, с которыми будут проводиться учебные занятия и лабораторная практика. Как преподаватель, я наслаждаюсь живым общением со своими студентами. Возможно, самым большим катализатором широкого использования голографической технологии будет желание достичь наибольшего погружения или подлинных ощущений, избегая при этом опасностей для здоровья, траты времени и энергии — всего, что связано с путешествиями.

• Голографические портреты на выставке 
• РИА Новости 
• © Евгений Биятов

— Что это такое — голографическое хранение данных?

— На моём телефоне можно хранить около 100 Гб данных, плюс у меня есть 1 Тб на внешней карте памяти. Первый жёсткий диск, который я купил, вмещал 10 Мб, стоил в десять раз дороже, чем мой телефон, а весил как большой и твёрдый металлический слиток. При этом он не фотографировал. Магнитные ленты с высокой ёмкостью хранения данных вмещают около 10 Тб и используются в картотеках, которые могут вместить до 10 тыс. лент. Все эти методы, включая использование серверов на основе полупроводников, подразумевают хранение данных в 2D-носителях, где информация считывается и выводится последовательно.

Голографическое хранение данных — это использование не плоскости, а объёма материала-носителя данных. Расчёты ёмкости хранилища данных обычно предполагают, что одна длина волны в кубе является основной единицей хранения одного бита. Тогда в 1 см³ можно легко хранить более 10 Тб. Кроме того, все данные можно записывать оптически и считывать одновременно с очень высокой скоростью передачи без износа или разрыва.

Проблемы, связанные с производством оптических приводов и носителей информации, особенно перезаписываемых кубов данных, огромны, но многие академические и коммерческие исследовательские группы в мире работают над этим типом технологии, включая группу оптики в Университете ИТМО.

— Как ещё можно использовать голографию?

— Недавно я участвовал в составлении сборника коротких статей под названием «Дорожная карта по голографии» для журнала Journal of Optics британского Института физики. В этом сборнике описан вклад в голографию ведущих учёных мира, в него включены и значимые российские исследования.

Например, в российском Университете ИТМО, где я прочитал курс лекций, в лаборатории цифровой и изобразительной голографии активно ведутся работы по разработке методов сверхбыстрой цифровой голографии в видимом и терагерцовом частотных диапазонах. Такие методы используются при разработке новых революционно быстрых каналов беспроводной связи, намного превосходящих привычный нам Wi-Fi, для изучения образования плазменных каналов, вызванных высокоинтенсивным лазерным излучением, и для измерения оптических нелинейных свойств объектов и материалов.

Учёные используют голограммы для рассеивания нейтронов, объяснения принципов работы человеческого мозга и даже для более эффективного производства возобновляемой солнечной энергии. Пытаются оптимизировать энергопотребление в центрах обработки данных, внедряют цифровую голографическую микроскопию для выявления заболеваний, в том числе с использованием мобильных телефонов. Могу с некоторой уверенностью предсказать: впереди нас ждёт ещё очень многое.