Для понимания идеи голографии, то есть безлинзового получения оптических изображений путем так называемого восстановления волнового фронта, удобно применять метод Рэлея. В принципе идея голографии была выдвинута и экспериментально проверена польским физиком М. Вольфке (1883−1947). Его работа была опубликована еще в 1920 г., но была забыта. Эту идею независимо от Вольфке вновь предложил и обосновал в 1947 г. английский инженер и физик Габор, который по праву считается изобретателем голографии. Однако понадобилось 15 лет, чтобы стало возможно практическое осуществление голографии. Причина столь длительной задержки заключается в том, что в голографии требуются источники света, обладающие высокой степенью временной и пространственной когерентности. Таких источников в 1947 г. еще не существовало. Положение изменилось в 1960 г. с изобретением лазеров и проникновением их в лабораторную технику. Первые изображения по методу голографии были получены американцами Лейтом и Упатниексом в 1962 г.

При освещении или просвечивании предмета от него распространяется рассеянная или прошедшая волна. (Для определенности в дальнейшем предполагается, что предмет освещается, а не просвечивается, хотя принципиального различия между этими случаями при рассмотрении нет.) Отделившись от предмета, рассеянная волна сохраняет в дальнейшем независимое существование и несет полную информацию о форме и прочих свойствах предмета, какая может быть получена путем освещения его световыми лучами. Попадая в глаз или объектив фотоаппарата, эта волна образует на сетчатке или на фотопластинке изображение предмета. Если любым путем создать такую же волну, то, очевидно, она сможет вызвать в точности такие же эффекты, что и исходная волна, рассеянная предметом. На этом замечании и основана идея голографии.

Процесс получения изображения в голографии распадается на две стадии. На первой стадии изготовляется голограмма, то есть фотопластинка, с помощью которой можно восстанавливать световую волну, рассеянную телом. Вторую стадию составляет само восстановление этой волны и получение оптического изображения.
Пусть какой-то предмет A (рис.1) освещается пучком параллельных лучей от лазера. Рассеянные лучи попадают на фотопластинку Г. По степени почернения пластинки после проявления можно судить об амплитуде рассеянной волны во всех местах пластинки, которых эта волна достигла. В этом смысле экспонированная и проявленная пластинка сохраняет информацию об амплитуде волнового поля. Для восстановления волнового поля такой информации недостаточно. Нужна еще дополнительная информация о фазе, которой пластинка не содержит, так как степень почернения зависит только от интенсивности, но не от фазы волны. Габор указал, что необходимую информацию о фазе можно получить и записать на той же фотопластинке Г, если осветить ее вторым пучком от того же лазера и заставить его интерферировать с пучком, рассеянным предметом. Практически этого можно достигнуть, расширив предварительно пучок от лазера, а затем разделив его на два пучка. Один из них (предметный) направляется на предмет А, другой (опорный) отражается от плоского зеркала S. Оба пучка направляются на фотопластинку Г и там интерферируются между собой. Интерференционная картина фотографируется. Так полученная фотография и называется голограммой.

Поскольку волна, рассеянная предметом, возникает при отражении и дифракции на макроскопических деталях предмета со сложной формой и взаимным расположением, реальная голограмма представляет собой очень сложную и запутанную интерференционную картину с очень мелкими деталями, которые невозможно различить невооруженным глазом. (На ней обычно видны и крупные дифракционные кольца. Но они не имеют никакого отношения к делу, так как возникают при дифракции на случайных пылинках, встретившихся на пути распространения света.)

Дифракционная картина на голограмме не имеет ни малейшего сходства с предметом. При рассматривании ее в микроскоп в ней трудно усмотреть следы каких-либо закономерностей. И тем не менее расположение, форма и интенсивность дифракционных пятен голограммы полностью определяются геометрической формой и физическими свойствами отражающей поверхности объекта. Голограмма в закодированной форме содержит полную информацию об амплитудах и фазах рассеянной волны, которая достаточна для ее восстановления и получения оптического изображения. Само название «голография» происходит от греческих слов «голог» − полный и «графо» − пишу и может быть переведено как «полная запись».

Разность хода между опорной волной и волнами, рассеянными предметом, очень велика и может составлять несколько метров. Поэтому при изготовлении голограммы время когерентности света должно быть очень велико (не меньше 10^-5 − 10^-7 с). Длина когерентности также должна быть очень большой (не меньше 1 − 10 м). Никакие источники света, кроме лазеров, не могут обеспечить столь высокую степень временной и пространственной когерентности. Кроме того, необходима неподвижность (с точностью до долей длины световой волны) и высокая контрастность интерференционной картины, образующейся в области перекрытия предметного и опорного пучков во время экспозиции. Для этого также требуется высокая когерентность света, а также механическая жесткость всех элементов голографической установки.

Необходимая степень монохроматичности света определяется по общей формуле λ/δλ ≥ m, где m − максимальный порядок интерференции, наблюдающийся при голографировании. При рациональном расположении источника света и прочей аппаратуры его можно оценить по формуле m ~ L/λ, где L − линейные размеры предмета. Таким образом, должно быть δλ < λ²/L. Уже при небольших размерах предмета ~ 10 см и λ=500 нм эта формула дает δλ < 10^-3нм. Между тем спектральные линии ртутной лампы, даже с низким давлением ртутных паров, имеют ширину ~ 30 нм. Требования к размерам источника света, пожалуй, еще более жесткие. Для получения высокой контрастности интерференционной картины на голограмме поперечные размеры ∆x источника света (то есть размеры параллельно плоскости голограммы) должно быть малы по сравнению с шириной интерференционной полосы λ/α, где α − угол схождения крайних интерферирующих лучей. По порядку величины α = h/l, где h − ширина опорного пучка, а l − расстояние между предметом и голограммой. Если h=3 см, а l=30 см, то и должно быть Δx < λl/h = 5 мкм.

С нелазерными источниками (например, ртутной дуговой лампой) этим требованиям пытались удовлетворить стандартными приемами, пропуская свет через различные монохроматоры, а затем фокусируя его на малом отверстии. При этом через отверстие проходила и достигала освещаемого объекта лишь ничтожная часть светового потока. Требующееся время экспозиции при этом будет достигать порядка года. Поэтому Габору удалось получить голограммы только простейших микроскопических объектов при экспозициях в несколько часов. Лазеры сделали описанные операции ненужными, а идея голографии получила практическое осуществление.

К значительным достижениям голографии в практической деятельности прежде всего относится голографическая интерферометрия, позволяющая зримо наблюдать малые деформации изделий при изменении нагрузки и распределение этих деформаций по поверхности тела.

Очень интересные возможности открываются при использовании голографии в информационных технологиях. Интересны в этом смысле голографические устройства распознавания образов.

Объемные голограммы или голограммы Денисюка широко используются в музейных выставках экспонатов, представляющих историческую или культурную ценность, хищение или порча которых могли бы стать невосполнимой утратой. Такие голограммы реально передают не только объем экспоната, но и его цвет, создавая полную зрительную иллюзию оригинала. Как уже отмечалось, эти голограммы можно рассматривать в некогерентном свете и дополнительного лазерного освещения музейных экспозиций не требуется.

Специально изготовленные голограммы можно использовать в качестве других оптических элементов. Они могут заменять линзы, дифракционные решетки, служить светофильтрами, пропускающими свет с определенными длинами волн. Они позволяют улучшить характеристики микроскопов и телескопов, применяются в системах хранения и обработки информации, открывая перспективы создания новых систем памяти для ЭВМ.

Интересны приложения голографии в системах адаптивной оптики. Под адаптивной оптикой понимается достаточно широкий класс устройств и методов, позволяющих управлять формой волнового фронта оптических полей. Использование голографии позволяет корректировать волновой фронт излучения лазеров. Для этого нужно снять голограмму, в которой в качестве опорного пучка используется излучение лазера с исправленными пространственными характеристиками, а в качестве предметного - излучение лазера, которое нужно откорректировать. Облучая такую голограмму излучением лазера с пространственными искажениями, мы восстанавливаем пучок, обладающий хорошими пространственными характеристиками.

Область оптики, предметом которой являются эффекты, связанные с изменением характеристик среды под действием лазерного излучения, называют нелинейной оптикой. Для нас эти явления интересны тем, что при интерференции опорной и предметной волн интенсивность света меняется в пространстве. В соответствии с ней меняется и показатель преломления, а в среде возникает голограмма объекта, которая существует, пока существуют лазерные поля.

Такая голография называется динамической, поскольку она фиксирует в реальном масштабе времени все изменения в положении и форме предмета в объеме нелинейно-оптической среды. Динамическая голография имеет преимущества перед статической. Мы кратко коснемся лишь наиболее интересных приложений динамической голографии.
На основе динамических голографических преобразователей могут быть созданы логические элементы ЭВМ с чрезвычайно высоким быстродействием (10-12 с), системы оперативной памяти и другие устройства оптоэлектроники.

Как уже отмечалось, динамическая голограмма меняется в соответствии с изменением в пространстве и времени предметной волны и может быть восстановлена. Чрезвычайно интересна схема считывания, осуществляемая пучком, который, так же как и опорный, является МПЭВ, но распространяется строго в обратном направлении. В этом случае восстанавливается волна, которая отличается от предметной тем, что она распространяется ей навстречу и полностью повторяет форму ее волнового фронта при обратном распространении вдоль ее траектории. Это так называемая сопряженная, или обращенная, волна. Описанный процесс считывания называется обращением волнового фронта (ОВФ). Он был впервые предсказан и обнаружен российскими учеными.

Рассмотрим этот эффект подробнее, обратившись к рисунку 1. Плоские монохроматические волны 1 и 2 строго навстречу друг другу входят в нелинейную среду 3. На эту же среду падает волна 4, волновой фронт которой искажается после прохождения через среду с переменным по пространству значением показателя преломления. Волны 2 и 4 в объеме среды записывают динамическую голограмму, в которой искажения волны 4 включены автоматически. Волна 2 считывает эту голограмму, и в соответствии с законом сохранения импульса, который выполняется для такого рода взаимодействий достаточно строго (рисунок 1), рождается волна 5, направленная строго в обратную сторону по отношению к волне 4.

В волновых процессах аналогом импульса выступает волновой вектор , который задает направление распространения световой волны. Поэтому каждая пространственная компонента со своим волновым вектором восстанавливается в виде обратной волны с . Фактически мы получили зеркало, которое в каждой точке фронта волны 4 имеет поверхность, параллельную этому волновому фронту, и отражает свет строго назад. Для плоской волны это обычное плоское зеркало. Для волны со случайными искажениями по фронту это должно быть зеркало достаточно сложной формы, да к тому же форма должна меняться со временем в соответствии с изменением во времени среды 5. Необходимо отметить, что считывающая волна 1 может значительно превышать по интенсивности волну 4. Кроме того, это зеркало меняет еще и знак фазы на противоположный. Странное и уникальное получилось зеркало.

Эффект ОВФ позволяет построить устройства, в которых искажения волнового фронта, связанные с неоднородностью среды, могут быть устранены. Последнее чрезвычайно важно при создании мощных лазерных систем, в которых однородность оптических элементов меняется со временем.

Эффект ОВФ просто решает задачу автоматического наведения лазерного излучения на движущуюся мишень, например в установках лазерного термоядерного синтеза, позволяет устранить искажения лазерного пучка, связанные с нестационарными неоднородностями в атмосфере, и незаменим в других приложениях. Он может с успехом применяться и для исследования процессов, протекающих в самой нелинейной среде, что позволяет получать уникальную информацию, недоступную другим методам; в том случае, если либо все, либо одно из полей 1, 2, 4 импульсное, то можно, задерживая импульс во времени, исследовать временную динамику развития нелинейности в среде.