Иллюстрация: Bader AlQattan et al. / ACS Nano. Физики разработали инновационный метод создания голографических изображений на съедобных сахарных пластинках. В основе технологии лежит использование кукурузного сиропа с добавлением ванильного экстракта. Для оптимизации методики ученые провели детальное исследование оптических свойств небольших сахарных дифракционных решеток и представили примеры получаемых голограмм. Данная технология обладает значительным потенциалом для применения в пищевой промышленности, например, в качестве декоративных элементов кондитерских изделий или для контроля качества продукции. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano. В отличие от обычной фотографии, оптическая голограмма фиксирует не только информацию о цвете и интенсивности света, но и о фазах световых волн, исходящих от объекта съемки. Это достигается за счет одновременной регистрации двух световых волн: опорной, попадающей непосредственно на регистрирующий материал, и объектной, предварительно отраженной от снимаемого предмета.
В результате интерференции этих двух волн в материале будущей голограммы возникают области максимумов и минимумов интенсивности падающего на нее светового поля, которые превращают фоточувствительную пластинку в замысловатую дифракционную решетку. Если таким образом записать голограмму, а затем посветить на нее опорной волной с теми же характеристиками, что и при записи, то в ходе дифракции при взаимодействии с фотопластинкой эта волна преобразуется в копию искомой объектной волны. То есть на выходе наблюдатель увидит объемное изображение исходного объекта.
Помимо очевидного преимущества голографии в полноте записываемой информации об объекте, у такого метода регистрации изображения есть еще одна особенность: даже маленькая часть голограммы (к примеру, после ее повреждения или раздробления на маленькие части) хранит информацию о всех зарегистрированных объектах. То есть даже частичная утрата голограммы не приводит к потере двумерного изображения, хоть и влечет за собой уменьшение диапазона доступных ракурсов и ухудшение четкости. Тем не менее, особенно широкого практического применения голограммы пока не сыскали, в первую очередь из-за сложных процессов записи и воспроизведения: в них должен использоваться мощный источник монохроматического света, роль которого обычно играет лазер.
Но физики не отчаиваются и продолжают искать способы технически упростить методы голографии и найти ей применение в повседневной жизни. Так, у голографии большой потенциал для применения в пищевой области: съедобные голограммы могли бы быть не только приятным украшением и повысить привлекательность разных продуктов питания, но и защитить потребителя от некачественной или поддельной еды. В этом случае, однако, к проблеме технологической сложности записи голограммы добавляются и ограничения на регистрирующий фотоматериал: он должен быть не только съедобным, но и устойчивым к разложению, а также не должен усложнять процесс регистрации светового поля изображаемого объекта. Теперь же выяснилось, что таким требованиям хорошо соответствуют пластинки из тонкого слоя высушенного раствора кукурузного сиропа с ванильным экстрактом. К такому выводу пришел Бадер АльКаттан (Bader AlQattan) из Бирмингемского университета вместе с коллегами в своем исследовании дифракционных свойств сахарных фотопластинок, облученных лазером по схеме записи Денисюка.
Исходные пластинки толщиной 100 микрон ученые получали в процессе трехчасового высушивания раствора, который состоял из 1,5 миллилитра ванильного экстракта, 2 миллилитров сахарного сиропа и 0,5 миллилитра воды. Этот состав физики предпочли благодаря тому, что полученные таким образом пластинки оказались тверже чем те, в которых было меньше ванильного экстракта. Затем физики напыляли на сахарные пластинки слой черного красителя толщиной в 900 нанометров, чтобы усилить поглощение лазера с последующей абляцией, благодаря которой на поверхности пластинок возникали дифракционные структуры. Само облучение происходило по схеме, похожей на схему записи Денисюка: опорная волна лазера (с длиной волны в 1064 нанометра) проходила сквозь сахарную пластинку и отражалась от зеркала (на месте которого в классическом случае должен был бы стоять изображаемый объект), формируя объектную волну. В рамках такой схемы интерференционные максимумы и минимумы на пластинке располагались параллельно друг другу, а значит в результате облучения сахарная пластинка превращалась в классическую дифракционную решетку, период которой исследователи могли варьировать за счет изменяемого угла положения пластинки в ходе облучения.
Схема установки. Bader AlQattan et al. / ACS Nano
Для выбора оптимальных параметров облучения ученые варьировали угол, под которым исходная волна падала на сахарную пластинку, а также изменяли содержание сахара в исходном растворе. Оказалось, что наибольшей эффективностью обладали дифракционные пластинки, полученные при облучении лазером под углом в 35 градусов, что соответствовало периоду дифракционной решетки в 1050 нанометров. Для такой пластинки, как и ожидалось, физики получили наибольшие углы положения первого максимума дифракционной картины при облучении монохроматическим светом и самые широкие спектры при облучении белым светом. Добавление сахара в исходный раствор, в свою очередь, приводило к увеличению показателя преломления сахарной пластины и к уменьшению угла первого максимума полученной таким образом дифракционной решетки. Это значит, что по оптическим свойствам таких структур можно, в том числе, следить за составом вещества, из которого они сделаны (или в котором они находятся).
Полученные дифракционные решетки для разных значений угла, под которым облучалась сахарная пластинка: от 10 градусов (a1) до 35 градусов (a6). Bader AlQattan et al. / ACS Nano
Наконец, исследователи показали примеры возможных съедобных радужных голографических изображений, чтобы продемонстрировать, как описанная технология может быть применена на практике. Физики отметили, что разработанный ими метод голографии не требует много времени и ресурсов, а полученные результаты в будущем могут быть применены для создания более сложных голограмм или других наноструктур на съедобных носителях. Ученые отметили и то, что полученные структуры сохраняли свои оптические свойства в течение нескольких месяцев, а значит устойчивы к износу и деградации. В настоящей работе, однако, на поверхность сахарных пластинок напылялся синтетический краситель. Хоть он и не был токсичным и почти весь удалялся в ходе облучения лазером, для реального использования технологии в пищевой индустрии ее необходимо адаптировать с использованием пищевых красителей.
Примеры полученных голограмм. Bader AlQattan et al. / ACS Nano
Кроме кукурузного сиропа с ванильным экстрактом в качестве основы для голограмм можно использовать и другие сладости: ранее мы рассказывали, как инженеру удалось записать голограммы на поверхности шоколада. Также голограммы можно создавать и на квантовом уровне, а неделю назад у физиков получилось сделать это даже без прямого наложения волн.
Что такое голорамма и как ее используют?
Голограммы всех форм и размеров встречаются в фильмах и видеоиграх. Вспомните, как общались персонажи «Звездных войн» или как пользовался своим компьютером Тони Старк. В реальности таких голограмм пока нет, но есть «имитирующие» их технологии, которые уже используются в медицине, связи и концертах. А некоторые современные голограммы можно даже потрогать.
Голограмма — это трехмерная запись отраженного от объекта света. Когда мы фотографируем предмет, объектив камеры открывается и пропускает свет, чтобы тот попал на пленку (или на светочувствительный чип датчика изображения, если фотоаппарат цифровой). Свет от объекта идет в одном направлении и попадает в один объектив, поэтому камера записывает только двухмерную картину света, темноты и цвета. Иначе работает наше зрение: свет отражается от предмета в оба глаза, а мозг сливает их в одно трехмерное изображение. Голограмма — это нечто среднее между тем, что происходит, когда фотографируешь объект и когда на него смотришь.
Кто изобрел голографию?
Голографический принцип удалось полноценно реализовать только в 1960-х, после изобретения лазера. В 1971 году Габор получил Нобелевскую премию за изобретение и развитие голографического принципа регистрации информации. Слово «голография» придумал сам Габор, составив из греческих слов, означающих «все» и «записываю».
История изучения голографии
В 1962 году, после появления лазеров, одновременно в СССР и США начались исследования голографии. В Советском Союзе этим занимался Юрий Денисюк, а в США — Эмметт Лейт и Юрис Упатниекс. Советский и американские ученые вели исследования независимо друг от друга, и их голограммы были получены разными способами.
В 1968 году Стивен Бентон изобрел пропускающую «радужную» голограмму, видимую в обычном белом свете. Открытие позволило начать массовое производство недорогих голограмм с помощью нанесения интерференционной картины на пластик. Этот тип используют на банкнотах и документах.
Как создаются голограммы
Физический метод
В основе лежат два физических явления: дифракция и интерференция. Чтобы получилась оптическая голограмма, лазерный луч направляют на объект. Зеркало разделяет лазерный луч на две части, образуя две волны — опорную и объектную. Объектная волна попадает на предмет и отражается на фотопластине, создавая интерференционную картину, а опорная направляется напрямую на фотопластину. В месте соединения лучей в одну точку и появляется голограмма.
Голографические изображения кажутся трехмерными, если смотреть на них с разных углов. Источник: YouTube-канал The Thought Emporium
Фотопластина «запоминает» образ предмета со всех сторон подобно тому, как пленка фиксирует двухмерное изображение предметов во время съемки. Чтобы снова увидеть голограмму, фотопластина освещается волной, близкой к опорной. Если фотопластину с голограммой разделить на части, каждая сохранит цельное изображение, но с потерей качества.
Компьютерный метод (CGH — Computer-Generated Hologram)
Для цифровой голограммы не нужен реальный объект. Необходимо ввести в программу параметры предмета, и она сама рассчитает, как волны будут отражаться от его поверхностей. Голограммы, созданные физическим методом, но обработанные на компьютере, тоже называются цифровыми.
Компьютерную голографию используют в шлемах и очках смешанной реальности, например, в Hololens от Microsoft. Технология выводит проекции перед человеком в очках и интегрирует виртуальные объекты в реальный мир.
Псевдоголограммы
На современном рынке термин «голограмма» применяется ко многим типам 3D-изображений, которые не являются голограммами в технологическом смысле. Традиционная голограмма захватывает трехмерное изображение и показывает его в двумерной среде, но сейчас так называют почти все объемные проекции и оптические иллюзии.
«Призрак Пеппера» используется в театре. Источник: YouTube-канал Royal Collection Trust
Для создания трехмерного изображения используют прозрачные пленки обратной проекции, голографические сетки и специальные дисплеи, работающие по принципу «Призрака Пеппера», который позволяет умершим музыкантам «выступать» на сцене. Эффект трехмерности достигается благодаря диагональному экрану между отражаемым объектом и зрителями. Технологии проецирования и правильно выстроенный свет создают эффект присутствия настоящего артиста на сцене.
Как и где используют голограммы
Коммуникация
В 2017 году американская компания Verizon и Korea Telecom использовали экспериментальные устройства с технологией 5G, позволившие собеседникам видеть голограммы друг друга. Это был первый в мире полноценный голографический звонок. Американская компания Portl создала платформу для «голопортации». Человек встает на белом фоне напротив смартфона, и его проекция появляется в белом коробе, похожем на холодильник, через который с ним можно общаться.
В 2021 Google представила видеочат Project Starline, где собеседники могли видеть друг друга. Человек садится за стол с экраном, похожим на зеркало, в котором отражается объемное изображение собеседника. Задний фон дисплея прозрачный, что создает эффект присутствия человека в комнате.
Медицина
Голография помогает в телемедицине. С помощью очков смешанной реальности Microsoft врачи из Нагасаки консультируют пациентов на самых труднодоступных островах Японии. Местный врач с гарнитурой Hololens предоставляет специалисту в Нагасаки трехмерные изображения, например, руки пациента с артритом, и тот проводит виртуальное обследование.
В 2022 году в Сингапуре прошла операция на сердце с использованием голографии. Хирурги оперировали орган в очках Hololens 2, а перед ними в центре комнаты парила голограмма сердца пациента, созданная из снимков его компьютерной томографии. Технология помогает врачам планировать операцию и предвидеть потенциальные риски.
Образование
Голограммы делают процесс обучения более наглядным. В 2013 году на лекции в Университете Святого Георгия в Лондоне показали большие голограммы внутренних органов человека. Длина одной почки достигала четырех метров.
В Египетском музее в Каире гидами работают виртуальные фараон Тутанхамон и царица Анхесенамон. Разные голограммы, например, с экспонатами Эрмитажа, можно рассмотреть в Музее оптики в Санкт-Петербурге.
Развлечения
Псевдоголограммы «воскрешали» многих умерших музыкантов — от Элвиса Пресли и Майкла Джексона до Виктора Цоя и Михаила Горшенева. Мадонна делила сцену с персонажами группы Gorillaz, а в Японии певица-вокалоид Хацунэ Мику, существуя только в виртуальной реальности, выступает перед зрителями с помощью голографической технологии.
Компании используют голограммы для продвижения продуктов. В 2013 году Nike показала жителям Амстердама первую в мире голографическую рекламу. В центре города установили стеклянный куб, в центре которого парили новые кроссовки бренда.
Преимущества использования голограмм
Голограммы — один из самых надежных способов защитить продукцию от контрафакта. С точностью подделать эту технологию почти нереально, даже с профессиональным и дорогим оборудованием. Поэтому голограммы используются в паспортах, банковских и кредитных картах, а также в банкнотах.
Тренды голографии
В перспективе голографические технологии встроят в автомобили для отображения навигации в 3D или идентификации пешеходов, а также интегрируют в домашний быт. Южнокорейские ученые создали цветной настольный голографический дисплей, на который можно смотреть под любым углом. Они использовали серию мощных многоцветных лазеров и высокоскоростной вращающийся зеркальный дисплей.
В 2015 году японские ученые создали осязаемую голограмму с помощью фемтосекундных лазеров со сверхкороткими импульсами. Она выглядела как бабочка, способная летать и даже сесть человеку на палец, создавая ощущение легкого покалывания.
В 2021 году в Университете Глазго разработали голограмму с имитацией тактильных ощущений при помощи подачи струй воздуха через специальные форсунки и датчиков, отслеживающих движения. В качестве примера разработчики показали «аэротактильную» голограмму баскетбольного мяча, которую можно было трогать и крутить. Это не предел — в будущем к голограммам хотят добавлять ароматы.
Автор: Никита Козырев
Источникb: https://nplus1.ru/, https://hi-tech.mail.ru/
