Оптическая ловушка помогла создать цветную трехмерную голограмму

Американские ученые научились создавать трехмерные цветные голограммы, похожие на скульптуры. Для этого они быстро перемещали непрозрачную частицу с помощью оптической ловушки и освещали ее лазерами разных цветов. Созданные изображения достигают размера нескольких сантиметров и могут сменяться с частотой до тринадцати кадров в секунду. Статья опубликована в Nature.

Впервые голограммы — трехмерные изображения объектов — научился получать в 1947 году венгерский физик Денеш Габор. В предложенной им схеме использовались когерентные пучки света, что позволяло записывать не только амплитуду, но и фазу волн. В дальнейшем схему Габора усовершенствовали, однако принцип создания голограмм в целом остался прежним. Подобные голограммы сейчас широко используются — например, их можно найти на акцизных марках. Тем не менее, у них есть серьезный недостаток: голографическое изображение можно наблюдать только в ограниченном диапазоне углов, его нельзя покрутить и рассмотреть со всех сторон. Эти голограммы вовсе не похожи на объемные изображения из научной фантастики.

С другой стороны, в последнее время ученые предложили несколько способов изготовления объемных дисплеев (volumetric display) — устройств, которые позволяют получать по-настоящему трехмерные голограммы, похожие на скульптуры. В таких устройствах свет рассеивается не на пластинке, а непосредственно на точках, формирующих изображение (грубо говоря, на парящих в воздухе пылинках). На данный момент ученые разработали несколько типов подобных дисплеев, в их число входят индуцированные плазменные дисплеи (induced plasma displays), модифицированные воздушные дисплеи (modified air displays) и дисплеи, использующие акустическую левитацию (acoustic levitation displays). К сожалению, эти технологии тоже пока далеки от совершенства — плазменные дисплеи не умеют создавать цветные изображения, а последние два типа не могут обеспечить точность, сравнимую с обычной голографией.

Однако группе ученых под руководством Даниела Смолли (Daniel Smalley) из Университета Бригама Янга удалось разработать объемный дисплей, который создает цветные изображения с разрешающей способностью порядка десяти микрометров. Для этого они заключали непрозрачную частицу размером несколько микрометров в «оптическую ловушку» (optical trap), используя наклонный астигматизм и сферические аберрации лазерного излучения с длиной волны 405 нанометров, а затем подсвечивали ее с помощью параллельных разноцветных лазеров. Это позволяло передвигать частицу со скоростью до 1,8 метра в секунду и ускорением до 58 метров в секунду в квадрате, так что сторонний наблюдатель видел цельный объект благодаря инерции зрения; похожим образом изображение кажется единой картинкой на экране телевизора с электронно-лучевой трубкой, также аналогичный эффект используется художниками-фризлайтерами.

С помощью построенной установки авторам статьи удалось проиграть трехмерную видеозапись с частотой около 13 кадров в секунду. Каждый кадр в этом случае состоял из более чем шестнадцати тысяч цветных точек, причем мерцание изображения было практически незаметно для невооруженного глаза. Также ученые получили более сложные изображения (на фотографиях выше), увеличивая время выдержки до минуты. Кроме того, дисплей на основе оптической ловушки может создавать изображения объемом более ста кубических сантиметров, а число доступных цветов достигает 16 миллионов (24-битный цвет).

Авторы статьи отмечают, что для создания дисплея они использовали коммерчески доступное оборудование, и его производство стоит меньше, чем производство объемных дисплеев трех других типов.

В апреле 2015 года в Испании прошла акция протеста, в которой не участвовало ни одного живого человека. Вместо них на митинге против закона о гражданской безопасности выступило около двух тысяч голограмм демонстрантов.

Дмитрий Трунин