В 1958 году Ю.Н.Денисюк, проводя исследования в области создания изобразительной техники, воспроизводящей полную иллюзию действительности изображаемых объектов, также пришел к идее записи волнового поля за счет его смешения с референтной волной. Первоначально, исходя из принципа Гюйгенса, он, так же как и Габор, собирался регистрировать двумерную интерференционную картину, чтобы воспроизводить с ее помощью значения поля на некоторой поверхности. Однако в отличие от метода Габора референтную волну предполагалось подавать навстречу объектной. Это обстоятельство собственно и предопределило направление дальнейших исследований.

На самом деле, плоская интерференционная картина, с которой мы ознакомились на примере опыта Юнга, фактически является лишь одним из частных проявлений процесса интерференции. В общем же картина интерференции объемна - свет интерферирует со светом всюду, где только встречаются интерферирующие пучки. Такая трехмерная картина интерференции называется стоячей волной. Аналогично тому, как плоская интерференционная картина состоит из светлых и темных полос, стоячая волна состоит из поверхностей пучностей - мест, где световые колебания усиливают друг друга, и узловых поверхностей - мест, где колебания взаимно гасятся. При этом существенно, что, когда интерферирующие волны распространяются навстречу друг другу, что и имело место при упомянутом выборе направления референтной волны, поверхности пучностей отстоят друг от друга на расстояние, равное половине длины световой волны (около четверти микрона) и ориентированы приблизительно перпендикулярно к направлению распространения световых пучков.

При этих обстоятельствах Ю.Н.Денисюку было совершенно очевидно, что поскольку толщина эмульсионного слоя обычных фотопластинок составляет порядка нескольких микрон, то при попытке зарегистрировать такую картину вместо обычной фотографической записи в эмульсионном слое фотопластинки должна образоваться какая-то сложная структура, напоминающая слоеный пирог. Поиски фотографического материала с толщиной эмульсионного слоя, меньшей расстояния между пучностями стоячей волны, к успеху не привели. Задача казалась совершенно безнадежной.

Сейчас понятно, что все эти трудности можно было бы легко обойти за счет использования попутной референтной волны, поскольку в этом случае период картины стоячих волн можно сделать сколь угодно большим. Однако Ю.Н.Денисюк с работой Набора в то время не был знаком и о такой возможности не знал.

В конце концов возникло предположение, что и объемная картина несет в себе информацию о фазе и амплитуде волнового поля: казалось вполне естественным, что сведения об этих параметрах могут быть заключены в причудливых изгибах и изменениях интенсивности поверхностей пучностей стоячей волны.

Несколько вариантов теории и эксперимент подтвердили справедливость этого предположения. В результате выяснилось, что свойства двумерного сечения картины стоячих волн являются лишь весьма слабым отблеском удивительного по своей полноте комплекса отображающих свойств, который проявляет трехмерная картина в целом.

В общих чертах процесс записи трехмерной голограммы и ее свойства можно описать следующим образом. На рис.8а изображен процесс записи. На произвольный объект (матрешку) О падает излучение когерентного (т. е. одноцветного) источника 5. Рассеянное объектом излучение (лучи L0), интерферируя с излучением, распространяющимся непосредственно от источника света (лучи Ls), образует стационарную картину стоячих волн (поверхности пучностей этих волн обозначены d1, d2, d3). В поле стоячих волн располагается объем V, заполненный прозрачной светочувствительной эмульсией. После экспозиции и химической обработки в этом объеме образуется структура, плотность которой моделирует распределение света в стоячей волне.

На рис.8б изображен процесс реконструкции. Предположим, что полученная трехмерная модель стоячей волны освещается излучением источника S: Однако на этот раз источник не обязательно должен быть когерентным - при реконструкции трехмерных голограмм можно использовать обычный источник белого света. Картина, выявляющаяся при освещении трехмерной голограммы, поразительна: оказывается, в отраженном от такой голограммы излучении точно воспроизводятся практически все параметры волнового поля - амплитуда, фаза, а также спектральный состав (цвет). Наблюдателю, воспринимающему такую точную имитацию поля объекта, кажется, что за голограммой возникает единственное пространственное цветное изображение, ничем не отличающееся по своему внешнему виду от оригинала. Какие-либо ложные изображения, а также искажения в этом случае отсутствуют; объект может быть произвольным и не должен удовлетворять условию отсутствия тени. Изображение имеет обычный вид "на отражение", а не представляет собой темный силуэт, наблюдаемый на светлом фоне. Совсем новым качеством является также и то, что голограмма сама выбирает из излучения белого источника и отражает излучение только того спектрального состава, которое падало на нее при съемке, т. е., кроме всего прочего, голограмма воспроизводит также и цвет.

Механизм действия трехмерной голограммы еще более прост, чем механизм действия двумерной. В соответствии с самим определением понятия "интерференция" поверхности пучностей стоячей волны (d1 d2, d3 на рис.8а) являются геометрическим местом точек, где фазы излучения обеих интерферирующих волн (в данном случае объектной и референтной) совпадают. Поэтому, когда при реконструкции на голограмму падает излучение источника S, то на каждой зарегистрированной голограммой поверхности пучностей распределение фаз этой волны совпадет с распределением фаз волны объекта. Отражаясь от металлического зеркала, образовавшегося в светочувствитель- ной эмульсии после проявления на месте поверхности пучностей, волна источника изменит направление распространения на обратное и в результате окажется, что на поверхности пучностей все параметры отраженной голограммой волны (распределение фаз и направление распространения) совпадут с соответствующими параметрами волны, отраженной от объекта. В соответствии с принципом Гюйгенса, из этого следует, что поле отраженного голограммой излучения совпадает с полем излучения объекта и во всем остальном пространстве.

Таким образом, уже каждая отдельная зафиксированная голограммой поверхность пучностей превращает референтную волну в волну излучения, рассеянного объектом. Что же касается всей системы следующих друг за другом поверхностей в целом, то ее роль сводится к воспроизведению спектрального состава излучения, освещавшего объект при записи. Этот последний эффект для частного случая, когда свет взаимодействует с фотографией системы плоских стоячих волн, был обнаружен в 1894 г. французским исследователем Габриэлем Липпманом. Сущность этого эффекта заключается в следующем. Нетрудно показать, что в результате интерференции двух распространяющихся навстречу друг другу плоских волн возникает стоячая волна, расстояние между пучностями которой равно половине длины волны образовавшего ее излучения. После регистрации этой стоячей волны в объемной эмульсии на месте поверхностей пучностей образуется система следующих друг за другом плоских зеркал. Оказывается, что такая система обладает очень интересным свойством: если направить на нее излучение белого света, то она выберет из него и отразит только ту монохроматическую составляющую, которая образовала стоячую волну, зарегистрированную в эмульсии.
Чтобы понять механизм этого явления, возвратимся к матрешке, которая снова взялась раскачивать веревку, закрепленную, скажем, за дерево а (рис. 9). На этот раз она раскачивала веревку достаточно долго, так что успели установиться стационарные гармонические колебания. При этом от матрешки в сторону дерева бежит волна. В точке а эта волна отражается и бежит назад. Под действием этих двух волн веревка прогибается так, что в каждой точке ее смещение от нейтрали равно сумме смещений падающей и отраженной волны. В результате на веревке возникает стоячая волна, которая и изображена на рисунке. Условием отражения от дерева (точка а) является то, что суммарный прогиб веревки в этой точке равен нулю. Однако из рисунка видно, что для той же падающей и отраженной волн это условие соблюдается также и в точке Ь, отстоящей на половину длины волны от а, в точке с, отстоящей на полдлины волны от b и т.д.

Это означает, что если бы веревка была закреплена за дерево в точке Ь, то отраженная этим деревом волна точно совпадала бы с волной, отраженной деревом а. Аналогичная картина наблюдалась бы и при отражении от дерева с.

Точно так же обстоит дело и со светом. Когда световая волна падает на систему отражающих слоев, расположенных друг от друга на расстоянии, равном половине длины волны, то отраженные такими слоями волны точно совпадут друг с другом и поэтому, складываясь, усилятся - фотография отразит свет. Однако если послать на такую систему слоев свет с длиной волны, не равной половине расстояния между слоями, то картина нарушится - волны, отраженные слоями а, Ь, с, не совпадут друг с другом. При сложении такие волны пога-сятся - этот свет фотография не отразит. Иными словами, она будет выбирать из падающего света и отражать излучение только того спектрального состава, которое падало на нее при съемке.
Совершенно аналогично воспроизводит спектральный состав излучения и трехмерная голограмма. Отличие от метода Липпмана заключается только в том, что поверхности пучностей имеют в этом случае весьма сложную форму.