Складывая двухмерные листы строго контролируемых лучей света, исследователи из лаборатории Федерико Капассо могут изображать трехмерные голографические объекты. 
Предоставлено: Гарвардская школа инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона.

Голографию — использование световой проекции для отображения изображений — можно использовать для создания голограмм, представляющих собой трехмерные световые структуры, изображающие реалистичные объекты и сцены. Хотя современные технологии еще не могут создавать невероятно реалистичные голограммы научно-фантастических фильмов, исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) сделали значительный шаг вперед к этой цели.

Группа ученых и инженеров под руководством Федерико Капассо, профессора прикладной физики Роберта Л. Уоллеса и старшего научного сотрудника SEAS по электротехнике Винтона Хейса, сообщила в журнале Nature Photonics о совершенно новом способе создания голограмм с использованием потоков света, наслоенных друг на друга созданных двухмерных листов, содержащие строго контролируемые массивы света. Затем эти листы можно плотно сложить — как горку сыра — для изображения трехмерных объектов.

«В этом исследовании инновационным образом используется широко используемая и коммерчески зарекомендовавшая себя технология пространственных модуляторов света для формирования света по мере его распространения, создавая совершенно новый класс голограмм», — говорит Капассо. «Я предвижу, что этот метод голографии повлияет на виртуальную и дополненную реальность, биологические изображения, объемные дисплеи, взаимодействие человека с компьютером, интерактивные образовательные инструменты и многое другое».

Традиционные голографические методы размещают свет в плоскостях, удаляющихся от глаза наблюдателя, как ряд последовательных костяшек домино, что проблематично, потому что самые дальние слои становится труднее увидеть. Это может нарушить восприятие глубины зрителем и, в конечном счете, сделать трехмерные объекты менее детализированными. Чтобы решить эту проблему, команда Капассо и его сотрудники из Университета Сан-Паулу и Государственного университета Бразилии в Кампинасе разработали голографический метод распространения срезов света перпендикулярно оптическому дисплею, так что зритель смотрит на срезы по всей их длине.

Трехмерный голографический объект, созданный в лаборатории Федерико Капассо. 
Предоставлено: Гарвардская школа инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона.

«Сделав это, мы смягчили проблему восприятия глубины, которая традиционно влияла на голографию», — говорит Ахмед Дорра, первый автор статьи и научный сотрудник группы Капассо. «Мы также можем получить равномерно расположенные листы света, сохраняя при этом низкий уровень перекрестных помех между листами и высокое разрешение отображаемых изображений и объектов».

Дорра говорит, что когда-нибудь этот метод можно будет использовать для изображения любой трехмерной голограммы, видимой под любым углом с постоянной глубиной, как будто она физически присутствует. «В основе этой разработки лежит особый тип светового луча, называемый лучом Бесселя», — говорит он. В отличие от более широко используемых лазерных лучей, которые дифрагируют и становятся менее интенсивными по мере удаления от источника, лучи Бесселя сохраняют свою интенсивность и могут даже «исцелять» себя после столкновения с препятствиями, обвивая их.

«Лучи Бесселя распространяются наружу по кольцу. Объединение более чем одного луча Бесселя — процесс, называемый суперпозицией, — обеспечивает точный контроль над интенсивностью света вдоль любой заданной точки посредством интерференции», — говорит Мишель Замбони-Рачед, профессор электротехники . в Государственном университете Бразилии в Кампинасе и старший сотрудник в этой работе. «Вы можете выборочно освещать нужные части этих световых листов», — добавляет он, не теряя при этом глубины резкости, необходимой для четкого изображения изображений и объектов.

Еще один трехмерный голографический объект, созданный в лаборатории Федерико Капассо. 
Предоставлено: Гарвардская школа инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона.

Складывая эти наложенные друг на друга лучи вместе, чтобы сформировать листы света, можно дополнительно создать «3D-печатную» проекцию, состоящую из точно структурированного света. Команда Капассо особенно заинтересована в использовании этого нового метода для улучшения биологических исследований.

«Я думаю, что избирательный контроль, который мы можем осуществлять над интенсивностью света, можно было бы объединить с методами микроскопии, чтобы иметь больший контроль над тем, куда свет направляется в биологический образец», — говорит Дорра. Это важно, потому что лазерные лучи, используемые в микроскопии, могут повреждать живые клетки в результате процесса, известного как фототоксичность, что ограничивает количество изображений, которые может выдержать образец ткани.

Дорра также стремится адаптировать этот метод для исследований в области оптогенетики, в которых мозговые цепи генетически спроектированы так, что активность тканей может включаться или выключаться в ответ на свет, что позволяет ученым изучать, как определенные клетки влияют на поведение. С помощью световой голографии «вы можете активировать целевые клетки или сети клеток в оптогенетических цепях с очень высокой степенью точности и специфичности», — говорит он.

Новый метод голографии был обнаружен командой Капассо по счастливой случайности. Дорра и его сотрудники из Бразилии разрабатывали методы улавливания частиц в фокальных точках с помощью бесселевских лучей света, чтобы можно было лучше изучить атомы в определенных точках пространства и времени. Именно тогда команда начала задаваться вопросом, можно ли сложить эти лучи в форме листа для создания голограмм.

Группа была в восторге, когда протестировала технику и увидела, насколько хорошо она работает. «Обычно мы разрабатываем новую теорию, проверяем ее с помощью эксперимента, результаты ошибочны, а затем мы переосмысливаем наш подход», — говорит Леонардо Амброзио, профессор электротехники в Университете Сан-Паулу и еще один старший сотрудник. «Но на этот раз наши первоначальные эксперименты намного превзошли даже самые оптимистичные ожидания. Мы были поражены сложностью изображений и объектов, которые мы могли создавать».