Trochę historii
Techniki holograficzne pozwalające na zapis i odczyt trójwymiarowych obrazów (tzw. hologramów) za pomocą światła laserowego znane są już od połowy lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Technologie holograficzne początkowo dawały jedynie sposobność zarejestrowania monochromatycznych, przestrzennych zdjęć na specjalnych szklanych płytach, pokrytych emulsją fotograficzną. Nieco później pojawiły się hologramy zapisywane na światłoczułym polimerowym papierze, a do ich odczytu nie trzeba już było stosować laserów – wystarczyło zwykłe widzialne światło. Takie hologramy znajdują się m.in. w wielu muzeach i wystawiane są na pokazach nowoczesnych technologii.
Na początku lat osiemdziesiątych firma IBM rozpoczęła prace nad wykorzystaniem holografii do zapisu cyfrowych informacji. W teorii holografia pozwala bowiem upakować ponad 100 GB danych na centymetrze kwadratowym powierzchni nośnika. Jest to dwa razy więcej, niż mieści cała dwuwarstwowa płyta Blu-ray! Naukowcy, którzy zdawali sobie sprawę z tempa rozwoju informatyki i rosnącego zapotrzebowania na pojemność używanych nośników danych, już dawno dostrzegli potęgę holografii przy zapisie informacji.
Pierwsze holograficzne “dyski”, zbudowane na bazie kryształów niobianu litu, zajmowały ogromne pomieszczenia laboratoryjne i wymagały do swojej pracy laserów dużej mocy. Takie urządzenie trudno było zminiaturyzować, tak by zmieściło się ono na biurku obok peceta, nie mówiąc już o wnętrzu obudowy. Znaczący postęp w dziedzinie holograficznego zapisu cyfrowych informacji dokonał się dopiero na przełomie wieków, gdy wynaleziono specjalne, trwałe materiały fotopolimerowe, które dało się łatwo nałożyć na powierzchnię plastikowego dysku. Drugim czynnikiem, decydującym o obserwowanym obecnie przyspieszeniu prac nad holograficznym zapisem komputerowych danych, było rozpoczęcie masowej produkcji półprzewodnikowych laserów do nagrywarek CD i DVD, dysponujących już mocą wystarczającą do utrwalenia hologramu.
Podstawy holografii
Do zapisywania hologramów wykorzystuje się falową naturę światła, a ściślej mówiąc, zmiany jego fazy i amplitudy. Wychodzącą z lasera wiązkę (patrz: rysunek u góry strony) rozszerza się w układzie soczewek, a następnie dzieli się ją na dwie części (tzw. wiązkę obrazową i referencyjną), stosując do tego celu specjalne lustro – płytkę światłodzielącą. Dalej dwie wiązki światła biegną już różnymi drogami. Następnie na trasie wiązki obrazowej umieszcza się fotografowany przedmiot (np. obraz reprezentujący cyfrowe dane). Fala światła, odbijając się od niego, zmienia swą amplitudę i fazę. Jeżeli teraz skrzyżujemy wiązkę obrazową z referencyjną, to w miejscu ich przecięcia powstanie tzw. wzór interferencyjny, czyli zbiór ciemnych i jasnych prążków, powstających się na skutek nałożenia na siebie amplitud i faz obu fal. Wzór ten tworzy swego rodzaju siatkę dyfrakcyjną, na której może się uginać światło.
Przy zapisie hologramu rejestruje się na kliszy fotograficznej ów wzór interferencyjny. Trzeba tylko pamiętać, by materiał rejestrujący dane znalazł się dokładnie w miejscu przecięcia wiązek. Co ciekawe, to właśnie wzór interferencyjny zawiera pełną trójwymiarową informację o fotografowanym obiekcie. Aby odtworzyć trójwymiarowy obraz sfotografowanego przedmiotu lub odczytać cyfrowe dane, wystarczy oświetlić hologram wiązką laserową – światło ugnie się na zapamiętanej w materiale holograficznym siatce dyfrakcyjnej (patrz: rysunek powyżej), tworząc kompletny obraz zarejestrowanego przedmiotu.
Charakterystyczną cechą hologramów jest ich nielokalność, czyli zapamiętywanie pełnej informacji o trójwymiarowym obiekcie na całej naświetlonej w trakcie zapisu powierzchni. Oznacza to, że podczas odczytu, nawet w sytuacji, gdy oświetlimy światłem laserowym tylko mały fragment hologramu (nie mniejszy jednak od długości fali światła użytej do jego zapisu), zawsze dotrzemy do pełnej utrwalonej na kliszy informacji. Co więcej, zapisany hologram łatwo da się podzielić na kilka mniejszych części, a odczytywany z nich obraz będzie taki sam, jaki był na pierwotnej, całej fotografii. Opisana właściwość jest szczególnie ważna przy zapisie cyfrowych danych, gdyż nawet w wypadku znacznego uszkodzenia hologramu odczytane informacje będą zawsze w stu procentach poprawne. Nie ma więc potrzeby stosowania algorytmów korekcji błędów!
