ТРЁХМЕРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ГОЛОГРАММЫ В ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ ПРИРОДЕ

В.Н. С и н ц о в

Идея многих устройств и систем, разрабатываемых человеком, заимствована у природы. Существует специальная отрасль науки - бионика, изучающая закономерности процессов в живых системах и принципы их построения с целью их использования в искусственно созданных технических системах, например, принципы управления пограничным слоем у быстродвижущихся морских животных и т.п.

Однако бионика - молодая наука, успехи её на сегодня довольно скромны, а окружающий мир полон таких чудес, что мы по пере углубления знаний о нём то и дело попадаем в положение мольеровского героя, который удивлялся, узнав о том, что он всю жизнь говорит прозой. И хотя первые работы И.Н.Денисюка о свойствах объёмных или трёхмерных голограмм появились в печати лишь в 1962 г., многие века до этого человек бездумно смотрел на окружающие его объёмные голограммы, любуясь изумительной игрой красок в них и не вникая в природу сложных физических процессов, приводящих к этой игре. Носители этих голограми в живой природе - это птицы, стрекозы, бабочки и некоторые другие насекомые, большей частью тропические. Речь идёт о яркоокрашенных участках крыльев, отличающихся так называемым металлическим блеском, ярким, радужным, насыщенным цветом, меняющимся при изменении угла разглядывания или угла освещения обыкновенно в строну фиолетового при отктонении от нормального рассмотрения.

Однако, прежде чем рассмотреть эти работы Рэлея, постараемся дать несколько опредедений, что такое объёмная голограмма, не столько универсальных, окольно необходимых для понимания идеи лекции.

Второе определение - функциональное или операционное - с точки зрения кибернетика, рассматривающего голограмму как "чёрный ящик" и интересующегося лишь входным и выходным сигналами, - объёмная голограмма есть механизм или оператор, переводящий перевод волновой Функции излучения источника в волновую функцию излучения объекта, или пространственно-частотно-спектральный фильтр, выделяющий из многообразия цветового и пространственного спектров падающего на голограмму восстанавливающего излучения лишь те частоты, которые присутствовали в объекте при записи голограммы.

Третье определение - параметрическое дифракционное - с точки зрения оптика, интересующегося голограммой как дифракционной решеткой, - объемная голограмма есть обобщённый дифракционный оптический элемент, дифрагирующий падающий на него набор световых волн в дифрагированную волну с определенной спект-

ральной избирательностью (ширина спектра пропускания или отражения) и дифракционной эффективностью (величина коэффициента отражения в заданном угле дифракции).

Теперь вернёмся к работе Рэлея /1/, в которой были установлены все основные признаки объёмных голограмм для окрашенных участков крыльев некоторых насекомых. Рэлей начинает свою статью следующими словами: "Заслуживает внимания то, что объяснение некоторых из наиболее поразительных и прекрасных оптических имений до сих пор остаётся предметом противоречивых суждений". Далее Рэлей даёт подробный анализ эгих противоречивых суждений. Он опровергает теорию, объясняющую своеобразную окраску крыльев птиц и насекомых аномальной рефракцией красителя вблизи сильных полос поглощения; теорию, базирующуюся на представлении о неравномерной концентрации красителя в различных участках крыльев; теорию, привлекающую представлении об интерференции света в тончайшем поверхностном слое крыльев. При этом Рэлей отмечает, что даже такой выдающийся оптик, как Майкельсон, придерживался ошибочной теории красителей, которая не в состоянии объяснить зависимость цвета от угла наблюдения /3/. На основании своих собственных наблюдений, выполненных им в часы летнего досуга в саду своей усадьбы в Терлинге, и наблюдений Поултона, Ходжкинсона и Мэллока он устанавливает, что:

1. Полярная диаграмма спектрального максимума отражения носит сужающийся характер, т.е. длина волны максимума отражения уменьшается с отклонением направления разглядывания от нормали.

2. Цвет не зависит от обработки крыльев самыми различными растворителями, которые привели бы к удалению красителя.

3. Помещение крыла в вакуум не меняет его цвета, что опровергает гипотезу и воздушных пузырьках, содержащихся между органическими слоями.

4. Давление, прикладываемое локально к крылу, влияет на цвет не для всех исследованных образцов, хотя для крыльев бабочек Махаон приложение давления приводило к изменению цвета, иногда необратимому.

Рэлей приходит к выводу, что окраска этих природных образований вызвана чередованием твёрдых слоев с различным коэффициентом преломления. Он отмечает, что:

1. Цвета являются насыщенными, что по сегодняшней терминологии свидетельствует о малой спектральной ширине коэффициента отражения и высокой чувствительности к длине волны восстанавливающего света.

3. Не исключено наличие вторичных дифракционных максимумов, хотя Рэлей полагает, что при определённых условиях их структура может быть слишком тонкой для обнаружения.

4. Микроскопические наблюдения, особенно косых срезов, выявляют наличие многослойной структуры.

Таким образом, в живой природе наблюдаются естественные дифракционные структуры, по своим оптические свойствам чрезвычайно близкие к объёмным голограммам. Однако этим не исчерпывается всё многообразие природных объектов, обладающих подобными свойствами. Второй класс таких объектов, о котором пойдет речь в этой лекции - это жидкокристаллические холестерические текстуры.

Особенностью структуры холестерических жидких кристаллов является слоисто-винтообразное расположение молекул. Внутри каждого слоя молекулы ориентированы своими длинными осями вдоль определённого направления, а каждый вышележащий слой повернут относительно параллельного ему нижележащего слоя на угол, близкий к 15 минутам. Шаг такого пространственного винта составляет обычно несколько сот нанометров и сильно зависит от температуры, электромагнитных полей и других воздействий.

Плоская холестерическая текстура обладает весьма своеобразными оптическими свойствами. Не останавливаясь на оптической активности текстуры, отметим, что вблизи длины волны инверсии (при которой вращательная способность равна нулю) наблвдается сильное избирательное рассеяние света, проходящего через текстуру или отраженного ею. Это рассеяние имеет дифракционную природу. В частности, при изменении шага пространственной спирали и коэффициентов преломления текстуры максимум рассеяния смещается по спектру, а зависимость длины волны максимума от-

рамения от величины угла падения подчиняется при определённых допущениях формуле Бреггов. Однако, в отличие от фазовой голограммы, здесь происходит модуляция по двулучепреломлению.

Применимость закона Вульфа-Бреггов к процессу дифракции света на холестерической текстуре была показана не только для случая сложных эфиров холестерина, но и для органических растворов поли- -бензил-

-глютамата и кристаллов нуклеопротеида вируса табачной мозаики, обладающих жидкокристаллическими свойствами. Используя высокоупорядоченную нуклеопротеидную текстуру как дифракционную решётку, удалось разложить в спектр излучение ртутной лампы /6/.

Так же, как и холестерическая текстура, и крыло бабочки, объёмная голограмма действует на падающий на неё свет подобно слож-

Исходя из принципов бионики, мы можем задуматься над возможностью использования жидкокристаллических холестерических текстур в качестве голограммных телевизионных и киноэкранов, т.е. над использованием жидкокристаллической текстуры для создания копии трёхмерной голограммы для восстановления цветного объёмного изображения в реальном масштабе времени /9/. Высокая дифракционная эффективность, малая инерционность, яркость и насыщенность цветов холестерической текстуры, лёгкость управления шагом и ориентацией пространственной спирали при наложении внешних электромагнитных полей, возможность создания жидкокристаллических панелей очень больших размеров указывают на то, что таким способом возможны реализация голографических кино и телевизионных экранов и достижение основной цели использования голографии в нашей повседневной жизни.

Л и т е р а т у р а

4. p.k.c.pillai. josa, 58, 1019, 1968.