L'holographie constitue une méthodologie permettant de capturer puis de reconstruire un front d'onde. Bien qu'elle soit principalement reconnue pour sa capacité à produire des images tridimensionnelles, ses applications s'étendent largement à des domaines tels que le stockage de données, la microscopie et l'interférométrie. Fondamentalement, la création d'un hologramme est réalisable pour tout type d'onde.
L'Holographie est une technique qui permet d'enregistrer puis de reconstruire un front d'onde. Il est surtout connu comme méthode de génération d’images tridimensionnelles et a un large éventail d’autres utilisations, notamment le stockage de données, la microscopie et l’interférométrie. En principe, il est possible de créer un hologramme pour tout type d'onde.
Un hologramme représente un motif d'interférence enregistré capable de reproduire un champ lumineux tridimensionnel par diffraction. Plus largement, il sert à enregistrer tout type de front d’onde se manifestant sous la forme d’un motif d’interférence. Les hologrammes peuvent provenir de la capture de la lumière d'un environnement réel ou être synthétisés par ordinateur, auquel cas ils sont appelés hologrammes générés par ordinateur, capables de représenter des objets ou des scénarios virtuels. L'holographie optique nécessite un éclairage laser pour l'enregistrement du champ lumineux. Le champ lumineux reconstruit résultant donne une image possédant les caractéristiques de profondeur et de parallaxe de la scène initiale. En règle générale, un hologramme apparaît indistinct lorsqu’il est observé sous un éclairage ambiant diffus. Cependant, lorsqu'il est correctement éclairé, le motif d'interférence diffracte la lumière pour reproduire avec précision le champ lumineux d'origine, dans lequel les objets intégrés affichent des indices visuels de profondeur, notamment la parallaxe et la perspective, qui s'ajustent dynamiquement avec différents angles de vision. Cela implique que différentes perspectives de visualisation de l'image correspondent à des angles similaires sous lesquels le sujet a été initialement observé.
La méthode conventionnelle de génération d'un hologramme consiste à superposer un deuxième front d'onde, désigné comme faisceau de référence, sur le front d'onde d'intérêt principal. Ce processus produit un motif d'interférence, qui est ensuite enregistré sur un substrat physique. Lors d'un éclairage ultérieur de ce motif d'interférence enregistré par le front d'onde de référence, une diffraction se produit, reconstruisant ainsi le front d'onde d'origine. Bien que les images tridimensionnelles dérivées d'hologrammes puissent fréquemment être observées à l'aide de sources lumineuses non laser, les applications pratiques impliquent souvent des compromis importants sur la qualité de l'image pour éliminer la nécessité d'un éclairage laser pendant la visualisation.
Les hologrammes générés par ordinateur sont produits par la simulation numérique et la combinaison de deux fronts d'onde, ce qui donne lieu à une image à motif d'interférence. Cette image peut ensuite être transférée sur un masque ou un film et éclairée avec une source de lumière appropriée pour reconstruire le front d'onde prévu. Une approche alternative consiste à présenter directement l'image du motif d'interférence sur un écran holographique dynamique.
Le portrait holographique utilise fréquemment une technique d'imagerie non holographique intermédiaire. Cette stratégie atténue la nécessité de recourir à des lasers pulsés dangereux de haute puissance, qui seraient autrement indispensables pour immobiliser optiquement des sujets en mouvement avec la précision exigée par le processus d'enregistrement holographique hautement sensible au mouvement. Historiquement, les premières méthodes holographiques imposaient l’utilisation de lasers puissants et coûteux. Cependant, la disponibilité contemporaine de diodes laser économiques et produites en série, couramment intégrées dans des appareils tels que les enregistreurs de DVD et diverses autres applications, a permis leur utilisation dans la création d'hologrammes. Ce développement a considérablement amélioré l'accessibilité de l'holographie pour les chercheurs aux budgets limités, les artistes et les passionnés.
Alors que la majorité des hologrammes produits représentent des objets statiques, les progrès en cours incluent le développement de systèmes capables de présenter des scènes dynamiques sur des écrans holographiques.
L'étymologie du terme holographie remonte aux mots grecs ὅλος (holos), signifiant « tout », et γραφή (graphē), signifiant « écriture » ou « dessin ».
Historique
L'holographie a été conçue en 1948 par le physicien hongro-britannique Dennis Gabor, dont l'objectif initial était d'améliorer la résolution des images des microscopes électroniques. Les travaux fondateurs de Gabor s'appuient sur les contributions pionnières antérieures en microscopie à rayons X de chercheurs tels que Mieczysław Wolfke en 1920 et William Lawrence Bragg en 1939. Le développement de l'holographie est apparu comme un résultat inattendu des recherches de Gabor sur les améliorations du microscope électronique à la British Thomson-Houston Company (BTH) à Rugby, en Angleterre, conduisant à un dépôt de brevet en décembre 1947 (brevet GB685286). La méthode, dans sa forme originale, continue d’être appliquée en microscopie électronique, où elle est appelée holographie électronique. En reconnaissance de son « invention et développement de la méthode holographique », Gabor a reçu le prix Nobel de physique en 1971.
Des progrès significatifs en holographie optique sont restés largement inachevés jusqu'à l'avènement du laser en 1960. Cette avancée technologique a facilité la création des premiers hologrammes optiques fonctionnels capables d'enregistrer des objets tridimensionnels en 1962, un exploit réalisé indépendamment par Yuri Denisyuk en Union soviétique et par Emmett Leith et Juris Upatnieks à l'Université du Michigan aux États-Unis.
Les premiers hologrammes optiques utilisaient des émulsions photographiques aux halogénures d'argent comme support d'enregistrement. Cependant, leur efficacité était limitée car le réseau de diffraction résultant absorbait une partie importante de la lumière incidente. Pour surmonter ce problème, diverses techniques ont été développées pour transformer les variations de transmission en changements d'indice de réfraction, un processus appelé « blanchiment », permettant ainsi la création d'hologrammes beaucoup plus efficaces.
Stephen Benton a considérablement fait progresser l'holographie en concevant une méthode permettant de produire des hologrammes visibles sous la lumière naturelle, plutôt que de nécessiter des lasers. Ces innovations sont communément appelées hologrammes arc-en-ciel.
Concepts fondamentaux de l'holographie
L'holographie constitue une méthodologie permettant à la fois de capturer puis de reconstruire les champs lumineux. En règle générale, un champ lumineux provient d’une source lumineuse diffusant divers objets. Ce processus ressemble quelque peu à l'enregistrement sonore, où un champ sonore généré par des entités vibrantes, telles que des instruments de musique ou des cordes vocales, est codé pour une reproduction ultérieure sans la présence de la source originale. Néanmoins, l'holographie présente une analogie plus proche avec l'enregistrement sonore ambisonique, qui permet la reproduction d'un champ sonore sous n'importe quel angle d'écoute souhaité.
Systèmes laser
Dans le cadre de l'holographie laser, l'enregistrement d'un hologramme nécessite une source de lumière laser cohérente. Bien que diverses configurations et plusieurs types d’hologrammes soient réalisables, toutes les méthodes reposent fondamentalement sur l’interaction de la lumière se propageant depuis des directions distinctes. Cette interaction génère un motif d'interférence microscopique, qui est ensuite capturé photographiquement par une plaque, un film ou un autre support d'enregistrement approprié.
Une configuration holographique répandue implique de diviser un faisceau laser en deux composants distincts : le faisceau objet et le faisceau de référence. Le faisceau objet subit une expansion via une lentille et est ensuite dirigé pour éclairer le sujet. Le support d'enregistrement est positionné pour intercepter la lumière réfléchie ou diffusée par le sujet. Étant donné que la périphérie du support servira en fin de compte d'ouverture de visualisation pour le sujet, son emplacement est stratégiquement déterminé. Parallèlement, le faisceau de référence est également étendu et dirigé pour frapper directement le support d'enregistrement, où il interagit de manière cohérente avec la lumière émanant du sujet pour former le motif d'interférence requis.
Semblable à la photographie conventionnelle, l'holographie impose une durée d'exposition adéquate pour influencer correctement le support d'enregistrement. Cependant, une distinction essentielle par rapport à la photographie traditionnelle réside dans l'exigence d'une immobilité absolue entre la source de lumière, les composants optiques, le support d'enregistrement et le sujet pendant l'exposition. Cette stabilité doit être maintenue à environ un quart de la longueur d'onde de la lumière ; sinon, le motif d'interférence deviendra flou, rendant l'hologramme défectueux. Pour les sujets animés ou certains matériaux instables, cette précision n'est possible que grâce à l'application d'une impulsion laser exceptionnellement intense et brève, une méthodologie dangereuse rarement utilisée au-delà des environnements de laboratoire scientifiques et industriels spécialisés. Plus généralement, les expositions durent de quelques secondes à plusieurs minutes, en utilisant un laser fonctionnant en continu et d'une puissance nettement inférieure.
Équipement holographique
Les hologrammes peuvent être générés en dirigeant une partie d'un faisceau lumineux directement sur le support d'enregistrement, tout en éclairant simultanément un objet avec la partie restante de telle sorte qu'une partie de la lumière diffusée atteigne également le support. Cependant, une configuration plus adaptable pour l'enregistrement holographique consiste à guider le faisceau laser à travers une séquence de composants optiques qui modifient ses caractéristiques. Le composant initial de cette séquence est un séparateur de faisceau, qui divise le faisceau incident en deux faisceaux identiques, chacun se propageant dans une direction distincte :
- L'un de ces faisceaux, appelé « éclairage » ou « faisceau d'objet », est étendu grâce à l'utilisation de lentilles et ensuite dirigé vers la scène via des miroirs. Une fraction de la lumière diffusée ou réfléchie par la scène empiète alors sur le support d'enregistrement.
- Le deuxième faisceau, appelé "faisceau de référence", est étendu de la même manière à l'aide de lentilles, mais est orienté de manière à contourner entièrement la scène et à passer directement au support d'enregistrement.
Une variété de matériaux peuvent être utilisés comme support d'enregistrement holographique. Parmi les plus fréquemment utilisés se trouve un film ressemblant beaucoup à un film photographique conventionnel (en particulier, une émulsion photographique aux halogénures d'argent), mais qui se distingue par des grains photoréactifs nettement plus petits, idéalement avec des diamètres inférieurs à 20 nm. Cette caractéristique permet la haute résolution essentielle pour les applications holographiques. Une couche de ce support d'enregistrement, tel que l'halogénure d'argent, est généralement apposée sur un substrat transparent, qui est le plus souvent du verre mais peut également être du plastique.
Procédure holographique
En atteignant le support d'enregistrement, les ondes lumineuses des deux faisceaux laser se croisent et génèrent un motif d'interférence. Ce motif spécifique est ensuite imprimé sur le support d'enregistrement. Le motif résultant semble aléatoire car il code l'interaction entre la lumière de la scène et la source lumineuse d'origine, plutôt que la source lumineuse elle-même. Par conséquent, ce motif d'interférence fonctionne comme une représentation codée de la scène, nécessitant la source de lumière originale comme clé spécifique pour la récupération du contenu.
La clé requise est ensuite fournie en dirigeant un laser, identique à celui utilisé lors de l'enregistrement de l'hologramme, sur le film développé. Lorsque ce faisceau illumine l'hologramme, il subit une diffraction par le motif de surface de l'hologramme. Ce processus reconstruit un champ lumineux qui reproduit précisément celui initialement généré par la scène et diffusé sur le support holographique.
Analyse comparative avec la photographie
L'holographie peut être comprise de manière plus complète en examinant ses distinctions par rapport à la photographie conventionnelle.
- Contrairement à une photographie, qui capture la lumière provenant d'une seule direction, un hologramme enregistre des informations sur la lumière diffusée depuis la scène d'origine dans une multitude de directions. Cet enregistrement complet permet d'observer la scène sous différentes perspectives, simulant sa présence physique.
- Alors que les photographies conventionnelles peuvent être prises à l'aide de sources lumineuses standards, telles que la lumière du soleil ou un éclairage artificiel, l'enregistrement d'un hologramme nécessite l'utilisation d'un laser.
- La photographie nécessite l'utilisation d'un objectif pour capturer une image, tandis qu'en holographie, la lumière émanant de l'objet est directement dispersée sur le support d'enregistrement sans intermédiaires optiques.
- Le processus d'enregistrement holographique nécessite l'introduction d'un deuxième faisceau lumineux, appelé faisceau de référence, qui est dirigé sur le support d'enregistrement.
- Les photographies peuvent être observées dans diverses conditions d'éclairage, contrairement aux hologrammes, qui nécessitent un éclairage très spécifique pour une visualisation correcte.
- Si une photographie est divisée en deux, chaque segment obtenu affiche uniquement la moitié de la scène d'origine. A l’inverse, si un hologramme est divisé en deux, l’intégralité de la scène reste observable dans chaque fragment. Ce phénomène se produit car, contrairement à une photographie où chaque point représente la lumière diffusée depuis un point singulier de la scène, chaque point sur un enregistrement holographique encapsule des informations concernant la lumière diffusée depuis chaque point de la scène. Une analogie illustrative consiste à observer une rue depuis l’extérieur d’une maison, d’abord à travers une grande fenêtre, puis à travers une plus petite. Alors que tous les éléments restent visibles à travers la petite fenêtre (en ajustant l'angle de vue), la plus grande fenêtre permet un champ de vision plus large à la fois.
- Un stéréogramme photographique, une représentation bidimensionnelle, peut générer une illusion tridimensionnelle, mais uniquement à partir d'un point de vue unique. En revanche, la plage de visualisation reconstruite d'un hologramme intègre un nombre nettement plus grand d'indices de perception de la profondeur inhérents à la scène originale. Ces signaux sont ensuite traités par le cerveau humain, ce qui entraîne la perception d'une image tridimensionnelle identique à celle ressentie lors de l'observation directe de la scène originale.
- Alors qu'une photographie délimite explicitement le champ lumineux de la scène originale, la surface d'un hologramme développé présente un motif extrêmement fin, apparemment stochastique, qui n'a aucune ressemblance apparente avec la scène enregistrée.
Physique de l'holographie
Pour comprendre complètement le processus holographique, une compréhension de l'interférence et de la diffraction est essentielle. L'interférence se manifeste lorsqu'un ou plusieurs fronts d'onde se superposent, tandis que la diffraction se produit lorsqu'un front d'onde interagit avec une obstruction. L'explication ultérieure de la reconstruction holographique est présentée uniquement à travers les principes d'interférence et de diffraction. Bien que quelque peu simplifié, cet exposé fournit une conceptualisation suffisamment précise du fonctionnement holographique.
Fronts d'onde plans
Fronts d'onde plans
Un réseau de diffraction constitue une structure caractérisée par un motif périodique. Une illustration simple est une plaque métallique comportant des fentes régulièrement espacées. Lorsqu'une onde lumineuse arrive sur un tel réseau, elle est résolue en plusieurs ondes diffractées, dont les vecteurs directionnels sont régis par l'espacement du réseau et la longueur d'onde de la lumière incidente.
Pour créer un hologramme de base, deux ondes planes provenant d'une source de lumière identique sont superposées sur un support d'enregistrement holographique. Leur interférence génère un motif de franges linéaires, caractérisé par une variation sinusoïdale d'intensité à travers le milieu. La séparation de ces franges dépend de l'angle entre les deux ondes et de la longueur d'onde de la lumière.
Le motif lumineux enregistré qui en résulte fonctionne comme un réseau de diffraction. Lors de l'éclairage avec une seule des ondes d'origine, on observe une onde diffractée émerger à l'angle précis de l'incidence initiale de la deuxième onde, réalisant ainsi sa « reconstruction ». Par conséquent, ce motif lumineux enregistré constitue un enregistrement holographique, conforme à la définition précédente.
Sources ponctuelles
Lorsqu'un support d'enregistrement est exposé à une source ponctuelle et à une onde plane incidente perpendiculairement, le motif généré se manifeste sous la forme d'une plaque de zone sinusoïdale. Cette configuration se comporte comme une lentille de Fresnel négative, avec sa distance focale correspondant à la distance entre la source ponctuelle et le plan d'enregistrement.
L'éclairage d'une lentille négative par un front d'onde plan provoque l'expansion du front d'onde en une onde qui semble diverger du point focal de la lentille. Par conséquent, lorsque le motif enregistré est ensuite éclairé par l’onde plane initiale, une partie de la lumière subit une diffraction en un faisceau divergent, qui reproduit l’onde sphérique d’origine. Ce processus crée efficacement un enregistrement holographique de la source ponctuelle.
Si l'onde plane frappe le support d'enregistrement selon un angle oblique pendant la phase d'enregistrement, le motif résultant devient plus complexe. Néanmoins, il conserve sa fonction de lentille négative lorsqu'il est éclairé sous l'angle d'incidence d'origine.
Objets complexes
Pour générer un hologramme d'un objet complexe, un faisceau laser est initialement divisé en deux faisceaux lumineux distincts. Un faisceau irradie l'objet, l'amenant à diffuser la lumière sur le support d'enregistrement. Basé sur la théorie de la diffraction, chaque point de l'objet fonctionne comme une source de lumière ponctuelle individuelle, ce qui implique que le support d'enregistrement est efficacement éclairé par un ensemble de sources ponctuelles situées à diverses distances de lui.
Le deuxième faisceau, désigné comme faisceau de référence, illumine directement le support d'enregistrement. Chaque onde provenant d'une source ponctuelle interfère avec ce faisceau de référence, générant ainsi une plaque de zone sinusoïdale distincte au sein du support d'enregistrement. Le motif cumulatif est la superposition de toutes ces « plaques de zone » individuelles, qui forment collectivement une apparence aléatoire et mouchetée.
Lors de l'éclairage de l'hologramme par le faisceau de référence d'origine, chaque plaque de zone individuelle reconstruit l'onde d'objet spécifique responsable de sa création. Ces fronts d’onde individuels fusionnent ensuite pour reconstruire l’intégralité du faisceau objet. Par conséquent, l'observateur perçoit un front d'onde impossible à distinguer de celui diffusé par l'objet sur le support d'enregistrement, créant l'illusion que l'objet reste présent même après son retrait physique.
Applications
Art
Dès sa création, les artistes ont reconnu le potentiel artistique de l'holographie et ont cherché à accéder aux laboratoires scientifiques pour produire leurs créations. L'art holographique émerge fréquemment de collaborations entre scientifiques et artistes, bien que certains praticiens de l'holographie s'identifient à la fois comme artistes et scientifiques.
Salvador Dalí a affirmé son rôle de pionnier dans l'application artistique de l'holographie. Bien qu'il soit indéniablement le premier et le plus célèbre surréaliste à s'intéresser à ce médium, son exposition d'hologrammes à New York en 1972 a été précédée par des expositions d'art holographique à la Cranbrook Academy of Art du Michigan en 1968 et à la galerie Finch College de New York en 1970, cette dernière attirant l'attention des médias nationaux. Parallèlement, en Grande-Bretagne, Margaret Benyon a commencé à utiliser l'holographie comme médium artistique à la fin des années 1960, aboutissant à une exposition personnelle à la galerie d'art de l'Université de Nottingham en 1969. Elle a été suivie en 1970 par une présentation personnelle à la Lisson Gallery de Londres, présentée comme « la première exposition londonienne d'hologrammes et de peintures stéréoscopiques ».
Au cours des années 1970, de nombreux studios d'art et établissements d'enseignement ont vu le jour, chacun adoptant une approche méthodologique distincte de l'holographie. Parmi les exemples marquants figurent la San Francisco School of Holography, fondée par Lloyd Cross ; Le Musée d'Holographie de New York, créé par Rosemary (Posy) H. Jackson ; le Royal College of Art de Londres ; et les symposiums du Lake Forest College, organisés par Tung Jeong. Bien que ces premiers établissements ne soient plus opérationnels, des institutions contemporaines telles que le Center for the Holographic Arts à New York et le HOLOcenter à Séoul offrent aux artistes des lieux où développer et exposer leurs créations.
Les années 1980 ont été témoins d'une diffusion importante de l'holographie en tant que médium artistique naissant, largement facilitée par de nombreux praticiens, dont Harriet Casdin-Silver (États-Unis), Dieter Jung (Allemagne) et Moysés Baumstein (Brésil). Ces artistes ont collectivement cherché à établir un « langage » artistique distinct pour les œuvres holographiques tridimensionnelles, allant au-delà de simples reproductions de sculptures ou d'objets. Au Brésil, par exemple, plusieurs poètes concrets — Augusto de Campos, Décio Pignatari, Julio Plaza et José Wagner Garcia, en collaboration avec Moysés Baumstein — ont utilisé l'holographie comme nouveau moyen d'expression et méthode pour revitaliser la poésie concrète.
Une cohorte dévouée, bien que restreinte, d'artistes contemporains continue d'incorporer des éléments holographiques dans leurs pratiques créatives. Ces artistes s'engagent souvent avec des méthodologies holographiques innovantes ; par exemple, Matt Brand a utilisé la conception de miroirs informatiques pour atténuer la distorsion de l'image inhérente à l'holographie spéculaire.
Le musée du MIT et Jonathan Ross conservent d'importantes collections d'holographies, complétées par des catalogues en ligne présentant des hologrammes artistiques.
Stockage des données
Le stockage de données holographiques représente une méthodologie capable de stocker des informations à haute densité dans des matériaux cristallins ou photopolymères. La capacité de stocker des volumes substantiels de données sur un support donné est d'une importance cruciale, compte tenu de l'intégration généralisée des dispositifs de stockage dans de nombreux produits électroniques. Alors que les technologies de stockage existantes, illustrées par les disques Blu-ray, se rapprochent de leurs limites théoriques de densité de données (contraintes par les dimensions limitées par la diffraction des faisceaux d'écriture), le stockage holographique apparaît comme un candidat prometteur pour la génération suivante de supports de stockage courants. Un avantage clé de ce paradigme de stockage est son utilisation de la totalité du volume du support d'enregistrement, plutôt que de se limiter à sa surface. Les modulateurs spatiaux de lumière (SLM) contemporains sont capables de générer environ 1 000 images distinctes par seconde à une résolution de 1 024 x 1 024 bits, permettant ainsi une vitesse d'écriture d'environ un gigabit par seconde.
En 2005, des sociétés comme Optware et Maxell ont développé un disque de 120 mm utilisant une couche holographique pour le stockage de données, offrant une capacité potentielle de 3,9 To. Ce format a été désigné disque polyvalent holographique. Cependant, en septembre 2014, aucun produit commercial utilisant cette technologie n'avait été commercialisé.
InPhase Technologies, une autre entité, était engagée dans le développement d'un format rival ; cependant, la société a déclaré faillite en 2011, ce qui a conduit à l'acquisition de tous ses actifs par Akonia Holographics, LLC.
Bien que de nombreux paradigmes de stockage de données holographiques aient historiquement utilisé le stockage « basé sur des pages », dans lequel chaque hologramme enregistré encapsule un volume substantiel de données, les recherches contemporaines sur les « microhologrammes » de taille submicrométrique ont donné naissance à plusieurs solutions prometteuses de stockage de données optiques tridimensionnelles. Même si cette méthodologie particulière de stockage de données n'atteint pas les débits de données élevés caractéristiques du stockage par page, elle présente des tolérances, des complexités technologiques et des coûts de production considérablement réduits pour une mise en œuvre commerciale.
Holographie dynamique
En holographie statique, les processus d'enregistrement, de développement et de reconstruction sont effectués de manière séquentielle, aboutissant à la création d'un hologramme permanent.
À l'inverse, certains matériaux holographiques existent qui évitent le besoin d'un processus de développement, permettant un enregistrement rapide de l'hologramme. Cette capacité facilite l’application de l’holographie pour exécuter diverses opérations élémentaires de manière entièrement optique. Les applications illustratives de ces hologrammes en temps réel comprennent les miroirs à conjugaison de phase (permettant l'« inversion temporelle » de la lumière), les mémoires cache optiques, le traitement d'images (tel que la reconnaissance de formes pour les images dynamiques) et l'informatique optique.
Les hologrammes dynamiques facilitent le traitement de gros volumes d'informations, atteignant des térabits par seconde, en raison de leur fonctionnement parallèle sur une image entière. Cette capacité de traitement parallèle atténue la durée d'enregistrement relativement longue, généralement de l'ordre de la microseconde, par rapport aux vitesses de traitement rapides des ordinateurs électroniques. Cependant, le traitement optique via des hologrammes dynamiques présente moins de flexibilité que les méthodes électroniques, car les opérations doivent toujours englober l'intégralité de l'image et se limitent fondamentalement à la multiplication ou à la conjugaison de phases. À l'inverse, les systèmes optiques effectuent facilement des additions et des transformées de Fourier dans des matériaux linéaires, avec une simple lentille réalisant cette dernière, permettant ainsi des applications spécifiques telles que les dispositifs de comparaison d'images optiques.
Le développement de nouveaux matériaux optiques non linéaires pour l'holographie dynamique constitue un domaine de recherche dynamique. Bien que les cristaux photoréfractifs soient principalement utilisés, des hologrammes ont également été générés avec succès dans un large éventail de substances, notamment des semi-conducteurs, des hétérostructures semi-conductrices (par exemple, des puits quantiques), des vapeurs atomiques, des gaz, des plasmas et même des liquides.
La conjugaison de phase optique représente une application particulièrement prometteuse, permettant l'élimination des distorsions du front d'onde provoquées par un faisceau lumineux traversant un milieu aberrant. Ceci est réalisé en retransmettant le faisceau à travers le milieu identique avec une phase conjuguée. Une telle capacité s'avère précieuse dans des contextes tels que les communications optiques en espace libre, où elle peut atténuer les effets de la turbulence atmosphérique, le phénomène responsable du scintillement apparent de la lumière des étoiles.
Applications amateurs
Depuis les débuts de l'holographie, de nombreux praticiens ont étudié ses applications potentielles et ont présenté leurs créations au public.
En 1971, Lloyd Cross a créé l'École d'holographie de San Francisco, où il a formé des amateurs à la création d'hologrammes en utilisant uniquement un laser hélium-néon modeste (généralement 5 mW) et un appareil économique auto-fabriqué. Traditionnellement, on pensait que l'holographie nécessitait une table optique métallique coûteuse pour sécuriser de manière rigide tous les composants et supprimer les vibrations susceptibles de dégrader les franges d'interférence et de compromettre la qualité de l'hologramme. La solution innovante et peu coûteuse de Cross impliquait un bac à sable construit à partir d'un mur de soutènement en parpaings sur une base en contreplaqué, soutenu par des piles de pneus usagés pour l'isoler des vibrations du sol et rempli de sable lavé pour éliminer la poussière. Le laser était fermement fixé au mur en parpaings. Des miroirs et des lentilles de base, essentiels pour diriger, diviser et étendre le faisceau laser, ont été fixés à de courtes sections de tuyaux en PVC insérées dans le sable à des endroits précis. Le sujet et le support de plaque photographique étaient soutenus de la même manière dans ce bac à sable. L'holographe éteignait les lumières de la pièce, obstruait le faisceau laser près de son origine avec un petit obturateur commandé par relais, chargeait une plaque photographique dans son support dans l'obscurité, quittait la pièce, laissait plusieurs minutes pour la stabilisation, puis initiait l'exposition en activant à distance l'obturateur laser.
En 1979, Jason Sapan a fondé Holographic Studios à New York. Depuis sa création, le studio a joué un rôle déterminant dans la production de nombreux holographes pour une clientèle diversifiée, comprenant à la fois des artistes et des entreprises. Sapan lui-même a été qualifié de « dernier holographe professionnel de New York ».
Un nombre important de ces holographes ont ensuite consacré leurs efforts à la création d'hologrammes artistiques. En 1983, Fred Unterseher, co-fondateur de la San Francisco School of Holography et éminent artiste holographique, est l'auteur du Holography Handbook. Cette publication accessible a servi de guide pratique pour la production nationale d'hologrammes, attirant ainsi une nouvelle génération d'holographes et diffusant des techniques simples d'utilisation des matériaux d'enregistrement aux halogénures d'argent AGFA répandus à l'époque.
En 2000, Frank DeFreitas a publié le Shoebox Holography Book, popularisant l'utilisation de pointeurs laser bon marché auprès de nombreux amateurs. La sagesse conventionnelle pensait que les attributs spécifiques des diodes laser à semi-conducteur les rendaient impraticables pour les applications holographiques. Cependant, des expériences empiriques ont non seulement révélé l’erreur de cette hypothèse, mais ont également démontré que certaines diodes offraient une longueur de cohérence nettement supérieure à celle des lasers à gaz hélium-néon conventionnels. Cette avancée s'est avérée cruciale pour les praticiens amateurs, étant donné que le coût des diodes laser rouges était passé de plusieurs centaines de dollars au début des années 1980 à environ 5 dollars suite à leur large disponibilité sur le marché sous forme de composants récupérés sur des lecteurs de CD et, par la suite, de DVD à partir du milieu des années 1980. Par conséquent, la communauté mondiale des holographes amateurs se compte désormais par milliers.
À la fin des années 2000, des kits holographiques intégrant des diodes de pointeur laser abordables sont devenus accessibles sur le marché grand public. Ces kits ont facilité la création de divers types d'hologrammes par les étudiants, les enseignants et les amateurs, éliminant ainsi le besoin d'équipement spécialisé, et sont ensuite devenus des produits de consommation populaires en 2005. L'introduction ultérieure de kits holographiques comprenant des plaques à développement automatique en 2003 a encore rationalisé le processus, permettant aux amateurs de produire des hologrammes sans les complexités du traitement chimique humide.
En 2006, la disponibilité d'une quantité substantielle de lasers verts excédentaires de qualité holographique. (Coherent C315) a rendu l'holographie à la gélatine dichromatée (DCG) accessible aux praticiens amateurs. La communauté holographique a exprimé son étonnement face à la remarquable sensibilité du DCG à la lumière verte. Les hypothèses précédentes postulaient qu’une telle sensibilité serait soit négligeable, soit totalement absente. En réponse, Jeff Blyth a développé la formulation G307 du DCG, qui a amélioré sa vitesse et sa sensibilité lorsqu'elle est utilisée avec ces nouveaux lasers.
Kodak et Agfa, auparavant principaux fabricants de plaques et de films aux halogénures d'argent de qualité holographique, se sont retirés de ce segment de marché. Bien que d’autres fabricants aient partiellement comblé ce déficit d’approvisionnement, un nombre important d’holographes amateurs synthétisent désormais leurs propres matériaux. Les formulations préférées comprennent la gélatine dichromatée, la gélatine dichromatée sensibilisée au bleu de méthylène et les préparations aux halogénures d'argent utilisant le procédé de diffusion. Jeff Blyth a diffusé des méthodologies précises pour produire ces matériaux dans de modestes laboratoires ou dans des environnements domestiques.
Une cohorte spécialisée d'amateurs passionnés est même engagée dans la construction de lasers pulsés personnalisés pour générer des hologrammes de sujets animés et d'autres objets instables ou dynamiques.
Interférométrie holographique
L'interférométrie holographique (HI) constitue une méthodologie permettant de quantifier avec précision les déplacements statiques et dynamiques d'objets possédant des surfaces optiquement rugueuses, obtenant ainsi une précision interférométrique optique, en particulier pour des fractions de longueur d'onde lumineuse. De plus, HI facilite la détection des variations de longueur de trajet optique dans des supports transparents, permettant ainsi la visualisation et l'analyse de phénomènes tels que l'écoulement des fluides. De plus, cette technique est applicable pour générer des contours qui délimitent la morphologie de la surface ou définissent des régions isodoses en dosimétrie des rayonnements.
Cette technique a trouvé de nombreuses applications dans la mesure des contraintes, des déformations et des vibrations au sein des structures d'ingénierie.
Microscopie interférométrique
Un hologramme préserve les informations relatives à la fois à l'amplitude et à la phase d'un champ optique. Plusieurs hologrammes peuvent stocker collectivement des données concernant une distribution de lumière identique, même lorsqu'ils sont émis dans des directions différentes. L'analyse numérique de ces hologrammes permet l'émulation d'une grande ouverture numérique, améliorant ainsi les capacités de résolution de la microscopie optique. Cette technique spécialisée est appelée microscopie interférométrique. Les progrès contemporains de la microscopie interférométrique ont facilité l'obtention d'une résolution proche de la limite du quart de longueur d'onde.
Capteurs et biocapteurs
Les hologrammes sont fabriqués à l'aide de matériaux modifiés conçus pour interagir avec des molécules spécifiques, induisant ainsi des altérations de la périodicité des franges ou de l'indice de réfraction, ce qui modifie par conséquent la couleur de la réflexion holographique.
Applications de sécurité
Les hologrammes remplissent une fonction de sécurité cruciale, car leur réplication à partir d'un maître nécessite un équipement coûteux, spécialisé et technologiquement sophistiqué, ce qui rend leur contrefaçon difficile. Leur application est étendue à de nombreuses devises, notamment les billets brésiliens de 20, 50 et 100 reais ; Billets britanniques de 5, 10, 20 et 50 livres ; Billets sud-coréens de 5 000, 10 000 et 50 000 wons ; Billets japonais de 5 000 et 10 000 yens ; Billets indiens de 50, 100 et 500 roupies ; et tous les billets de banque courants en dollar canadien, en kuna croate, en couronne danoise et en euro. De plus, les hologrammes sont intégrés aux cartes de crédit et bancaires, aux passeports, aux cartes d'identité, aux livres, aux emballages alimentaires, aux DVD et aux équipements sportifs. Ces hologrammes se présentent sous divers formats, allant des bandes adhésives laminées sur les emballages de biens de consommation à rotation rapide aux étiquettes holographiques sur les produits électroniques. Ils intègrent fréquemment des éléments textuels ou picturaux pour protéger les identités et distinguer les articles authentiques des contrefaçons.
Des scanners holographiques sont déployés dans les bureaux de poste, les grandes compagnies maritimes et les systèmes de convoyeurs automatisés pour vérifier les dimensions tridimensionnelles des colis. Ces scanners sont fréquemment associés à des trieuses pondérales, facilitant le pré-emballage automatisé de volumes spécifiques, tels que ceux requis pour les expéditions en vrac par camion ou par palette. De plus, les hologrammes fabriqués dans les élastomères fonctionnent comme des rapporteurs de contrainte et de déformation ; leur élasticité et leur compressibilité signifient que la pression et la force appliquées sont en corrélation avec la longueur d'onde réfléchie, influençant ainsi leur couleur. La technique de l'holographie démontre également son efficacité en dosimétrie des rayonnements.
Plaques d'immatriculation haute sécurité
Les hologrammes de haute sécurité sont applicables aux plaques d'immatriculation des véhicules, y compris celles des voitures et des motos. Depuis avril 2019, les plaques d'immatriculation holographiques sont obligatoires pour les véhicules dans certaines régions de l'Inde afin de renforcer l'identification et la sécurité, notamment en cas de vol de véhicule. Ces plaques d'immatriculation stockent les données électroniques du véhicule, comprenant un numéro d'identification unique et une vignette d'authenticité.
Holographie utilisant d'autres types d'ondes
Fondamentalement, des hologrammes peuvent être générés pour n'importe quel type d'onde.
L'holographie électronique consiste à appliquer des techniques holographiques aux ondes électroniques plutôt qu'aux ondes lumineuses. Dennis Gabor a développé cette méthode pour améliorer la résolution et atténuer les aberrations inhérentes aux microscopes électroniques à transmission. Actuellement, il est largement utilisé pour étudier les champs électriques et magnétiques au sein de films minces, étant donné que ces champs peuvent induire un déphasage dans l’onde interférente traversant l’échantillon. Les principes fondamentaux de l'holographie électronique sont également transférables à la lithographie interférentielle.
L'holographie acoustique facilite la création de cartes sonores pour un objet. Ce processus implique de prendre de nombreuses mesures du champ acoustique à proximité immédiate de l'objet, qui sont ensuite traitées numériquement pour reconstruire les « images » de l'objet.
L'holographie atomique est née des progrès réalisés dans les composants fondamentaux de l'optique atomique. L'intégration de lentilles de diffraction de Fresnel et de miroirs atomiques représente une progression logique dans la physique et les applications des faisceaux atomiques. Des innovations récentes, en particulier les miroirs atomiques et les miroirs striés, ont fourni les outils requis pour générer des hologrammes atomiques, bien que ceux-ci n'aient pas encore été commercialisés.
L'holographie par faisceau de neutrons a été utilisée pour visualiser les structures internes d'objets solides.
Les hologrammes à rayons X sont produits à l'aide de synchrotrons ou de lasers à électrons libres à rayons X comme sources de rayonnement, avec des détecteurs pixellisés comme les CCD servant de support d'enregistrement. La reconstruction holographique est ensuite obtenue grâce à des méthodes informatiques. Étant donné la longueur d’onde plus courte des rayons X par rapport à la lumière visible, cette technique permet d’imager des objets avec une résolution spatiale supérieure. De plus, comme les lasers à électrons libres peuvent fournir des impulsions de rayons X intenses, cohérentes et ultracourtes de l'ordre de la femtoseconde, l'holographie aux rayons X a été utilisée pour enregistrer des processus dynamiques ultrarapides.
Idées fausses sur l'holographie
De nombreuses illusions qui se présentent sous la forme d'images tridimensionnelles, semblent flotter dans l'espace ou présentent d'autres ressemblances superficielles ont été identifiées à tort comme des hologrammes. Ceux-ci incluent les effets générés par l'impression lenticulaire, l'impression sur feuille irisée, les bubblegrams, l'illusion fantôme de Pepper (et ses itérations contemporaines comme le Musion Eyeliner), la tomographie et les affichages volumétriques. De telles illusions trompeuses sont parfois appelées « fausselographie ».
La technique du fantôme de Pepper est principalement utilisée dans les écrans 3D souvent commercialisés ou décrits comme « holographiques ». Alors que l'illusion théâtrale originale utilisait des objets physiques et des artistes positionnés hors scène, les itérations contemporaines remplacent l'objet source par un écran numérique, restituant les images via une infographie 3D pour fournir les indices de profondeur requis. Cependant, les reflets d'images bidimensionnelles peuvent présenter un réalisme réduit par rapport aux véritables objets tridimensionnels. A l’inverse, la rétroprojection d’images réalistes sur des écrans semi-transparents permet d’obtenir un effet illusoire identique. Les exemples marquants d'illusions fantômes numériques de Pepper incluent les performances virtuelles « live » de Gorillaz (aux MTV Europe Music Awards 2005 et aux 48e Grammy Awards), l'apparition de Tupac Shakur au Coachella Valley Music and Arts Festival 2012, le supergroupe suédois ABBA, le groupe de rock américain Kiss et diverses applications impliquant Hatsune Miku et d'autres synthétiseurs de chant Vocaloid.
L'holographie est fondamentalement distincte de la spéculaire. l'holographie, cette dernière étant une méthode permettant de générer des images tridimensionnelles en manipulant le mouvement des réflexions spéculaires sur un plan bidimensionnel. Cette technique fonctionne grâce à la manipulation réfléchissante ou réfractive de faisceaux de rayons lumineux, plutôt que de s'appuyer sur des phénomènes d'interférence et de diffraction.
Hologrammes tactiles
Dans la fiction
L'holographie a été largement référencée dans divers médias, notamment les films, les romans et la télévision, principalement dans le genre de la science-fiction depuis la fin des années 1970. Les auteurs de science-fiction ont assimilé les idées fausses populaires concernant l’holographie, qui avaient été diffusées par des scientifiques et des entrepreneurs trop zélés qui s’efforçaient de commercialiser le concept. Par conséquent, cela a favorisé des attentes exagérées du public concernant les capacités de l'holographie, en grande partie attribuables à ses représentations irréalistes dans la plupart des œuvres de fiction, où elle est représentée comme des projections informatiques entièrement tridimensionnelles parfois rendues tactiles via des champs de force. Des exemples illustratifs de telles représentations incluent l'hologramme de la princesse Leia dans Star Wars, Arnold Rimmer de Red Dwarf (converti par la suite en « lumière dure » pour plus de solidité), et le Holodeck et l'hologramme médical d'urgence de Star Trek.
L'holographie a inspiré de nombreux jeux vidéo incorporant des éléments de science-fiction. Dans de nombreux titres, la technologie holographique fictive a été utilisée pour refléter des interprétations erronées du monde réel concernant les applications militaires potentielles des hologrammes, illustrées par les "chars mirage" dans Command & Conquérir : Red Alert 2, qui peut se camoufler en arbres. Les personnages joueurs peuvent déployer des leurres holographiques dans des jeux comme Halo : Reach et Crysis 2 pour désorienter et détourner les adversaires. L'agent fantôme Starcraft Nova possède un « leurre holo » comme l'une de ses trois capacités principales dans Heroes of the Storm.
Néanmoins, les représentations fictives d'hologrammes ont stimulé les progrès technologiques dans d'autres domaines, tels que la réalité augmentée, qui visent à réaliser les capacités décrites dans la fiction grâce à des méthodologies alternatives.
Références
Références
Bibliographie
- Gabor, Dennis. "Autobiographie." Nobelprize.org, 30 septembre 2004.
- "Holographie, 1948-1971 Conférence Nobel." Livré le 11 décembre 1971.
- Wilson, Tracy V. "Comment fonctionnent les hologrammes". Comment ça marche, 30 août 2023.
- Le magasin de la pensée. "Faire de vrais hologrammes !!!!" YouTube, 19 novembre 2020.
- Sanderson, Grant (3Blue1Brown). "Comment les hologrammes sont-ils possibles ?" YouTube, 5 octobre 2024.