A tudós, akinek a holográfiát köszönheti a világ

A képalkotási módszerek hosszú ideig foglalkoztatták a Nobel-díjas magyar fizikust és villamosmérnököt, Gábor Dénest. A múlt század negyvenes éveiben, amikor már Angliában élt és dolgozott, felmerült benne, hogy a fényhullámok igazán akkor adhatnak háromdimenziós képet, ha nemcsak a hullámok amplitúdóját hasznosítjuk a szokásos optikai eljárással, hanem annak fázisát is. Ehhez alkotta meg saját kifejezését, a hologramot, illetve a holográfiát. Így akarta kifejezni, hogy a teljes információt hasznosítja az eljárás során. 

Gábor DénesFotó: Wikimedia Commons

Ennek előfeltétele azonban, hogy a fényforrás által kibocsátott fény koherens legyen, azaz a kibocsátott fényhullámok fázisa megegyezzen. Amikor Gábor Dénes foglalkozni kezdett ezzel a területtel, még nem létezett ilyen fényforrás, ezért higanygőzlámpák sugarainak erős szűrésével hozott létre részleges koherenciát. Ez viszont még nem volt alkalmas hologram előállítására, csak demonstrálni lehetett vele az elv működőképességét. Áttörést jelentett azonban a lézer feltalálása 1960-ban, mert így könnyen előállítható, koherens fényforráshoz lehetett jutni. Ennek köszönhetően sikerült 1964-ben használható minőségű hologramot készíteni. Azóta indult el diadalútjára a holográfia, amit ma már számos területen alkalmaznak, és mindennapi életünk szerves részévé vált. A Nobel-díj-bizottság a találmány korszakalkotó jelentőségét felismerve ítélte meg 24 év késéssel, 1971-ben a régen megérdemelt kitüntetést Gábor Dénesnek.  

Alkalmazás a mindennapokban: 2019-ben a francia politikusok mikrobuszokról vetített hologramok formájában kampányolnak országszerteFotó: Karine Pierre/Hans Lucas

Budapest, Berlin, London

A holográfia megteremtője Budapesten született, éppen a századforduló évében, 1900. június 5-én, zsidó családban. Születéskor a Günszberg Dénes nevet kapta, de az akkori asszimilációs áramlathoz igazodva a család nevet változtatott, így vették fel a Gábor nevet, majd tértek át az evangélikus vallásra 1918-ban. 

Középiskolai tanulmányait Budapesten végezte (Markó utcai Magyar Királyi Főreáliskola), majd az érettségi után rövid katonai szolgálatot teljesített, onnan az észak-itáliai fegyverszünet után leszerelt, és beiratkozott a Magyar Királyi József Nádor Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem gépészmérnöki szakára. Sokirányú érdeklődését mutatja, hogy emellett Berlinben elektromérnöki kurzusokat is felvett a Charlottenburg Technische Hochschule hallgatójaként, és rendszeresen részt vett a modern fizika eredményeit feldolgozó szemináriumokon, ahol kapcsolatba került Szilárd Leóval, Wigner Jenővel és Neumann Jánossal is. Első szigorlatát még a budapesti Műegyetemen tette le, viszont a mérnöki diplomáját 1924-ben már a berlini Humboldt Egyetemen kapta meg.

Gábor Dénes a diploma megszerzése utáni első éveket Németországban töltötte: elektromos kisülési jelenségeket vizsgált a Siemens laboratóriumában, illetve gyárában. Nagyfeszültségű kisülési jelenségekkel foglalkozott, gyors és érzékeny oszcillográfokat hozott létre. Elektronsugarak felhasználásával dolgozott ki képalkotási módszereket, ennek során készített tévécsöveket és fejlesztett ki elektronmikroszkópokat. 

Az 1933-as náci hatalomátvétel pályaváltásra kényszerítette: Németországot elhagyva  először Magyarországra jött, ahol az Egyesült Izzóban gázkisüléses vizsgálatokba kapcsolódott be, majd egy évvel később, 1934-ben Angliába utazott. Ez a választása már véglegesnek bizonyult: felvette a brit állampolgárságot, és 1956-ban eredményes munkájának elismeréseként a Royal Society tagjává választották. Ottani munkájának színhelye 14 éven át a British Thomson-Houston Társaság fejlesztési laboratóriuma volt, és 1947-ben ott dolgozta ki élete nagy művét, a holográfiát. 1949-ben professzori kinevezést kapott a londoni Imperiál College-ban, ahol először elektronikát, később elektronfizikát adott elő. Erre az időszakra esik magyarországi látogatása, amire 1962-ben került sor. 

A hologramkészítés receptje: végy egy adag koherens, monokromatikus fényt

A holográfia háromdimenziós fényképezésnek felel meg. Ehhez egy pontból szétáradó koherens és monokromatikus fényre van szükség, amit általában lézerdiódával, (legtöbbször vörös fényű hélium-neon lézerrel) állítanak elő. A kulcslépés a sugárzás két nyalábra bontása, amit lencsékkel nagy felületen szórnak szét, és tükrökkel irányítanak a megfelelő helyre. Az egyik nyaláb irányul a fényképezendő tárgyra, ahonnan a szóródott fény fényérzékeny lemezre jut, míg ugyanezt a lemezt a másik sugárnyaláb közvetlenül éri el – ez utóbbi szolgál referenciaként. A két nyaláb intenzitását úgy kell beállítani, hogy a lemezre közel olyan intenzitású szórt fény jusson a tárgyról, mint amilyet a referenciasugár hoz létre. Jó minőségű kép elérése érdekében a szokásos fényképezési eljáráshoz képest sokkal nagyobb felbontású (finomabb szemcseméretű) fényérzékeny emulzióra van szükség.

Maria Callas hologram formájában lépett fel Párizsban, 2018. november 28-ánFotó: NATALIE HANDEL/AFP

A két sugárnyaláb a lemezen interferenciát hoz létre: ahol a fázis egyezik, ott felerősödik a két sugár intenzitása (amplitúdója), ahol ellentétes, ott gyengül, vagy teljesen kioltódik. A fáziskülönbség a fény által megtett utak különbségétől függ, ezért a lemezen az azonos irányból érkező sugarak eredő hatása eltér, amikor különböző mélységű pontoktól származik. 

Hogyan kapunk jó minőségű hologramot?

Jó minőségű hologram előállításához hosszú expozíciós időre van szükség, ami néhány másodperctől akár percekig is eltarthat. Ez alatt a megvilágított tárgy nem mozdulhat el, és kerülni kell a legkisebb vibrációt is. Az expozíciós időt a lézerimpulzus hosszúsága szabályozza. A hologram készítésénél el kell kerülni az egyéb fényforrások zavaró hatását.

Az ifjabb Nelson Piquet autóversenyző Usain Bolt atléta hologramjával koccint New Yorkban (2017)Fotó: Bryan Bedder/AFP

Szokásos megvilágítás mellett az előhívott filmen nem ismerhetjük fel a vizsgált tárgy képét, ez csupán a kép kódolt lenyomata, ahonnan elő kell csalogatni az információt. A háromdimenziós kép azonban láthatóvá válik, ha monokromatikus fényt alkalmazunk, amely a lemezen vagy áthalad (transzmissziós hologram), vagy reflektálódik (reflexiós hologram). A kép létrejöttéhez szemünk és agyunk összehangolt munkájára van szükség. A dekódolás úgy jön létre, hogy a holografikus lemez világosabb és sötétebb mikroszkopikus alakzatai optikai rácsot alkotnak, amelynek apró szemcséin szóródik az áthaladó fény, és az onnan induló diffrakciós hullámok frontvonalai összegződnek. Ez a művelet mintegy megfordítja azt az interferenciát, amit korábban létrehoztunk a holografikus lemezen, és ezáltal létrejön  az eredeti tárggyal pontosan egyező háromdimenziós kép.

A módszer sajátsága, hogy a kép előállításához nincs szükség a teljes lemezre, annak kisebb darabkája is létrehozza a lefényképezett tárgy háromdimenziós képét. Természetesen ilyenkor elvész az információ egy része, amiért a tárgy kevésbé lesz részletgazdag, a finomabb struktúrák elmosódottak lesznek..  

Gábor és a három fő veszély

Gábor Dénest a holográfia mellett erősen foglalkoztatták a jövő civilizációinak kérdései, mindenek előtt a kibernetika. Komoly veszélyt látott az önmagát reprodukálni képes mesterséges intelligencia létrehozásában. A modern társadalmat szerinte három fő veszély fenyegeti: a totális nukleáris háború, a túlnépesedés és az automata gépek miatti fizikai elkényelmesedés. Tőle származik a jelszó: a jövőt nem megjósolni kell, hanem feltalálni. Közéleti tevékenységéhez tartozik a Római Klub munkájában való aktív részvétel: a szervezet jelentéseiben az energiaforrások és a technikai fejlődés kapcsolatát tárgyalta. Ezek a jelentések hívták fel először a figyelmet a föld, a vizek és a levegő elszennyeződésesnek veszélyeire, ami ma már a környezetvédelem alapkérdése lett.

A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. A Qubiten a Kalandozások a fizikában címen futó sorozatának korábbi írásai itt olvashatóktudósportréit pedig itt találja.