홀로그램(hologram)은 물체에서 반사, 회절된 빛(물체파: object wave)을 그 빛과 간섭성이 있는 다른 파(기준파: reference wave)와 간섭시켜 간섭무늬를 필름에 기록한 것이다. 간섭무늬가 기록된 필름을 원래의 기준파에 놓으면 필름을 통과한 빛은 빛의 회절 원리에 의하여 물체에서 나온 것과 같은 파가 나오게 된다. 이를 쉽게 이해하기 위하여 기준파와 물체파가 다 같이 평면파인 경우를 생각해 보자.
두 평면파의 간섭무늬_ 두 평면파가 만나서 만드는 간섭무늬가 필름면에 형성되고 있다. 적절한 시간 동안 노출한 후 현상하게 되면 필름에 회절격자와 같은 패턴이 만들어질 것이다.
오른편 그림에서 이러한 두 파에 의해 필름 위에 간섭무늬가 기록되는 과정을 볼 수 있다. 실제로 필름은 보강간섭이 되어 빛이 강한 데서는 노출이 많아서 검게 변하고 소멸간섭이 되는 데에서는 필름이 투명한 채로 있게 된다. 이렇게 만들어진 필름은 같은 간격의 격자형 무늬를 가진 회절격자가 된다. 이 필름에 원래의 기준파를 비추면 회절격자에 의한 회절효과로 원래의 물체파와 같은 파를 비롯한 몇 개의 파가 평면파로 나가게 된다. 회절격자에서 격자간격을 $a$라 할 때 보강간섭을 하는 조건은 인 데 $n=0$인 경우가 회절격자를 그대로 통과해 나가는 기준파가 되고 $n=1$인 경우에는 물체파와 같은 파이다. 한편 $n=-1$인 경우에는 켤레파(conjugate wave: 공액파)라 한다.
위 그림에서 '시작' 버튼을 누르면 두 개의 평면파가 움직이는 모습을 볼 수 있다. 넓게, 오른쪽으로 움직이는 평면파를 기준파로, 비스듬하게 아래로 움직이는 파는 물체파로 생각 할 수 있다. 오른편에 필름을 설치해 놓아 필름이 점점 감광되는 것을 알 수 있다. 적당하게 노출이 되었을 때 정지시키도록하자. 이렇게 만들어진 필름은 바로 회절격자 그 자체라고 할 수 있고, 이 필름을 현상하여 여기에 기준파를 비추면 필름을 통과하여 진행하는 파는 앞에서의 회절격자에서 처럼 몇 개의 방향으로 꺾여서 진행 할 것이고 이 중 하나는 노출시의 물체파도 있게 된다.
필름에 기준파와 물체파를 비춘다.
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평면파를 기록하는 절차_ 붉은 색으로 비스듬하게 필름을 통해서 오는 파면의 정보를 기록하게 된다. 이를 위하여 그림에서 수평으로 오른쪽으로 오는 평면파를 기준파로 삼게 되며 이 기준파와 물체파가 간섭되는 상황이 필름에 기록된다. 기록 정보는 바로 물체파의 파면과 위상을 동시에 기록 한 것으로서 필름을 현상하여 고정시키면 일종의 회절격자가 된다.
필름면에 기준파(reference wave)와 물체파(object wave)의 간섭무늬가 기록된다. 위 그림에서 두 파가 만드는 무늬가 등간격의 격자형태가 되는 것을 보이고 있다. 보강간섭을 하는 곳에서는 필름이 검게 되어 현상후에는 빛을 통과시키지 못하게 된다. 아래 그림에서 현상된 필름에 기준파만 비추어지면 격자에 의한 회절무늬가 여럿 생긴다.
평면파를 재생하는 절차_ 앞에서 물체파(object beam)와 기준파를 간섭시켜 만들어진 필름에 기준파를 비추면 회절격자와 같은 원리로 물체파가 관측된다. 이때의 허파면은 그림에서 보는 것처럼 아래위 양쪽으로 두 개가 형성되어 물체파의 거울상도 생기게 된다. 아래쪽으로 향하는 파가 원래의 물체파를 닮아있어 필름 너머 평면파가 몰려오는 착각을 하게 된다.
격자를 통과한 빛이 나아가는 방향은 위 그림처럼 여러방향인 데 그중 붉은 파면$(n=1)$으로 표현한 물체파가 있다.
점광원에서 나온 구면파와 평면파인 구면파가 간섭을 일으키는 양상을 볼 수 있다. 아래 그림에서 보는 바와 같이 구면파의 각 부분은 평면파로 생각하여 각각 다른 각도로 필름에 입사하는 것으로 생각할 수 있어 간섭무늬의 간격이 연속적으로 변한다. 이렇게 만들어진 필름에 평면파를 비추면 필름의 각 부분에 따라 회절각이 달라져서 $n=1$인 회절파는 마치 점광원에서 출발한 것같이 방사상으로 발산하는 구면파로 되어 나간다. 그리고 $n=-1$인 파는 한 점에 모여들어 점광원의 실상을 맺게 된다. 이때 필름면 뒤쪽 위에서 오로지 구면파로 발산하는 파를 관측하면 점광원에서 빛이 발하는 것으로 느낄 것이다.
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점광원에서 나오는 파면을 기록하는 절차_ 점광원(object)에서 나오는 구면파와 평면파의 기준파와 간섭시키면 필름에는 동심원의 간섭무늬가 기록된다. 필름의 기록된 무늬는 구면파가 진행하는 방향과 평면파가 진행하는 방향이 커질수록 간격이 촘촘해지고, 부분적으로는 거의 회절격자로 볼 수 있다.
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구면파를 재생하는 절차_ 앞에서 점광원에서 나오는 구면파와 기준파를 간섭시켜 만들어진 필름에 기준파를 비추면 그림처럼 방사상으로 나가는 빛이 생성된다. 이 광선의 중심에는 촬영때에 물체가 놓여있었던 위치가 되어 원래의 광원을 인식하게 된다.
임의의 물체에서 나오는 파면의 밝기와 위상의 정보를 기록한다.
점광원이 여러 개라도 각각에 대한 간섭효과가 복합적으로 중첩되어 나타나 마치 점광원이 여러 개 있는 것처럼 빛을 회절 시킬 것이다. 복잡한 물체의 경우에 레이저 빛을 조명하면 물체의 각 요소는 빛을 반사하여 마치 점광원인 것처럼 행동한다. 이와 기준파를 간섭시켜 필름에 간섭무늬를 기록하여 이 필름에 기준파를 비추면 필름 너머로 마치 물체가 존재하는 것처럼 느낄 수 있다. 또한 시선을 옮김에 따라 눈에 관측되는 모습이 달라져서 입체상을 느낄 수 있게 된다. 이러한 홀로그램은 얇은 필름에 간섭무늬가 기록되어 필름을 복사할 수 있을 것이다. 필름에 노출도에 따른 농담으로 상을 기록할 수도 있지만 노출도에 따라 필름의 두께를 다르게 하여 필름에 빛이 통과할 때 각 지점들이 서로 다는 위상을 갖도록 하여 상을 재생할 수도 있다.
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