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L'holographie est un procédé d'enregistrement de la phase et de l'amplitude de l'onde diffractée par un objet. Ce procédé d'enregistrement permet de restituer ultérieurement une image en trois dimensions de l'objet. Ceci est réalisé en utilisant les propriétés de la lumière cohérente issue des lasers. Le mot « holographie » vient du grec « holos » (« en entier ») et « graphein » (« écrire »). Holographie signifie donc « tout représenter ».
Le principe de l'holographie a été découvert par un hongrois, Dénes Gábor en 1948 alors qu'il travaillait à l'amélioration de microscopes électroniques dans la compagnie Thomson-Houston à Rugby en Angleterre. Une source cohérente est utilisée pour interférer avec le rayonnement diffracté par un « objet ». Cette interférence est soit enregistrée pour donner un hologramme, soit modifiée par une lentille qui en donnant une transformée de Fourier forme une « image 3D » de l'objet.
On produit un hologramme en éclairant un objet par une source de lumière cohérente (laser) et en enregistrant sur une surface sensible (par exemple, une plaque photographique) les franges d’interférences obtenues en combinant l’onde émise par la source laser (onde de référence) et l’onde réfléchie par l’objet. Lors de la « restitution » de l’image holographique, l’hologramme est éclairé par un laser (voire par une lumière non cohérente) et il agit alors comme un réseau de diffraction, pour former une image en relief de l’objet initial. Au lieu d’être produit à partir d’un objet réel, un hologramme peut être aussi calculé par un ordinateur à partir d’une image de synthèse en 3D.
Il a fallu attendre la mise au point des lasers dans les années 1960 pour que son application avec des ondes optiques soit menée, parallèlement aux États-Unis et en Union soviétique.