1971年諾貝爾物理學(xué)獎——全息術(shù)的發(fā)明

1、.1971年諾貝爾物理學(xué)獎全息術(shù)的發(fā)明1971年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國倫敦帝國科技學(xué)院的匈牙利裔物理學(xué)家伽博（Dennis Gabor，19001979），以表彰他發(fā)明和發(fā)展了全息術(shù)。伽博是在激光器還未出現(xiàn)前的40年代發(fā)明全息術(shù)的。當(dāng)時他正在一家公司的研究室里工作，該公司制造電子顯微鏡需要提高分辨率。當(dāng)時電子顯微鏡的分辨能力已比最好的光學(xué)顯微鏡提高了一百倍，但仍不足以分辨晶格，其中球差和衍射差是限制分辨率的主要因素，要減少衍射差就要加大孔徑角，把孔徑角增加一倍則衍射差減少一半，但這時球差則增加了8倍。為了兼顧兩者，不得不把電子透鏡的孔徑角限制為0.005弧度，從而算得分辨率的理論極限約為0.4

2、nm。而分辨晶格起碼要0.2nm。面對這樣的難題，伽博苦苦思索。1947年復(fù)活節(jié)的一天，天空晴朗，伽博在網(wǎng)球場等待一場球賽時腦子里突然出現(xiàn)一道閃念，想到：“為什么不拍攝一張不清楚的電子照片，使它包含有全部信息，再用光學(xué)方法去校正呢？”他考慮到電子物鏡永遠(yuǎn)不會完善，若把它省去，利用相干電子波記錄相位和強(qiáng)度信息，再利用相干光可再現(xiàn)無像差的像，這樣一來，電子顯微鏡的分辨率就可以提高到0.1nm，達(dá)到觀察晶格的要求了。伽博就是從這一思想出發(fā)，發(fā)明了全息術(shù)。應(yīng)該說，全息術(shù)的基本概念是波動光學(xué)的產(chǎn)物。17世紀(jì)末，惠更斯在建立光的波動說時，就提出了他的“次波”原理，這是理解波前和衍射的有力武器。19世紀(jì)初，

3、托馬斯楊用波動說解釋他的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，菲涅耳用光的干涉思想補(bǔ)充了惠更斯原理，完善了光的衍射理論。應(yīng)該說，在這樣的基礎(chǔ)上，早就該有人發(fā)明全息術(shù)了。可是，為什么要等到20世紀(jì)中葉，才由一位研究電子顯微鏡的專家無意中對全息術(shù)作出發(fā)明呢？關(guān)鍵在于伽博抓住了了全息術(shù)的核心思想：波前重建。而伽博之所以會把握住這一關(guān)鍵，就像他自己曾經(jīng)說過的：“在進(jìn)行這項(xiàng)研究時，我站在兩個偉大的物理學(xué)家的肩膀上，他們是勞倫斯布拉格和澤爾尼克”。也就是說，伽博發(fā)明全息術(shù)的思想是受到他們的啟發(fā)。在發(fā)明全息術(shù)的前幾年，伽博看過勞倫斯布拉格的X射線顯微鏡一書，布拉格采用兩次衍射使晶格的像重現(xiàn)。盡管X射線無法利用透鏡成像，但原子的間距

4、與X射線的波長同數(shù)量級，周期性排列的原子對入射X射線散射的相互干涉，會產(chǎn)生衍射點(diǎn)陣；用相干光對這種衍射圖樣作第二次衍射，便可恢復(fù)晶格的像，這就是伽博兩步成像法的由來。然而他注意到，布拉格的方法還不足以記錄傅里葉變換的全部信息，雖然振幅可從強(qiáng)度的平方根得到，但相位已被丟失，所以只適用于那些晶體點(diǎn)陣到衍射場的絕對相位能預(yù)先判斷，使得入射線與衍射線之間發(fā)生的相位改變量已知的特殊物體。為了解決相位的記錄問題，伽博想到了澤爾尼克在研究透鏡像差時使用過的“相干背景”。他認(rèn)為：如果沒有什么東西作比較，丟失相位是不可避免的；但加上一個標(biāo)準(zhǔn)，即用“相干背景”作為參考波，那么參考波與衍射波相互干涉，用照相底片記錄

5、干涉圖樣，便可得到包含相位信息在內(nèi)的干涉圖像。衍射波又稱物波，包含相位信息在內(nèi)的干涉圖伽博稱之為“全息圖”。在全息圖上兩個波相位相同處產(chǎn)生極大，相反處產(chǎn)生極小。若制作的是正片，則僅在極大處透光。因透光的狹縫處參考光與物波的相位相同，故用參考光照明全息圖可重建物波的波前。由于過去沒有人掌握波前重建的概念，所以直到1947年伽博的腦子里萌生“波前重建”時，全息術(shù)才有可能被人們發(fā)明。伽博用重建波前的方法考慮他的電子顯微鏡方案，提出了兩步過程的建議。第一步為電子分析，即用電子束來照明物，被物衍射的電子束與相干背景（即入射電子束的未衍射部分）之間產(chǎn)生干涉，再記錄在底片上；第二步為光學(xué)綜合，即用光學(xué)系統(tǒng)來

6、再現(xiàn)，并校正電子光學(xué)的像差，然后在照相底片上拍攝再現(xiàn)的像。伽博和他的助手威廉斯（J.Williams），首先在光學(xué)的范圍里進(jìn)行全息實(shí)驗(yàn)。他們用汞燈作光源，經(jīng)濾光片使入射光單色化，借助一個針孔濾光器使這束光達(dá)到所要求的空間相干性。他們的實(shí)驗(yàn)是很不容易做的，因?yàn)楦邏核y燈提供的單色光僅有0.1mm的相干長度，也就是只有200個條紋。但是，為了得到空間相干性，他們必須用一根水銀譜線照明直徑為3m的針孔，這光足以制作直徑為1cm物體的全息圖。他們用直徑為1mm的顯微照片作實(shí)驗(yàn)物體，由于光源很弱，用當(dāng)時最靈敏的照相乳膠也要幾分鐘曝光時間。相干長度小逼使他們把每件東西都布置在同一軸線上，根據(jù)這個特征，這種

7、實(shí)驗(yàn)稱為同軸全息實(shí)驗(yàn)，在當(dāng)時來說是唯一可行的方案。他們在相干長度和強(qiáng)度這兩個互相矛盾的因素中間力圖找到最佳的折衷方案。再現(xiàn)的圖像不大理想，照片中尚有系統(tǒng)性缺陷。另外，同軸全息術(shù)還會受到不可避免的孿生像的干擾。伽博力圖用聚焦來分離同軸的孿生像，但是不可能完全消除。盡管如此，伽博這次實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了全息記錄和重建波前，得到了第一張全息照片。由此開始，出現(xiàn)了研究全息術(shù)的第一次熱潮。羅杰斯（G.L.Rogers）制作了第一張相位全息圖，對全息理論作了全面論述；他還提出全息術(shù)也適用于無線電波，可用于檢測電離層；巴茲（A.Baez）進(jìn)行了X光全息術(shù)實(shí)驗(yàn)；柯帕特里克（P.Kirpatrick）指導(dǎo)研究生愛爾-

8、松（Hussein El-Sum）寫的博士論文成了當(dāng)時研究伽博全息術(shù)的重要文獻(xiàn)。然而在全息術(shù)早期的工作中，人們最關(guān)注的還是在電子顯微鏡中的應(yīng)用。從1950年開始，海恩（M.E.Haine）、戴森（J.Dyson）和馬爾維（T.Muivey）等從事這方面的研究，伽博當(dāng)顧問。可是，取得的成果不大。至于純光學(xué)的全息術(shù)研究，由于當(dāng)時還沒有理想的相干光源，因而受到伽博同軸全息孿生像的干擾，有成效的工作很少。因此，50年代中期，全息術(shù)的研究工作處于停頓狀態(tài)，幾乎沒有新的進(jìn)展。只有美國密執(zhí)安大學(xué)的利思（E.N.Leith）還在把波前重建的理論用于雷達(dá)工作。蘇聯(lián)也有一些科學(xué)家繼續(xù)進(jìn)行著新的探索。1960年激光

9、器的出現(xiàn)給全息術(shù)帶來了新的生命。1963年，利思和烏帕特尼克斯（J.Upatnicks）發(fā)表了第一個激光全息圖，立刻引起了轟動，全息術(shù)突然復(fù)蘇了！由于激光的相干長度比水銀燈大幾千倍，實(shí)驗(yàn)中不受同軸全息術(shù)的限制而采用“斜參考波”方法，從而創(chuàng)造了離軸全息術(shù)。實(shí)驗(yàn)者很容易就消除了孿生像的干擾。另外，由于激光的強(qiáng)度超過水銀燈幾百萬倍，在適當(dāng)?shù)钠毓鈺r間內(nèi)便可用很細(xì)顆粒的和低速的照相乳膠制作大的全息圖，并取得非常好的再現(xiàn)效果。利思等第一次發(fā)表的黑暗背景上透明字的全息照片、景物照片和肖像照片等，圖像都很清晰。1964年，他們又用漫射照明制作全息圖，成功地得到三維物體的立體再現(xiàn)像。利思的成功不僅是由于有了激光

10、，而且也要?dú)w功于他從1955年就開始的理論準(zhǔn)備。他把通訊理論和全息概念結(jié)合起來，用于側(cè)視雷達(dá)的研究，實(shí)際上就是電磁波的兩維全息術(shù)。從而在激光出現(xiàn)以后，便把他所提出的斜參考波法應(yīng)用于激光全息，取得了全息術(shù)的重大突破。伽博1900年6月5日出生于匈牙利首都布達(dá)佩斯，他對物理的特殊愛好是從15歲時突然萌生的。還沒有上大學(xué)就以兩年的時間自學(xué)了微積分。他學(xué)習(xí)到阿貝（E.Abbe）的顯微理論和李普曼（G.Lippmann）的彩色照相術(shù)。這對他以后幾十年的研究起了重大作用。他和他的弟弟在家里建立了一個小型實(shí)驗(yàn)室，做一些X射線和放射性之類的實(shí)驗(yàn)。不過，伽博在大學(xué)里不是選修物理，而是選修工程。因?yàn)楫?dāng)時在匈牙利物理還不成為一門專業(yè)。1924年他在柏林工科大學(xué)畢業(yè)，1927年取得博士學(xué)位。在那期間，他常去柏林大學(xué)旁聽，這里有名師愛因斯坦、普朗克、能斯特、勞厄等開設(shè)各種物理課程，他工作在電氣工程專業(yè)，但身心幾乎全鉆到應(yīng)用物理上了。他的博士學(xué)位論文是研制一種新型的陰極射線示波器。