伽伯與全息術(shù)的誕生

1、伽伯與全息術(shù)的誕生摘要：全息術(shù)是同時(shí)獲得光的振幅信息和位相信息，并記錄波動(dòng)干擾的振幅和位相分布以及隨后使之重現(xiàn)的技 術(shù).本文簡(jiǎn)述了伽伯為實(shí)現(xiàn)全息術(shù)所產(chǎn)生的“波前重建”的構(gòu)想，并展示了激光全息術(shù)的廣闊應(yīng)用前景.關(guān)鍵詞：伽伯，全息術(shù)，波前重建，波陣面，激光全息圖Gabor and the Birth of HolographyAbstrnact： Holography can get anplitade and phase information of light，and record the distribution of amplitude and phase of interference

2、light as well as the teahnique of reappearing. In thos paper，Gabors conception about wave front reconstruction of holography is discussed and thewide aplication of holography is shown Keywords： Gabor， holography， wave front reconstruction， wave surface， laser holography picture1839年8月19日，法國(guó)發(fā)明家達(dá)蓋爾(L.

3、 J. M. Daguerre)發(fā)明的“達(dá)蓋爾攝影法”，從而宣告攝影術(shù)的 誕生.1935年，美國(guó)兩位音樂家曼納斯和小哥多斯基成功地研制成柯達(dá)克羅姆彩色膠片，從而奠定了彩色攝影 的基礎(chǔ).當(dāng)人們從二維紙張或底片上形成優(yōu)美的影象后，就開始追求和原物一樣逼真的三維立體圖象；1947年 英國(guó)物理學(xué)家伽伯(Dennis Gabor)首先提出“波前重建”的構(gòu)想，為全息術(shù)的誕生奠定了理論基礎(chǔ).1960年 激光器的誕生，給全息術(shù)帶來了新的生機(jī)，1963年，美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)的利思(N. Leith)和烏帕特尼克斯 (J. Upatnicks )發(fā)表了第一張激光全息圖；1964年，他們又用漫射照明制作全息圖，成功地得

4、到三維物體的 立體再現(xiàn)像，從而宣告了全息術(shù)進(jìn)入了成熟的時(shí)代.1971年，瑞典諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)為了表彰伽伯對(duì)全息術(shù)的發(fā) 明和發(fā)展所作出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，而授予他該年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).1攝影術(shù)的歷史攝影術(shù)的發(fā)展是與小孔成像的研究分不開的，早在2400年前戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，我國(guó)著名的光學(xué)經(jīng)典著作墨經(jīng) 中，就記述了用暗箱攝取影像的小孔成像原理.沈括(10311095)在他的夢(mèng)溪筆談中，對(duì)小孔成像理論作 了進(jìn)一步的分析和解釋.意大利文芝復(fù)興時(shí)期的著名畫家和科學(xué)家達(dá)芬奇(Leonardo. da. Vinci)曾用小孔 成像描繪景物.小孔成像雖得到廣泛應(yīng)用，但卻存在著影像亮度和清晰度較差的問題；為了解決這一問題并出現(xiàn)

5、了有透鏡的暗箱，這就是照相機(jī)的雛形，帶透鏡的暗箱雖然能觀察景物，但卻不能把看到的景物永久保存，這促 使人們開始對(duì)影像如何進(jìn)行復(fù)制的思考.1725年，德國(guó)醫(yī)學(xué)教授海因里希舒爾茨發(fā)現(xiàn)，將做粉筆的白粉與硝酸銀混合于玻璃瓶中，被日光照射的 一面變成了黑色，未照光的一面為白色.1795年，英國(guó)人托馬斯韋奇伍德，將不透明的樹葉、昆蟲翅膀放在涂 有硝酸銀的皮革上，在陽光下曝曬后，取下樹葉時(shí)出現(xiàn)了非常優(yōu)美的白色輪廓，當(dāng)時(shí)他雖然沒有找到將圖象固定 下來的方法，但它證實(shí)了攝影方法記錄成像的可能性.1826年，德國(guó)石版印刷工人約瑟夫尼塞福爾尼普斯 (J. N. Niepce)，用涂有瀝青的合金板放在暗箱中，將鏡頭對(duì)

6、準(zhǔn)他工作的室外，經(jīng)過8小時(shí)的曝光后，浸入熏 衣草油中沖洗，得到了第一幅永久保留下來的影像照片，此法稱為“日光攝影法”.由于日光攝影法光敏度特別 低，不可能成為實(shí)用的攝影方法.達(dá)蓋爾改用銀鹽，在銅板上涂上碘化銀作為感光物質(zhì)，用硫代硫酸鈉溶解未感 光的銀鹽進(jìn)行“定影”，并于1837年5月成功地實(shí)現(xiàn)了 “達(dá)蓋爾攝影法”.1839年8月19日法國(guó)科學(xué)院與藝術(shù) 學(xué)院正式發(fā)布了達(dá)蓋爾攝影術(shù)，這一天被世界公認(rèn)為攝影術(shù)的誕生日.接著，英國(guó)業(yè)余科學(xué)家塔爾博特，把墨底 白圖象的負(fù)片與另一張感光的藥膜面相貼，然后曝光、顯影、定影，最后得到了無數(shù)張與原物影像一樣的正像， 這種“負(fù)片正片法”一直延用至今.在達(dá)蓋爾時(shí)代，

7、照相術(shù)主要是用黑白片，黑白片是用黑、灰、白構(gòu)成畫面中不同的階調(diào)、層次和對(duì)比，表現(xiàn) 人物和大自然景物，構(gòu)成了獨(dú)特的藝術(shù)韻味，使照片產(chǎn)生豐富的藝術(shù)表現(xiàn)力.即使如此，它卻不能把五彩繽紛的 彩色世界逼真豐富地反映出來，也不能滿足日益發(fā)展的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的需求.1886年，李普曼(G. Lippmann) 建立了關(guān)于照片再現(xiàn)彩色的一般理論，1903年他向法國(guó)科學(xué)院遞交了第一張完美地再現(xiàn)彩色的照片.1907年，法國(guó)的留米埃爾（Lumiere）公司開始研制彩色片.其原理是由紅、綠、藍(lán)三色的微小透明顆粒分布在玻璃感光 片上，各色影象分別透過三色微粒，使銀鹽感光，然后采用反轉(zhuǎn)沖洗法使之成為正象，如同今日的幻燈片，

8、此法 后來轉(zhuǎn)變成彩色電視的基礎(chǔ).1930年，美國(guó)兩位音樂家曼納斯和小哥多斯基投身彩色攝影的研究工作，與柯達(dá) 公司技術(shù)人員合作，在1935年成功地制成柯達(dá)克羅姆彩色膠片，奠定了彩色攝影的基礎(chǔ)，開始向市場(chǎng)供應(yīng)135 彩色膠片.與此同時(shí)，矯克發(fā)公司也成功地制造出了新的彩色膠片.1940年推出愛克泰克羅姆（反轉(zhuǎn)片），1942 年又推出柯達(dá)彩色負(fù)片.1948年，美國(guó)波拉羅（Polawoid）公司首先試制成功一次成象技術(shù)，在十幾秒或幾十 秒內(nèi)就可直接從照相機(jī)里取出照片，這是攝影史上劃時(shí)代的發(fā)明.2伽伯波前重建”的構(gòu)想彩色照相得到的景物圖象都是二維空間的平面圖景，要想獲得與原物無異的立體圖景，全息術(shù)就應(yīng)運(yùn)而

9、生 了.全息術(shù)（holography）又稱全息照相術(shù)，它不僅包括光的振幅信息還包括位相信息，記錄波動(dòng)干擾的振幅和 位相分布以及隨后使之重現(xiàn)的技術(shù).1947年，匈牙利出生的英國(guó)倫敦帝國(guó)科技學(xué)院的物理學(xué)伽伯開始從事提高 電子顯微鏡分辨本領(lǐng)的工作，受布喇格（W. L. Bragg）在X射線金屬學(xué)方面工作及澤爾尼克（F. Zernike）關(guān) 于引入相干背景來顯示位相的工作的啟發(fā)，提出了全息術(shù)的設(shè)想以提高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng).伽伯當(dāng)時(shí)正在英 國(guó)一家公司的研究室里工作，該公司的姐妹公司制造電子顯微鏡需要提高分辨率.那時(shí)電子顯微鏡的分辨能力已 比最好的光學(xué)顯微鏡提高了 100倍，但仍不足以分辨晶格，其中球差

10、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(shí)球差則增加了8倍.為了兼顧兩者，不得（圖a為波陣面記錄）不把電子透鏡孔徑角限制為0. 005弧度，從而算得分辨率的理論極 限約為0. 4nm.而分辨晶格起碼要0. 2nm.面對(duì)這樣的難題，伽伯 苦苦思索.1947年復(fù)活節(jié)這天，天空晴朗，伽伯在網(wǎng)球場(chǎng)等待一場(chǎng)球 賽時(shí)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(huì)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，

11、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.伽伯就是從 這一思想出發(fā)，發(fā)明了全息術(shù).接著，伽伯完善了自己的理論，他認(rèn)為，要獲得實(shí)物全部信息， 必須由波陣面記錄和波陣面再現(xiàn)兩步來完成.要實(shí)現(xiàn)波陣面記錄，必 須引入適當(dāng)?shù)南喔蓞⒖脊?，使它與物體衍射（或散射）的光相干涉， 把這干涉場(chǎng)記錄下來，即可得到一張全息圖.全息圖是與物體毫不相 似的干涉圖，它上面不僅記錄了物光的振幅信息而且也把在普通照相過程丟失的位相信息記錄下來（圖a）.設(shè) 在記錄媒質(zhì)如干板處物光O （尤,y）和參考光A（x, y）波陣面的復(fù)振幅表達(dá)式分別為:O(x, y) = o(x, y) exp-神(x, y),A

12、(x, y) = a(x, y)exp-肽(x, y)；其中 o(x, y),a(x, y)為位置函數(shù)，中(x, y), X(x, y)為位相函數(shù).由波的疊加原理知，照相干板記錄下的總的光強(qiáng)分布是：I (x, y) = O (x, y )|2 + |A(x, y )|2 + O (x, y) A * (x, y) + O * (x, y) A( x, y)=|o(x, y)|2 + a(x, y)|2 + 2o(x, y)a(x, y)cosX(x, y)-q(x, y).把照相干板(或其他記錄媒質(zhì))放在(x，y)面內(nèi)曝光，經(jīng)過顯影、定影后,就會(huì)把I(x,y)以復(fù)振幅透過率r (x, y) 的

13、形式記錄下來.在一定的條件下r (x,y)廣I(x，y)，即：t (x, y) = kl (x, y) = t (x, y) + k O (x, y )|2 + O * (x, y) A( x, y) + O (x, y) A * (x, y)=t0 3, y) + kp(x, y)|2 + 2ko(x, y)a(x, y)cos(x, y)-(x, y)式中r o(x,y)只和參考光的光強(qiáng)有關(guān)；第二項(xiàng)與物光的光強(qiáng)(或振幅)有關(guān)；第三項(xiàng)由參考光和物光的位相來決 定.這樣全息圖的復(fù)振幅透過率r (x，y)就是對(duì)物光振幅和位相的完全記錄.波陣面記錄的結(jié)果是得到一張記有物光振幅和位相信息的全息圖.波

14、陣面再現(xiàn)過程是利用適當(dāng)?shù)南喔稍佻F(xiàn)光B(x, y)照射全息圖而得到物的實(shí)像或虛像.用相干再現(xiàn)光B(x, y)照射全息圖，則透過全息圖的光u (x, y)為：u (x,y)= t (x,y)B(x,y)=t (x, y) B (x, y) + kO (x, y )|2 B (x, y) + kO * (x, y) A( x, y) B (x, y) + kO (x, y) A * (x, y) B (x, y)=u + u + u + u通常再現(xiàn)光 B(x, y)選為 A(x, y)或 A*(x, y),當(dāng) B(x, y)=A(x, y)時(shí)，u (x, y) = k|A(x, y)|2 O* (x

15、, y),3如果經(jīng)適當(dāng)選擇使A(x, y)|2在各處有均勻的分布，則3就代表物光O(x, y)的再現(xiàn)(圖b),即得到物的三維虛 像.當(dāng) B(x, y)=A*(x, y)時(shí)，u 4(乙 y) = kA( x, y 冷 O * 3 y) *(C)(圖b、C為波陣面再現(xiàn)圖)同樣適當(dāng)選擇A(x, y)使|A(x, y)|2在各處有均勻分布時(shí)，則4(x,y)就代表物光的共軛光，A得到物的三維實(shí)像(圖c).而在 這兩種情況中的其他各項(xiàng)以均勻 背景或畸變像出現(xiàn).在技術(shù)上可以 想辦法把它們消除或減少它們的 影響.但在20世紀(jì)50年代中葉，由于“攣生像”問題和光源相干(b)性的限制，全息術(shù)并沒有得到較 快的發(fā)展

16、.3激光全息照相的誕生及其特點(diǎn)1960年，美國(guó)物理學(xué)家湯斯(C. H. Townes)和梅曼(T. H. Maiman)制造出第一臺(tái)激光器，激光一問(圖d為激光全息照相的記錄)世便立即引起世界各國(guó)的重視，大批科學(xué)技術(shù)人員投入了 激光的研究工作，為激光開辟了極為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域.由 于激光具有極好的方向性和單色性，幾乎立即被用于無線 電通迅，成功地克服了受干擾中斷和保密性不嚴(yán)等問題.激 光以它的超高電場(chǎng)強(qiáng)度、光質(zhì)和溫度，因而使它成為科學(xué) 技術(shù)領(lǐng)域強(qiáng)有力的工具；科學(xué)家們利用它來研究同生命密 切相關(guān)的光合作用、血紅蛋白和脫氧核酸機(jī)制.用激光來 研究原子、分子光譜，并開拓了 “激光微區(qū)光譜分析”的 應(yīng)用

17、新領(lǐng)域，使得不損壞部件或文物進(jìn)行測(cè)試或考古成為 可能.就在激光問世后不久，美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)的利思 (E. N. Leith)首先將激光引入全息術(shù)，并使全息照相在實(shí)驗(yàn)上獲得成功，從此以后，全息技術(shù)風(fēng)靡世界.19611962年，利思等人對(duì)伽伯全息圖進(jìn)行了改進(jìn)，引入“斜參考光束法”一舉解決了 “攣生像”問題.1963 年，利思和烏帕特尼克(J. Upatnicks)用氦氖激光器成功地拍攝了第一張實(shí)用的激光全息圖，從而使得全息術(shù) 在1963年以后成為光學(xué)領(lǐng)域中最活躍的分支之一.1964年利思等人又提出了漫射全息圖的概念，并得到三維物 體的再現(xiàn).與此同時(shí)，蘇聯(lián)的物理學(xué)家根據(jù)李普曼(G. Lippmann)

18、彩色照相法和伽伯全息法提出了反射全息圖 的概念.要觀察一張全息照片所記錄的物體的形象時(shí)，只需用照射激光沿原參考光的方向照射照片，即可看到在 原物位置處的立體形象，而照片就象一個(gè)窗口一樣.圖d是記錄全息照相裝置的示意圖.從激光器L發(fā)出的激光束被分光鏡L分成兩束，一束被反射鏡M1反 射，并經(jīng)擴(kuò)束透鏡L1擴(kuò)束后照射到被攝物體上，再經(jīng)物體反射后照射到感光底片上，這部分光叫做物光.另一 束光經(jīng)反射鏡M2反射改變光路，并經(jīng)擴(kuò)束透鏡L2擴(kuò)束后直接照射到感光底片上，這部分光叫做參考光.由于兩 束光均是由同一束激光分離出來，因此它們是相干光.兩束光在感光底片上相互疊加，形成干涉條紋.這樣，被 攝物體反射光中的全

19、部信息，以不同濃黑程度和不同疏密分布的干涉條紋形式被感光底片儲(chǔ)存下來，經(jīng)顯影、定 影后就得到全息照片.這種全息照片與普通照片不同，照片上看不到物體的影像，只能通過高倍顯微鏡看到一些 干涉條紋.要看到被攝物體的像，只需用一束波長(zhǎng)同拍攝時(shí)的參考光完全一樣的激光束且沿相同方向照射底片， 從底片的另一面可看到物體的虛像，猶如從窗口去觀察屋內(nèi)的物體，有立體的感覺，并可以從不同的角度去觀察 物體的不同側(cè)面，甚至在某個(gè)角度被物體遮住的東西，也可從另一角度看到它.全息照片的最主要特點(diǎn)是它那極為逼真的立體感和真實(shí)感.當(dāng)你轉(zhuǎn)動(dòng)眼睛從不同角度觀看時(shí)，可以看到物體 的側(cè)面形象，甚至在某一方向上被遮擋住的部分也可以通過

20、改變視角來看到.這使人猶如身處真實(shí)的三維物體之 前，而無法相信自己親眼目睹的竟是物體的象而不是實(shí)物.由于拍攝全息照片時(shí)記錄下來的是高度密集、極其復(fù) 雜的干涉條紋，一旦被拍攝物及其背景的原狀被破壞，人們將無法再一次拍攝到同樣的照片.因此，全息照片具 有無可比擬的防偽功能.全息照片上每一點(diǎn)的信息都由各自發(fā)出的子波傳播到整幅全息底片上，因此全息照片上 任意一點(diǎn)都存儲(chǔ)了整個(gè)物體的信息，每點(diǎn)都能獨(dú)立地再現(xiàn)它拍攝的完整圖象，所以一張全息照片可以被接任意形 狀分割成許多張較小的全息照片.此外，全息照片還具有多次記錄特性，即在同一底片上可以重復(fù)記錄許多物體 的全息圖，再現(xiàn)時(shí)可同時(shí)看到所有物體的象.由于全息照相

21、的上述優(yōu)點(diǎn)，它已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代社會(huì)的許多高科 技領(lǐng)域.如全息電影電視、全息顯微術(shù)、全息干涉技術(shù)、全息印刷技術(shù)、全息信息存儲(chǔ)等均已成為現(xiàn)實(shí)，并具有 一般照相所無法與之媲美的優(yōu)越性.4全息術(shù)的應(yīng)用伽伯發(fā)明全息術(shù)不久，就指出它的三個(gè)方面的應(yīng)用前景即全息干涉度量術(shù)、全息光學(xué)元件和全息信息存儲(chǔ).隨 著激光器的問世，這三方面都獲得了不同程度的實(shí)用化，下面對(duì)前兩種應(yīng)用作一簡(jiǎn)單介紹.由于要進(jìn)行高精度測(cè)量從而人們?cè)O(shè)計(jì)出了全息干涉量度術(shù)，全息干涉量度術(shù)能實(shí)現(xiàn)非接觸的測(cè)量；一般光學(xué) 干涉量度只能測(cè)量形狀比較簡(jiǎn)單、表面光潔度很高的零件，而用全息干涉計(jì)量方法則能將應(yīng)用范圍擴(kuò)展到具有任 意形狀的三維漫射表面的物體.無論

22、其表面光潔度如何，都能相對(duì)分析測(cè)量到光學(xué)公差的精度.由于全息圖具有 三維性質(zhì)，使用全息技術(shù)允許從不同視角，通過干涉量度方法去考察一個(gè)形狀復(fù)雜的物體.因此全息干涉量度分 析在無損檢驗(yàn)、微應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量、形狀和等高線的檢測(cè)、振動(dòng)分析、高速光學(xué)等多種領(lǐng)域中已得到廣泛的應(yīng)用， 并已解決了用其他手段難以解決的問題.根據(jù)全息術(shù)原理制成的光學(xué)元件，主要指：全息透鏡、全息光柵、全息濾光片、全息掃描器等.全息透鏡一 般是用兩球面波或一平面波與一球面波相干疊加而制得全息圖.全息透鏡也有同軸與離軸兩種類型，能起到透鏡 的作用，實(shí)際上是菲涅耳波帶片或變形了的菲涅耳波帶片.有像差，產(chǎn)生的原因是記錄媒質(zhì)處理前后的形變、再

23、現(xiàn)時(shí)的波長(zhǎng)的改變及復(fù)位精度等.全息透鏡也可以用計(jì)算機(jī)法制作.全息光柵是由兩平面波相干疊加而得到的全 息圖.目前不僅制出了平面光柵而且還制出了凹光柵和集光光柵.由于全息光柵也可以用兩球面波來制得，這樣得到的光柵還具有自聚集能力，用它來制造單色儀可以省去準(zhǔn)直鏡和會(huì)聚鏡.全息濾光片兩平面波夾角接近180 且都垂直于記錄表面，這樣得到的全息圖就是全息濾光片，其條紋間隔為久/2.當(dāng)使用入射光是復(fù)色光時(shí)，只有 滿足布喇格衍射角條件的某波長(zhǎng)的光才能衍射再現(xiàn)出來，從而起到濾光片的作用.其波長(zhǎng)半寬度較干涉濾光片窄 得多.全息掃描器是由照相法得到，但大多數(shù)情況都是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的全息圖.通常是把一記錄媒質(zhì)分割成若干 等分，每一小部分都是按所需要的兩束相干光疊加而得到的全息圖.再現(xiàn)時(shí)用一束已知的光照射全