1、1伽伯与全息术的诞生摘 要：全息术是同时获得光的振幅信息和位相信息，并记录波动干扰的振幅和位相分布以及随后使之重现的技术本文简述了伽伯为实现全息术所产生的“波前重建”的构想，并展示了激光全息术的广阔应用前景关键词：伽伯，全息术，波前重建，波阵面，激光全息图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 li
2、ght as well as the teahnique of reappearingIn thos paper，Gabor s conception about wave front reconstruction of holography is discussed and thewide aplication of holography is shownKeywords：Gabor，holography，wave front reconstruction，wave surface，laser holography picture1839 年 8 月 19 日，法国发明家达盖尔（LJMDag
3、uerre）发明的“达盖尔摄影法” ，从而宣告摄影术的诞生1935 年，美国两位音乐家曼纳斯和小哥多斯基成功地研制成柯达克罗姆彩色胶片，从而奠定了彩色摄影的基础当人们从二维纸张或底片上形成优美的影象后，就开始追求和原物一样逼真的三维立体图象； 1947 年英国物理学家伽伯（D ennis Gabor）首先提出 “波前重建”的构想，为全息术的诞生奠定了理论基础1960 年激光器的诞生，给全息术带来了新的生机，1963 年，美国密执安大学的利思（NLeith）和乌帕特尼克斯（JUpatnicks ）发表了第一张激光全息图；1964 年，他们又用漫射照明制作全息图，成功地得到三维物体的立体再现像，从
4、而宣告了全息术进入了成熟的时代1971 年，瑞典诺贝尔奖委员会为了表彰伽伯对全息术的发明和发展所作出的开创性贡献，而授予他该年度诺贝尔物理学奖1 摄影术的历史摄影术的发展是与小孔成像的研究分不开的，早在 2400 年前战国时代，我国著名的光学经典著作墨经中，就记述了用暗箱摄取影像的小孔成像原理沈括（10311095）在他的梦溪笔谈中，对小孔成像理论作了进一步的分析和解释意大利文芝复兴时期的著名画家和科学家达芬奇（LeonardodaVinci）曾用小孔成像描绘景物小孔成像虽得到广泛应用，但却存在着影像亮度和清晰度较差的问题；为了解决这一问题并出现了有透镜的暗箱，这就是照相机的雏形，带透镜的暗箱
5、虽然能观察景物，但却不能把看到的景物永久保存，这促使人们开始对影像如何进行复制的思考 1725 年，德国医学教授海因里希舒尔茨发现，将做粉笔的白粉与硝酸银混合于玻璃瓶中，被日光照射的一面变成了黑色，未照光的一面为白色1795 年，英国人托马斯韦奇伍德，将不透明的树叶、昆虫翅膀放在涂有硝酸银的皮革上，在阳光下曝晒后，取下树叶时出现了非常优美的白色轮廓，当时他虽然没有找到将图象固定下来的方法，但它证实了摄影方法记录成像的可能性1826 年，德国石版印刷工人约瑟夫尼塞福尔尼普斯（JNNiepce） ，用涂有沥青的合金板放在暗箱中，将镜头对准他工作的室外，经过 8 小时的曝光后，浸入熏衣草油中冲洗，得
6、到了第一幅永久保留下来的影像照片，此法称为“日光摄影法” 由于日光摄影法光敏度特别低，不可能成为实用的摄影方法达盖尔改用银盐，在铜板上涂上碘化银作为感光物质，用硫代硫酸钠溶解未感光的银盐进行“定影” ，并于 1837 年 5 月成功地实现了“达盖尔摄影法” 1839 年 8 月 19 日法国科学院与艺术学院正式发布了达盖尔摄影术，这一天被世界公认为摄影术的诞生日接着，英国业余科学家塔尔博特，把墨底白图象的负片与另一张感光的药膜面相贴，然后曝光、显影、定影，最后得到了无数张与原物影像一样的正像，这种“负片正片法”一直延用至今 在达盖尔时代，照相术主要是用黑白片，黑白片是用黑、灰、白构成画面中不同
7、的阶调、层次和对比，表现人物和大自然景物，构成了独特的艺术韵味，使照片产生丰富的艺术表现力即使如此，它却不能把五彩缤2纷的彩色世界逼真丰富地反映出来，也不能满足日益发展的现代科学技术的需求1886 年，李普曼（GLippmann ）建立了关于照片再现彩色的一般理论，1903 年他向法国科学院递交了第一张完美地再现彩色的照片1907 年，法国的留米埃尔（Lumiere）公司开始研制彩色片其原理是由红、绿、蓝三色的微小透明颗粒分布在玻璃感光片上，各色影象分别透过三色微粒，使银盐感光，然后采用反转冲洗法使之成为正象，如同今日的幻灯片，此法后来转变成彩色电视的基础1930 年，美国两位音乐家曼纳斯和小
8、哥多斯基投身彩色摄影的研究工作，与柯达公司技术人员合作，在 1935 年成功地制成柯达克罗姆彩色胶片，奠定了彩色摄影的基础，开始向市场供应 135 彩色胶片与此同时，矫克发公司也成功地制造出了新的彩色胶片1940 年推出爱克泰克罗姆（反转片） ，1942 年又推出柯达彩色负片1948 年，美国波拉罗（Polawoid）公司首先试制成功一次成象技术，在十几秒或几十秒内就可直接从照相机里取出照片，这是摄影史上划时代的发明2 伽伯“波前重建”的构想彩色照相得到的景物图象都是二维空间的平面图景，要想获得与原物无异的立体图景，全息术就应运而生了全息术（holography）又称全息照相术，它不仅包括光的
9、振幅信息还包括位相信息，记录波动干扰的振幅和位相分布以及随后使之重现的技术1947 年，匈牙利出生的英国伦敦帝国科技学院的物理学伽伯开始从事提高电子显微镜分辨本领的工作，受布喇格（WLBragg）在 X 射线金属学方面工作及泽尔尼克（FZernike）关于引入相干背景来显示位相的工作的启发，提出了全息术的设想以提高电子显微镜的分辨本领伽伯当时正在英国一家公司的研究室里工作，该公司的姐妹公司制造电子显微镜需要提高分辨率那时电子显微镜的分辨能力已比最好的光学显微镜提高了 100 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，要减少衍射差就要加大孔径角，把孔径角增加一倍则衍射差减少
10、一半，但这时球差则增加了8 倍为了兼顾两者，不得不把电子透镜孔径角限制为 0005 弧度，从而算得分辨率的理论极限约为 04nm而分辨晶格起码要02nm面对这样的难题，伽伯苦苦思索1947 年复活节这天，天空晴朗，伽伯在网球场等待一场球赛时脑子里突然出现一道闪念，想到：“为什么不拍摄一张不清楚的电子照片，使它包含有全部信息，再用光学方法去校正呢？”他考虑到电子物镜永远不会完善，若把它省去，利用相干电子波记录相位和强度信息，再利用相干光可再现无像差的像，这样一来，电子显微镜的分辨率就可以提高到01nm，达到观察晶格的要求了伽伯就是从这一思想出发，发明了全息术接着，伽伯完善了自己的理论，他认为，要
11、获得实物全部信息，必须由波阵面记录和波阵面再现两步来完成要实现波阵面记录，必须引入适当的相干参考光，使它与物体衍射（或散射）的光相干涉， 把这干涉场记录下来，即可得到一张全息图全息图是与物体毫不相 （图 a 为波阵面记录）似的干涉图，它上面不仅记录了物光的振幅信息而且也把在普通照相过程丢失的位相信息记录下来（图 a） 设在记录媒质如干板处物光 和参考光 波阵面的复振幅表达式分别为： ),(yxO),(yxA,ep),(joyx；其中 为位置函数， 为位相函数)(),(yxaA),(,yxao ),(,yx由波的叠加原理知，照相干板记录下的总的光强分布是：=),(,),(,),(),(),( 2
12、2 yxAOAAyxOI cosyxaoao 把照相干板(或其他记录媒质)放在( x， y)面内曝光，经过显影、定影后,就会把 I(x,y)以复振幅透过率 (x,y)的形式记录下来在一定的条件下 (x,y) I(x， y) ，即： 3),(,),(,),(),(),(),( 20 yxAOyxAyxOkyxkI cos)(20 ao式中 o(x,y)只和参考光的光强有关；第二项与物光的光强（或振幅）有关；第三项由参考光和物光的位相来决定这样全息图的复振幅透过率 (x， y)就是对物光振幅和位相的完全记录 波阵面记录的结果是得到一张记有物光振幅和位相信息的全息图波阵面再现过程是利用适当的相干再现
13、光 B(x，y) 照射全息图而得到物的实像或虚像用相干再现光 B(x，y)照射全息图,则透过全息图的光 (x，y)为：u(x,y)=(x,y)B(x,y)u),(,),(),(,),(),(,),(, 20 yxBAyxkOyxAkOyxOkyxB 4321u通常再现光 B(x， y)选为 A(x， y)或 A*(x， y)， 当 B(x，y)=A(x，y)时，,23ku如果经适当选择使|A(x ，y )|2 在各处有均匀的分布，则 3 就代表物光 O(x，y)的再现（图 b） ，即得到物的三维虚像当 B(x，y )=A*(x，y )时，),(,4 yxOk同样适当选择 A(x,y)使|A(x
14、,y)|2在各处有均匀分布时，则 4（ x,y）就代表物光的共轭光，得到物的三维实像（图c） 而在这两种情况中的其他各项以均匀背景或畸变像出现在技术上可以想办法把它们消除或减少它们的影响但在 20 世纪50 年代中叶，由于“孪生像”问题和光源相干 （b） （c）性的限制，全息术并没有得到较 （图 b、c 为波阵面再现图）快的发展3 激光全息照相的诞生及其特点1960 年，美国物理学家汤斯（CHTownes）和梅曼（ TH Maiman）制造出第一台激光器，激光一问世便立即引起世界各国的重视，大批科学技术人员投入了激光的研究工作，为激光开辟了极为广阔的应用领域由于激光具有极好的方向性和单色性，几
15、乎立即被用于无线电通迅，成功地克服了受干扰中断和保密性不严等问题激光以它的超高电场强度、光质和温度，因而使它成为科学技术领域强有力的工具；科学家们利用它来研究同生命密切相关的光合作用、血红蛋白和脱氧核酸机制用激光来研究原子、分子光谱，并开拓了“激光微区光谱分析”的应用新领域，使得不损坏部件或文物进行测试或考古成为可能就在激光问世后不久，美国密执安大学的利思（E NLeith ）首先将激光引入全息术，并使全息照相在 （图 d 为激光全息照相的记录）AA再现信息 再现信息u3 u44实验上获得成功，从此以后，全息技术风靡世界19611962 年，利思等人对伽伯全息图进行了改进，引入“斜参考光束法”
16、一举解决了“孪生像”问题1963 年，利思和乌帕特尼克（JUpatnicks）用氦氖激光器成功地拍摄了第一张实用的激光全息图，从而使得全息术在 1963 年以后成为光学领域中最活跃的分支之一1964 年利思等人又提出了漫射全息图的概念，并得到三维物体的再现与此同时，苏联的物理学家根据李普曼（GLippmann）彩色照相法和伽伯全息法提出了反射全息图的概念要观察一张全息照片所记录的物体的形象时，只需用照射激光沿原参考光的方向照射照片，即可看到在原物位置处的立体形象，而照片就象一个窗口一样图 d 是记录全息照相装置的示意图从激光器 L 发出的激光束被分光镜 L分成两束，一束被反射镜 M1反射，并经
17、扩束透镜 L1 扩束后照射到被摄物体上，再经物体反射后照射到感光底片上，这部分光叫做物光另一束光经反射镜 M2 反射改变光路，并经扩束透镜 L2 扩束后直接照射到感光底片上，这部分光叫做参考光由于两束光均是由同一束激光分离出来，因此它们是相干光两束光在感光底片上相互叠加，形成干涉条纹这样，被摄物体反射光中的全部信息，以不同浓黑程度和不同疏密分布的干涉条纹形式被感光底片储存下来，经显影、定影后就得到全息照片这种全息照片与普通照片不同，照片上看不到物体的影像，只能通过高倍显微镜看到一些干涉条纹要看到被摄物体的像，只需用一束波长同拍摄时的参考光完全一样的激光束且沿相同方向照射底片，从底片的另一面可看
18、到物体的虚像，犹如从窗口去观察屋内的物体，有立体的感觉，并可以从不同的角度去观察物体的不同侧面，甚至在某个角度被物体遮住的东西，也可从另一角度看到它全息照片的最主要特点是它那极为逼真的立体感和真实感当你转动眼睛从不同角度观看时，可以看到物体的侧面形象，甚至在某一方向上被遮挡住的部分也可以通过改变视角来看到这使人犹如身处真实的三维物体之前，而无法相信自己亲眼目睹的竟是物体的象而不是实物由于拍摄全息照片时记录下来的是高度密集、极其复杂的干涉条纹，一旦被拍摄物及其背景的原状被破坏，人们将无法再一次拍摄到同样的照片因此，全息照片具有无可比拟的防伪功能全息照片上每一点的信息都由各自发出的子波传播到整幅全
19、息底片上，因此全息照片上任意一点都存储了整个物体的信息，每点都能独立地再现它拍摄的完整图象，所以一张全息照片可以被接任意形状分割成许多张较小的全息照片此外，全息照片还具有多次记录特性，即在同一底片上可以重复记录许多物体的全息图，再现时可同时看到所有物体的象由于全息照相的上述优点，它已被广泛应用于现代社会的许多高科技领域如全息电影电视、全息显微术、全息干涉技术、全息印刷技术、全息信息存储等均已成为现实，并具有一般照相所无法与之媲美的优越性4 全息术的应用 伽伯发明全息术不久，就指出它的三个方面的应用前景即全息干涉度量术、全息光学元件和全息信息存储随着激光器的问世，这三方面都获得了不同程度的实用化
20、，下面对前两种应用作一简单介绍由于要进行高精度测量从而人们设计出了全息干涉量度术，全息干涉量度术能实现非接触的测量；一般光学干涉量度只能测量形状比较简单、表面光洁度很高的零件，而用全息干涉计量方法则能将应用范围扩展到具有任意形状的三维漫射表面的物体无论其表面光洁度如何，都能相对分析测量到光学公差的精度由于全息图具有三维性质，使用全息技术允许从不同视角，通过干涉量度方法去考察一个形状复杂的物体因此全息干涉量度分析在无损检验、微应力应变测量、形状和等高线的检测、振动分析、高速光学等多种领域中已得到广泛的应用，并已解决了用其他手段难以解决的问题根据全息术原理制成的光学元件，主要指：全息透镜、全息光栅
21、、全息滤光片、全息扫描器等全息透镜一般是用两球面波或一平面波与一球面波相干叠加而制得全息图全息透镜也有同轴与离轴两种类型，能起到透镜的作用，实际上是菲涅耳波带片或变形了的菲涅耳波带片有像差，产生的原因是记录媒质处理前后的形变、再现时的波长的改变及复位精度等全息透镜也可以用计算机法制作全息光栅是由两平面波相干叠加而得到的全息图目前不仅制出了平面光栅而且还制出了凹光栅和集光光栅由于全息光栅也可以用两球面波来制得，这样得到的光栅还具有自聚集能力，用它来制造单色仪可以省去准直镜和会聚镜全息滤光片两平面波夹角接近 且都垂直于记录表面，这样得到的全息图就是全息滤光片，其条纹间隔为 /2当使用入射光是180
22、复色光时，只有满足布喇格衍射角条件的某波长的光才能衍射再现出来，从而起到滤光片的作用其波长半宽度较干涉滤光片窄得多全息扫描器是由照相法得到，但大多数情况都是由计算机产生的全息图通常是把一记录媒质分割成若干等分，每一小部分都是按所需要的两束相干光叠加而得到的全息图再现时用一束已知的5光照射全息图，同时按一定规律移动这个全息图，就会在预定的位置得到再现光，而且随着全息图的移动，再现光的方向不断改变着，所以也把它叫作全息光偏折器同时，全息术还开拓了广阔的实用领域，1965 年，发展了脉冲全息术这一分支可用 2030m 的红宝石激光脉冲进行记录，便可测定高速喷气流雾滴的大小，并可制作全息动画片等196
23、9 年，斑顿（SBenton）发明了一种用白光再现的彩虹全息术，在一定条件下赋予全息图鲜艳的颜色1975 年，斑顿发明了白光透射全息术，可提供几米景深的记录，并具有大孔径和衍射效率高的优点，这项发明被认为具有里程碑的意义1977年，美籍华人陈选和杨振襄提出了一步彩虹全息，尽管视场受到一定的限制，但具有制作程序简单和信噪比高的优点1982 年法国展示了彩色全息动画片，他们是使用氟激光记录和放映的除此之外还发展了红外、微波、超声全息技术，全息术己在科技、文化、工业、农业、医药、艺术、商业、军事等领域开拓了广阔的应用前景；但在实用化的道路上，还有待人们的继续努力参考书目：1 刘忠政 白正衡 编著摄影和暗房技术海洋出版社199012232 Metherell AFAcoustical Holographyvol1New York：Plenum Press19692452563 Hildebrand BHand Brenum BBAn Introduction to Acoustical Holography New York： Plenum Press197245674 倪光炯等改变世界的物理学上海：复旦大学出版社199888905 郭奕玲 沈慧君诺贝尔物理学奖北京：高等教育出版社海德堡：施普林格出版社3638，327331
