全息照相

全息照相（简称全息）原理是 1948 年伽伯（Dennis Gabor）为了提高电子显微境的分辨本领而提出的。他曾用汞灯作光源拍摄了第一张全息照片。其后，这方面的工作进展相当缓慢。直到 1960 年激光出现以后，全息技术才获得了迅速发展，现在它已是一门应用广泛的重要新技术。 全息照片的拍摄 照相技术是利用了光能引起感光乳胶发生化学变化这一原理。这化学变化的浓度随入射光强度的增大而增大，因而冲洗过的底片上各处会有明暗之分。普通照相使用透镜成象原理，底片上各处乳剂化学反应的深度直接由物体各处的明暗决定，因而底片就了明暗，或者说，记录了入射光波的强度或振幅。全息照相不但记录了入射光波的强度，而且还能记录下入射光波的相位。之所以能如此，是因为全息照相利用了光的干涉现象。 全息照相没有利用透镜成象原理，拍摄全息照片的基本光路大致如图 1 所示。来自同一激光光源（波长为 λ）的光分成两部分：一部分直接照到照相底片上，叫参考光：另一部分用来照明被拍摄物体，物体表面上各处散射的光也射到照相底片上，这部分光叫物光。参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉。所产生的干涉条纹既记录了来自物体各处的光波的强度，也记录了这些光波的相位。 　　干涉条纹记录光波的强度的原理是容易理解的。因为射到底片上的参考光的强度是各处一样的，但物光的强度则各处不同，其分布由物体上各处发来的光决定，这样参考光和物光叠加干涉时形成的干涉条纹在底片上各处的浓淡也不同。这浓淡就反映物体上各处发光的强度，这一点是与普通照相类似的。 干涉条纹怎样记录相位的呢？请看图 2，设 O 为物体上某一发光点。它发的光和参考光在底片上形成干涉条纹。设 a，b 为某相邻两条暗纹（底片冲洗后变为透光缝）所在处，距 O 点的距离为 r 。要形成暗纹，在 a，b 两处的物光和参考光必须都反相。由于参考光在 a，b 两处是相同的（如图设参考光平行垂直入射，但实际上也可以斜入射），所以到达 a，b 两处的物光的光程差必相差 λ。由图示几何关系可知 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　λ= sinθ dx 由此得 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　dx = λ / sinθ = λr / x 　　　　　　　　　　（1） 　　这一公式说明，在底片上同一处，来自物体上不同发光点的光，由于它们的 θ 或 r 不同，与参考光形成的干涉条纹的间距就不同，因此底片上各处干涉条纹的间距（以及条纹的方向）就反映了物光波相位的不同，这不同实际上反映了物体上各发光点的位置（前后、上下、左右）的不同。整个底片上形成的干涉条纹实际上是物体上各发光点发出的物光与参考光所形成的干涉条纹的叠加。这种把相位不同转化为干涉条纹间距（或方向）不同从而被感光底片记录下来的方法是普通照相方法中不曾有的。 由上述可知，用全息照相方法获得的底片并不直接显示物体的形象，而是一幅复杂的条纹图象，而这些条纹正记录了物体的光学全息。图 3 是一张全息照片的部分放大图。 　　由于全息照片的拍摄利用光的干涉现象，它要求参考光和物光是彼此相干的。实际上所用仪器设备以及被拍摄物体的尺寸都比较大，这就要求光源有很强的时间相干性和空间相干性。激光，作为一种相干性很强的强光源正好满足了这些要求，而用普通光源则很难做到。这正是激光出现后全息技术才得到长足发展的原因。     2、全息图象的观察 观察一张全息照片所记录的物体的形象时，只需用拍摄该照片时所用的同一波长的照明光沿原参考光的方向照射照片即可，如图 4 所示。这时在照片的背面向照片看，就可看到在原位置处原物体的完整的立体形象，而照片就像一个窗口一样。所以能有这样的效果，是因为光的衍射的缘故。仍考虑两相邻的条纹 a 和 b，这时它们是两条透光缝，照明光透过它们将发生衍射。沿原方向前进的光波不产生成象效果，只是强度受到照片的调制而不再均匀。没原来从物体上 O 点发来的物光的方向的那两束衍射光，其光程差一定也就是波长 λ。这两束光被人眼会聚将叠加形成 +1 级极大，这一极大正对应于发光点 O。由发光点 O 原来的底片上各处造成的透光条纹透过的光的衍射的总效果就会使人眼感到在原来 O 所在处有一发光点 O'。发光体上所有发光点在照片上产生的透光条纹对入射照明光的衍射，就会使人眼看到一个在原来位置处的一个原物的完整的立体虚象。注意，这个立体虚象真正是立体的，其突出特征是：当人眼换一个位置时，可以看到物体的侧面象，原来被挡住的地方这时也显露出来了。普通的照片不可能做到这一点。人们看普通照片时也会有立体的感觉，那是因为人脑对视角的习惯感受，如远小近大等。在普通照片上无论如何也不能看到物体上原来被挡住的那一部分。　　 全息照片还有一个重要特征是通过其一部分，例如一块残片，也可以看到整个物体的立体象。这是因为拍摄照片时，物体上任一发光点发出的物光在整个底片上各处都与参考光发生干涉，因而在底片上各处都有该发光点的记录。取照片的一部分用照明光照射时，这一部分上的记录就会显示出该发光点的象。对物体上所有发光点都是这样，所不同的只是观察的“窗口”小了一点。这种点-面对应记录的优点是用透镜拍摄普通照片时所不具有的。普通照片与物是点-点对应的，撕去一部分，这一部分就看不到了。 还可以指出的是，用照明光照射全息照片时，还可以得到一个原物的实象，如图 5 所示。从 a 和 b 两条透光缝衍射的，沿着和原来物光对称的方向的那两束光，其光程差也正好相差 。它们将在和 O' 点对于全息照片对称的位置上相交干涉加强形成 -1 级极大。从照片上各处由 O 点发出的光形成的透光条纹所衍射的相应方向的光将会聚于 O'' 点而成为 O 点的实象。整个照片上的所有条纹对照明光的衍射的 -1 级极大将形成原物的实象。但在此实象中，由于原物的“前边”变成了“后边”，“外边”翻到了“里边”，和人对原物观察不相符合而成为一种“幻视象”，所以很少由实际用处。 　　以上所述是平面全息的原理，在这里照相底片上乳胶层厚度比干涉条纹间距小很多，因而干涉条纹是两维的。如果乳胶层厚度比干涉条纹间距大，则物光和参考光有可能在乳胶层深处发生干涉而形成三维干涉图样。这种光信息记录是所谓体全息。 3、全息的应用 全息照相技术发展到现阶段，已发现它有大量的应用。如全息显微术、全息 X 射线显微镜、全息电影、全息干涉计量术、全息存储、特征字符识别等。 除光学全息外，还发展了红处、微波、超声全息术，这些全息技术在军事侦察或监视上具有重要意义。如对可见光不透明的物体，往往对超声波“透明”，因而超声全息可用于水下侦察和监视，也可用于医疗透视以及工业无损探伤等。 　　应该指出的是，由于全息照相具有一系列优点，当然引起人们很大的兴趣与注意，应用前途是很广泛的。但直到目前为止，上述应用还多处于实验阶段，到成熟的应用还有大量的工作要做。