1、伽伯與全息術的誕生摘要：全息術是同時獲得光的振幅信息和位相信息，并記錄波動干擾的振幅和位相分布以及隨后使之重現的技 術.本文簡述了伽伯為實現全息術所產生的“波前重建”的構想，并展示了激光全息術的廣闊應用前景.關鍵詞：伽伯，全息術，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，法國發明家達蓋爾(L.

3、 J. M. Daguerre)發明的“達蓋爾攝影法”，從而宣告攝影術的 誕生.1935年，美國兩位音樂家曼納斯和小哥多斯基成功地研制成柯達克羅姆彩色膠片，從而奠定了彩色攝影 的基礎.當人們從二維紙張或底片上形成優美的影象后，就開始追求和原物一樣逼真的三維立體圖象；1947年 英國物理學家伽伯(Dennis Gabor)首先提出“波前重建”的構想，為全息術的誕生奠定了理論基礎.1960年 激光器的誕生，給全息術帶來了新的生機，1963年，美國密執安大學的利思(N. Leith)和烏帕特尼克斯 (J. Upatnicks )發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 立體再現像，從而宣告了全息術進入了成熟的時代.1971年，瑞典諾貝爾獎委員會為了表彰伽伯對全息術的發 明和發展所作出的開創性貢獻，而授予他該年度諾貝爾物理學獎.1攝影術的歷史攝影術的發展是與小孔成像的研究分不開的，早在2400年前戰國時代，我國著名的光學經典著作墨經 中，就記述了用暗箱攝取影像的小孔成像原理.沈括(10311095)在他的夢溪筆談中，對小孔成像理論作 了進一步的分析和解釋.意大利文芝復興時期的著名畫家和科學家達芬奇(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

5、了有透鏡的暗箱，這就是照相機的雛形，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 使人們開始對影像如何進行復制的思考.1725年，德國醫學教授海因里希舒爾茨發現，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，取下樹葉時出現了非常優美的白色輪廓，當時他雖然沒有找到將圖象固定 下來的方法，但它證實了攝影方法記錄成像的可能性.1826年，德國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

6、準他工作的室外，經過8小時的曝光后，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，不可能成為實用的攝影方法.達蓋爾改用銀鹽，在銅板上涂上碘化銀作為感光物質，用硫代硫酸鈉溶解未感 光的銀鹽進行“定影”，并于1837年5月成功地實現了 “達蓋爾攝影法”.1839年8月19日法國科學院與藝術 學院正式發布了達蓋爾攝影術，這一天被世界公認為攝影術的誕生日.接著，英國業余科學家塔爾博特，把墨底 白圖象的負片與另一張感光的藥膜面相貼，然后曝光、顯影、定影，最后得到了無數張與原物影像一樣的正像， 這種“負片正片法”一直延用至今.在達蓋爾時代，

7、照相術主要是用黑白片，黑白片是用黑、灰、白構成畫面中不同的階調、層次和對比，表現 人物和大自然景物，構成了獨特的藝術韻味，使照片產生豐富的藝術表現力.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，也不能滿足日益發展的現代科學技術的需求.1886年，李普曼(G. Lippmann) 建立了關于照片再現彩色的一般理論，1903年他向法國科學院遞交了第一張完美地再現彩色的照片.1907年，法國的留米埃爾（Lumiere）公司開始研制彩色片.其原理是由紅、綠、藍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，然后采用反轉沖洗法使之成為正象，如同今日的幻燈片，

8、此法 后來轉變成彩色電視的基礎.1930年，美國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 公司技術人員合作，在1935年成功地制成柯達克羅姆彩色膠片，奠定了彩色攝影的基礎，開始向市場供應135 彩色膠片.與此同時，矯克發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（反轉片），1942 年又推出柯達彩色負片.1948年，美國波拉羅（Polawoid）公司首先試制成功一次成象技術，在十幾秒或幾十 秒內就可直接從照相機里取出照片，這是攝影史上劃時代的發明.2伽伯波前重建”的構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，全息術就應運而

9、生 了.全息術（holography）又稱全息照相術，它不僅包括光的振幅信息還包括位相信息，記錄波動干擾的振幅和 位相分布以及隨后使之重現的技術.1947年，匈牙利出生的英國倫敦帝國科技學院的物理學伽伯開始從事提高 電子顯微鏡分辨本領的工作，受布喇格（W. L. Bragg）在X射線金屬學方面工作及澤爾尼克（F. Zernike）關 于引入相干背景來顯示位相的工作的啟發，提出了全息術的設想以提高電子顯微鏡的分辨本領.伽伯當時正在英 國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.那時電子顯微鏡的分辨能力已 比最好的光學顯微鏡提高了 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.面對這樣的難題，伽伯 苦苦思索.1947年復活節這天，天空晴朗，伽伯在網球場等待一場球 賽時腦子里突然出現一道閃念，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，再用光學方法去校正呢？ ”他考慮 到電子物鏡永遠不會完善，若把它省去，利用相干電子波記錄相位和 強度信息，再利用相干光可再現無像差的像，這樣一來，

11、電子顯微鏡 的分辨率就可以提高到0. 1nm，達到觀察晶格的要求了.伽伯就是從 這一思想出發，發明了全息術.接著，伽伯完善了自己的理論，他認為，要獲得實物全部信息， 必須由波陣面記錄和波陣面再現兩步來完成.要實現波陣面記錄，必 須引入適當的相干參考光，使它與物體衍射（或散射）的光相干涉， 把這干涉場記錄下來，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 在記錄媒質如干板處物光O （尤,y）和參考光A（x, y）波陣面的復振幅表達式分別為: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，中(x, y), X(x, y)為位相函數.由波的疊加原理知，照相干板記錄下的總的光強分布是：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)放在(x，y)面內曝光，經過顯影、定影后,就會把I(x,y)以復振幅透過率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)只和參考光的光強有關；第二項與物光的光強(或振幅)有關；第三項由參考光和物光的位相來決 定.這樣全息圖的復振幅透過率r (x，y)就是對物光振幅和位相的完全記錄.波陣面記錄的結果是得到一張記有物光振幅和位相信息的全息圖.波

14、陣面再現過程是利用適當的相干再現光B(x, y)照射全息圖而得到物的實像或虛像.用相干再現光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通常再現光 B(x, y)選為 A(x, y)或 A*(x, y),當 B(x, y)=A(x, y)時，u (x, y) = k|A(x, y)|2 O* (x

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

16、.3激光全息照相的誕生及其特點1960年，美國物理學家湯斯(C. H. Townes)和梅曼(T. H. Maiman)制造出第一臺激光器，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的重視，大批科學技術人員投入了 激光的研究工作，為激光開辟了極為廣闊的應用領域.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等問題.激 光以它的超高電場強度、光質和溫度，因而使它成為科學 技術領域強有力的工具；科學家們利用它來研究同生命密 切相關的光合作用、血紅蛋白和脫氧核酸機制.用激光來 研究原子、分子光譜，并開拓了 “激光微區光譜分析”的 應用

17、新領域，使得不損壞部件或文物進行測試或考古成為 可能.就在激光問世后不久，美國密執安大學的利思 (E. N. Leith)首先將激光引入全息術，并使全息照相在實驗上獲得成功，從此以后，全息技術風靡世界.19611962年，利思等人對伽伯全息圖進行了改進，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用的激光全息圖，從而使得全息術 在1963年以后成為光學領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.與此同時，蘇聯的物理學家根據李普曼(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，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，并經擴束透鏡L1擴束后照射到被攝物體上，再經物體反射后照射到感光底片上，這部分光叫做物光.另一 束光經反射鏡M2反射改變光路，并經擴束透鏡L2擴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存下來，經顯影、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，只需用一束波長同拍攝時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 物體的不同側面，甚至在某個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是它那極為逼真的立體感和真實感.當你轉動眼睛從不同角度觀看時，可以看到物體 的側面形象，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物.由于拍攝全息照片時記錄下來的是高度密集、極其復 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.全息照片上每一點的信息都由各自發出的子波傳播到整幅全息底片上，因此全息照片上 任意一點都存儲了整個物體的信息，每點都能獨立地再現它拍攝的完整圖象，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記錄許多物體 的全息圖，再現時可同時看到所有物體的象.由于全息照相

21、的上述優點，它已被廣泛應用于現代社會的許多高科 技領域.如全息電影電視、全息顯微術、全息干涉技術、全息印刷技術、全息信息存儲等均已成為現實，并具有 一般照相所無法與之媲美的優越性.4全息術的應用伽伯發明全息術不久，就指出它的三個方面的應用前景即全息干涉度量術、全息光學元件和全息信息存儲.隨 著激光器的問世，這三方面都獲得了不同程度的實用化，下面對前兩種應用作一簡單介紹.由于要進行高精度測量從而人們設計出了全息干涉量度術，全息干涉量度術能實現非接觸的測量；一般光學 干涉量度只能測量形狀比較簡單、表面光潔度很高的零件，而用全息干涉計量方法則能將應用范圍擴展到具有任 意形狀的三維漫射表面的物體.無論

22、其表面光潔度如何，都能相對分析測量到光學公差的精度.由于全息圖具有 三維性質，使用全息技術允許從不同視角，通過干涉量度方法去考察一個形狀復雜的物體.因此全息干涉量度分 析在無損檢驗、微應力應變測量、形狀和等高線的檢測、振動分析、高速光學等多種領域中已得到廣泛的應用， 并已解決了用其他手段難以解決的問題.根據全息術原理制成的光學元件，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，實際上是菲涅耳波帶片或變形了的菲涅耳波帶片.有像差，產生的原因是記錄媒質處理前后的形變、再

23、現時的波長的改變及復位精度等.全息透鏡也可以用計算機法制作.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直鏡和會聚鏡.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.當使用入射光是復色光時，只有 滿足布喇格衍射角條件的某波長的光才能衍射再現出來，從而起到濾光片的作用.其波長半寬度較干涉濾光片窄 得多.全息掃描器是由照相法得到，但大多數情況都是由計算機產生的全息圖.通常是把一記錄媒質分割成若干 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.再現時用一束已知的光照射全