光的干涉、衍射與全息照相 論文

1、光的干涉、衍射與全息照相摘要：全息照相原理是 1948 年伽伯（Dennis Gabor）為了提高 電子顯微境的分辨本領(lǐng)而提出的,亦稱全息攝影，是一種利用波的干涉記錄被攝物體反射（或透射）光波中信息（振振幅、相位）的照相技術(shù)。伽伯曾用汞燈作光源拍攝了第一張全息照片。其后，這方面的工作進(jìn)展相當(dāng)緩慢。直到 1960 年激光出現(xiàn)以后，全息技術(shù)才獲得了迅速發(fā)展，現(xiàn)在它已是一門應(yīng)用廣泛的重要新技術(shù)。關(guān)鍵詞：全息照相，波的干涉，波的衍射，全息應(yīng)用一 全息攝影的發(fā)展簡史 早在激光出現(xiàn)以前，1948年伽博為了提高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)而提出了全息照相的理論，并開始全息照相的研究工作。1960年以后出現(xiàn)了激光，為

2、全息照相提供了一個高亮度高度相干的光源，從此以后全息照相技術(shù)進(jìn)入一個嶄新的階段。相繼出現(xiàn)了多種全息的方法，不斷開辟全息應(yīng)用的新領(lǐng)域。伽伯也因全息照相的研究獲得1971年的諾貝爾物理學(xué)獎金。照相的奧秘在于對光的記錄。所有的光都擁有三種屬性，它們分別是光的明暗強(qiáng)弱、光的顏色以及光的方向。早期的銀版照相和黑白照片只能記錄下光的明暗變化，而彩色照片在此之外，還能通過記錄光的波長變化，反應(yīng)出它的顏色。全息攝影是唯一能同時捕捉到光的三種屬性的一種攝影術(shù)，通過激光技術(shù)，它能記錄下光射到物體上再折射出來的方向，逼真地再現(xiàn)物體在三維空間中的真實(shí)景象。一直到根特兄弟的作品問世之前，所謂的真實(shí)再現(xiàn)一直都不過是理論上

3、的。實(shí)際上，全世界也有許多其他人在從事著全息攝影的研究，國際全息圖象制造者聯(lián)合會（International Hologram Manufacturers Association）就是一個聚集了全球全息攝影專家和愛好者的組織。但伊夫·根特毫無疑問是這些專家中的翹楚，在2001年冬季，這個聯(lián)合會將“本年度最佳全息攝影作品”和“最新全息攝影技術(shù)”這兩項最有分量的大獎頒發(fā)給了伊夫，就是最好的說明。一次在奧地利召開的全息攝影學(xué)術(shù)會議上，當(dāng)根特兄弟發(fā)言并展示自己的作品時，“140多位經(jīng)驗(yàn)豐富的全息攝影高手都充滿欽佩之情地深吸了一口氣”。菲力普在回憶當(dāng)時的場景時不無得意，他說，“當(dāng)人們涌上來觀看

4、我們制作的全息圖片的時候，整個屋子都為之一空?！碑?dāng)時在場的所有專家都被那些幾可亂真的圖片迷住了，他們?nèi)滩蛔∩焓秩ビ|摸作品中身著老撾傳統(tǒng)舞蹈服裝的小木偶衣服上的精美花紋，還有人想要拭去掛在正在吃小甜餅的小姑娘嘴邊的餅干碎屑當(dāng)然，他們摸到的，只不過是一層薄薄的玻璃而已。伊夫的工作得到了業(yè)界承認(rèn)和贊許，可是，當(dāng)他在1992年因?yàn)樗诘膶?shí)驗(yàn)室倒閉而被解雇，回到家鄉(xiāng)小鎮(zhèn)上以一個自由職業(yè)者的身份開始自己的全息攝影技術(shù)研究時，情況卻完全不同。他花了兩年左右時間研究出所有必需設(shè)備，包括一臺最重要的便攜全息肖像照相機(jī)。但當(dāng)這一切就緒之時，唯一一家生產(chǎn)他所需要的膠片的制造商愛克發(fā)公司（Agfa）卻突然決定停止生產(chǎn)

5、此種膠片。在發(fā)明了“?！敝?，伊夫還必須教會自己制造出“草”來。在隨后的幾年中，伊夫·根特就在自己簡陋的實(shí)驗(yàn)室中自學(xué)相關(guān)的化學(xué)原理，并反復(fù)實(shí)踐。菲力普的加入給了他很大幫助。后來，他們終于發(fā)明出名為“終極”（Ultimate）的感光乳劑。同其他的感光乳劑一樣，“終極”的主要成分也是感光性極好的溴化銀顆粒，但“終極”中的溴化銀顆粒直徑只有10納米，是普通膠片上感光顆粒的1/10到1/100。正是這些微小的顆粒使“終極”能記錄下細(xì)至纖毫的每一個細(xì)節(jié)，并在同一個感光層上同時記錄下紅、綠、藍(lán)三色。伊夫找到了被他稱為“30年來所有人都在尋找的感光乳劑”，但他卻還有很長的路要走。他做出了復(fù)制肖維巖

6、洞壁畫的整個方案，卻因?yàn)檎也坏秸臋?quán)威人士而求告無門。他還建議為巴黎的迪斯尼樂園建立一個來訪名人的全息攝影肖像館，談判卻一拖再拖。所有見過他作品的人，都承認(rèn)那是完美的全息圖象，但法國的投資者過于謹(jǐn)慎，他們不僅要下金蛋的鵝，還要一群這樣的鵝能夠工業(yè)化、大規(guī)模下出金蛋，才肯從自己的口袋里掏錢。為了尋求投資人，根特兄弟及其父親甚至想過要移民到魁北克。轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在一位美國合伙人的加入之后。他所擁有的機(jī)器能將“終極”母版上的全息圖象復(fù)制到杜邦公司制造的某種聚合體材料上。盡管這些圖象還達(dá)不到“終極”膠片上的圖象水準(zhǔn)，但卻遠(yuǎn)比從前的聚合體材料上的全息圖象好多了。伴隨著這種杜邦材料上的全息圖象的大規(guī)模生產(chǎn)，使

7、用“終極”膠片的工業(yè)化生產(chǎn)也是指日可待。此外，國際全息圖象制造者聯(lián)合會的首肯也為根特兄弟的工作增添了分量。二 全息攝影原理（一） 普通照片的拍攝原理 照相技術(shù)是利用了光能引起感光乳膠發(fā)生化學(xué)變化這一原理。這化學(xué)變化的濃度隨入射光強(qiáng)度的增大而增大，因而沖洗過的底片上各處會有明暗之分。普通照相使用透鏡成象原理，底片上各處乳劑化學(xué)反應(yīng)的深度直接由物體各處的明暗決定，因而底片就記錄了明暗，或者說，記錄了入射光波的強(qiáng)度或振幅。記錄下來的照片沒有立體感，因?yàn)閺母鱾€視角看照片得到的像完全相同。（二） 全息照片的拍攝原理 全息照相利用了光的干涉現(xiàn)象不但記錄了入射光波的強(qiáng)度，而且還能記錄下入射光波的相位。由于全

8、息照片的拍攝利用光的干涉現(xiàn)象，它要求參考光和物光是彼此相干的。實(shí)際上所用儀器設(shè)備以及被拍攝物體的尺寸都比較大，這就要求光源有很強(qiáng)的時間相干性和空間相干性。由于普通光源是自發(fā)輻射，發(fā)光的間歇性和隨機(jī)性難以達(dá)到要求。而激光，作為一種相干性很強(qiáng)的強(qiáng)光源正好滿足了這些要求，這正是激光出現(xiàn)后全息技術(shù)才得到長足發(fā)展的原因。 全息照相沒有利用透鏡成象原理，拍攝全息照片的基本光路大致如圖 1 所示。來自同一激光光源（波長為 ）的光分成兩部分：一部分直接照到照相底片上，叫參考光：另一部分用來照明被拍攝物體，物體表面上各處散射的光也射到照相底片上，這部分光叫物光。參考光和物光在底片上各處相遇時將發(fā)生干涉。所產(chǎn)生的

9、干涉條紋既記錄了來自物體各處的光波的強(qiáng)度，也記錄了這些光波的相位。干涉條紋記錄光波的強(qiáng)度的原理是容易理解的。因?yàn)樯涞降灼系膮⒖脊獾膹?qiáng)度是各處一樣的，但物光的強(qiáng)度則各處不同，其分布由物體上各處發(fā)來的光決定，這樣參考光和物光疊加干涉時形成的干涉條紋在底片上各處的濃淡也不同。這濃淡就反映物體上各處發(fā)光的強(qiáng)度，這一點(diǎn)是與普通照相類似的。干涉條紋怎樣記錄相位的呢？請看圖 2，設(shè) O 為物體上某一發(fā)光點(diǎn)。它發(fā)的光和參考光在底片上形成干涉條紋。設(shè) a，b 為某相鄰兩條暗紋（底片沖洗后變?yōu)橥腹饪p）所在處，距 O 點(diǎn)的距離為 r 。要形成暗紋，在 a，b 兩處的物光和參考光必須都反相。由于參考光在 a，b 兩

10、處是相同的（如圖設(shè)參考光平行垂直入射，但實(shí)際上也可以斜入射），所以到達(dá) a，b 兩處的物光的光程差必相差 。由圖示幾何關(guān)系可知：= sin dx，由此得： dx = / sin = r / x 這一公式說明，在底片上同一處，來自物體上不同發(fā)光點(diǎn)的光，由于它們的 或 r 不同，與參考光形成的干涉條紋的間距就不同，因此底片上各處干涉條紋的間距（以及條紋的方向）就反映了物光波相位的不同，這不同實(shí)際上反映了物體上各發(fā)光點(diǎn)的位置（前后、上下、左右）的不同。整個底片上形成的干涉條紋實(shí)際上是物體上各發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的物光與參考光所形成的干涉條紋的疊加。這種把相位不同轉(zhuǎn)化為干涉條紋間距（或方向）不同從而被感光底片記

11、錄下來的方法是普通照相方法中不曾有的。（三） 全息圖像的觀察 觀察一張全息照片所記錄的物體的形象時，只需用拍攝該照片時所用的同一波長的照明光沿原參考光的方向照射照片即可，如圖 4 所示。這時在照片的背面向照片看，就可看到在原位置處原物體的完整的立體形象，而照片就像一個窗口一樣。所以能有這樣的效果，是因?yàn)楣獾难苌涞木壒省Ｈ钥紤]兩相鄰的條紋 a 和 b，這時它們是兩條透光縫，照明光透過它們將發(fā)生衍射。沿原方向前進(jìn)的光波不產(chǎn)生成象效果，只是強(qiáng)度受到照片的調(diào)制而不再均勻。沒原來從物體上 O 點(diǎn)發(fā)來的物光的方向的那兩束衍射光，其光程差一定也就是波長 。這兩束光被人眼會聚將疊加形成 +1 級極大，這一極大

12、正對應(yīng)于發(fā)光點(diǎn) O。由發(fā)光點(diǎn) O 原來的底片上各處造成的透光條紋透過的光的衍射的總效果就會使人眼感到在原來 O 所在處有一發(fā)光點(diǎn) O'。發(fā)光體上所有發(fā)光點(diǎn)在照片上產(chǎn)生的透光條紋對入射照明光的衍射，就會使人眼看到一個在原來位置處的一個原物的完整的立體虛象。三 全息照相的突出特征(一） 為了滿足產(chǎn)生光的干涉條件，通常要用相干性好的激光作光源，而且光和照射物體的光是從同一束激光分離出來的。（二） 感光片顯影后成為全息圖。全息圖并不直接顯示物體的圖象。用高倍顯微鏡觀看全息圖表面，看到的是復(fù)雜的條紋，絲毫看不到物體的形象，而這些條紋正記錄了物體的光學(xué)全息。這些條紋是利用激光照明的物體所發(fā)出的物光

13、波與標(biāo)準(zhǔn)光波（參考光波）干涉，在平面感光底板上被記錄形成的，即用編碼方法把物光波“凍結(jié)”起來。一旦遇到類似于參考光波的照明光波照射，就會衍射出成像光波，它好像原物光波重新釋放出來一樣。所以全息照相的原理可用八個字來表述：“干涉記錄，衍射再現(xiàn)”。 （三）全息照相再現(xiàn)的是一個精確復(fù)制的物光波，當(dāng)我們“看”這個物光波時，可以從各個視角觀察到再現(xiàn)立體像的不同側(cè)面，猶如看到逼真物體一樣，具有景深和視差。一張全息圖相當(dāng)于從多角度拍攝、聚焦成的許多普通照片，在這個意義上一張全息的信息量相當(dāng)100張或1000張普通照片。人眼看到的立體虛象真正是立體的，其突出特征是：當(dāng)人眼換一個位置時，可以看到物體的側(cè)面象，原

14、來被擋住的地方這時也顯露出來了。普通的照片不可能做到這一點(diǎn)。人們看普通照片時也會有立體的感覺，那是因?yàn)槿四X對視角的習(xí)慣感受，如遠(yuǎn)小近大等。在普通照片上無論如何也不能看到物體上原來被擋住的那一部分。(四) 點(diǎn)-面對應(yīng)記錄。全息照片還有一個重要特征是通過其一部分，例如一塊殘片，也可以看到整個物體的立體象。因?yàn)榕臄z照片時，物體上任一發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的物光在整個底片上各處都與參考光發(fā)生干涉，因而在底片上各處都有該發(fā)光點(diǎn)的記錄。取照片的一部分用照明光照射時，這一部分上的記錄就會顯示出該發(fā)光點(diǎn)的象。對物體上所有發(fā)光點(diǎn)都是這樣，所不同的只是觀察的“窗口”小了一點(diǎn)。四 全息的應(yīng)用領(lǐng)域及現(xiàn)狀 全息攝影在信號記錄、形變

15、計量、計算機(jī)存儲、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究、軍事技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。80年代初，法國全息攝影展在世界各地展覽，人們欣賞到了神奇莫測的全息攝影。墻頭上，看來明明伸出了一只水龍頭，舉手前去擰一下，結(jié)果是抓了個空；一只鏡框，里面沒有什么圖象，可是當(dāng)一束光射過來，框里就出現(xiàn)一位美麗的姑娘，她緩慢地摘下眼鏡，正向人微笑致意；一只玻璃罩，里面空無一物，可是，在光的照射下，罩里馬上現(xiàn)出維納斯像；在鏡框上，玻璃罩內(nèi)，圖象還在不斷地變換把一些珍貴的文物用這項技術(shù)拍攝下來，展出時可以真實(shí)地立體再現(xiàn)文物，供參觀者欣賞，而原物妥善保存，防失竊，大型全息圖既可展示轎車、衛(wèi)星以及各種三維廣告，亦可采用脈沖全息術(shù)再現(xiàn)人物肖像

16、、結(jié)婚紀(jì)念照。小型全息圖可以戴在頸項上形成美麗裝飾，它可再現(xiàn)人們喜愛的動物，多彩的花朵與蝴蝶。模壓全息標(biāo)識由于它的三維層次感，并隨觀察角度而變化的彩虹效應(yīng)，以及千變?nèi)f化的防偽標(biāo)記，再加上與其他高科技防偽手段的緊密結(jié)合，把新世紀(jì)的防偽技術(shù)推向了新的輝煌頂點(diǎn)。除光學(xué)全息外，還發(fā)展了紅外、微波和超聲全息技術(shù)，這些全息技術(shù)在軍事偵察和監(jiān)視上有重要意義。我們知道，一般的雷達(dá)只能探測到目標(biāo)方位、距離等，而全息照相則能給出目標(biāo)的立體形象，這對于及時識別飛機(jī)、艦艇等有很大作用。因此，備受人們的重視。但是由于可見光在大氣或水中傳播時衰減很快，在不良的氣候下甚至于無法進(jìn)行工作。為克服這個困難發(fā)展出紅外、微波及超聲

17、全息技術(shù)，即用相干的紅外光、微波及超聲波拍攝全息照片，然后用可見光再現(xiàn)物象，這種全息技術(shù)與普通全息技術(shù)的原理相同。技術(shù)的關(guān)鍵是尋找靈敏記錄的介質(zhì)及合適的再現(xiàn)方法。超聲全息照相能再現(xiàn)潛伏于水下物體的三維圖樣，因此可用來進(jìn)行水下偵察和監(jiān)視。由于對可見光不透明的物體，往往對超聲波透明，因此超聲全息可用于水下的軍事行動，也可用于醫(yī)療透視以及工業(yè)無損檢測測等。除用光波產(chǎn)生全息圖外，已發(fā)展到可用計算機(jī)產(chǎn)生全息圖。全息圖用途很廣，可作成各種薄膜型光學(xué)元件，如各種透鏡、光柵、濾波器等，可在空間重疊，十分緊湊、輕巧，適合于宇宙飛行使用。使用全息圖貯存資料，具有容量大、易提取、抗污損等優(yōu)點(diǎn)。全息照相的方法從光學(xué)領(lǐng)域推廣到其他領(lǐng)域。如微波全息、聲全息等得到很大發(fā)展，成功地應(yīng)用在工業(yè)醫(yī)療等方面。地震波、電子波、X射線等方面的全息也正在深入研究中。全息圖有極其廣泛的應(yīng)用。如用于研究火箭飛行的沖擊波、飛機(jī)機(jī)翼蜂窩結(jié)構(gòu)的無損檢驗(yàn)等。激光全息，而且研究成功白光全息，以及全景彩虹全息，使人們能看到景物的各