伽伯与全息术的诞生

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 Holography

Abstrnact：Holography can get anplitade and phase information of light，and record the distribution of amplitude and phase of interference light as well as the teahnique of reappearing．In thos paper，Gabor's 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 picture

1839年8月19日，法国发明家达盖尔（L．J．M．Daguerre）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（N．Leith）和乌帕特尼克斯（J．Upatnicks ）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（1031—1095）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（Leonardo．da．Vinci）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（J．N．Niepce），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（G．Lippmann）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（W ．L ．Bragg ）在X 射线金属学方面工作及泽尔尼克（F ．Zernike ）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0．005弧度，从而算得分辨率的理论极

限约为0．4nm ．而分辨晶格起码要0．2nm ．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0．1nm ，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),(y x O 和参考光),(y x A 波阵面的复振幅表达式分别为：

)],(ex p[),(),(y x j y x o y x O ϕ-=,

)],(ex p[),(),(y x j y x a y x A χ-=；其中),(),,(y x a y x o 为位置函数，),(),,(y x y x χϕ为位相函数．

由波的叠加原理知，照相干板记录下的总的光强分布是：

)

,(),(),(),(),(),(),(22y x A y x O y x A y x O y x A y x O y x I **+++=

=)],(),(cos[),(),(2),(),(22y x y x y x a y x o y x a y x o ϕχ-++． 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τ(x ,y )的形式记录下来．在一定的条件下τ(x ,y )∝I (x ，y ) ，即：

[]

),(),(),(),(),(),(),(),(20y x A y x O y x A y x O y x O k y x y x kI y x **+++==ττ