全息原理

全息原理

围绕黑洞的视界表面积是黑洞熵的测度的证明导致人们建议，任何闭合空间区域的最大熵永远不能超过其表面积的四分之一。由于熵正是包含在一个系统中的总信息的测度，这便暗示，在和三维世界中的所有现象相关联的信息能被储存在它的二维边界上，正如一个全息像一样。在一定的意义上讲，这个世界是二维的。

全息术

利用干涉和衍射原理记录并再现物体光波波前的一种技术。其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，此即拍摄过程：被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束（图A）；另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图，或称全息照片；其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息，这是成象过程：全息图犹如一个复杂的光栅，在相干激光照射下（图B），一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象，即原始象（又称初始象）和共轭象。再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。

全息照片可分为振幅型（又叫吸收型）和位相型两大类，它们按照与被记录时的曝光量相对应的方式分别改变照明光波的振幅或位相。如果根据干涉条纹的间距和感光膜层厚度的相对大小来划分，则有薄型（二维型或平面型）和厚型（三维型或体积型）两类全息照片。在薄型全息照片中，按拍摄时物光束与参考光束是否在感光膜的同侧入射，分为透射型全息照片和反射型全息照片。如按记录全息图时光路布局的不同分类，有同轴型全息图和离轴型全息图。

全息学的原理适用于各种形式的波动，如X射线、微波、声波、电子波[1]等。只要这些波动在形成干涉花样时具有足够的相干性即可。光学全息术可望在立体电影、电视、展览、显微术、干涉度量学、投影光刻、军事侦察监视、水下探测、金属内部探测、保存珍贵的历史文物、艺术品、信息存储、遥感，研究和记录物理状态变化极快的瞬时现象、瞬时过程（如爆炸和燃烧）等各个方面获得广泛应用。

又称全息照相术。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。广泛地用作三维光学的成像，也可用于声波（见声全息）和射频波。

"全息"是由希腊字"holos"变来的,意即完全的信息──不仅包括光的振幅信息还包括位相信息。

发展简史 1947年D.伽柏从事提高电子显微镜分辨本领的工作。受W.L.布喇格在 X射线金属学方面工作及F.泽尔尼克的关于引入相干背景来显示位相的工作的启发，伽柏提出了全息术的设想以提高电子显微镜的分辨本领。1948年他利用水银灯首次获得了全息图及其再现象，从而创立了全息术，为此他在1971年获得了诺贝尔物理学奖。

50年代G.L.罗杰斯等人的工作大大扩充了波阵面再现理论。但是由于"孪生像"问题和光源相干性的限制，1955年以后全息术进入低潮阶段。

激光的出现，为全息术的发展开辟了广阔的前景，1961～1962年，E.N.利思等人对伽柏全息图进行了改进，引入"斜参考光束法"一举解决了"孪生像"问题，用氦氖激光器成功地拍摄了第一张实用的激光全息图。这样就使得全息术在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彩色照相法和伽柏全息法提出了反射全息图的概念。

1965年以来全息术的一个重要分支──脉冲全息术得到了发展，这使得动态全息干涉计量获得了实际应用。

基本原理 1948年伽柏提出了一种全新的两步无透镜成像法──全息术，也称为波阵面再现术。整个过程由两步──波阵面记录和波阵面再现──来完成。

波阵面记录这个过程中，引入适当的相干参考波，使它与由物体衍射（或散射）的光（物光）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。记录如图1a所示。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

由波的叠加原理知，照相干板记录下的总的光强分布是：

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

式中τo(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

τ(x， y)就是对物光振幅和位相的完全记录。

波阵面再现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μ(x，y)为

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，

如果经适当选择使|A(x，y)|2在各处有均匀的分布，则μ4就代表物光O(x，y)的再现，即得到物的三维虚像。

当B(x，y)=A*(x，y)时，

同样适当选择A(x,y)使|A(x,y)|2在各处有均匀分布时，则μ3（x,y）就代表物光的共轭光，得到物的三维实像。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。

全息图的分类全息图的种类繁多，有许多不同的分类方法。比如根据记录媒质的厚度与条纹间距之比,可以分为薄全息图和厚全息图；根据复振幅透过率的调制变量的不同可以分为振幅型全息图和位相型全息图；根据记录时物光和参考光的方位情况，可以分为同轴全息图和离轴全息图；根据记录时物光和参考光在干板的同侧还是两侧，可分为透射全息图和反射全息图；还可以根据记录的物体与干板的距离，分为菲涅耳型和夫琅和费型全息图；根