激光全息照相的原理

一、激光全息照相的原理

早在1948年，匈牙利出生的英国物理学家伽柏（D. Gabor）为了提高电子显微镜的分辨本领，就曾提出全息照相的原理，用汞灯作光源拍摄了第一张全息照片。1960年激光出现以后，全息技术获得了迅速发展，现在已是一门应用领域十分广泛的新兴科学技术。为了表彰伽柏在这一科学技术领域所取得的成就，1971年他获得了诺贝尔物理奖。图4-3是用普通照相拍摄出的两张全息照片。

图4-3　普通照相拍摄的两张全息照片

全息照相与普通照相完全不同，它把物体光波场的全部信息都贮存在记录介质中，即它记录了物光的全部信息包括振幅和相位，所以称为全息照相（Holograph）。拍照的过程如图4-4所示。

图4-4　全息照相的记录

图4-5　放大的部分全息图

它除了有一束光波照明物体，使物光照射到纪录介质外，还需要另一束称为参考光波的帮助，才能实现物光全部信息的记录。参考光也照射到记录介质上，这样，物光和参考光就在记录介质上形成了干涉条纹。干涉条纹的亮暗含有物光的振幅信息，条纹的形状记录了物光的相位信息，介质上记录的干涉条纹又称为全息图（Hologram）。一张全息照片或全息图，用眼睛直接观看只是灰蒙蒙的半透明片，绝对看不出物体的形象也看不到干涉条纹，因为干涉条纹很细很密，每毫米可多达几百到几千条，只有借助显微镜才能观察到。图4-5是一张放大了的全息图干涉条纹。

再现全息照片上所记录的物像，还需要用与参考光相同的激光照射全息图片。这张记录有干涉条纹的全息图宛如一块复杂的光栅将照明光波衍射，这些衍射光波中包含着原来的物光波，观察者迎着物光波方向即可观察到一个立体感很强的物体再现像，这时看到的物像非常逼真。如图4-6所示，人们眼睛看到的是全息图对照明光波衍射而出现的一束发散光波。它复现了物光，给人眼的感觉好像是通过全息照片这样一个窗口往外看景物一样，景物的这个像称为虚像。全息图对照明光波的衍射还会出现一束会聚的光波，它也是物光的复现，形成了物体的实像。

图4-6　全息图像的观察

全息照相与普通照相除了物像的记录和再现不同外，它还有以下三个重要的特点：第一，逼真的立体感。如果拍摄的是多个物体，若前面的物体遮住了后面的景物，只要头偏一下从侧面即可看到。第二，抗破损性。全息图上每一处都记录有物体上各点发出的物光信息，一张全息照片若是被打碎，它的每一块碎片照样能观看到完整的被摄景物，只不过是被观看的照片尺寸小了，像的亮度有所下降而已。第三，记录的多重性。全息照相在同一张感光片上可以重叠记录许多像，这些像能够互不干扰地单独显示出来。

图4-7是一个拍摄全息照相的防震平台，光路中的所有元件都置于该平台上，被拍摄的物体应是静物也放在其上，称这种全息为静态全息。激光设备采用连续波的氦-氖激光器。最常用的记录介质是与普通照相干板相似的全息干板，它是将超细微粒卤化银感光乳胶涂在玻璃板上制成的。

图4-7　拍摄全息图的实验平台