激光全息术

所谓“全息”是完整的意思，它包括了光的全部信息，即振幅和相位的信息。而用普通照相机摄影，只能在胶片上记录光强的信息，无法记录光相位的信息。所以全息照相术的中心问题是如何记录投射到规定表面的单色波（或近于单色波）的振幅与相位的信息，并将这些信息检测出来的问题。

●全息照相原理

盖伯（Dennis Gabor）对电子显微镜很感兴趣。1947年，他在英格兰Rughy城的British Thomson-Houston公司作电子显微镜的研究工作。为克服电子显微镜电子透镜的球面像差，以提高电子显微镜的分辨力，经过一段时间思考，他产生了用全息照相的方法来提高电子显微镜分辨本领的想法。他的这个想法得到公司的支持，准许他到光学实验室工作，所以他有机会研制并拍摄光学全息图。1948年盖伯首先成功地拍摄了一张全息图。

当时还没有激光器，盖伯拍摄这些全息图是很困难的。他用了一个高压水银灯，其相干长度只有0.1毫米，只能提供200条干涉条纹。为了获得空间相干性，需要提高水银灯的单色性，所以他不得不牺牲水银灯的光强，选用其中一条水银谱线去照明3微米直径的针孔。由于光强弱，他使用了当时所能获得的最灵敏的感光乳胶，经过几分钟的曝光，得到1厘米直径的图像。盖伯将它称为全息图，发表在1948年写的论文中。盖伯因创立了全息照相术而获得1971年度的诺贝尔物理学奖。

全息照相不仅要记录光的振幅，还要获得光的相位信息，两束同频率的单色光可以能达到这种要求。当这样两束光相干时，其干涉花纹就记录了光的振幅和相位两种信息。一幅全息图经由两个步骤完成，第一个步是在记录介质上记录全息图，第二个步是将记录的全息图再现出来，只有再现的全息图才能辨认。

由激光器产生的激光束经过半透膜使其分成反射束和透射束。反射束直接照到记录介质上，称为参考光束。投射束照射到待拍物体上，产生散射光散射光到达记录介质上与参考光束相干，产生干涉花纹。这个干涉花纹就是一张全息图。这样的全息图是无法用肉眼辨认的，只有当激光束照射到全息图上，图上才能显现原物，这个过程称为全息图的再现。全息图经过再现以后，会产生一个原物的实像和虚像。只要我们选择合适的位置便可观察原物的象。

彩色全息图的制作和再现与原则上与单色全息图没有很大的差别。制作彩色全息图时，需要一个能产生三种不同颜色激光束的激光器，例如用氪作为激光物质的激光器，它能产生一条强蓝线（峰值在4619埃外）、一条强绿线（峰值在5681埃处）和一条强红线（峰值在6470埃处）。由于待拍物体的散射光与参考光束来自同一个激光器，所以每一种颜色都是一一对应而且相干。在记录介质上记录三组不同颜色的干涉图纹，即三种颜色的全息图。

彩色全息照相可用柯达彩色胶片作为记录介质，这种胶片有三层光敏物质，每层物质只对三种颜色中的一种敏感，对其他二种则是透明的。当来自同一激光器的参考束再现全息图时，每一种颜色的光与其他颜色不作用。形成三种颜色的虚像与实像，经过调整，得到待拍物体的虚像与实像，只要选择合适的角度，待拍物体的图像便呈现在观察者眼前。

1970年代中期，发明了一种白光全息照相，使全息图在太阳光或普通白炽灯光下也能再现。白光全息照想已经大批生产并在市场销售。用激光全息图案做成的防伪标志已贴在许多商品的包装盒上。

●全息图的特点

全息图与普通照片相比的优点在于图像的三维性、重叠性和自相似性这三个特点。

1．全息图的三维性。如果在你面前放有二张站立人物的相片，其中一张是用普通相机拍摄的，而另一张是用全息照相术拍摄的。当你拿起普通相片，不论相片放在面前的什么地方，看到的内容都不会改变。而全息图则不然，将其放在您的正前方，看到相片中人物的正面像，当你将其向左移（或者你的头向右歪）时你会看到人物右侧面，当你将其向右移（或者你的头向右歪）时你会看到人物的左侧面。看一张全息相片会使你有身临其境的感觉，仿佛一个活生生的人就站在你的面前。这就是全息图所具有的三维特性。

2．全息图的可重叠性。全息图的可重叠性是指在一张全息图上可以重叠数张，甚至百张的全息图。这表明全息图具有巨大的存储能力。

在激光器产生后的1960年代，美国密拍安大学的雷斯（Emmette N.Leith）和乌巴尼克（Juris Upatnieks）发表了第一张激光全息照片后，1963年他们两人又实现了在一张全息片上存储两幅图像。两个参考光束旋转在同一张全息片两个不同位置上，就可以再现不同的图像。

1978年8月，在日本东京的新宿举办了规模很大的“世界全息照相展览”，其中有一位美国摄影家拍影的一张题为《自由女神·E=mc2》的全息照片。作者采用重叠拍摄法将美国的自由女神像与爱因斯坦像存于同一张全息片上。观众可以从不同的角度看到两个不同的形象。

人们能在一张普通照相纸大小的全息图上可存储100张、300张甚至更多的印刷物。如果用全息图存储二进制信息，那么它的存储量将是惊人的。由于全息图是以干涉条纹记录信息，因此存储的容量可以相当大，在每平方厘米的全息底片上大约可存储1亿比特的信息。除此之外，全息照片还可以进行“三维存储”，即不仅在照相底片的表面存储，还可以深入到底片的内部。1立方厘米体积的胶片材料存储的信息量可以高达1万亿比特。

3．全息照片的自相似性。全息照片的任何一部分都可以再现它所记录的事物的全部信息，这就是全息照片的自相似性。全息照片的这种自相似性，使得用全息照片保存珍贵资料将比普通照片更具安全性。对于普通照片，照片部分地被损坏将招致信息丢失；而对全息照片来说，则不会因照片的部分损坏而丢失信息。这是因为只要还有部分照片存在，这个残缺的照片里仍包含有整个照片的全部信息。

地球已经经历了几千年，古代遗留下来的大型建筑、雕像都是人类文明的宝贵遗产，保护它们义不容辞。但是这些建筑物、雕像树立在露天之中，目睹历史的争战，饱尝风吹雨淋，天长日久，总会不同程度地受到破坏。要想恢复建筑物及雕像原有的风貌，过去我们只能根据文字记载、图片。在已经有了激光全息照相术的今天，我们只需从几个主要角度拍摄这些雕像（或建筑物）的全息照片，它就可以作为日后修复的依据。

●全息电影

在所有供人们观赏的艺术中，电影是最能模拟生活的。但是它还不能彻底地满足人们对事物逼真性的欲望。主要的原因是电影明显地缺少景深，不能给人以立体感。利用偏振光原理拍摄的普通立体电影，在观看时还要戴上一副特制的偏振光眼镜，很不方便。利用激光全息术拍摄全息电影，不仅不需要戴特制眼镜，而且立体感也强多了，真有置身于电影之中的感受。

1966年科诺克斯（C.Knox）和布鲁科（R.E.Brooks）拍摄了一卷蚊子飞行的全息电影片。他们用每一幅重新聚焦的办法跟踪一个飞行的蚊子到相当远的距离。这是世界上最早的全息电影。

莫斯科电影和摄影研究所的一个研究小组，对公共电影院放映的全息电影系统进行了研究。这个研究小组于1976年推出一部45秒的全息电影。这部电影内容很简单，是一个年轻妇女手捧着胸前的一束鲜花从银幕向观众走来。每个观众可以水平地或垂直地转动头部来环顾这束鲜花并且看到这个年轻女的面孔。尽管这部全息电影还存在一些缺点，但是它的效果却是惊人的。

把全息照相推广到全息电影不在于全息电影的制作，而是如何将全息电影放映在许多观众的面前，这需要有一个特制的放映屏幕。

如果沿用普通电影的放映屏幕，这会破坏全息图的再现。因为观众在看全息电影时，所看到的光线是从全息图发散出来的，而不是这些光线的投影。只有当全息图发射的光线聚焦后才能看到影像。Lake Forest学院的姜（Tung H.Jeong）提出了一种显示方法，将放映屏幕做成椭圆形的镜面，观众坐在一个焦点上，全息图形成在另一个焦点上。这种方法的缺点是一个影院只能为一个观众服务。依据这个思路，如果屏幕由许多个小椭圆形的反光镜组成，每个反光镜有二个焦点，一个焦点在观众席上，另一个焦点在全息图上，也就是这许多小反光镜面的一个焦点在同一点上。莫斯科展出的第一部45秒钟的全息电影，其放映屏幕就是按照这个思路设计的，最初只能供4个人观看。后来他们制作了一个7英尺宽的屏幕，可供200—400观众观看。现在放映全息电影的影院的座位已达数百人或更多。由于全息照相术有它独特的三维性，可以用来拍摄许多科学幻想电影，如《星球大战》，能够在屏幕上出现许多惊险奇特的镜头，产生非常好的艺术效果。