神通激光

第三節 巧妙的攝製方法

　　全息照相具有如此驚人的技藝，然而，誰能想到它竟沉睡了很久……

　　早在1948年，英國倫敦大學的博學多才的科學家丹尼斯·伽伯，在改進電子顯微鏡的分辨率的過程中，曾經做過這樣一個實驗：用一束單色光照射物體，將照相底片放在物體反射光經過的路上，同時用另一束光照射底片，這兩束光便在照相底片上發生了幹涉現象。衝洗之後，就得到了一張帶有一些複雜的幹涉花樣的照相底片。他把這樣的照相底片稱為全息圖。他用一束相幹光照射全息圖，奇異的事情發生了：觀察到了一種十分逼真的物體的立體像！這就是全息照相的開端。丹尼斯·伽伯由於提出了全息概念，而獲得了諾貝爾物理學獎。但是，那個時候，由於科學技術發展的水平所限，當時還缺乏很好的單色光源，因而實驗是很困難的，結果也不夠理想。一直到20世紀60年代初期，出現了激光技術，擁有了極好的相幹光源，從這個時候開始，全息照相術才得到了迅速發展和廣泛應用。

　　我們知道，光是電磁波，如上麵介紹的，決定波動特性的參數有兩個——振幅和相位。振幅表示光的強弱，相位表示光在傳播過程中各質點所在的位置及振動的方向。因此，光的全部信息應當由振幅和相位這兩個參數共同來表示。然而，以往在照明工程中和成像問題上，都沒有采用光的波長、振幅、相位等波動的概念，而隻是沿用了經典的光線光學的概念，即用純粹幾何光學的方法來進行研究。這種傳統的方法，雖然很方便而且實用，但它卻僅僅是一種近似的方法。盡管如此，這種幾何光學方法，在光學的形成、發展和應用的曆史進程中，畢竟是一個不可缺少的部分，作出了極其重要的貢獻，直至今日，它仍不失為現代物理學和現代光學中的一個基礎組成部分。

　　照相技術、電影技術、電視技術都是依據幾何光學的原理，利用透鏡光學係統成像來攝製，因而使豐富的立體的景物完全塌落成像於感光材料上，然後在照相紙、銀幕或熒屏上再現出原來景物的平麵像。長期以來，人們已經習慣於看這種被壓縮在一個平麵上的實物影像。在銀幕上或熒屏上，電影演員和電視廣播員的形象是很優美動人的，但是，這些影像在任意瞬間和照片並沒有什麽不同，仍然是平麵像。這就是因為，在普通的照相、電影、電視攝影中，僅僅是記錄了光的強度，表現為照片、電影膠片或熒屏上的黑白反差，而對於相位則不能加以分辨。也就是說，普通攝影隻記錄了來自景物的光波強度（振幅）信息，而未能記錄來自景物的光波相位信息。

　　激光出現以後，有了理想的單色光源。利用激光全息幹涉法進行攝影，既能記錄光波的振幅信息，又能記錄光波的相位信息。這種記錄光波全部信息的照相就是全息照相。它包括兩個部分：一是將景物包括振幅和相位的全部信息的特定波麵記錄下來；二是要在觀察時再將原來的特定波麵重新顯現出來。

　　記錄光波的振幅，這已在攝影技術中得到解決，現在的問題是，解決如何記錄光波的相位。我們采用的記錄光波相位的方法是光的幹涉。譬如說，可以將一束具有恒定相位的光束（球麵波或平麵波）作為參考光束，讓它和來自物體的光束發生幹涉，將這種相幹圖像記錄下來。

　　那麽，全息照相的過程如何？全息照片是怎樣攝製出來的呢？

　　全息照相的整個過程分為兩步：第一步是拍攝全息照片，稱為波前記錄；第二步是再現全息圖像，稱為波前再現。

　　先將一支足夠強的激光分成兩列光波：一列光波照射到物體上之後，從物體上反射的光波射到感光膠片，這列光波叫做物體光波；另一列光波直接射到感光膠片上，或經由反射鏡改變方向之後射到感光膠片上，這列光波叫做參考光波。物體光波和參考光波在感光膠片上相遇，便發生幹涉，形成全息圖形，經過顯影和定影就得到了全息照片。全息照片上記錄的是許多明暗不同的花紋、小環和斑點之類的幹涉花樣。幹涉花樣的形狀記錄了物體光波和參考光波之間的相位關係，而其明暗對比程度（反差）則反映了光波的強度（振幅）關係。光波越強，反差越大。這樣，就將物體光波的全部信息記錄下來了。由這裏可以看出，全息照片和普通照片完全不同：普通照片靠黑白或色彩的反差，僅僅記錄了光波的強度，即隻是記錄了光波的振幅；而全息照片的幹涉圖形則以一種特殊的形式，記錄了振幅和相位的全部光學信息。這些光學信息，不僅有來自景物正麵的，而且還有來自景物的其他可見的部位的，這就是說，也有來自被障礙物遮住的景物的一些部位的信息。因此，這樣的全息照片能夠再現出所記錄的同原景物一模一樣的三維立體景象來。此外，還可以看出，拍攝完畢並經過衝洗的感光膠片——全息照片，既是底片（負片），又是照片（正片）。全息照相沒有普通照相過程中由底片印製照片的工藝過程。當然，如果需要複製的話，那麽，如前麵講的，可以用這張全息照片作為底片，采取接觸法複製出新的全息照片，雖然複製片和原照片“黑白”相反，但複製片再現出來的像，仍然和原來的全息照片再現出來的像是完全一樣的。

　　將一支同樣的激光，以一個與拍攝時參考光波相同的角度照射到全息照片上，則會被照片上的幹涉圖樣“衍射”。這時，全息照片變成了一個反差不同、間距不等、彎彎曲曲的光的“柵欄”（光柵），於是出現一係列衍射波。其中，一列一級衍射波和物體在原位置發出的光波完全一樣，構成了物體的虛像；加一列一級衍射波與原物體光波的曲率相反，原來的發散光變成了會聚光，因而構成了前後倒置的物體的實像。這個實像，可以用感光膠片拍攝下來。

　　全息照相也可以用於人或景物的拍攝，不過，在拍照時，要以某種激光代替聚光燈或自然光；而在獲得照片之後，要在照片鏡框上鑲上一個精巧的激光器，既作還原光源（使景象再現），又是裝飾品，則可觀察到立體像。