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什么是全息技术(holography)?

2022-04-12

  全息技术(holography)是一种记录光波的振幅和相位等全部信息的技术,由匈牙利科学家Gabor于1948年提出。Gabor因此获得了1971年诺贝尔物理学奖。全息技术创新的精髓在于波前再现(wave-front reconstruction),它是电子显微镜研究的“副产物”。Gabor为提高电子显微镜的图像分辨率,在Bragg的X射线衍射和Zernike的光学相干法存储光波相位这两个工作的启发下,提出如下设想:首先,将携带有被测量物体振幅和相位等全部信息的电子束与背景电子束相干,以干涉光斑的形式将物体的全部信息存储;然后,采用可见光对干涉光斑进行波前再现,从而显示被测量物体的全部信息。为验证该设想的可行性,Gbor采用窄频滤波片对汞弧灯进行滤波,然后照射印有文字的玻璃片,发现经过文字的散射光(即物光)与直接透过的光(即参考光)在胶片上形成了干涉图案。在可见光照射下,该干涉图案显示了裸眼可见的文字。

  Gabor结合希腊语的“holos”(全部)与“gramma”(信息),将上述干涉图案命名为全息图(hologram)。由于物光与参考光在同一直线上(即同轴),这种全息图被称为同轴全息图。第一幅全息图存储的文字是:HUYGENS、YOUNG和FRESNEL,以致敬波前再现的三位先驱。由于遇到光源的相干性不高、共轭像与原始像难以分离这两大技术瓶颈,同轴全息图的质量不高,进而导致全息技术的发展停滞。20世纪60年代,激光器的出现解决了光源的相干性问题。1962年,美国密歇根大学的Leith和Upatnieks以激光作为光源发明了离轴全息,即物光与参考光不在同一直线上,从而使全息图的共轭像与原始像分离。基于以上两个突破,全息技术获得了新的活力,发生了如表1-1所示的一些标志性事件,实现了全息技术的快速发展。

  通过光学相干方法将光波的振幅信息及相位信息转换为空间上的强度信息是全息记录的关键。光波交汇后发生干涉的条件是:频率相同、相位差恒定、振动方向一致。干涉发生后,光强在空间上的分布通常表现为明暗相间的条纹。以双光束干涉实验为例,干涉图案中光强I的分布为干涉条纹中的光强呈正弦函数分布(习惯性表达,正弦函数与余弦函数可换算)。若物光与参考光的相位差为π的偶数倍,相干增强,产生亮条纹,对应的区域为相干亮区;若相位差是π的奇数倍,相干减弱,产生暗条纹,对应的区域为相干暗区。

  在全息记录过程中,一束激光被分光镜分成两束同源相干光,其中一束光照射物体进而产生反射光(简称物光),然后照射全息记录介质;一束光(简称参考光)则直接照射全息记录介质,并与物光相干,最终形成光栅结构,存储物光的振幅信息和相位信息,制得全息图。根据光路可逆的原理,全息记录过程中的参考光可作为全息图的再现光,实现物体三维(3D)图像的再现。

  全息图的图像再现是一个衍射过程。当采用照明光波对全息图进行波前再现时,全息图内的光栅结构使光的传播方向发生偏移,即发生衍射。当采用白光再现全息图时,色散效应导致多个波长的再现图像相互交叠而模糊不清。当采用激光再现全息图时,再现图像则清晰可见。

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