摘要：全息照相原理是 1948 年伽伯（Dennis Gabor）为了提高 电子显微境的分辨本领而提出的,亦称全息摄影，是一种利用波的干涉记录被摄物体反射（或透射）光波中信息（振振幅、相位）的照相技术。伽伯曾用汞灯作光源拍摄了第一张全息照片。其后，这方面的工作进展相当缓慢。直到 1960 年激光出现以后，全息技术才获得了迅速发展，现在它已是一门应用广泛的重要新技术。
关键词：全息照相，波的干涉，波的衍射，全息应用
一 全息摄影的发展简史
早在激光出现以前，1948年伽博为了提高电子显微镜的分辨本领而提出了全息照相的理论，并开始全息照相的研究工作。1960年以后出现了激光，为全息照相提供了一个高亮度高度相干的光源，从此以后全息照相技术进入一个崭新的阶段。相继出现了多种全息的方法，不断开辟全息应用的新领域。伽伯也因全息照相的研究获得1971年的诺贝尔物理学奖金。
照相的奥秘在于对光的记录。所有的光都拥有三种属性，它们分别是光的明暗强弱、光的颜色以及光的方向。早期的银版照相和黑白照片只能记录下光的明暗变化，而彩色照片在此之外，还能通过记录光的波长变化，反应出它的颜色。全息摄影是唯一能同时捕捉到光的三种属性的一种摄影术，通过激光技术，它能记录下光射到物体上再折射出来的方向，逼真地再现物体在三维空间中的真实景象。
一直到根特兄弟的作品问世之前，所谓的真实再现一直都不过是理论上的。实际上，全世界也有许多其他人在从事着全息摄影的研究，国际全息图象制造者联合会（International Hologram Manufacturers Association）就是一个聚集了全球全息摄影专家和爱好者的组织。但伊夫·根特毫无疑问是这些专家中的翘楚，在2001年冬季，这个联合会将“本年度最佳全息摄影作品”和“最新全息摄影技术”这两项最有分量的大奖颁发给了伊夫，就是最好的说明。一次在奥地利召开的
全息摄影学术会议上，当根特兄弟发言并展示自己的作品时，“140多位经验丰富的全息摄影高手都充满钦佩之情地深吸了一口气”。菲力普在回忆当时的场景时不无得意，他说，“当人们涌上来观看我们制作的全息图片的时候，整个屋子都为之一空。”当时在场的所有专家都被那些几可乱真的图片迷住了，他们忍不住伸手去触摸作品中身着老挝传统舞蹈服装的小木偶衣服上的精美花纹，还有人想要拭去挂在正在吃小甜饼的小姑娘嘴边的饼干碎屑——当然，他们摸到的，只不过是一层薄薄的玻璃而已。
伊夫的工作得到了业界承认和赞许，可是，当他在1992年因为所在的实验室倒闭而被解雇，回到家乡小镇上以一个自由职业者的身份开始自己的全息摄影技术研究时，情况却完全不同。他花了两年左右时间研究出所有必需设备，包括一台最重要的便携全息肖像照相机。但当这一切就绪之时，唯一一家生产他所需要的胶片的制造商——爱克发公司（Agfa）——却突然决定停止生产此种胶片。在发明了“牛”之后，伊夫还必须教会自己制造出“草”来。
在随后的几年中，伊夫·根特就在自己简陋的实验室中自学相关的化学原理，并反复实践。菲力普的加入给了他很大帮助。后来，他们终于发明出名为“终极”（Ultimate）的感光乳剂。同其他的感光乳剂一样，“终极”的主要成分也是感光性极好的溴化银颗粒，但“终极”中的溴化银颗粒直径只有10纳米，是普通胶片上感光颗粒的1/10到1/100。正是这些微小的颗粒使“终极”能记录下细至纤毫的每一个细节，并在同一个感光层上同时记录下红、绿、蓝三色。
伊夫找到了被他称为“30年来所有人都在寻找的感光乳剂”，但他却还有很长的路要走。他做出了复制肖维岩洞壁画的整个方案，却因为找不到政府的权威人士而求告无门。他还建议为巴黎的迪斯尼乐园建立一个来访名人的全息摄影肖像馆，谈判却一拖再拖。所有见过他作品的人，都承认那是完美的全息图象，但法国的投资者过于谨慎，他们不仅要下金蛋的鹅，还要一群这样的鹅能够工业化、大规模下出金蛋，才肯从自己的口袋里掏钱。为了寻求投资人，根特兄弟及其父亲甚至想过要移民到魁北克。
转机出现在一位美国合伙人的加入之后。他所拥有的机器能将“终极”母版上的全息图象复制到杜邦公司制造的某种聚合体材料上。尽管这些图象还达不到“终极”胶片上的图象水准，但却远比从前的聚合体材料上的全息图象好多了。伴随着这种杜邦材料上的全息图象的大规模生产，使用“终极”胶片的工业化生产也是指日可待。此外，国际全息图象制造者联合会的首肯也为根特兄弟的工作增添了分量。
二 全息摄影原理
（一） 普通照片的拍摄原理
照相技术是利用了光能引起感光乳胶发生化学变化这一原理。这化学变化的浓度随入射光强度的增大而增大，因而冲洗过的底片上各处会有明暗之分。普通照相使用透镜成象原理，底片上各处乳剂化学反应的深度直接由物体各处的明暗决定，因而底片就记录了明暗，或者说，记录了入射光波的强度或振幅。记录下来的照片没有立体感，因为从各个视角看照片得到的像完全相同。
（二） 全息照片的拍摄原理
全息照相利用了光的干涉现象不但记录了入射光波的强度，而且还能记录下入射光波的相位。由于全息照片的拍摄利用光的干涉现象，它要求参考光和物光是彼此相干的。实际上所用仪器设备以及被拍摄物体的尺寸都比较大，这就要求光源有很强的时间相干性和空间相干性。由于普通光源是自发辐射，发光的间歇性和随机性难以达到要求。而激光，作为一种相干性很强的强光源正好满足了这些要求，这正是激光出现后全息技术才得到长足发展的原因。
全息照相没有利用透镜成象原理，拍摄全息照片的基本光路大致如图 1 所示。
来自同一激光光源（波长为 λ）的光分成两部分：一部分直接照到照相底片上，叫参考光：另一部分用来照明被拍摄物体，物体表面上各处散射的光也射到照相底片上，这部分光叫物光。参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉。所产生的干涉条纹既记录了来自物体各处的光波的强度，也记录了这些光波的相位。
干涉条纹记录光波的强度的原理是容易理解的。因为射到底片上的参考光的强度是各处一样的，但物光的强度则各处不同，其分布由物体上各处发来的光决定，这样参考光和物光叠加干涉时形成的干涉条纹在底片上各处的浓淡也不同。这浓淡就反映物体上各处发光的强度，这一点是与普通照相类似的。
干涉条纹怎样记录相位的呢？请看图 2，
设 O 为物体上某一发光点。它发的光和参考光在底片上形成干涉条纹。设 a，b 为某相邻两条暗纹（底片冲洗后变为透光缝）所在处，距 O 点的距离为 r 。要形成暗纹，在 a，b 两处的物光和参考光必须都反相。由于参考光在 a，b 两处是相同的（如图设参考光平行垂直入射，但实际上也可以斜入射），所以到达 a，b 两处的物光的光程差必相差 λ。由图示几何关系可知：
λ= sinθ dx，
由此得： dx = λ / sinθ = λr / x
这一公式说明，在底片上同一处，来自物体上不同发光点的光，由于它们的 θ 或 r 不同，与参考光形成的干涉条纹的间距就不同，因此底片上各处干涉条纹的间距（以及条纹的方向）就反映了物光波相位的不同，这不同实际上反映了物体上各发光点的位置（前后、上下、左右）的不同。整个底片上形成的干涉条纹实际上是物体上各发光点发出的物光与参考光所形成的干涉条纹的叠加。这种把相位不同转化为干涉条纹间距（或方向）不同从而被感光底片记录下来的方法是普通照相方法中不曾有的。
（三） 全息图像的观察
观察一张全息照片所记录的物体的形象时，只需用拍摄该照片时所用的同一波长的照明光沿原参考光的方向照射照片即可，如图 4 所示。
这时在照片的背面向照片看，就可看到在原位置处原物体的完整的立体形象，而照片就像一个窗口一样。所以能有这样的效果，是因为光的衍射的缘故。仍考虑两相邻的条纹 a 和 b，这时它们是两条透光缝，照明光透过它们将发生衍射。沿原方向前进的光波不产生成象效果，只是强度受到照片的调制而不再均匀。没原来从物体上 O 点发来的物光的方向的那两束衍射光，其光程差一定也就是波长 λ。这两束光被人眼会聚将叠加形成 +1 级极大，这一极大正对应于发光点 O。由发光点 O 原来的底片上各处造成的透光条纹透过的光的衍射的总效果就会使人眼感到在原来 O 所在处有一发光点 O'。发光体上所有发光点在照片上产生的透光条纹对入射照明光的衍射，就会使人眼看到一个在原来位置处的一个原物的完整的立体虚象。
三 全息照相的突出特征
(一） 为了满足产生光的干涉条件，通常要用相干性好的激光作光源，而且光和照射物体的光是从同一束激光分离出来的。
（二） 感光片显影后成为全息图。全息图并不直接显示物体的图象。用高倍显微镜观看全息图表面，看到的是复杂的条纹，丝毫看不到物体的形象，而这些条纹正记录了物体的光学全息。这些条纹是利用激光照明的物体所发出的物光波与标准光波（参考光波）干涉，在平面感光底板上被记录形成的，即用编码方法把物光波“冻结”起来。一旦遇到类似于参考光波的照明光波照射，就会衍射出成像光波，它好像原物光波重新释放出来一样。所以全息照相的原理可用八个字来表述：“干涉记录，衍射再现”。
（三）全息照相再现的是一个精确复制的物光波，当我们“看”这个物光波时，可以从各个视角观察到再现立体像的不同侧面，犹如看到逼真物体一样，具有景深和视差。一张全息图相当于从多角度拍摄、聚焦成的许多普通照片，在这个意义上一张全息的信息量相当100张或1000张普通照片。人眼看到的立体虚象真正是立体的，其突出特征是：当人眼换一个位置时，可以看到物体的侧面象，原来被挡住的地方这时也显露出来了。普通的照片不可能做到这一点。人们看普通照片时也会有立体的感觉，那是因为人脑对视角的习惯感受，如远小近大等。在普通照片上无论如何也不能看到物体上原来被挡住的那一部分。
(四) 点-面对应记录。全息照片还有一个重要特征是通过其一部分，例如一块残片，也可以看到整个物体的立体象。因为拍摄照片时，物体上任一发光点发出的物光在整个底片上各处都与参考光发生干涉，因而在底片上各处都有该发光点的记录。取照片的一部分用照明光照射时，这一部分上的记录就会显示出该发光点的象。对物体上所有发光点都是这样，所不同的只是观察的“窗口”小了一点。
四 全息的应用领域及现状
全息摄影在信号记录、形变计量、计算机存储、生物学和医学研究、军事技术等领域得到广泛的应用。
80年代初，法国全息摄影展在世界各地展览，人们欣赏到了神奇莫测的全息摄影。墙头上，看来明明伸出了一只水龙头，举手前去拧一下，结果是抓了个空；一只镜框，里面没有什么图象，可是当一束光射过来，框里就出现一位美丽的姑娘，她缓慢地摘下眼镜，正向人微笑致意；一只玻璃罩，里面空无一物，可是，在光的照射下，罩里马上现出维纳斯像；在镜框上，玻璃罩内，图象还在不断地变换
把一些珍贵的文物用这项技术拍摄下来，展出时可以真实地立体再现文物，供参观者欣赏，而原物妥善保存，防失窃，大型全息图既可展示轿车、卫星以及各种三维广告，亦可采用脉冲全息术再现人物肖像、结婚纪念照。小型全息图可以戴在颈项上形成美丽装饰，它可再现人们喜爱的动物，多彩的花朵与蝴蝶。模压全息标识由于它的三维层次感，并随观察角度而变化的彩虹效应，以及千变万化的防伪标记，再加上与其他高科技防伪手段的紧密结合，把新世纪的防伪技术推向了新的辉煌顶点。
除光学全息外，还发展了红外、微波和超声全息技术，这些全息技术在军事侦察和监视上有重要意义。我们知道，一般的雷达只能探测到目标方位、距离等，而全息照相则能给出目标的立体形象，这对于及时识别飞机、舰艇等有很大作用。因此，备受人们的重视。但是由于可见光在大气或水中传播时衰减很快，在不良的
气候下甚至于无法进行工作。为克服这个困难发展出红外、微波及超声全息技术，即用相干的红外光、微波及超声波拍摄全息照片，然后用可见光再现物象，这种全息技术与普通全息技术的原理相同。技术的关键是寻找灵敏记录的介质及合适的再现方法。
超声全息照相能再现潜伏于水下物体的三维图样，因此可用来进行水下侦察和监视。由于对可见光不透明的物体，往往对超声波透明，因此超声全息可用于水下的军事行动，也可用于医疗透视以及工业无损检测测等。
除用光波产生全息图外，已发展到可用计算机产生全息图。全息图用途很广，可作成各种薄膜型光学元件，如各种透镜、光栅、滤波器等，可在空间重叠，十分紧凑、轻巧，适合于宇宙飞行使用。使用全息图贮存资料，具有容量大、易提取、抗污损等优点。
全息照相的方法从光学领域推广到其他领域。如微波全息、声全息等得到很大发展，成功地应用在工业医疗等方面。地震波、电子波、X射线等方面的全息也正在深入研究中。全息图有极其广泛的应用。如用于研究火箭飞行的冲击波、飞机机翼蜂窝结构的无损检验等。激光全息，而且研究成功白光全息，以及全景彩虹全息，使人们能看到景物的各个侧面。全息三维立体显示正在向全息彩色立体电视和电影的方向发展。
应该指出的是，由于全息照相具有一系列优点，当然引起人们很大的兴趣与注意，应用前途是很广泛的。但直到目前为止，上述应用还多处于实验阶段，到成熟的应用还有大量的工作要做。
参考文献:
[1] 《大学基础物理学》 张三慧
[2]《大学物理》 徐三南, 陆建
[3] 《大学物理实验》 李相银
[4]《物理实验教程》 原所佳
[5] 裸眼3D 全息图原理 [引用日期2013-09-20]
[6] 以色列发明最新全息摄影：动态改变光波关系 新浪网 [引用日期2014-07-17]
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