全息术应用潜力及设计要求

本节需要的主题内容：

i）干涉（本书第2章）

ii）相干性（本书第5章）

iii）脉冲激光器：横模和纵模（本书第6和7章）

iv）衍射（本书第2章）

全息术是一种将信息记录在二维照相底板上就可以再现物体的三维图像的技术。这种技术在一些应用领域是非常有用的：娱乐、广告、工业测量和振动分析是其中少数几种，但较容易体会其用途。并且，一旦理解了其工作原理，就会更深刻地懂得全息术的应用潜力。

被物体各部分反射或折射的光波，通过对其振幅和相位进行调制，就可以将物体的三维性质编码在该光波中。当用普通相机对该物体成像时，照相物镜将物体的像聚焦在相机后面的平面照相胶片上。由于胶片上发生的化学反应仅取决于胶片接受的光子数，所以胶片只能对入射的光强度变化有响应，从而丢失了光波中的相位信息。这种相位信息与单束光波从物体传播到相机的距离有关，有时间延迟。换句话说，这与物体在空间中的分布（即三维性）有关。因此，一个物体的“普通”照相是以二维形式出现的。现在的问题是，如何将相位信息同时记录在胶片上，即记录下物体的三维特性，因而可以随意地再现该物体？

答案相当简单。已经知道，具有相同频率的两束光波形成的干涉图是不同相位关系的两种波相加的结果。例如，在双缝干涉图中，屏幕上产生的正弦形式的光强度就是两束光波相位差线性增大的结果，其中一束波是在垂直于狭缝的方向传播。屏幕上的光强度图是狭缝发出光波的相位信息记录。现在，讨论图10.18所示的结构布局。有两束平面波入射到照相乳胶上，一束垂直于乳胶平面，另一束与法线成一个小的角度β。显然，与双缝情况一样，两束波的相对相位在乳胶内沿平行于入射平面的方向Ox是变化的。下面，很容易给出量化结果。

图10.18　乳胶内成一定角度入射的相干波

乳胶平面上的两束波可以写为

E₁=e₁cosωt

E₂=e₂cos（ωt+kxsinβ）

显然，在此已经把第一种波的相位作为参考，并一如既往地写为

当两种波叠加时，总电场E_T按照下面公式随x变化：

E_T（x）=e₁cosωt+e₂cos（ωt+kxsinβ）

因此，合成波的光强度正比于E_T振幅的二次方，即

∣E_T∣²=e²₁+e²₂+e₁e₂cos（kxsinβ）

在该强度变化表达式中保留了振幅和相位差两种信息。

假设，接收屏幕是记录∣E_T∣²的照相乳胶；还假设，已经记录下这些信息，并将乳胶放回原来位置，重新用E₂光照射。该照明波的振幅将受到乳胶密度变化（当然按照∣E_T∣²）的调制，从乳胶发出的光波将有下面形式：

展开后得

（原文此处的公式与10.6节中公式编号重复，作者将此处公式编码修改为式（10.17b）。——译者注）仔细查看式（10.17b）右侧的三项表达式，正是全息术的全部内容。

第一项是“直接透过”的光波；第二项表示光波的传播方向近似是参考光束与乳胶法线夹角的两倍（如果β很小，则2kxsinβ≈2kxβ）；第三项，最重要一项，以正确的振幅和相位再现了另一种波E₁，并将它乘以e²₂。

现在讨论图10.19所示的结构布局。激光光源发出的光（通过一块分束板：菲涅耳反射）被分成两束，其中一束光入射到被记录的物体上，另一束光直接（但以一定角度）照射在乳胶上，经物体反射的光也照射到同一块乳胶上。其结果是，每束物体光束都与“参考光波”相干涉，形成一个保存其振幅和相位的强度干涉图。就是说，记录一个复杂的所有干涉图之和，保存了原始物体所有的振幅和相位信息。这种记录称为全息图，用参考波照明全息图，就可以像双波图一样“读”出来。所有的原始物体波都可以再现出来，沿着与原来一样的方向传播（见图10.20）。站在全息图一侧的观察者会“看”到物体的一个虚像，同样位于全息图相对于原始物体的位置。显然，可以将全息图放在任何位置，一旦用参考波正确（角度）照明，就可以重新出现虚像。

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图10.19　全息记录

图10.20　虚像再现

为了得到高质量的全息图（能够清晰再现物体的全息图），必须满足下列条件：

第一，物光波与参考波形成的干涉图必须有良好对比。正如所知，相干波一定要有良好的相干性。也就是说，它们必须有固定的相位关系和相同的偏振态。利用相干长度大于物体最大外形尺寸的激光束，并保证物体波与参考波在乳胶处的光程差不大于相干长度，就可以满足上述条件。通常，1m的相干长度就足够了。为此，必须使用只有一种纵模的激光器。为了得到最佳效果，两条光路应完全相等，常使用氩离子激光器；第二，如果在整个视场范围内都能保持最佳条件不变，就应当使激光器单横模工作，否则，相干条件会随乳胶上的位置而变化；第三，为了避免机械振动造成干涉图质量恶化，或者将整套装置非常有效地进行隔振，或者使用脉冲激光器，脉冲应足够短以致出现较低频率的机械波时对干涉图不会产生影响。通常，50ns的脉冲宽度就足够短了。

最后，为了非常详细地记录干涉射图，尽可能详细地表示物体信息，应当使用细颗粒乳胶。颗粒尺寸是纳米数量级，而不是普通胶片的微米级。显然，在较小颗粒尺寸下每单位信息含有非常少的分子。因此，为保证给定的乳胶对比度就需要较大的光通量，这就意味着较多的光能量，或者每个脉冲，或者连续波激光的积分（在一定时间范围内）量。因此，制造一个高质量全息图的主要因素就是激光光源。这种光源应当是一种高功率（约1J）脉冲（约50ns）单纵模（相干长度约1m）、单横模（相干宽度约1m）激光器，工作光谱范围是可见光（在此光谱范围内，商用乳胶有最高的灵敏度）。如果使用脉冲激光器，常使用红宝石激光器，但需要仔细地加以控制。除此之外，物体必须安装牢固，并具有良好的反射率。

全息术在工业上的应用都是围绕全息测量技术开展（包括对全息成像特定性质的精确测量）。由于环境条件不允许，不可能或不方便进行直接测量，而采用全息测量技术最为合适时。例如，核反应堆堆芯和油井基座是最好的例子。坚固的全息照相机记录下该环境中的物体，并从容而仔细地对全息像进行测量。这种成像方式的另一个优点是不需要借助透镜成像，不会遇到透镜中出现的各种像差。此外，可以在原始记录孔径内任意方向观察这些像。

另一种非常有意义的工业应用是全息干涉术。在这种情况中，在现场直接将全息像与真实物体进行比较，如果两者之间存在差别，就会形成干涉图，并揭示和定量这些差别，因此可以监控机械应变的形成。此外，由于全息图不会振动，而真实物体会发生振动，所以用这种方法形成一个产生干涉条纹的错位图就可以很容易地观察振动模式。利用该方式可以在有害影响中找出危险的谐振因素。

至此，对形成全息图像的阐述仅涉及虚像，原因是受其实用性的限制。在这些应用中，观察距离至少等于原始物体和乳胶底板之间距离的两倍，这就限制了视差和细节。研究实像（即在空间形成真实的像，可以靠近研究）会有更大用途。使人印象更为深刻的应用还有显示和娱乐，像可以“悬挂在空中”，看起来非常真实，实际上根本不存在。

根据前面的介绍，简单地将参考波的方向颠倒一下（即利用其“相位共轭”），形成的全息图就可以得到实像。需要做的就是将前面生成的所有光波都颠倒一下，使似乎来自原始物体（形成虚像）的光波，现在是真实地重新沿着其光路在原始物体的位置形成一个实像（见图10.21）。遗憾的是，前后和左右都被翻转，所以通常称为“赝像（或幻视像）”，然而在其他方面恰巧就像原始物体一样。为了通过解析方法理解上述情况下发生的现象，需要扩展讨论当今正在使用的解析技术。现在仍然关心传播方向，所以必须以一种能非常清楚表明传播方向的方式阐述光波。重新讨论双波相干的情况，由图10.18所示可以看出，两束波可以写作下面形式。若在正的Oz方向传播，有：

E₁=e₁cos（ωt-kz）

图10.21　实像再现

对于在负方向（-Ox）传播，并与Oz轴夹角为β的光波，有：

E₂=e₂cos（ωt-kzcosβ+kxsinβ）

因此，在z₀上，乳胶底板处有：

E_T（x，z₀）=E₁+E₂

和

该式代表了形成全息图的干涉图。

现在，利用与制作全息图时相反方向传播的参考波照明该全息图（即下面形式的波）：

E′₂=e₂cos（ωt+kzcosβ-kxsinβ）

与前面一样，该光波受到全息图的调制，形成一个复杂的合成波，即

最后一项是非常重要的项，代表着沿-Oz轴方向（即返回到物体）传播的其他（物体）波。显然，所有这些波都将会聚到物体上，形成前面讨论的实像。

在对全息术的阐述中，讨论的就是一种波长，所以物体只有一种颜色。然而，也可以叠加其他颜色，使初始物体有一种真实的色彩感。所有这些如果都可以足够快速地实时完成，就会生成一个三维运动的实像。然而，这将需要能够记录、读出和在50ms时间内擦拭的材料（避免眼睛闪烁），现在还没有这种材料，但不久会有该材料。这样的三维电视和电影摄影（无需专用光学镜头）正在研制之中。