神通激光

第三节 巧妙的摄制方法

　　全息照相具有如此惊人的技艺，然而，谁能想到它竟沉睡了很久……

　　早在1948年，英国伦敦大学的博学多才的科学家丹尼斯·伽伯，在改进电子显微镜的分辨率的过程中，曾经做过这样一个实验：用一束单色光照射物体，将照相底片放在物体反射光经过的路上，同时用另一束光照射底片，这两束光便在照相底片上发生了干涉现象。冲洗之后，就得到了一张带有一些复杂的干涉花样的照相底片。他把这样的照相底片称为全息图。他用一束相干光照射全息图，奇异的事情发生了：观察到了一种十分逼真的物体的立体像！这就是全息照相的开端。丹尼斯·伽伯由于提出了全息概念，而获得了诺贝尔物理学奖。但是，那个时候，由于科学技术发展的水平所限，当时还缺乏很好的单色光源，因而实验是很困难的，结果也不够理想。一直到20世纪60年代初期，出现了激光技术，拥有了极好的相干光源，从这个时候开始，全息照相术才得到了迅速发展和广泛应用。

　　我们知道，光是电磁波，如上面介绍的，决定波动特性的参数有两个——振幅和相位。振幅表示光的强弱，相位表示光在传播过程中各质点所在的位置及振动的方向。因此，光的全部信息应当由振幅和相位这两个参数共同来表示。然而，以往在照明工程中和成像问题上，都没有采用光的波长、振幅、相位等波动的概念，而只是沿用了经典的光线光学的概念，即用纯粹几何光学的方法来进行研究。这种传统的方法，虽然很方便而且实用，但它却仅仅是一种近似的方法。尽管如此，这种几何光学方法，在光学的形成、发展和应用的历史进程中，毕竟是一个不可缺少的部分，作出了极其重要的贡献，直至今日，它仍不失为现代物理学和现代光学中的一个基础组成部分。

　　照相技术、电影技术、电视技术都是依据几何光学的原理，利用透镜光学系统成像来摄制，因而使丰富的立体的景物完全塌落成像于感光材料上，然后在照相纸、银幕或荧屏上再现出原来景物的平面像。长期以来，人们已经习惯于看这种被压缩在一个平面上的实物影像。在银幕上或荧屏上，电影演员和电视广播员的形象是很优美动人的，但是，这些影像在任意瞬间和照片并没有什么不同，仍然是平面像。这就是因为，在普通的照相、电影、电视摄影中，仅仅是记录了光的强度，表现为照片、电影胶片或荧屏上的黑白反差，而对于相位则不能加以分辨。也就是说，普通摄影只记录了来自景物的光波强度（振幅）信息，而未能记录来自景物的光波相位信息。

　　激光出现以后，有了理想的单色光源。利用激光全息干涉法进行摄影，既能记录光波的振幅信息，又能记录光波的相位信息。这种记录光波全部信息的照相就是全息照相。它包括两个部分：一是将景物包括振幅和相位的全部信息的特定波面记录下来；二是要在观察时再将原来的特定波面重新显现出来。

　　记录光波的振幅，这已在摄影技术中得到解决，现在的问题是，解决如何记录光波的相位。我们采用的记录光波相位的方法是光的干涉。譬如说，可以将一束具有恒定相位的光束（球面波或平面波）作为参考光束，让它和来自物体的光束发生干涉，将这种相干图像记录下来。

　　那么，全息照相的过程如何？全息照片是怎样摄制出来的呢？

　　全息照相的整个过程分为两步：第一步是拍摄全息照片，称为波前记录；第二步是再现全息图像，称为波前再现。

　　先将一支足够强的激光分成两列光波：一列光波照射到物体上之后，从物体上反射的光波射到感光胶片，这列光波叫做物体光波；另一列光波直接射到感光胶片上，或经由反射镜改变方向之后射到感光胶片上，这列光波叫做参考光波。物体光波和参考光波在感光胶片上相遇，便发生干涉，形成全息图形，经过显影和定影就得到了全息照片。全息照片上记录的是许多明暗不同的花纹、小环和斑点之类的干涉花样。干涉花样的形状记录了物体光波和参考光波之间的相位关系，而其明暗对比程度（反差）则反映了光波的强度（振幅）关系。光波越强，反差越大。这样，就将物体光波的全部信息记录下来了。由这里可以看出，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，仅仅记录了光波的强度，即只是记录了光波的振幅；而全息照片的干涉图形则以一种特殊的形式，记录了振幅和相位的全部光学信息。这些光学信息，不仅有来自景物正面的，而且还有来自景物的其他可见的部位的，这就是说，也有来自被障碍物遮住的景物的一些部位的信息。因此，这样的全息照片能够再现出所记录的同原景物一模一样的三维立体景象来。此外，还可以看出，拍摄完毕并经过冲洗的感光胶片——全息照片，既是底片（负片），又是照片（正片）。全息照相没有普通照相过程中由底片印制照片的工艺过程。当然，如果需要复制的话，那么，如前面讲的，可以用这张全息照片作为底片，采取接触法复制出新的全息照片，虽然复制片和原照片“黑白”相反，但复制片再现出来的像，仍然和原来的全息照片再现出来的像是完全一样的。

　　将一支同样的激光，以一个与拍摄时参考光波相同的角度照射到全息照片上，则会被照片上的干涉图样“衍射”。这时，全息照片变成了一个反差不同、间距不等、弯弯曲曲的光的“栅栏”（光栅），于是出现一系列衍射波。其中，一列一级衍射波和物体在原位置发出的光波完全一样，构成了物体的虚像；加一列一级衍射波与原物体光波的曲率相反，原来的发散光变成了会聚光，因而构成了前后倒置的物体的实像。这个实像，可以用感光胶片拍摄下来。

　　全息照相也可以用于人或景物的拍摄，不过，在拍照时，要以某种激光代替聚光灯或自然光；而在获得照片之后，要在照片镜框上镶上一个精巧的激光器，既作还原光源（使景象再现），又是装饰品，则可观察到立体像。