全息光学的兴起

  1. 从瑞利判据到全息术的发现

尽管近代全息术总与激光联系在一起，全息术的思想却在激光出现前的大约 30 年就萌生出来了。实际上，全息术思想与显微技术有着不解之缘。首先提出全息术思想的是英国物理学家伽柏(Gabor,Dennis1900 ～ 1979)。他是在研究显微镜的分辨本领时产生这一思想的。

根据波动光学理论，任何光学成像系统能分辨目标的最小间隔都有一定的限度。英国物理学家瑞利(Raylaigh, John William Strutt 1842～1919) 曾给出光学系统分辨细节能力的判别标准，它称为瑞利判据。瑞利判据已成为估算和比较光学系统分辨本领的统一标准，它是光学仪器性能的重要指标之一。按照瑞利判据，显微镜的最小分辨角为ε=0.61λ/A，λ为入射光波波长，A 为显微镜的孔径数值。1934 年，伽柏正在一家英国公司实验室工作，他的任务是提高电子显微镜的分辨本领。尽管电子显微镜的分辨本领已经比最好的光学显微镜提高了近百倍，但仍不足以分辨晶格。主要障碍来自两个方面，这就是球差δs=Csα30 和衍射差δd=0.6lλ/a0，a0 为孔径角，Cs 为球差系数，两者相互制约。如果兼顾，不得不把电子显微镜

的孔径角限制在 5×10-3 弧度，此时，所能分辨的最小间隔为 0.4nm，而分辨晶格至少需要可分辨的间隔为 0.2nm，这一长时间难以克服的困难，使伽柏认识到，不能再沿原路思考这一问题。由电子衍射，使他想到了 X 射线衍射术。

进入到 20 世纪的波动光学已经发展到相当完善的地步。应用惠更斯- 菲涅耳原理不仅能圆满地解释光的干涉现象，以该原理为基础，光的衍射理论也发展到相当完善的地步。本世纪初，从对 X 射线本性的讨论开始， 许多著名物理学家卷入到对 X 射线的研究。1912 年，德国物理学家劳厄(Laue，Max Von 1879～1960)在索末菲的研究生弗里德里奇及伦琴的研究生克尼平的协助下，在一块硫化锌晶片上，获得了 X 射线的衍射图样。这一著名实验得到了多重的成果，它不仅证实了 X 射线的波动性，也揭露了晶体的周期性规则结构。它提供了根据结构已知的晶体衍射，测定波长的方法；也提供了根据波长已知的 X 射线，进行晶体空间结构研究的途径。

劳厄的这项成果，使他获得了 1914 年度的诺贝尔物理学奖。继劳厄之后， 英国布喇格父子开展了应用 X 射线衍射，研究晶体结构的系统实验研究。他们在劳厄获奖的次年，也由此获得了诺贝尔物理学奖。小布喇格获奖的当时，年仅 25 岁，成为最年轻的获奖者。使伽柏受到启发的，不仅是布喇格的 X 射线显微镜，更重要的是他们的二次成像重现技术①。与一般透镜成像不同，应用 X 射线照射晶体，直接得到的仅是有规则的斑点群，即衍射图样。只有用相干光对衍射图样进行第二次衍射，才可能复现晶格的像。伽柏还同时注意到了布喇格这一方法的不足之处，他们没能记录傅立叶变换的全部信息。由于相位在拍摄过程中被丢失，布喇格的方法只适用于入射线与衍射线间相位改变量已知的特殊物体。为了记录相位，伽柏想到了荷兰物理学家泽尼克(Zemicke,Fritz1888～1966)在 1934 年发明的相衬显微镜。相衬显微镜原是适应生物学及医学的需要研制成功的。这种显微镜可以把衍射光的相位与直接光相比较，使被观察的不同细胞带上不同的颜色，这样既清晰可见，又无需染色，因而不致把细胞破坏。伽柏从中抓住了最宝贵的一点，这就是利用背景记录相位的方法。如果说伽柏的全息术是在 1947 年复活节观看一场网球赛时突然想到的，那么这种思想从潜在到萌发却经过了长时间蕴酿而成的。泽尼克所采用的“相干背景”使伽柏想到，若用直接而来的相干背景波作为参考波，与来自观察物的衍射波相互干涉，在照相底片上所记录的干涉图样，将不仅包含了信息的振幅（强度）， 也将会把相位记录在内。伽柏把这种干涉图样称作“全息图”。在全息图上，两束光的同相位处，光强极大；相反处，光强极小。当拍摄的全息图是正片时，再用参考光照射，透光强处相位将与物波相同；弱处则相反； 于是物波的波前即可重现。就这样，伽柏利用了重建波前的方法，为他所研究的电子显微镜提出了二次成像的方案①②。这个方案的第一步是用电子束照射观察物，使被物衍射的电子束与相干背景，即入射光束中未被衍射部分的电子束发生干涉，在底片上记录相干结果。第二步则是用光学系统再现，并校正电子光学的像差，然后再在底片上得到再现的像。伽柏与他的助手一起，于 1918 年首次获得了全息图及其再现像。这个图象就是Huyges（惠更斯）Young（杨）和 Fresnel（菲涅耳）三位波动光学大师的名字。尽管所拍摄的物受到同轴的限制，存在不可避免的孪生像的干扰， 但是这一实验首次实现了全息记录和重建波前，自此开创了全息术。为此， 伽柏获得了 1971 年的诺贝尔物理学奖。

受到全息术神奇效果与应用前景的魅力所吸引，许多人蜂拥而至，纷纷投入全息术的研究中。50 年代初，G.L.罗杰斯等人扩充了波阵面再现的理论，并提出用无线电波全息术检测电离层的设想。1952 年，美国的贝兹

（Baez）又提出了 X 射线全息术设想。与此同时，艾尔萨姆(H.M.A.El-Sum) 和吉尔巴奇克(P. Kirkpatrick)又进一步阐明了 X 射线全息术的若干理论问题③，他们的论文已成为当时研究伽柏全息术的重要文献。

  1. 从低谷中崛起的全息光学

在 50 年代，伽柏的第一张全息照片及再现图象所掀起的高潮，很快地低落了下去。人们发现，由于不能找到理想的相干光源，研究工作受到同轴全息孪生像的干扰。为了减小这种影响，记录面必须放在样品的远场区； 高压汞灯的强度、单色性及相干性又受到了极大的限制。因此全息术的研究工作，在相当长的一段时间内，成效甚微。

60 年代，激光的出现使全息术的研究走出了低谷。1961～1962 年，正在美国密执安大学任教的利思(Leith)与尤帕尼克斯(Upatnicks)对伽柏的同轴全息术作了改进。他们引入了倾斜参考光束，解决了孪生像问题，并用氦氖激光器成功地拍摄到第一张实用的激光全息图。利思第人的成果发表后①，引起了巨大的轰动。他们取得成功并非偶然。伽柏曾经说过“他们的成功不仅是由于有了激光，还要归功于利思从 1955 年开始的长期的理论准备。”的确，在全息术处于困境时，许多人从低谷中离去，就连发明全息术的伽柏也转向了雷达技术的研究，利思等人却坚持了波前重建理论的研究，并把全息理论与通信理论相结合，用于侧视雷达的研究。这实际上就是电磁理论的二维全息术。他把这项研究中创立的倾斜参考波法成功地移植到了激光全息，使全息术获得重大的进展。为此，利思在 1979 年获得美国国家科学奖章。

与利思同期坚持全息术研究的，还有前苏联物理学家丹尼休克(Danisyuk)。在全息术陷入低潮时期，他也坚持了波前重现理论的研究。在困境中，法国物理学家李普曼(Lippmann, Gabriel Jonas 1845～1921) 的彩色照相术给他启发。李普曼曾在水银面上覆一层乳胶液，从水银面反射的光与原入射光相干，在乳胶层中形成驻波，不仅能把发自拍摄物的光强记录在乳胶中，还能显现拍摄物的颜色。这一发明曾轰动一时，李普曼也因此项发明而获得 1908 年诺贝尔物理学奖。但因曝光时间太长，所得到的照片又无法翻拍，这种彩色照相术逐渐被人遗忘。虽然李普曼的发明没有什么实用价值，与现代的彩色摄影也没有什么直接联系，丹尼休克却从中挖掘到他所需要的东西，这就是“体积反射再现波前原理”，后人称为丹尼休克原理①。这一原理被用到了伽柏的全息术。使物波与参考波从乳胶的两面反射而产生驻波，形成李普曼层。当用白光照射时，这些层即能反射原来的颜色，物体的像也在原来的位置复现出来。丹尼休克的这一成果为激光出现后的白光反射再现全息术打下了基础，为此，他获得了 1970 年列宁奖金。

从 60 年代中期开始，激光全息术进入理论与实用两个方向发展的时期。在这一时期，全息术不仅成为近代科学研究、工业生产及经济建设中一种有效的测试手段，它还促进了一门新的光学学科——全息光学的兴起。这一时期，各色各样的全息图，从同轴型到离轴型，从振幅型到位相型，从菲涅耳型到夫琅和费型，从图象型到计算型，从激光再现到白光再现型纷纷研制成功，它们不仅深化了各个方向上的实用进展，而且又扩展了全息干涉测量术、全息光学元件与全息信息存贮三个方面的应用前景。现今，激光全息技术又在全息立体显示、全息变换与全息特征识别等方面有了较大的发展。

  1. X 激光全息术的兴起

全息术与显微技术始终休戚相关，X 激光全息术的兴起与发展，再一次证明了这一点。

早在全息术问世不久，艾尔萨姆与吉尔巴奇克就曾预言 X 射线全息术的可能性①。这种想法很诱人，因为在现代生物学中，人们需要分析比光学显微镜分辨极限还小得多的大分子结构，如染色质-酶复制复合物、核膜孔结构以及蛋白质复合物结构等。特别是随着遗传学的研究进展，要提供遗传物质 DNA（脱氧核糖核酸）和 RNA（核糖核酸）的结构与功能的信息，

光学显微镜已力不胜任。电子显微镜虽然具有更高的分辨本领，但是在其成像过程中，切片、脱水、染色与固定等步骤都会使生物制品的结构及环境改变，致使与真实的状态不同。有人曾设想，利用强脉冲激光束先把生物制品的信息，在瞬间“冻结”起来，再对瞬变物体做三维动态分析。可是实现这一设想，起码不仅需要有足够强的短脉冲、高亮度和高相干本领的软 X 射线作为光源，还得具备匹配适当的 X 射线光学部件。到了 70 年代末和 80 年代初，半导体电子工业微刻技术的发展，使人们有可能制造如透镜、反射镜和分光镜这样的 X 射线光学部件。1984 年，X 射线激光实验获得了成功②③之后，终于在 1986 年，美国布鲁克海汶国家买验室的哈维尔等人利用 X 射线源得到了老鼠胰腺酶颗粒的伽柏全息图。1987 年，美国利弗莫尔实验室又用软 X 射线激光作为光源，完成了首例直径为 0.008mm 的炭纤维伽柏全息图。X 射线激光全息术所使用的光学部件与普通光学部件有很大的不同。X 射线多层镜起着反射镜与分光镜的作用，它是由高吸收介质与低吸收介质交替地镀到一块光学平面基质上制成的，每个镀层仅有原子尺度，即纳米厚度。当满足共振布喇格条件，即 2dμsinθ=kλ时， 即出现相干极大，其中 d 为层厚，λ为波长，μ为折射修正项，k 为正整数。层厚 d 及层对数 N 都需要根据材料精细地选择。实际上，X 射线多层镜是由计算机数值理论模拟设计出来的。X 射线透镜更与普通的透镜不同，它是一种特殊的衍射屏，即菲涅耳波带片。明暗交替圆环的半径为 r2n=n

λf+(nλ/2)2，n 为圆环序数，f 为焦距。根据菲涅耳衍射原理，在波带片的焦点处，光波相干加强。一块空间分辨率尺度达到几十纳米的菲涅耳波带片，即可用于活的生物制品的 X 射线显微术、固态和表面物理研究以及集成电路块的 X 光刻。目前，最小波带宽度为 500Å 的波带片已用于实验性 X 射线显微镜，波带宽度接近 100Å 的菲涅耳波带片正在研制之中。