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这项50年前获诺奖的手艺,今天却一直遭受着人们的误解

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【摘要】 图片来源:pixabay 1971 年的诺贝尔物理学奖颁给了英国物理学家丹尼斯 · 伽柏(Dennis Gabor),以表彰他发明的全息摄影技术(hologr......

图片来源:pixabay

1971 年的诺贝尔物理学奖颁给了英国物理学家丹尼斯 · 伽柏(Dennis Gabor),以表彰他发明的全息摄影技术(holography method)。一般的摄影技术只能记录光的强弱,也就是振幅大小,而全息摄影还能额外记录光的相位。通过改进,全息图甚至可以让人眼产生立体视觉。但可能也正是因此,直到今天,全息还一直在被人误解 ……

撰文|王昱

审校|白德凡

网上冲浪时,你可能看到过制作 " 全息投影 " 的教程——首先,你需要一张偏硬的透明塑料片。剪出四个梯形,再把它粘贴成一个棱台,放在手机屏幕上,使得每个侧面和屏幕的夹角为 45°。然后在手机上找到一个合适的视频,播放视频,你就会看到图像仿佛悬浮在空中。

小编表示做做小手工还是挺开心的 : )

当当~全息投影就做好了 …… 吗?

全息 ≠ 立体

其实,这根本就不是全息,甚至连立体投影都不是。透明塑料片只是像平面镜一样反射光线,为水平的图像成了一个竖直的虚像。同时,塑料片又是透明的,显得这个竖直的虚像好像正在空中悬浮。但只要仔细观察,就能发现这种伪全息只是一个平面投影,并不能让人产生立体感。同样,商场里偶尔能见到的风扇式显示器也不是全息

但就算真的做到了立体投影,那也不一定是全息。比如今年五月在《科学报告》发表的一篇论文中,研究人员介绍了光学陷阱显示器(optical trap displays,OTD)。该技术可以用激光束捕捉并移动单个粒子,用被激光照亮的粒子在空中的移动路径,可以绘制出立体图像。但这仍然不是全息

全息摄影(holography)与普通摄影最本质的区别是,普通摄影只能记录光的振幅(也就是强弱),而全息摄影还能额外记录相位信息。全息摄影拍摄出的相片叫做全息图(hologram),全息图上面其实布满了疏密分布的条纹根本看不出来它记录了什么内容。但如果用特定光线去照射全息图,用双眼观察,就仿佛能透过全息图看到后面有立体的物体存在。而立体投影的效果,不过是全息的副产物

全息摄影 ≈ 编码光线

英国物理学家丹尼斯 · 伽柏在 20 世纪 40 年代末期实现了全息摄影技术,在当时他将这种技术用来提升电子显微镜的性能。1948 年,他在《自然》杂志上发表一篇介绍全息摄影技术的论文。他将电子显微镜中的电子束汇聚到一点,并将需要成像的物体放到汇聚点之后,被物体遮挡的电子束会被扰乱,而没有被遮挡的电子束则保持原样继续传播。当两种电子束打到成像胶片上的特定位置时,如果在该处两束电子束彼此的波峰重合,胶片就会记录下亮条纹;如果该处两束电子束的波峰和波谷重合,胶片就会记录下暗条纹。这样就能得到记录下明暗相间条纹的全息图。

原理图,图片来源:GABOR, D. A New Microscopic Principle. Nature 161, 777 – 778 ( 1948 )

全息图和我们熟知的照片完全不同。在拍摄照片时,相当于用一束电子束作为参考,与目标电子束干涉,从而将其以亮暗条纹的形式 " 编码 " 储存到胶片上。如果直接去观察这样的胶片,除了意义不明的条纹,什么都看不出来。如果用参考电子束再去照射全息图,就能通过衍射 " 解码 " 这些条纹,原先被储存的电子束就能被重现出来,电子显微镜就能透过胶片 " 看 " 到原先物体的像。

全息图上布满了条纹,无法分辨原先物体的样子。图片来源:GABOR, D. A New Microscopic Principle. Nature 161, 777 – 778 ( 1948 )

电子显微镜是靠电子的波动性工作的,这一原理自然也能应用到光学上。但全息摄影涉及波的干涉,对光的相干性具有较强的要求。电子束的相干性可以通过电场控制,但直到 20 世纪 60 年代激光器快速发展,人类才能方便地获得相干性较强的光,光学全息才逐渐进入人们的视野。

1962 年,苏联和美国的科学家都在激光器的帮助下,拍摄了光学全息图。拍摄光学全息图时,需要将一束激光用分束器分成两束,一束是参考光,直接照射胶片,另一束是物体光,照射待拍摄物体,光线经物体的反射再抵达胶片,这样物体光就能被参考光编码,记录到全息图中。当用参考光去照射拍好全息图时,全息图就能重现之前从各个方向上照到它上面的物体光。在人眼看来,这些光就好像是从全息图后面的物体里发出的,这样就实现了立体投影的效果。

用参考光照射的情况下,在不同角度观察同一幅全息图。图片来源:Wikipedia

全息图还有一个神奇的特性。全息图的记录过程涉及到参考光和物体光的干涉,它的数学形式类似于傅立叶变换,相当于将原先物体的图像分散到了整个全息图上。而用参考光去重建全息图时,就类似于一次傅立叶逆变换。也就是说,全息图上每一点都包含了几乎整个全息图的信息。当全息图被打碎时,只会损失部分频率的信息,通过参考光的照射,我们仍能观测到完整的图像,只是分辨率低了一些

今日全息

尽管全息摄影技术在 1971 年被授予了诺贝尔物理学奖,但今天对全息的误解仍然普遍存在。这可能是因为全息技术还不够普及,而全息图苛刻的拍摄条件有可能是其不够普及的原因。拍摄光的干涉条纹,需要极高的精度。在全息图拍摄过程中,如果系统中的振动幅度超过拍摄用光波长的四分之一,干涉条纹就会移动形成 " 乱码 "。这样得到的全息图完全不可用,无法在参考光的照射下重现被记录的物体。对于可见光而言,波长的四分之一不过一百多纳米,想达到如此精度,需要极高的成本。

正是因为制作条件极为苛刻,全息图的仿制成本也颇为高昂。巴西、英国、日本等国某些面额的纸币上,就有用全息技术制作的防伪标记。除此之外,全息技术还在艺术、传感器、数据存储等方面有所应用,但都算不上广泛。

德国身份证上用到的全息防伪图像,图片来源:Wikipedia

不过全息的确有一个意想不到的应用,玩过吃鸡类游戏的读者想必不会陌生。全息瞄准器就利用了全息的原理,在全息瞄准器中,激光照射到提前制作的全息图上,全息图就会显示出准星的图像。只有持枪者所在的位置才能从瞄准器中看到准星图像,并且准星图像位于枪口的延长线上。在近距离射击时,只要将准星和目标重叠,就能完成瞄准。

全息瞄准器,图片来源:Wikipedia

50 年前就已经被授予诺奖的技术,今天却遭受了太多误解。又到一年诺奖季,这次我们不想让这些推动人类进步的科学成就再被误解。10 月 4、5、6 日,随着今年诺奖陆续公布,我们将会第一时间带来详细的解读,将您带到人类知识的前沿,敬请期待!

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