原理要點(diǎn)：
全息照相是一種二步成像的照相術(shù)．第一步如圖3.3.1所示，采用相干光照明，利用干涉原理，把物體O在感光材料H處的光波波前記錄下來(lái)，H經(jīng)顯影、定影處理后，這種記錄就被保存下來(lái)，H被稱(chēng)為全息圖．第二步如圖3.3.2所示，利用衍射原理，按一定條件用光照射這全息圖H，原先被記錄的物體光波的波前，就會(huì)重新被激活出來(lái)在H右方繼續(xù)傳播，就像原物O仍在原位發(fā)出的一樣．但要注意，這時(shí)H左方的原物已取走，激活的光波在H左方也不存在，所以，我們?cè)贖右方按重建的光波看到的“物”，只不過(guò)是與原物完全相同的一個(gè)三維像．
1．物體光波波前的記錄??攝制全息圖
(1) 參考光和物光的干涉．如圖3.3.1所示，物光O和參考光R是相干的，它們的電矢量E的振動(dòng)，在H所在的xy平面上的分布為eo(x,y)cos[wt+wo(x,y)]和er(x,y)cos[wt+wr(x,y)]，其中eo(x,y)、er(x,y)、wo(x,y)、wr(x,y)分別是O和R的振幅分布和初位相分布，在固定點(diǎn)是定值．需注意，eo(x,y)、wo(x,y)是物體各點(diǎn)衍射到點(diǎn)(x,y)的光疊加后的振幅和位相，根據(jù)波的獨(dú)立傳播特性，eo(x,y)cos(wt+wo)又是一群物體各點(diǎn)獨(dú)立的衍射波．在振動(dòng)用復(fù)數(shù)表示時(shí)，把純時(shí)間因子分離出來(lái)，于是得到O和R的復(fù)振幅(復(fù)矢量)分布為
Eo= Eo(x,y)=eo(x,y)exp[iφo(x,y)] ， (3.3.1)
Er= Er(x,y)=er(x,y)exp[iφr(x,y)] ． (3.3.2)
Eo、Er疊加(即“干涉”)后的合振幅分布為
E= E(x,y)= Eo(x,y)+ Er(x,y) ． (3.3.3)
合振動(dòng)的強(qiáng)度分布為
I=I(x,y)=|E(x,y)|2=EE* ． (3.3.4)
上式中E與E*量是共軛復(fù)數(shù)，所以
I(x,y)=EoEo*+ErEr*+ Eo*Er+ Eo Er* ． (3.3.5)
為了便于分析，上式改寫(xiě)成
I(x,y)=eo2+er2+2 eo ercos(φo-φr) ． (3.3.6)
由此式可知，eo2+er2是基本恒定的φ，它是xy平面上的平均光強(qiáng)，是“直流”項(xiàng)；2 eo ercos(φo-φr)是隨坐標(biāo)變化的，是“交流”項(xiàng)．后者攜帶著O光和R光的振幅和位相信息，因而是信息項(xiàng)，它的光強(qiáng)在xy平面上按坐標(biāo)周期性地變化，因而形成了干涉條紋．
特別是，當(dāng)物點(diǎn)和參考源點(diǎn)都位于無(wú)限遠(yuǎn)，即O和R光皆為平行光時(shí)，干涉條紋是最簡(jiǎn)單的明暗相間的直線條紋，xy平面上光強(qiáng)的空間頻率（某一物理量在單位長(zhǎng)度上的重復(fù)次數(shù)叫做它的空間頻率）是單一方向的單一值．尤其是er=eo時(shí)，光強(qiáng)是在 0～4 eo2之間變化，條紋的對(duì)比度最好．設(shè)二平面波的夾角為2α, 波長(zhǎng)為λ，對(duì)稱(chēng)入射H，易得xy平面上光強(qiáng)的空間頻率為
N=(2sinα)/ λ． (3.3.7)
容易推想，當(dāng)物體有一定大小時(shí)，H處的光強(qiáng)分布極其復(fù)雜，它是一系列空間頻率的大小不同、方向不同、強(qiáng)度也不同的干涉條紋的疊加，也就是構(gòu)成了一個(gè)空間頻率譜，簡(jiǎn)稱(chēng)頻譜．
把上述光強(qiáng)分布用感光介質(zhì)線性地記錄下來(lái)，也就記錄了O光和R光在xy平面上的振幅和位相信息．
(2) 記錄介質(zhì)．有銀鹽乳膠、光致抗蝕劑等多種記錄介質(zhì)，前者仍是最常用的記錄材料．負(fù)性乳膠干版的感光特性如圖3.3.3所示，圖中τ是振幅透過(guò)率，ε是曝光量．為了便于理解振幅透過(guò)率曲線，簡(jiǎn)述一下此曲線的測(cè)定：用一束強(qiáng)度恒定的單色光(如激光)照射干版，干版處的光強(qiáng)I可用激光功率計(jì)測(cè)定，光路中插入一可調(diào)減光器，調(diào)節(jié)光強(qiáng)和感光時(shí)間t，使干版不同的位置有不同的曝光量ε=It．干版經(jīng)顯影定影處理后，再用恒定的光強(qiáng)照射相應(yīng)的位置，透過(guò)的光強(qiáng)仍用激光功率計(jì)測(cè)定，設(shè)入射光強(qiáng)為io，透過(guò)光強(qiáng)為i，因光強(qiáng)跟振幅的平方成正比， 于是振幅透過(guò)率τ=(i/io)1/2．對(duì)原先感光過(guò)的各位置逐一測(cè)量后就可描出曲線．從曲線可以看出， 在ε不很大的中間那段，可用方程
τ=τo+βε (3.3.8)
近似表示．式中τo、β是常數(shù)，β<0是負(fù)片．可見(jiàn)在一定范圍內(nèi)，振幅透過(guò)率和曝光量是線性關(guān)系．
(3) 物體光波波前的記錄??攝制全息圖．將上述干版放在xy平面處，讓它的感光量I(x,y)t落在線性區(qū)，再經(jīng)顯影定影處理后，xy平面上的光強(qiáng)分布I(x,y)就轉(zhuǎn)變成了干版上的振幅透過(guò)率分布τ (x,y)，從而得到了物體光波的全息圖H．
將ε=I(x,y)t代入式(3.3.8)中，則全息圖的振幅透過(guò)率分布為
τ (x,y)=k+βt Eo Er*+βt Eo*Er ， (3.3.9)
式中
k=τo+βt|Eo|2+βt|Er|2=τo+βteo2+βter2
近似為常數(shù)．上式可改寫(xiě)為
τ (x,y)=k+2βteoercos(φo-φr) ． (3.3.10)
可見(jiàn)，全息圖的振幅透過(guò)率也是按坐標(biāo)周期性變化的．聯(lián)系前述直線干涉條紋，可知它的全息圖就是一塊簡(jiǎn)單直線刻紋的光柵．按eo=er及式(3.3.7)設(shè)計(jì)可制作全息光柵．一般的全息圖就是一塊刻紋密度各處不一、方向不一、透光程度不一的極復(fù)雜光柵，直紋光柵只是其中最簡(jiǎn)單者而已．
2．物體光波波前的重建??再現(xiàn)物體像 全息照相的第二步如圖3.3.2所示，按一定條件用光，最便捷的就是用原參考光，照射上述全息圖H，照射光通過(guò)全息圖復(fù)雜光柵的衍射，圖中每一點(diǎn)的衍射子波，就包含了原物體上各點(diǎn)照射到圖上該點(diǎn)的所有光波，圖中許多的點(diǎn)的衍射子波疊加后，在H右方就合成出了原物O的光波波前，并繼續(xù)向右傳播．不用透鏡，迎著這光看去就能看到“原物O”，但原物已挪走，光并不是發(fā)自原物O，所以看到的實(shí)際上是原物O的一個(gè)虛像．不用透鏡就有成像作用是全息圖的一大特點(diǎn)．
波前重建用數(shù)學(xué)式子表達(dá)就是，在Er的照射下，透過(guò)全息圖的振幅分布為
E’(x,y)= τEr=kEr+βt|Er|2Eo+βtEr2Eo*=E1’+ E2’+ E3’．
顯然，上式第一項(xiàng)
E1’=kEr (3.3.11)
是再現(xiàn)照明光Er的波前，是Er透過(guò)全息圖的0級(jí)衍射波．第二項(xiàng)
E2’=βt|Er|2Eo (3.3.12)
是Er透過(guò)全息圖的1級(jí)衍射波，但它卻和原物O的光波波前完全相同只是有所減弱而已（如要更強(qiáng)，只需加強(qiáng)再現(xiàn)照明光）．由它所形成的虛像稱(chēng)為初始像，通常說(shuō)的再現(xiàn)，就是指再現(xiàn)初始像．第三項(xiàng)
E3’=βtEr2Eo* (3.3.13)
是Er透過(guò)全息圖的－1級(jí)衍射波，它形成與初始像共軛的有所失真的實(shí)像．由于圖中每點(diǎn)都載有物體各點(diǎn)光的完全信息，所以由一般全息圖割出的一小塊，仍能再現(xiàn)物體像，這是全息圖的又一特點(diǎn)．
拍攝時(shí)，如果干版平面垂直于物體和參考光源的連線，上述0、1、－1級(jí)三個(gè)像就處在連線上，這種全息圖叫同軸全息圖，那三個(gè)像在觀察時(shí)會(huì)互相干擾，這是同軸全息圖的缺點(diǎn)．最早，伽伯的全息圖就是同軸全息圖．現(xiàn)在制作的通常都是離軸全息圖，即干版平面不垂直于物體和參考光源的連線，它形成的三個(gè)像能很方便地分離．離軸方法是利思等人對(duì)全息術(shù)的重要貢獻(xiàn)．
