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信息光学的大发展
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1．从电子学到光子学 & v( f4 |- r% n8 Y' G
# w& \9 l+ W/ k& \2 z, z* Q 1883年，爱迪生(Edison,ThomasAlva1847～1931)在一次改进电灯的实验中，将一根金属线密封在发热灯丝附近，通电后意外地发现，电流居然穿过了灯丝与金属线之间的空隙。1884年，他取得了该发明的专利权。这是人类第一次控制了电子的运动，这一现象的发现，为20世纪蓬勃发展的电子学提供了生长点。这一生长点上的第一只蓓芽就是弗莱明(Fleming, Sir John Ambrose 1849～1945)发明的整流器。弗莱明曾与电报的发明者、意大利的电机工程师马可尼(Marconi, Marchese Coglielmo1874～1937)一起工作，他把爱迪生及马可尼两位大师的发明成果结合起来，着手研究真空电流的效应。1904年，他发明了真空二级管整流器。紧接着，1906年，美国发明家德福累斯特（DeForest,Lee 1875～1961）在弗莱明的二极管中又加入一块栅极，制成了第一个不仅可以用于整流，还可以用于放大的真空三极管。三极管的研制成功不愧为把电子器件用于实用的点睛之作。1910年，德福累斯特首次把它用于声音的传送系统。1916年，在他的主持下，建立了第一个广播电台，开始了新闻广播。到本世纪的20年代，真空电子器件已经成为广播事业与电子工业的心脏，它推动着无线电、雷达、电视、电信、电子控制设备、电子信息处理等整个电子技术群的迅速发展。德福累斯特在电子技术方面拥有300多项发明专利权，仅由于其中三极管的发明，他被誉为无线电之父也是当之无愧的。
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! }2 X3 r4 K8 p: B. z( A0 d1 } 电子学与信息技术的第一次重大变革发生在本世纪50年代。 1948年，贝尔电话实验室的肖克莱（Shockley，WilliamBrad-ford1910～)、布拉顿（Brattain，walterHouser1902～)和巴丁(Bardeen,John1908～)共同发明了晶体三极管。自此，以晶体管为基础的固体电子学得到了突飞猛进的发展。 1958年，半导体集成电路问世，不仅使高速计算机得以实现，还促使电子工业与近代信息处理技术发生天翻地覆的变化。 % Z5 \0 ^" b" K1 c! r+ t5 }( i/ e
5 l, U7 a% s1 ^, [$ @8 ~ 其实，从电子学的建立伊始，到它的发展壮大，光子学始终在其中蕴育生长着。维系着它们的，就是二者之间的共同点——信息。从信息论的观点看，无论电、光还是声，都是荷载与传递信息的载体。当电子通信容量达到最大限度而不能继续扩大时，人们很自然地把目光转向波长更短的光波。到了本世纪60年代，光通信已成为很重要的研究领域，光子学的诞生迫在眉睫。
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3 w' Y6 v8 U) K 历史似乎是在重演。本世纪第一个10年，真空管问世，促使电子学的诞生；而60年代，红宝石激光器的问世，又促使了光子学的诞生。从20年代到60年代，电子器件从真空管过渡到固体三极管，随之实现了集成化，在促进电子学大发展的同时，光电子学、量子电子学也随之建立和发展起来，它们形成了现代电子学的学科群体；从60年代到90年代，激光器从谐振腔体型向着固体半导体激光器过渡，随之实现了光子器件的集成化，不仅促使了光子学的大发展，非线性光学、纤维光学、集成光学、激光光谱学、量子光学与全息光学也形成了现代光子学的学科群体，目前它们正在蓬勃发展之中。电子学领域中几乎所有的概念、方法无一不在光子学领域中重新出现。电子学和光子学分别用于电、光过程的控制及信息处理，它们都在扩展与延伸着人类的体能与智能，在信息学与信息工程学中，它们都居于核心与统治地位。 $ n e. I: P X o9 b& G5 {
1 ^4 x+ E( g' Q( g$ y0 }1 `; q& j3 y 然而，仔细翻阅历史却发现，历史却并没有简单地重演。电子电路不能在同一点重叠相交，这种空间的不共容性限制了密集度的提高；集成电路的平面结构只适用于串列处理，要在信息存贮和数据处理上有突破性进展，要使信息贮存密集度再提高4个数量级，实现非定址的联想记忆(associative momery)，以发展人工智能，必须发展三维并列处理机构。与电子学的这些局限性相比，光子学的信息荷载量要大得多，光的焦点尺寸与波长成反比，光波波长比无线电波、微波短得多，经二次谐波产生倍频，激光可使光盘存贮信息量大幅度增加。电子开关的响应最短为10-7～10-9秒，而光子开关的响应时间可以达到飞秒数量级。光子属于玻色子，不带电荷，不易发生相互作用，因而光束可以交叉。光子过程一般也不受电磁干扰。光场之间的相互作用极弱，不会引起传递过程中信号的相互干扰。这些优点为光子学器件的三维互连、神经网络等应用开拓了光明前景。早在30年代，就有人提出了“光子学”的设想。由于找不到光学非线性效应特别强、响应速度又特别快的材料，这一设想竟然几十年未能实现。近年来，人们在无机半导体和有机高分子材料中发现了要寻找的目标，已制成诸如混频、调频、开关、逻辑、存贮和限制器等一系列光子器件。光计算机是在探索与发展光信息与处理技术中的重要研究课题。多种光信息处理系统和光学模拟运算，不仅已经实现，并在综合孔径雷达和光学图象去模糊等领域得到了成功的应用。
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1990年1月，贝尔实验室研制成功第一台数字化光处理器，其光开关的速度已达到每秒10亿次，它是实现光计算机目标的征途上迈出的重要一步。下一目标是实现具有识别、推理与联想等人工智能特点的光计算机。近年来，光学人工智能的研究已经起步。1982年霍普菲尔德(Hopfield)研制成功第一个神经网络的物理模型，并在光学模拟系统中得以实现。在光信息存贮方面，光盘的数据存贮密度高、可靠性强、误码率低、存贮信息类型广、适应性好，便于计算机处理与查询，既可进网实现资源共享，又可便于个人使用，还有价格低、复制方便等特点。光盘的研制成功为解决当今信息膨胀危机起了至关重要的作用，它被誉为本世纪，继汽车、电视和微机之后的又一重要发明。无论光纤通讯系统、光计算机还是其它光信息处理系统，都面临小型化与集成化的发展方向。光集成和光电集成器件将成为今后各种光通信系统的重要核心部件。虽然光计算机目前还处在多条途径上的探索之中，但是，一旦所采用的功能元件、算法及体系结构确立之后，必然会像电子计算机那样，采用不同集成度的集成光路和集成光电回路，目前它们已成为发达国家优先发展的领域。
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( q# Y" @# Y3 A6 f5 p( H 现在，许多高科技技术与高科技产品中，大多是光、电、机、算结合的产物。光子学与电子学无论在理论研究，还是在工业技术的发展中，它们都在相互依存与补充、相互渗透与促进着。光子学与电子学的结合有着相当广阔的前景。 / \! `+ A7 T" r" {% E; `
: t2 S$ F% N# R' B: S5 S2．光孤子与光孤子通信
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. m. Y _' i6 A I$ Y/ B (1)孤立子概念的建立
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8 s; F% L/ F0 Q# \6 P 近代非线性波理论的研究表明，有些类型解不可能用线性微扰的方法获得，孤立子解就是其中的一个。其实，与光孤子相应波的运动形态，很早以前就被人观察到了。1834年8月，年仅26岁的英国造船工程师罗素(RussellScott1808～1882)在勘察爱丁堡与格拉斯哥之间的运河河道时，发现一只行船前的水面上，有一个高约1.5英尺、长约30英尺的大水包。船停止后，这个水包仍以每小时大约8到9英里的速度前进，它的能量衰减得很慢，直到行走2英里后，才在蜿蜒的河道上消失。罗素称这个水包为孤立波，并把这一发现发表在皇家学会会刊上①。罗素一开始就意识到，这个水包不是普通的水波。这一发现后，他开始了对孤立波的研究。他模拟实际水道，建造了一个狭长的水槽，再按当时的条件给水以推动，果然再现了孤立波。罗素力图从理论上给孤立波一个解释，但是没有成功。尽管如此，一个世纪之后，为纪念罗素的这一不寻常发现，在他逝世100周年（1982年）之际，人们在首次发现孤立波的运河边，竖起一尊罗素的石像。人们这样纪念他不是没有道理的。孤立波的非线性波动特征逐渐引起了世人的关注与兴趣。孤立波理论已经成为近代物理学基本理论的重要组成，它在空间物理、受控热核聚变技术、等离子体物理以及非线性光学等领域，特别是光纤通信技术中，占有举足轻重的地位。 I5 s8 V" H$ C* l# p
+ S7 x! G1 j2 g6 |; S. c- v: J 罗素发现的50年之后，两位荷兰学者柯特维格与德弗里士在研究水波时发现，完整的流体动力学方程应该是非线性的，由它可以得到非性波动方程解，通常的线性方程仅只是在波幅远小于波长情况下的一种近似情况。在波幅与波长的比值不可忽略时，即出现非线性波或大振幅波，孤立波即为其中的一种。他们根据水波的非线性与色散特征，得出了著名的kdv方程，由该方程获得的孤立波表面形状以及传播速度，恰与罗素的观察结果一致。至此，孤立波的存在得到了世人的公认①。从kdv方程可以得到两个孤立波的解，一个波形尖锐，波速较大；另一个波形平缓，波速较慢；罗素看到的是后者。理论研究表明②，孤立波不仅有能量和动量，彼此间还有相互作用。当时的人们曾一度预言，当两列非线性波相遇时，孤立波会被撞得四分五裂，于是认为，即使孤立波存在，也是不稳定的，在物理学中，它们不会有什么研究价值。
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1 b+ Y: ]7 ?. m6 L5 n9 \ 本世纪60年代，空间物理学以及受控热核聚变技术的发展，促进了人们对等离子体中存在的形形色色非线性波、波与粒子相互间非线性相互作用的研究。与此同时，求解非线性方程孤立波解的各种数学方法相继问世。大中型电子计算机也投入运行，它们在复杂的计算中，发挥了神奇的功能。丕林和克斯姆等人利用电子计算机在数值模拟计算中，研究两个孤立波的相撞，结果发现，孤立波具有类似粒子的性质，它们互相碰撞后，不仅还能保持能量与动量集中的状态，动量的分配居然与弹性粒子的情况非常相似。60年代末，扎巴斯基(N.J.Zabusky)与柯鲁斯克尔(M.D.Kruskal)等人对孤立波粒子特性的理论研究结果表明①，丕林和克斯姆等人的模拟具有一定的真实性。自此，人们又把孤立波称为孤立子或孤子(Soliton)。
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, y4 Q. c! G/ J: z$ E, X8 ] (2)光孤子理论 $ O- E9 T! J2 \- M
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孤立波是非线性波动方程，在无限远处波动趋于零或趋于常量条件下的一种行波解。它应广泛地出现于各种非线性波动情况之中，光波亦不例外。1973年，美国贝尔实验室的海斯格瓦(A.Hasegawa)与泰波特(F.Tappert)等人首先从理论上指出②，在光纤的反常色散区中，有可能形成光孤子，这是因为光脉冲在光纤中传输时，同时受到了两种特殊的物理效应，即群速度色散效应与自相位调制效应的影响。由于这种影响，使光脉冲波形随着传输而发生畸变。这表明，组成脉冲的各频谱分量的群速度彼此不同。进一步研究还发现③，光纤在正常与反常色散区，光脉冲传输的特性不同。在正常色散区，光脉冲的高频分量较低频分量的传输速度慢；而在反常色散区，情况正相反。无论哪种情况，其结果都会使脉冲展宽。自相位调制效应是指在不考虑光纤的色散效应时，光纤的非线性克尔效应对脉冲传输的影响。此时，光纤折射率n=n0+n2|E|2，其中n0是线性折射率，n2是非线性折射率。Δn=n2|E|2为非线性场感应项，它的脉冲在传输中产生正比于Δn的相位变化。这种相位调制的结果，表现为频率的变化，引起脉冲前沿谱红移，后沿谱蓝移，因而前沿速度减慢，后沿速度加快。如果光纤工作在反常色散区，这种效应的影响恰与群速度的色散效应相反。当两种效应的影响恰好彼此抵消，脉冲就保持不变地传输，因而形成光孤子。脉冲的幅值越高，这种非线性就越突出，导致自相位调制加强，使脉冲压缩超过了展宽。当脉冲被压缩到一定程度，非线性消弱又导致自相位调制减弱，脉冲展宽又超过压缩。这种在传输中不断压缩与展宽的变化脉冲就构成了更高阶的光孤子情况。
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事实上，光脉冲在光纤传播中的上述两种特殊的物理效应，均反映在非线性波动方程之中。根据介质的非线性光学特性，光纤芯折射率n=n0（ω）+iσ（ω）+n0｜E｜2，它包含有非线性项，该项在光场强度超过一定值时不可忽略。根据光纤的色散效应，再根据麦克斯韦方程，即可得到非线性波动方程 * T2 b, ^+ r4 [
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4 H' A5 X1 `" c+ h2 w2 u3 R α为与光场径向特征函数相关的因子。非线性波动方程中的前两项是对波以群速传播的描述，后两项描述的则是群速度的色散效应，其中最后一项为非线性效应，这就是自相位调制效应。 , ]0 k& u, R; {
5 X) p3 k: \7 l 1974年，赛兹默(J.Satsuma)等人，经一系列变换利用逆散射方法，找到了非线性波动方程的解①。在N=1时的解称为基本孤子，或一阶孤子。从解中可以看出，它们具有稳定的波形。N≥2时的解称为高阶孤子，它们的波形呈现周期性变化。而且在k″＞0的正常色散区得到所谓“暗孤子”解，而k′≤0的非色散区，则存在有所谓的“壳孤子”解。 9 R) H6 t) i B9 D r) k
0 s9 H5 | b7 ~8 E 利用这散射方法还可以找到孤子所需要的激光脉冲功率，以及与孤子周期相对应的光纤长度。这一理论结果不仅为光孤子通信研究指明了方向，同时也大大地缩短了研究的进程。与此同时，70年代以前在光学技术领域已经取得了两项重要的进展：①非正常色散区低损耗光纤研制成功；②非正常色散区频率可调的锁模激光器研制成功。这两项成果为光孤子脉冲实验准备了物质条件。1980年，美国贝尔实验室的莫勒诺尔等人，终于在实验上首次观察到了光孤子脉冲，所得到的结果与理论预言完全吻合，光孤子通信技术的诞生已迫在眉睫。 * |' v' N' Y" i4 x
" M4 c' Q' m+ K9 l$ o% ^! K/ t (3)光孤子通信 : d+ F/ z# P! r) Y; ?/ H
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在常规的线性光纤通信中，高码率数字在长距离的传输受到了极大的限制。原因是光纤的能量损耗，使脉冲幅度衰减，而光纤的色散又使脉宽加宽、脉冲信号畸变。虽然在常规线性光纤通信系统的进展中，逐渐采用了低损耗的单模光纤系统，在波长1.55μm处，已使损耗降到最低限度，信号无中继传输距离达到了100km以上，但是色散问题却始终是影响光纤通信性能的主要障碍。 ! j. S- x0 ]% d- {& ?5 K8 { l
& G" @3 ]9 {- @" w% n2 w+ U; x& z# } 在为传输数码率再提高一个或更多个数量级的奋斗之中，人们从光孤子的理论与实验研究成果中看到了希望。由于基本孤子脉冲在传输中，色散效应恰与非线性效应相抵，脉宽保持不变，使人们想到用基本孤子为信息载体，将有可能克服原来线性脉冲遇到的困难。在1980年贝尔实验室的莫勒诺尔(Mol-lenauer,L.F.)等人实验成功后，海斯格瓦(A.Hasegwa)等人开始着手研究基本孤子用于通信技术的可能性，并于1981年首次明确地提出了光纤孤子通信的设想。
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海斯格瓦等人所提出的光纤孤子通信方案，除了提高光纤功率使其工作在非线性区，并采用激光光孤子脉冲作为信息载体以外，与线性光纤通信系统并无本质区别。在这一方案中，他们忽略了基本孤子的最重要特征，即在小损耗下，孤子的表面积保持不变。人们称这一特性为“绝热性”。理论研究表明，基本孤子脉冲能量和脉宽的乘积与孤子的表面积成正比。因此，为孤子周期地补充能量，不仅能提高通信距离，使其能量复原，提高传输数码率，还能使其脉宽保持不变。若补充的能量恰能补偿光纤的损耗，孤立子脉冲将稳定无畸变地传输至很远。许多人为实现上述设想而奋斗着。问题的关键是究竟应该用什么方式为光孤子补充能量。不少理论方案相继推出，其中人们认为最有希望的是由前苏联学者伊萨耶夫(Isaev, S.K)在1982年提出来的喇曼受激放大方案。早在1923年，A．G．S．斯梅卡尔就从理论上预言，与频率不变的瑞利散射不同，还存在有另一种频率变化的散射现象。1928年，印度物理学家喇曼首先在液体中观察到了这个现象，这就是喇曼散射。同一年，前苏联物理学家兰茨贝尔格等人，也以石英晶体为散射介质得到了类似的实验结果。60年代激光问世以后，由于激光具有高亮度、高单色性、强方向性与偏振态确定的特点，应用激光器作为激发光源，有力地推动了对喇曼散射的研究。由于在从纯定性到高度定量的化学分析与测定分子结构上的价值，喇曼散射光谱学已经广泛地用于化学、生物学、物理学、医学等多种领域。在寻找为光纤基本孤子补充能量的研究中，有人一眼就看中了受激喇曼散射，这是喇曼散射的特殊形式之一。当入射激光足够强时，光的自发散射会自动地转变为定向的相干散射。此时，大量的分子被相干地从基态抽运到高能态，此时，若有一束功率足够强而频率不同的光在介质中传输，由于介质存在自发喇曼谱，高频光波会将其部分能量转移给低频光波。基于这一原理，可以使低频信号从高频泵浦光中获得能量。当两光频率满足一定关系时，还可以使信号光获得最大增益。 $ [, N7 Q+ g0 p8 S) {2 n2 n; x
! S9 y" N0 @: O% Y( g 根据受激喇曼散射原理，海斯格瓦设想，把与孤子峰值数量级相同的连续波泵浦功率，周期地耦合到孤子脉冲的光纤中，通过光纤自身的喇曼模式，孤子一定与泵浦源发生喇曼作用而得到补充能量。就在海斯格瓦的设想发表不久，前苏联依萨耶夫等人也公布了他们的方案①。紧接着，于1985年，莫勒诺尔等人即实现单级喇曼放大实验②。他们以足够的喇曼增益补充了光纤损耗，在10千米长的光纤末端观察到了无畸变的孤子脉冲。后来，他们又实现了多级喇曼放大实验，又使孤子无畸变地传输到6000千米以上的距离③。 ! u1 i0 \( w% i5 {! H2 K
$ i' F8 z M2 L$ d& m: k6 M 1991年，贝尔实验室在圣迭戈举行光纤通信会议(OFC91)，报导了他们研究的新成果。新泽西州霍姆德尔(Holmdel)贝尔实验室的莫勒诺尔小组实现了脉宽60ps的孤子脉冲，以2.4Gb/s的数据传输速率，反复通过光纤循环圈传输了12000千米；西泽西州莫雷山(Murray Hill)贝尔实验室的奥尔森(N.A.O lssen)小组利用多重孤子两路传输9000千米，甚至霍姆德尔的伯根诺(N.S. Bergano)等人实现了2万千米传输。这表明光纤孤子通信不仅可以跨洋，甚至可以在全球任意两地间进行。 9 |7 D/ P7 L- [2 B, R c a7 l' C5 T$ |8 Y
* S$ Q6 n7 M$ f6 G3 h8 ] 由于光纤孤子通信具有容量高、误码率低、抗干扰能力强、传输距离长、中继放大设施简单第一系列特殊的优点，发达国家已将其列入重点科研项目。我国光孤子通信研究已经展开，由于国家自然科学基金的支持，部分理论研究工作已居于国际领先水平，实验研究正在起步之中。
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3．全息光学的兴起
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+ q" A- p) S: p4 |( f (1)从瑞利判据到全息术的发现
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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。
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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。 1 e5 u+ J" r, F8 O0 {. u
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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。 6 o$ R* N3 Q9 Q3 Y! p2 V
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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。 " }$ F- q/ a( V
9 C6 C8 n4 e! `; \/ ` (2)从低谷中崛起的全息光学
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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。
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$ P7 K* T: _' N- N 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。
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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。
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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。 % D. S% |5 H0 a8 p/ N
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(3)X激光全息术的兴起
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$ ?7 `7 p1 L4 p* c) _ 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。
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) U3 W5 |3 ]' B3 v6 L4 g& k 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=nλf+(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500的波带片已用于实验性X射线显微镜，波带宽度接近100的菲涅耳波带片正在研制之中
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发表于 2005-1-1 05:32
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