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图11.3 显微镜下彩虹全息小鸟的样子。左图是鸟的头，右图是鸟的一部分翅膀
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图11.4是对小鸟的头部进一步放大以后得到的图像，我们看到，在最高倍数的显微镜下，小鸟显示出一些条纹来，这些条纹基本沿着水平方向伸展，条纹之间的距离约为640nm，与红光波段的波长一致。也就是说，这只小鸟的图形是由每毫米大约1500根这样弯弯曲曲的细线组成。我们在高中时学过，这么密集（线距与波长相当）、周期性排列（或类似周期性排列）的细线在一起就组成了光栅。大家实际上都见过和用过光栅，我们熟悉的CD光盘上就有很多这样的细线，大约每毫米600根（DVD和Blue Ray就更密一些），它就是一个光栅。而我们都见过CD盘上的七彩颜色，所以Visa卡上小鸟的多彩也就不足为怪了，它们都是由于光栅的色散特性，能把不同波长（也即不同颜色）的光线反射到不同方向的缘故。如果用一束激光照射到Visa卡的小鸟上（或CD盘上），然后反射到墙上，我们还能看到光栅特有的衍射图案。因为红色的激光波长与条纹间距相近，而绿色的激光波长（532 nm）比条纹间距小，所以红光散得比绿光开。
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图11.4 对小鸟头部进一步放大的图像
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了解了小鸟的色彩的由来，那么全息照相最重要的特点—能再现三维物体又是怎么回事呢？我们再来仔细看看图11.4右图，毫无疑问，这不是一个由周期排列的直线组成的普通光栅，而是由弯弯扭扭的曲线构成的复杂光栅，这些曲线的每一个弯折就对应着我们肉眼看到的三维小鸟图像上的某一个细节。那你会问了，我们怎么知道这些曲线该怎么弯折，来体现三维的小鸟呢？要了解这一点，只要看看全息照片是怎样制作的就清楚了。
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普通照相技术是把从物体表面上某一点发出（或反射）的光通过透镜汇聚成底片上的一点，它记录的是物体表面所发出光的强度信息。但是从图11.4中我们可以看到，全息照相记录的就完全不是一些明暗变化的点，而是一些细密的条纹。图11.5用一个长方体代替小鸟，展示了这些条纹的产生和拍摄过程。从图中我们可以看出全息照相与一般照相的两点明显区别：第一，一般照相用普通的白光照明即可，而全息照相则需要用激光照亮物体；第二，一般照相只需要照亮被拍摄物体即可，而全息照相则需要把激光分成两部分，一部分照亮物体，另一部分不经物体反射，直接抵达底片。那么从物体反射的光与直接抵达的光在底片表面相遇时，就会发生干涉，从而产生细密的干涉条纹，进而被全息底片记录下来，形成我们在图11.4中看到的那种图案。
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那么，为什么我们一定要用激光拍照呢？这是因为激光是一种很好的相干光源，有利于形成稳定的干涉条纹。简单来说，相干光源就是具有如下特点的光源：假设这个光源向四面八方发出光波，它们形成一个球，在球面上任取两束光，它们的频率，相位都是一致的。这样的两束光如果通过一些反射而走到一起时就能够形成稳定的干涉条纹，即它们相遇的区域内有些地方亮，有些地方暗，而且这些明暗条纹的位置不随时间变化，那么就能被全息底片清晰地记录下来。而若我们在普通光源发出的光球面上任取两束光，它们的频率，相位是在随机变化的，这样的两束光相遇时就不能形成稳定的干涉条纹，而是形成左右随机移动的干涉条纹，不能在全息底片上留下清晰的图案。用给风扇拍照打个比方，当风扇不转的时候，我们可以用相机拍下风扇的叶片以及叶片之间的空隙，这就相当于“明暗”条纹，但是当它转的很快的时候，我们的相机就只能记录下一个均匀的圆盘，叶片和空隙就被“平均”掉了。
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图11.5 全息相片的拍摄过程（俯视图）
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干涉条纹在全息底片上记录下来以后，等到观看时，还是用激光照亮底片，如图11.6所示。激光摆放在拍摄时的位置，长方体已经被移走。此时激光经过全息底片时，如果遇到的是没有干涉条纹的区域，那么光还是沿直线穿过全息底片。但是，如果激光遇到的是有干涉条纹的区域，那么光经过这些复杂的光栅的衍射，有一部分就会被反射回来。巧妙的事情发生了，这些反射的光线恰好沿着原来从长方体表面发出的光线传播。那么当我们把眼睛放在全息底片右侧时，就能看到一个长方体的虚像了。而且这些光线就像是直接从一个真实的长方体上发出的，具有立体感。用大学课程里的光传播理论，我们可以严格地证明这些衍射光真实地再现了一个三维物体。不得不说，这是一个精妙绝伦的设计！全息技术的发明者——英籍匈牙利工程师Dennis Gabor博士也因此获得了1971年的诺贝尔物理学奖。虽然他在1947年就高瞻远瞩地提出了全息照相的理念，但是我们开始也看到了，要拍摄全息就需要一种好的相干光源，而当时的光源都不能产生稳定的干涉条纹，所以Gabor博士的全息技术一直未能变为现实。直到1960年激光诞生以后，最后一块拦路石被移开，全息技术才迅速地发展起来。
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图11.6 全息照片的观看（俯视图）
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你可能注意到了，信用卡上的小鸟并不需要用激光照明，即使在普通的光源下也能观看。这是因为信用卡上所使用的“彩虹全息”是对上面所描述的基本全息技术的一种改进，这一点我们留待本章“探索与发现”一节中再为大家揭秘。我们先来看看如何自己动手，制作一张全息照片。
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动手实践
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关键材料列表
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5mW以下红色激光二极管
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（网络有售，购买时要注意选择“可调焦”型的红色激光二极管。如左图中，铜套可以拧下来，从而使得激光发散开。千万注意，直视5mW以上的激光会导致永久失明。为了你和他人的安全，请上网查阅激光安全知识以后再购买激光器。）
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Litiholo 全息底片。底片对波长为600～660nm的红光敏感。所以选购激光二极管的时候要留意它的波长，确保在这个范围内。
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（有兴趣购买的读者可以到Litiholo公司的官网订购。）
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在上一节基本原理中我们看到，制作全息照片的关键是激光和全息底片。二十多年前，全息爱好者还要依靠笨重的氦氖激光器（见本书第2章），而随着半导体激光技术的迅速发展，廉价的激光二极管已经成为了制作全息的首选，大家可以方便地买到，而全息底片则相对难以得到。由于我们需要记录非常细密的条纹（间距在600nm左右），一般照相机所使用的底片无法记录这么细致的图案，所以需要高分辨率的特制全息底片。大家在网上还能买到一些厂家生产的这种底片（一般称为全息干板）。但是这种底片用起来比较复杂，曝光量要严格控制，另外在曝光结束以后，还要经过化学药剂显影（就和冲洗普通胶卷一样），这些步骤中稍有差错都将导致底片无法呈现干涉条纹，全息制作失败。幸运的是，几年前一家叫作Litiholo的美国公司研发了一种无需后期处理的全息底片（见材料列表中的实物图），他们把高分辨率的感光材料夹在两块玻璃片之间，在拍摄过程中，被干涉条纹照射过的区域发生化学反应，自动完成显影，条纹就永久地被记录下来了。列表中展示的Litiholo底片中间粉红色部分就是被干涉条纹照射过的区域，周围淡蓝色的部分是未经照射的区域。读者可以从他们公司的主页www.litiholo.com上找到购买信息。八九个朋友一起凑钱买一套（不到700元人民币），有20张底片，以及激光等其他配件。因为制作简单，几乎不可能失败，所以这个投入的产出比是非常高的。
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