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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074935]
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） 11 做老百姓自己的全息
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一分钟简介
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本章将介绍一种非常有趣的制作3D照片的方法：全息技术。我们从日常生活中几乎人人都有，但又常被忽视的全息照片开始，引入全息技术的原理。然后我们将用简单的工具（激光二极管，全息底片等），亲手制作一张真正的全息照片。如果你一时难以得到这些工具的话，我们还将介绍如何用更为普通的圆规与黑色塑料片，手工画出一张简单的‘全息照片’来。通过阅读本章你将深入了解全息技术的原理，熟练掌握全息制作方法。
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闲话基本原理
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如果你有Visa或者Master信用卡的话，请拿出来仔细端详一番，你会发现，在卡的正面或者背面有一处绚丽的图案。Visa卡上是一只振翅高飞的小鸟（可能是老鹰或者鸽子），Master卡上是一张世界地图，图11.1所示为Visa卡上的小鸟。
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图11.1 信用卡上的小鸟
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神奇的是，当你前后晃动脑袋时，能看到小鸟的颜色变幻无穷（图11.2展示了从另外一个角度观看时小鸟的情景），当你左右晃动脑袋时，还能感觉到它似乎有立体感——那么恭喜你，你的卡是真的！
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图11.2 小鸟的颜色变化了
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这只小鸟就是Visa信用卡诸多防伪标记中的一种：彩虹全息图（RainbowHologram）。“全息”是一种能够记录物体三维信息的成像技术，很多人都听说过。但是可能很少有人意识到，自己的信用卡上就有这么一张听起来非常高科技的全息图（实际上也是非常高科技的，只不过批量生产使得它们的成本很低）。让这只小鸟带领我们，开始了解全息技术到底是怎么回事吧！
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图11.3展示了小鸟全息图在低倍显微镜下的情景，图,11.3左是小鸟的头部，图11.3右是小鸟翅膀上的羽毛。很容易发现这与一般的图片不一样，它的轮廓是不清晰的，而且颜色也非常单一，并不像我们先前看到的那样五光十色。我们用更高倍数的显微镜对图像进一步放大，来看看里面有什么玄机。
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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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