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Sandbox Physics
干涉:量长度,也记录图像

装置 · 观测 · 推断

Gabor:把参考波一起拍进去

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只记录强度的底片,后来怎样再现波的方向与曲率?

  1. 物光与相干参考光
  2. 曝光记下干涉条纹
  3. 显影成全息图
  4. 照明,再现物光
再现需要显影后的全息图,以及规定好的再现光;没有哪幅像会自己悬在空中发光。

交叉项留下了相对参考波的相位

普通照片只记下强度,相位一般就丢了;没有相位,物光无法反推回去。Gabor 在曝光时加进一束已知的相干参考波。两束光干涉,相对相位就决定了条纹的样子。

把物光和参考光的场振幅归一化,让模的平方就是强度。下式把曝光强度拆成两项背景(物光一项、参考光一项)和两个交叉项,星号表示复共轭。交叉项保存的是相对参考波的相位,不是绝对相位。

I=∣O+R∣2=∣O∣2+∣R∣2+OR∗+O∗RI=|O+R|^2=|O|^2+|R|^2+OR^*+O^*R

来源:[2]

最初要解决的是电子显微问题

Gabor 想绕开电子透镜的局限,由此发展出波前再现。早期的光学演示用的是滤过的普通光。1971 年的讲稿接着讲到后来激光和离轴记录带来的变化。

这说明全息并不一定要用激光。它在物理上需要的是足够的空间相干性和时间相干性、合适的几何布置,以及足够的记录分辨率;激光让许多实用布置容易实现得多。

来源:[2][1]

再现是第二步光学过程

显影后,条纹图样会调制照上来的再现光。如果全息图很薄、响应又是线性的,用与参考光匹配的光照明,就能得到物光项,同时出现共轭像和背景。观察者接收到的是带方向信息的波,因此可能看到视差,也能重新对焦。

这个近似要求记录材料的响应合适。饱和、像素或颗粒尺寸有限、波长不匹配和机械移动,都可能毁掉再现。

来源:[2]

孪生像是早期的障碍

同轴记录时,像和共轭像叠在一起,再现结果很难直接读懂。把参考光斜着打进来,也就是离轴记录,各项就分到不同角度或不同空间频率区域,再用适当滤波就能分开。

分开它们要占用记录带宽。参考角越大,条纹越细;有限采样和数值孔径限制了视场和分辨率。全息靠干涉保留了相位信息,却没有消除这些仪器限制。

来源:[2]

四片透镜骗过了相机,却没有去管相位

相机和第一节说的底片一样,只记下像上每一点有多少光。景物上哪一点落在像的哪里,只取决于每条光线进入镜头时的高度和方向。2014 年,罗切斯特大学的 Joseph Choi 和 John Howell 正是利用这一点,用四片普通透镜做了一个隐身装置。焦距和间距选对了,靠近光轴的每条光线从最后一片透镜出来时,高度和方向都和它穿过同样长的一段空气后一样。

在透镜之间,将要进入相机的光挤成更细的一束,贴着光轴走。物体放在这束光周围的环形区域里,一条光线也挡不住,照片上就找不到它。相机放在装置前方 3.1 m,变焦对准后方 1.9 m 处的方格墙;透过透镜看到的格子和周围的墙对得上,放在里面的直尺却有一段不见了。前提是光轴本身不能挡,视角要小,透镜边缘也还会露出破绽。

Choi 与 Howell 说得很明白:他们只用光线光学,没有尝试保留光的相位。完美的隐身要把振幅和相位一并复原,任何测量都看不出变化;他们的装置针对的,是只记录光落在哪里、有多亮的仪器。他们的演示用的都是相机拍下的图像。全息图记下的,恰恰是这个设计搁在一边的东西:相对参考光的相位。

来源:[3]

把条纹与再现像放在一起看

把 Gabor 的记录图和再现图成对来读。进入相关的全息工作室,改变参考光的几何布置,同时看记下的条纹和再现结果。要检验的是:再现结果的每一处变化,能否追溯到条纹的变化,采样限制又落在哪里。

来源:[2]

来源与阅读说明

原讲稿读的是链接中的托管 PDF。薄全息图的解释采用线性近似;本文没有对任何历史全息图做数值重建。

  1. Nobel Foundation, Laser: historical award context

    读了机构年表,用来确定 1964 年的获奖人,以及 1960 年那台能工作的激光器出自 Maiman。表中对全息的简化描述没有采用。

  2. D. Gabor, Holography, 1948–1971, Nobel lecture (1971)

    读了托管原讲稿中记录、再现和孪生像几段。官方 PDF 返回 403。 阅读托管原稿

  3. J. S. Choi and J. C. Howell, Paraxial ray optics cloaking, Optics Express 22, 29465 (2014)

    读的是 arXiv 版本(1409.4705v2):透镜组等效于一段空气的条件、四透镜设计及其间距、墙在后方 1.9 m 而相机在前方 3.1 m 的照片、边缘效应,以及设计只用光线光学、不保留相位的说明。 阅读托管原稿

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