显微镜的发明背景

1971诺贝尔物理学奖授予英国伦敦帝国理工学院的匈牙利物理学家丹尼斯·加博尔(1900-1979)，以表彰他发明和发展了全息照相术。

在激光出现之前的20世纪40年代，Gabor发明了全息摄影术。当时他在一家公司的研究室工作，制造电子显微镜需要提高分辨率。

当时电子显微镜的分辨率比最好的光学显微镜高100倍，但仍不足以分辨晶格。其中，球差和衍射差是限制分辨率的主要因素。为了减少衍射差异，有必要增加孔径角。孔径角加倍会使衍射差减少一半，但此时球差增加了8倍。为了兼顾两者，电子镜头的孔径角不得不限制在0.005弧度，因此分辨率的理论极限约为0.4nm .而分辨率点阵至少要达到0.2nm .面对这样一个难题，Gabor苦苦思索。1947年的一个复活节，天空晴朗，Gabor正在网球场等待一场球赛，突然脑中闪过一个念头，心想:“为什么不拍一张不清晰的电子照片，让它包含所有的信息，然后用光学的方法纠正呢？”考虑到电子物镜永远不会是完美的，如果省略它，用相干电子波记录相位和强度信息，然后用相干光再现无像差的图像，可以使电子显微镜的分辨率提高到0.1nm，满足观察晶格的要求。

正是从这一想法出发，Gabor发明了全息摄影术。

应该说全息术的基本概念是波动光学的产物。17年底，惠更斯在建立光的波动理论时，提出了他的“二次波”原理，这是理解波前和衍射的有力武器。19世纪初，托马斯·杨用波动理论解释了他的双缝干涉实验，菲涅尔用光的干涉思想补充了惠更斯原理，完善了光的衍射理论。应该说在这个基础上，早就应该有人发明全息摄影了。但是，为什么要等到20世纪中叶，一个研究电子显微镜的专家才无意中发明了全息照相术呢？关键是Gabor抓住了全息术的核心思想:波前重构。

加博尔抓住了这把钥匙，正如他曾经说过的:“在这项研究中，我站在了两位伟大的物理学家劳伦斯·布拉格和泽尔尼克的肩膀上”。换句话说，Gabor发明全息摄影术的想法就是受了他们的启发。

在全息术发明的前几年，伽柏读了劳伦斯·布拉格的书《X射线显微镜》，布拉格用两次衍射再现了晶格像。虽然X射线不能通过透镜成像，但是原子之间的间距与X射线的波长是同一个数量级的，周期性排列的原子对入射X射线散射的干涉会产生衍射点阵。相干光对这种衍射图样的二次衍射可以恢复点阵的图像，这就是Gabor两步成像法的由来。但是，他注意到，布拉格的方法不足以记录傅立叶变换的所有信息。虽然可以从强度的平方根得到振幅，但是相位已经丢失，所以只适用于那些从晶格到衍射场的绝对相位可以预先判断的特殊物体，这样就知道了入射光线与衍射线之间的相位变化。为了解决相位记录的问题，Gabor想到了Zelnik在研究透镜像差时使用的“相干背景”。他认为，如果没有什么可比较的，就难免失相；但如果加上一个标准，即以“相干背景”作为参考波，那么参考波和衍射波就相互干涉，用照相底片记录干涉图样，就可以得到包含相位信息的干涉图像。衍射波也称为物波，包含相位信息的干涉图Gabor称为“全息图”。在全息图上，两个波的相位相同，最大值产生在相反的位置。如果制作正片，它只最大限度地透光。因为透明狭缝处的参考光与物波同相，所以可以通过用参考光照射全息图来重建物波的波前。因为过去没有人掌握波前重构的概念，直到1947，Gabor脑子里有了“波前重构”，全息术才得以发明。

Gabor通过重建波前考虑了他的电子显微镜方案，并提出了一个两步过程。第一步是电子分析，即用电子束照射物体，物体衍射的电子束与相干背景(即入射电子束未衍射的部分)发生干涉，然后记录在底片上；第二步是光学合成，即利用光学系统再现并校正电子光学的像差，然后将再现的图像拍摄在照相底片上。Gabor和他的助手J.Williams首先在光学领域进行了全息实验。

他们使用汞灯作为光源，通过滤光片将入射光单色化，并在针孔滤光片的帮助下实现所需的空间相干性。他们的实验并不好做，因为高压汞灯提供的单色光只有0.1mm的相干长度，也就是只有200条条纹。但是，为了获得空间相干性，他们必须用水银谱线照射一个直径为3μm的针孔，这足以制作一个直径为1cm的物体的全息图。他们用直径为1mm的显微照片作为实验对象。因为光源很弱，用当时最感光的照相乳胶曝光也要几分钟。较小的相干长度迫使它们将一切都安排在同一轴上。根据这个特点，这个实验被称为同轴全息实验，是当时唯一可行的方案。他们试图在相干长度和强度这两个相互矛盾的因素之间找到最佳的折中方案。重建的图像并不理想，照片中仍然存在系统缺陷。此外，同轴全息术会受到不可避免的孪生像的干扰。Gabor试图通过聚焦来分离同轴孪晶，但不可能完全消除它们。尽管如此，Gabor还是在这个实验中首次实现了全息记录和波前重建，并得到了第一张全息照片。

从此，出现了研究全息摄影的第一次热潮。罗杰斯制作了第一张相位全息图，全面论述了全息理论。他还提出全息术也适用于无线电波，可以用来探测电离层；

A.贝兹进行了X射线全息照相实验；研究生Hussein El-Sum在P.Kirpatrick指导下写的博士论文成为当时研究Gabor全息术的重要文献。

然而，在全息术的早期工作中，人们最关心的是在电子显微镜中的应用。从1950开始，M.E.Haine、J.Dyson和T.Muivey一直从事这方面的研究，Gabor担任顾问。然而，收效甚微。

关于纯光学全息的研究，由于当时没有理想的相干光源，受到Gabor同轴全息孪晶的干扰，有效的工作很少。所以在50年代中期，全息摄影的研究处于停滞状态，几乎没有新的进展。只有密歇根大学的E.N.Leith仍在将波前重建理论应用于雷达工作。苏联也有一些科学家继续进行新的探索。

1960激光器的出现给全息术带来了新的生命。1963年，Liz和J.Upatnicks发表了第一张激光全息图，立刻引起了轰动，全息术一下子复活了！

由于激光的相干长度比汞灯长几千倍，所以在实验中用“斜参考波”的方法创建了离轴全息术，不受同轴全息术的限制。实验者轻松排除了双胞胎的干扰。此外，由于激光的强度比汞灯高几百万倍，所以在适当的曝光时间内，可以用极细的颗粒和低速照相乳胶制作大的全息图，并能达到非常好的复制效果。Lisi等人首次发表的黑暗背景上透明人物的全息照片、风光照片和人像照片，图像清晰。1964年，他们用漫射照明制作全息图，成功获得了三维物体的三维再现像。

Liz的成功不仅仅是因为激光，更是因为他从1955开始的理论准备。他把通信理论和全息术的概念结合起来，应用于侧视雷达的研究，其实就是电磁波的二维全息术。因此，在激光出现后，他将自己的斜参考波法应用于激光全息术，取得了全息术的重大突破。

Gabor 1900 6月5日出生于匈牙利布达佩斯，15岁时突然萌发了对物理的特殊兴趣。在上大学之前，我用两年时间自学了微积分。他学习了阿贝的显微理论和李普曼的彩色摄影，这对他以后几十年的研究起了重要作用。他和他的弟弟在家里建立了一个小实验室，做一些X射线和放射性实验。然而，Gabor在大学选择了工程学而不是物理学。因为当时物理学在匈牙利还不是专业。1924柏林工业大学毕业，1927获博士学位。那段时间，他经常去柏林大学当旁听生，那里有爱因斯坦、普朗克、能斯特、劳厄等名师开设各种物理课程。他从事电气工程，但他的身心几乎完全沉浸在应用物理中。他的博士论文是研制一种新型阴极射线示波器。他还制作了磁电透镜。获得博士学位后，Gabor来到西门子，在那里他发明了高压应时汞灯。促使他考虑全息摄影的是，在65438到0934年在一家英国公司的实验室工作后，公司需要提高电子显微镜的分辨率。Gabor对这个研究课题非常感兴趣，在研究过程中得到了很多进行光学实验的机会。全息摄影的基本思想就是在这里形成的。

Gabor于1979年2月9日去世。