[科普中國]-全息術(shù)

發(fā)展簡史

匈牙利出生的英國物理學(xué)家D.伽柏從事提高電子顯微鏡分辨本領(lǐng)的工作，受W.布拉格在X射線金屬學(xué)方面工作及F.澤爾尼克的關(guān)于引入相干背景來顯示位相的工作的啟發(fā)，于1947年提出全息術(shù)的設(shè)想，意圖提高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)。方法是完全撇開電子顯微鏡物鏡，用膠片記錄經(jīng)物體衍射的未聚焦的電子波，得到全息圖。以相干的可見光照明全息圖，衍射波將產(chǎn)生原物體放大的光學(xué)像。1948年，他利用水銀燈發(fā)出的可見光代替電子波，獲得了第一張全息圖及其再現(xiàn)像。由于全息術(shù)的發(fā)明，伽柏1971年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。20世紀(jì)50年代G.羅杰斯等科學(xué)家進(jìn)一步豐富了波前再現(xiàn)理論。12

光波的位相信息是通過與參考光波相干涉，在記錄介質(zhì)上形成干涉圖而記錄下來的，所以要求兩束光高度相干。1960年，激光的出現(xiàn)為全息術(shù)的發(fā)展開辟了道路。激光是一種單色的強(qiáng)光，是制作全息圖最理想的光源。激光照明全息圖，可看到清晰的三維圖像。1961—1962年，E.利思等人對伽柏全息圖進(jìn)行了改進(jìn)，引入“斜參考光束法”一舉解決了“孿生像”問題，用氦氖激光器成功地拍攝了第一張實(shí)用的激光全息圖。這樣就使得全息術(shù)在1963年以后成為光學(xué)領(lǐng)域中最活躍的分支之一。1964年利思等人又提出了漫射全息圖的概念，并得到三維物體的再現(xiàn) 。與此同時，蘇聯(lián)的物理學(xué)家根據(jù)李普曼彩色照相法和伽柏全息法提出了反射全息圖的概念。1965年以來全息術(shù)的一個重要分支——脈沖全息術(shù)得到了發(fā)展，這使得動態(tài)全息干涉計量獲得了實(shí)際應(yīng)用。1968年，S.本頓發(fā)明彩虹全息術(shù)，由于可用白光觀察全息圖，看到記錄物體的彩虹像，成為顯示全息術(shù)的重要進(jìn)展。它使后來通過模壓技術(shù)批量生產(chǎn)全息圖成為現(xiàn)實(shí)。12

基本原理照明物體的反射光波承載著物體形態(tài)的信息傳播。用記錄介質(zhì)把攜帶信息的光波波前記錄下來，將可在另一時間和場所，采用適當(dāng)方法把波前再現(xiàn)出來。它繼續(xù)傳播仍可產(chǎn)生可觀察的物體的三維像。光波傳遞信息，構(gòu)成物體的像的過程被分為：波前記錄和波前再現(xiàn)兩步。它是一種兩步無透鏡成像方法。以離軸全息圖為例說明波前記錄和再現(xiàn)的過程。1

波前記錄所有的記錄介質(zhì)都只對光強(qiáng)有響應(yīng)，不能記錄波前攜帶的位相信息。利用干涉原理才能把波前的振幅和位相，即全部信息都儲存在記錄介質(zhì)中。暗室中高度相干的激光光束被分成兩部分：一束光照明物體，經(jīng)物體反射、散射或衍射，作為物光（紅線）投射到照相干板上；另一束光作為參考光（綠線）照明照相干板。兩束光相互干涉。照相干板經(jīng)曝光、顯影處理就得到全息圖。干涉條紋的襯度和形狀（或位置）信息中分別包含有物光波前振幅和位相的信息。1

波前再現(xiàn)波前記錄的結(jié)果是得到一張記有物光振幅和位相信息的全息圖。全息圖上細(xì)密的干涉條紋圖樣，如同復(fù)雜的衍射光柵，只是光柵條紋的方向和間距可能隨位置變化。用均勻的激光光束照明全息圖，一部分光直接透過。對于離軸全息圖，有另外兩束衍射光波向不同方向傳播，可看作±1級衍射光。其中一束衍射光波傳播到觀察者眼睛里，和真實(shí)物體發(fā)出的光波作用完全相同，實(shí)現(xiàn)了波前再現(xiàn)。盡管物體已經(jīng)移開，仍可看到原始物體的虛像（原始像）。另一束衍射光波可看作原始物光波前的共軛波，傳播形成物體的實(shí)像（共軛像），看到的像和原物體凸凹相反。由于再現(xiàn)的光波前攜帶有物波的振幅和位相信息，再現(xiàn)的像顯示出物體的三維特性，具有視差效應(yīng)。適當(dāng)選擇記錄時參考光的傾斜角度，可使直接透射光以及產(chǎn)生孿生像的兩束衍射光傳播時分離開，互不干擾。12

類型全息圖種類繁多，有許多不同的分類方法。1

同軸和離軸伽柏全息圖即同軸全息圖。記錄時利用透明物體的透射光作為參考光，散射或衍射光作為物光。照明全息圖 ，再現(xiàn)光波在同軸方向傳播，孿生像在觀察時相互干擾。缺點(diǎn)是物體必須高度透明。離軸全息圖分離出一束參考光束傾斜照明照相干板，參考光與物光有一定夾角，再現(xiàn)時直接透射光與兩束產(chǎn)生孿生像的衍射光向不同方向傳播，可分離開，互不干擾。1

平面和體全息圖上記錄的干涉條紋的間距大于記錄介質(zhì)厚度時，可看作二維平面光柵結(jié)構(gòu)，稱為平面全息圖。記錄介質(zhì)厚度比記錄干涉條紋間距大得多，干涉條紋在記錄介質(zhì)內(nèi)形成復(fù)雜的三維體光柵結(jié)構(gòu)，稱為體全息圖。一張全息圖通常包含不同間隔的條紋結(jié)構(gòu)，它可能同時具有兩種全息圖的性質(zhì)，但體全息圖要滿足所謂布拉格條件：2dsinα=±λ。

式中，d為體光柵結(jié)構(gòu)的光柵間距，α為入射角，λ為波長。體全息圖再現(xiàn)時對照明光的方向具有靈敏性，這一性質(zhì)可用在信息存儲上。把不同景物的多個全息圖記錄在一張照相干板上，每記錄一次后改變參考光方向再做第二次記錄。再現(xiàn)時改變照明光方向，可分別產(chǎn)生不同景物的像。1

透射與反射全息圖照明時，在透射的衍射光方向可觀察物體的虛像或產(chǎn)生實(shí)像，稱為透射全息圖，它是由處于記錄媒質(zhì)同側(cè)的物光和參考光所形成的；記錄時要求物光和參考光在記錄干板的同一側(cè)。記錄體全息圖時物光和參考光若來自照相干板的兩側(cè)，近似相反方向，則得到反射全息圖。照明全息圖，在反射光方向可觀察虛像或產(chǎn)生實(shí)像。由于布拉格條件決定的波長選擇性，使得反射全息圖可用白光照明，再現(xiàn)出單色像。12

振幅和位相照明光波通過全息圖時，僅是振幅被空間調(diào)制（衰減或吸收），引入常量位相延遲，這種全息圖是振幅全息圖。銀鹽照相干板經(jīng)曝光顯影處理可得到振幅全息圖。照明光波通過全息圖時，受到均勻吸收，僅位相被空間調(diào)制稱為位相全息圖。對于漂白銀鹽干板，重絡(luò)酸鹽明膠、摻鐵鈮酸鋰、光致抗蝕劑等都是位相記錄介質(zhì)。其厚度或折射率隨曝光量變化分別稱為浮雕型或折射率型記錄介質(zhì)。位相全息圖的衍射效率遠(yuǎn)高于振幅全息圖，所產(chǎn)生的再現(xiàn)象明亮。1

模壓全息模壓全息是一種可通過全息印刷術(shù)大量生產(chǎn)復(fù)制的全息圖。它可在白光下再現(xiàn)觀察，廣泛應(yīng)用于作全息防偽標(biāo)記等場合。1

計算全息隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開始利用計算機(jī)制作一個設(shè)想中的物體的全息圖——計算全息圖。特別是在計算全息中常常使用黑白全息圖或稱為二進(jìn)位全息圖，可使記錄媒質(zhì)的非線性影響降低到相當(dāng)小程度；另外由于計算機(jī)和繪圖儀的可靠性，使得計算全息圖的重復(fù)質(zhì)量得到了保證；此外對于光學(xué)上難以得到的復(fù)雜物體，利用計算機(jī)可根據(jù)其數(shù)學(xué)表達(dá)式作出全息圖并得到再現(xiàn)像，從而可以把計算機(jī)當(dāng)作廣義的光學(xué)元件來使用。因此計算全息一出現(xiàn)就受到普遍重視，在諸如三維計算機(jī)顯示等方面獲得應(yīng)用。2

彩虹全息彩虹全息術(shù)是用激光記錄全息圖，用白光透射再現(xiàn)。它將不同波長的光沿著垂直方向色散開來，在不同的高度可以看到不同顏色的假彩色立體再現(xiàn)像。2彩虹全息的衍射光有會聚性能，再現(xiàn)像的亮度較高。采用白光照明光源，可以避免相干散斑紋效應(yīng)引起的噪聲影響。2

應(yīng)用現(xiàn)今全息術(shù)在科技、文化、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、藝術(shù)、商業(yè)等領(lǐng)域都獲得了一定程度的應(yīng)用。全息術(shù)的應(yīng)用主要有以下幾方面。12

全息顯示全息術(shù)的最大特點(diǎn)是能夠再現(xiàn)出與物體十分逼真的三維像。利用紅、綠、藍(lán)三種波長激光依次在一張記錄干板上記錄物體的三基色反射全息圖，可用白光再現(xiàn)真彩色的物體三維像。1

全息顯微普通顯微鏡由于焦深很小，工作距離又小，不能觀察一些較深的細(xì)微結(jié)構(gòu)。全息術(shù)的三維體積成像，可實(shí)現(xiàn)超焦深顯微術(shù)，只要相干激光能照射到結(jié)構(gòu)深處，就可拍攝全息圖。隨后在空間再現(xiàn)它的像，再用普通顯微鏡逐面調(diào)焦觀察。用脈沖激光記錄游動微生物或運(yùn)動的微粒場，可長期保存，在靜止?fàn)顟B(tài)下逐層觀測分析。1

全息存儲采用傅里葉變換全息圖可實(shí)現(xiàn)文字、圖像等信息的大容量高密度信息存儲。由于它是以頁面方式存儲和顯示 ，可很高速率并行記錄和讀出。利用體全息圖再現(xiàn)時對入射光的角度、波長十分敏感的特點(diǎn)，可用不同角度的參考光或不同波長記錄光，在介質(zhì)的同一體積處記錄多重全息圖，每一幅全息圖都可在適當(dāng)條件下分別讀出。1

全息干涉計量物光的波前包含著物體的完整信息。全息術(shù)可記錄并再現(xiàn)波前，可對物體變形前后產(chǎn)生的兩個波前相比較而實(shí)現(xiàn)干涉計量。普通干涉只能測量拋光的透明物體或反射面，全息干涉可測量透明或不透明的物體，甚至三維的漫反射表面。還可以實(shí)現(xiàn)材料的無損檢測。1