[科普中国]-全息记录

全息术

全息术是由英国科学家丹尼斯·伽柏((Dennis Garbor)于1948年为了提高电子显微镜的分辨率，在布拉格(Bragg)和泽尼克(Zernike)的工作基础上而提出来的，他利用水银灯发出的可见光代替电子波，获得了第一张全息图及重建像，由于光源的相干性差，全息图只能采用同轴方式记录，但同轴全息术中三级像无法分离这一特点限制了全息术的进一步发展。直到1960年激光器的出现为全息术的迅速发展开辟了广阔的道路，1962年美国密执安大学的E.N.利思(E.N.Leith)和J.乌帕特尼克斯(J. Upatnieks)提出了离轴全息的新方法，从此，全息术进入了高速发展的时期。

数字全息术是一种全新型的成像与测量技术，它是光学与光电技术、数字计算机技术的高度结合，是用电荷祸合器件((Charge-coupled Device, CCD)代替传统的全息记录材料来记录全息图，并通过计算机数值计算光学衍射场再现物光波前，可准实时再现逼真的三维物体。

数字全息术的思想是由J. W. Goodman和R. W. Lawrence在1967年提出来的数值化的全息图的重建是由M. A. Kronrod和L. P Yaroslavsky首次进行的。在很长的一段时间内，数字全息图重建的构想一直受到计算机技术和电子技术的限制，数字全息发展比较缓慢，在1994年数字全息技术因电荷耦合器件(CCD)的问世取得突破性的进展，Schnars和Juptner利用电荷耦合器件(CCD)直接记录全息图并且利用计算机数值再现全息图，使得数字全息的记录和再现完全实现了数字化[}]。全息术发展到今天，从光源的使用、记录介质和重建的方法来看，可以分为四代:第一代是用水银灯记录的同轴全息图，同时这也是全息术萌芽的时期，出现的问题是全息重建原始像、零级像和共扼像不能够分离;第二代是用激光来记录全息图，同时也用激光再现全息图，并且采用离轴记录光路记录全息图，把原始像、零级像和共扼像完全分离开了;第三代是用激光记录全息图，白光重建，主要有反射全息、彩虹全息以及合成全息。前三代的全息术也称为光学全息。第四代是数字全息时代，它是用光敏电子成像器件CCD代替传统的卤化银、重铬酸盐明胶等材料来记录全息图，以数字的形式存储于计算机中，并由计算机以数字的方式再现物体的原始像。1

原理全息记录原理与全息照相原理相同，只是实现方法不一样。全息照相是将胶片作为记录介质，而全息记录介质则是具有光折射特性的光敏晶体材料。另外，两者所用的物光不同。目前实现全息记录的激光是蓝绿色氢激光，分成参考光束和物光束。用物光束承载信息，投射到用LCD构成的空间调制器(SLM)上，用一页点阵的亮和暗所代表的二进制数字表示信息，与参考光束同时投射在光敏晶体上相互作用、就可将一页数据变成干涉条纹图形存储在晶体中。读出时，用基准光束照射晶体，与晶体内干涉条纹图像相互作用，还原出原来写人的一页由亮和暗点阵构成的图像，并从CCD(电荷藕合器件)板上读取数据。

由于读出数据时其基准光束投射角度必须与写入时角度一样，其误差不能超过几分之一，所以利用这一特性可大大提高存储密度;利用不同的投射角度可在同一晶体上存储不同的信息。在1cm的光敏晶体中，可存储1万张信息页，每一页都可包含IMB的信息。这种存储器的最大特点是它的非易失性，即断电后所存储的信息也不会消失。而且，即使部分介质有损坏，也能和全息照片一样还原成原来的信息。2

全息记录材料在全息术的发展过程中，全息记录材料作为其载体扮演着十分重要的角色。目前常用的全息记录介质有卤化银乳胶、重铬酸盐明胶、光致抗蚀剂、光致聚合物、光导热塑料、光折变晶体、液晶等。这些材料各有优缺点，右图对这几种材料的记录原理、调制方式等进行了粗略的总结与比较。

卤化银乳胶卤化银乳胶是一种常用的全息记录材料，它具有很高的感光灵敏度、光谱响应范围宽、通用性强、环境稳定性好，但卤化银材料也存在着衍射效率不高、漂白后图像噪声大、材料制备及后处理步骤繁复等缺点。常用的卤化银乳胶材料有天津感光胶片公司、阿克发(Agfa)公司、依尔福(Ilford )公司、柯达公司生产的全息干版(或软片)。

光致聚合物光致聚合物材料是一种非银盐感光高分子全息记录材料，其作为全息记录材料的研究开始于60年代。主要是用光化学方法产生自由基或离子引发单体发生聚合反应。单体可以直接受光激发引起聚合，也可由光引发剂或光敏剂受光作用引发单体聚合。光引发聚合是光引发剂首先吸收光子跃迁到激发态，在激发态发生光化学反应生成活性种子(自由基或离子)，然后这些活性种子引发单体聚合:光敏引发聚合是光敏剂首先吸收光子跃迁到激发态，在激发态的光敏剂与引发剂之间发生能量转移或电子转换，由引发剂产生活性种子，这种活性种子再引发单体聚合，这两种光聚合都有连锁反应的链增长过程，光反应的量子效率可通过连锁过程得到放大，一般可达到100~1000。光致聚合物全息记录材料具有灵敏度及衍射效率高、加工方便、可实时干法显影等优点。

目前国际上这方面的产品主要有美国杜邦( Du Pout)公司的HRF, OmniDex系列，以及美国波拉(Polaroid)公司的DMP-128系列光致聚合物材料。国内自80年代末以来也开展了光致聚合型材料的研究，已取得一些进展。

重铬酸盐明胶重铬酸盐明胶是一种重要的全息记录材料，其作为照像材料已有很长的历史。最早用于照像和印刷术中是利用厚度的变化，同样原理可以用于制作浮雕型全息图。向明胶溶液中加入少量的重铬酸盐溶液就成为对蓝绿光敏感的记录材料，曝光部分变硬，较未曝光部分难溶于水中。用水显影可以将未曝光的部分洗去，便形成浮雕型全息图。不过这样制成的全息图并没有很高的衍射效率，用该方法作成的表面浮雕型全息图没有充分体现出DCG的优点。1968年，Shankof对传统印刷产业中所使用的DCG及其水洗显影工艺进行了改造，革命性的提出了预硬化DCG体系以及水一醇显影工艺。这一工作不但使明胶材料可以用于记录全息图，而且使DCG材料以其所具有的高相位调制能力、高分辨率、高衍射效率、高信噪比等优点成为最优秀的全息记录材料之一。目前DCG作为一种相位型全息记录介质，已广泛应用于光信息的记录和保存、各种光学元件(如全息光栅、全息透镜)和全息艺术照片的制作等。但DCG材料在应用中也存在着如下不足:(1) DCG材料的光谱敏感范围在蓝绿光区，对红光不敏感，全息记录需采用价格昂贵、使用寿命较短的氢离子激光器而不能采用廉价长寿命的氦氖激光器;(2)感光灵敏度低，全息记录时间长，记录时的防震要求高;(3)材料对空气中湿气的抵抗能力差，全息图需密封才能长时间保存。(4)目前研究的材料光谱响应范围窄，不能全色感光，制约了该材料在真彩色全息显示、多波长全息干涉计量、波长复用高密度全息存储等领域的应用。

光致抗蚀剂光致抗蚀剂是一种重要的感光高分子全息记录材料。经光照射后，光致抗蚀剂涂层中发生化学变化，随着曝光量的不同产生不同的溶解力，用合适的溶剂显影可使未曝光区或曝光区加速溶解。曝光部分被溶解的称正性光致抗蚀剂，未曝光部分被溶解的称为负性光致抗蚀剂。在全息术中使用正性光致抗蚀剂，可以得到高质量浮雕全息图。浮雕全息图可用作大批量模压复制全息图的母板，目前，光致抗蚀剂己广泛应用于微细图形加工、半导体器件制作、集成电路及印刷电路板生产等方面。

光折变晶体具有光折变效应的晶体称为光折变晶体。光折变效应是19b6年在晶体中发现的，指的是光入射到光折变晶体上引起材料折射率的改变。其物理过程是，当光照射到晶体上时，由于入射光的光电离作用，在晶体中激起载流子(电子或空穴或离子)，载流子在晶体内漂移、扩散或跃迁，形成空间电荷分布，进而形成新的空间电场，此电场通过电光效应调制折射率，从而使晶体的折射率发生变化。

光导热塑料光导热塑料是一种浮雕型相位记录材料，其结构是，在基片上先涂布一层透明导体，其上是一层透明光电导体，最上面是一层热塑料。使用时，首先对材料进行敏化，在热塑料和透明导体之间建立均匀的电位差;第二步曝光，曝光部分光导放电;第三步再充电;第四步显影定影，显影过程是加热使热塑料软化，由于电场的作用使热塑料变形，定影过程就是冷却，于是形成了浮雕型的相位全息图。

光导热塑料作为全息记录材料的优点是对可见光敏感、干法显影、衍射效率高、能重复使用等。缺点是分辨率低，高质量薄膜制备困难。3