[科普中国]-全息术

发展简史

匈牙利出生的英国物理学家D.伽柏从事提高电子显微镜分辨本领的工作，受W.布拉格在X射线金属学方面工作及F.泽尔尼克的关于引入相干背景来显示位相的工作的启发，于1947年提出全息术的设想，意图提高电子显微镜的分辨本领。方法是完全撇开电子显微镜物镜，用胶片记录经物体衍射的未聚焦的电子波，得到全息图。以相干的可见光照明全息图，衍射波将产生原物体放大的光学像。1948年，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其再现像。由于全息术的发明，伽柏1971年获得了诺贝尔物理学奖。20世纪50年代G.罗杰斯等科学家进一步丰富了波前再现理论。12

光波的位相信息是通过与参考光波相干涉，在记录介质上形成干涉图而记录下来的，所以要求两束光高度相干。1960年，激光的出现为全息术的发展开辟了道路。激光是一种单色的强光，是制作全息图最理想的光源。激光照明全息图，可看到清晰的三维图像。1961—1962年，E.利思等人对伽柏全息图进行了改进，引入“斜参考光束法”一举解决了“孪生像”问题，用氦氖激光器成功地拍摄了第一张实用的激光全息图。这样就使得全息术在1963年以后成为光学领域中最活跃的分支之一。1964年利思等人又提出了漫射全息图的概念，并得到三维物体的再现 。与此同时，苏联的物理学家根据李普曼彩色照相法和伽柏全息法提出了反射全息图的概念。1965年以来全息术的一个重要分支——脉冲全息术得到了发展，这使得动态全息干涉计量获得了实际应用。1968年，S.本顿发明彩虹全息术，由于可用白光观察全息图，看到记录物体的彩虹像，成为显示全息术的重要进展。它使后来通过模压技术批量生产全息图成为现实。12

基本原理照明物体的反射光波承载着物体形态的信息传播。用记录介质把携带信息的光波波前记录下来，将可在另一时间和场所，采用适当方法把波前再现出来。它继续传播仍可产生可观察的物体的三维像。光波传递信息，构成物体的像的过程被分为：波前记录和波前再现两步。它是一种两步无透镜成像方法。以离轴全息图为例说明波前记录和再现的过程。1

波前记录所有的记录介质都只对光强有响应，不能记录波前携带的位相信息。利用干涉原理才能把波前的振幅和位相，即全部信息都储存在记录介质中。暗室中高度相干的激光光束被分成两部分：一束光照明物体，经物体反射、散射或衍射，作为物光（红线）投射到照相干板上；另一束光作为参考光（绿线）照明照相干板。两束光相互干涉。照相干板经曝光、显影处理就得到全息图。干涉条纹的衬度和形状（或位置）信息中分别包含有物光波前振幅和位相的信息。1

波前再现波前记录的结果是得到一张记有物光振幅和位相信息的全息图。全息图上细密的干涉条纹图样，如同复杂的衍射光栅，只是光栅条纹的方向和间距可能随位置变化。用均匀的激光光束照明全息图，一部分光直接透过。对于离轴全息图，有另外两束衍射光波向不同方向传播，可看作±1级衍射光。其中一束衍射光波传播到观察者眼睛里，和真实物体发出的光波作用完全相同，实现了波前再现。尽管物体已经移开，仍可看到原始物体的虚像（原始像）。另一束衍射光波可看作原始物光波前的共轭波，传播形成物体的实像（共轭像），看到的像和原物体凸凹相反。由于再现的光波前携带有物波的振幅和位相信息，再现的像显示出物体的三维特性，具有视差效应。适当选择记录时参考光的倾斜角度，可使直接透射光以及产生孪生像的两束衍射光传播时分离开，互不干扰。12

类型全息图种类繁多，有许多不同的分类方法。1

同轴和离轴伽柏全息图即同轴全息图。记录时利用透明物体的透射光作为参考光，散射或衍射光作为物光。照明全息图 ，再现光波在同轴方向传播，孪生像在观察时相互干扰。缺点是物体必须高度透明。离轴全息图分离出一束参考光束倾斜照明照相干板，参考光与物光有一定夹角，再现时直接透射光与两束产生孪生像的衍射光向不同方向传播，可分离开，互不干扰。1

平面和体全息图上记录的干涉条纹的间距大于记录介质厚度时，可看作二维平面光栅结构，称为平面全息图。记录介质厚度比记录干涉条纹间距大得多，干涉条纹在记录介质内形成复杂的三维体光栅结构，称为体全息图。一张全息图通常包含不同间隔的条纹结构，它可能同时具有两种全息图的性质，但体全息图要满足所谓布拉格条件：2dsinα=±λ。

式中，d为体光栅结构的光栅间距，α为入射角，λ为波长。体全息图再现时对照明光的方向具有灵敏性，这一性质可用在信息存储上。把不同景物的多个全息图记录在一张照相干板上，每记录一次后改变参考光方向再做第二次记录。再现时改变照明光方向，可分别产生不同景物的像。1

透射与反射全息图照明时，在透射的衍射光方向可观察物体的虚像或产生实像，称为透射全息图，它是由处于记录媒质同侧的物光和参考光所形成的；记录时要求物光和参考光在记录干板的同一侧。记录体全息图时物光和参考光若来自照相干板的两侧，近似相反方向，则得到反射全息图。照明全息图，在反射光方向可观察虚像或产生实像。由于布拉格条件决定的波长选择性，使得反射全息图可用白光照明，再现出单色像。12

振幅和位相照明光波通过全息图时，仅是振幅被空间调制（衰减或吸收），引入常量位相延迟，这种全息图是振幅全息图。银盐照相干板经曝光显影处理可得到振幅全息图。照明光波通过全息图时，受到均匀吸收，仅位相被空间调制称为位相全息图。对于漂白银盐干板，重络酸盐明胶、掺铁铌酸锂、光致抗蚀剂等都是位相记录介质。其厚度或折射率随曝光量变化分别称为浮雕型或折射率型记录介质。位相全息图的衍射效率远高于振幅全息图，所产生的再现象明亮。1

模压全息模压全息是一种可通过全息印刷术大量生产复制的全息图。它可在白光下再现观察，广泛应用于作全息防伪标记等场合。1

计算全息随着计算机技术的发展，人们开始利用计算机制作一个设想中的物体的全息图——计算全息图。特别是在计算全息中常常使用黑白全息图或称为二进位全息图，可使记录媒质的非线性影响降低到相当小程度；另外由于计算机和绘图仪的可靠性，使得计算全息图的重复质量得到了保证；此外对于光学上难以得到的复杂物体，利用计算机可根据其数学表达式作出全息图并得到再现像，从而可以把计算机当作广义的光学元件来使用。因此计算全息一出现就受到普遍重视，在诸如三维计算机显示等方面获得应用。2

彩虹全息彩虹全息术是用激光记录全息图，用白光透射再现。它将不同波长的光沿着垂直方向色散开来，在不同的高度可以看到不同颜色的假彩色立体再现像。2彩虹全息的衍射光有会聚性能，再现像的亮度较高。采用白光照明光源，可以避免相干散斑纹效应引起的噪声影响。2

应用现今全息术在科技、文化、工业、农业、医药、艺术、商业等领域都获得了一定程度的应用。全息术的应用主要有以下几方面。12

全息显示全息术的最大特点是能够再现出与物体十分逼真的三维像。利用红、绿、蓝三种波长激光依次在一张记录干板上记录物体的三基色反射全息图，可用白光再现真彩色的物体三维像。1

全息显微普通显微镜由于焦深很小，工作距离又小，不能观察一些较深的细微结构。全息术的三维体积成像，可实现超焦深显微术，只要相干激光能照射到结构深处，就可拍摄全息图。随后在空间再现它的像，再用普通显微镜逐面调焦观察。用脉冲激光记录游动微生物或运动的微粒场，可长期保存，在静止状态下逐层观测分析。1

全息存储采用傅里叶变换全息图可实现文字、图像等信息的大容量高密度信息存储。由于它是以页面方式存储和显示 ，可很高速率并行记录和读出。利用体全息图再现时对入射光的角度、波长十分敏感的特点，可用不同角度的参考光或不同波长记录光，在介质的同一体积处记录多重全息图，每一幅全息图都可在适当条件下分别读出。1

全息干涉计量物光的波前包含着物体的完整信息。全息术可记录并再现波前，可对物体变形前后产生的两个波前相比较而实现干涉计量。普通干涉只能测量抛光的透明物体或反射面，全息干涉可测量透明或不透明的物体，甚至三维的漫反射表面。还可以实现材料的无损检测。1