摘要:本文在对全息术进行概述的基础上,阐述了全息术的原理、分类及国内外的研究现状,着重介绍全息术的应用并对全息技术的未来发展前景做了展望。
关键词:全息;振幅;位相;光波;激光
“全息”是由希腊字“holos”变来的,意即完全的信息─不仅包括光的振幅信息还包括位相信息。
全息又称全息照相术。全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体光波波前的一种技术。记录波动干扰的振幅和位相分布以及随后使之重现的技术。广泛地用作三维光学的成像,也可用于声波(见声全息)和射频波。
1.发展简史
1947年D.伽柏从事提高电子显微镜分辨本领的工作。受W.L.布喇格在 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,伽柏提出了全息术的设想以提高电子显微镜的分辨本领。1948年,他利用水银灯首次获得了全息图及其再现象,从而创立了全息术,为此他在1971年获得了诺贝尔物理学奖。
20世纪50年代G.L.罗杰斯等人的工作大大扩充了波阵面再现理论。但是由于“孪生像”问题和光源相干性的限制,1955年以后全息术进入低潮阶段。
激光的出现,为全息术的发展开辟了广阔的前景,1961～1962年,E.N.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。
2.基本原理
全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体光波波前的一种技术。其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息,此即拍摄过程:被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束;另一部分激光作为参考光束射到全息底片上,和物光束叠加产生干涉,把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度,从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后,便成为一张全息图,或称全息照片;其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息,这是成象过程:全息图犹如一个复杂的光栅,在相干激光照射下,一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象,即原始象(又称初始象)和共轭象。再现的图像立体感强,具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息,故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像,通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像,而且能互不干扰地分别显示出来。
3.全息图的分类
全息照片可分为振幅型(又叫吸收型)和位相型两大类,它们按照与被记录时的曝光量相对应的方式分别改变照明光波的振幅或位相。如果根据干涉条纹的间距和感光膜层厚度的相对大小来划分,则有薄型(二维型或平面型)和厚型(三维型或体积型)两类全息照片。在厚型全息照片中,按拍摄时物光束与参考光束是否在感光膜的同侧入射,分为透射型全息照片和反射型全息照片。如按记录全息图时光路布局的不同分类,有同轴型全息图和离轴型全息图。
4.全息术的应用
伽柏发明全息术不久,就指出它的三个方面的应用前景即全息干涉量度术、全息光学元件和全息信息存储。随着激光器的问世,这三方面都获得了不同程度的实用化。后来又扩展到全息立体显示、全息变换、特征识别等方面。
4.1全息干涉计量术
全息干涉计量术是将不同物光,在不同的时间记录在同一张全息干板上,然后利用全息术的空间波前再现原理,非接触地对物体表面进行三维测量而获得信息。全息干涉计量术是全息应用的一个重要方面,它能实现高精度非接触性无损测量,比一般光学干涉计量有很多优点。一般光学计量只能测量形状比较简单、表面光度很高的零部件,而全息计量方法则能对任意形状、任意粗糙表面的物体进行测量,测量精度为光波波长λ的数量级。目前,全息干涉计量术在方法上先后发展了实时全息干涉法(单次曝光法)、二次曝光全息干涉法、时间平均全息干涉法、双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法,此外,J.A.Leendertz开辟了全息干涉计量术的另一个新的分支-激光斑纹计量术。随着光电技术、计算机技术、CCD器件及光纤技术的飞速发展,使得全息干涉计量技术在信息采集和处理上更为方便、快捷和可靠,并得以在恶劣环境条件下对某些物理量进行定时测量。再加之相移技术、外差技术和锁相技术等,可使测量精度提高到λ/100或更高。
全息干涉计量在20世纪80年代美国等西方先进国家已产业化,我国在20世纪80年代初有几所大学和科研单位的研究项目通过鉴定,其中有些达到当时的先进水平。经过近几年的开发和研制,我国在全息干涉计量测试设备方面主要发展有:
(1)用于测试火箭发动机喷雾化特性的YSCI型离子瞬态激光全息测试仪;
(2)用于激光热核聚变稠密等离子体电子密度测量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外线激光全息探测仪;
(3)包括记录、再现、图像处理三部分的瞬态激光全息干涉计量测试系统;
(4)用于对航空、航天、石油化工等部门常用的膜盒进行位移检侧的激光全息光栅精密测试系统。目前美国和德国已经研制出有菌子质记录介质的激光全息干涉计量设备。
将全息干涉计量术与计算机图像处理技术相结合,借助光电图像传感器、大孔径面阵CCD器件和小型化的脉冲固体激光器等先进设备的出现,发展系统化、智能化、小型化的全息干涉计量装置将是未来全息干涉计量术的发展方向。
4.2全息存储
全息存储是依据全息术的原理,将信息以全息照相的方式存储起来,它利用两个光波之间的耦合和解耦合,可以把信息存储和信息之间的比较(相关) 、识别,甚至联想的功能结合起来,也就是可以把信息存储和信息处理结合起来,用于全息信息存储的记录介质较多,可永久保存信息的全息图用银盐干板、银盐非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蚀剂等;可擦除重复使用的实时记录材料有光导热塑料、有机或无机光折变材料等。全息存储在存储容量方面具有巨大的优势,原因是:
(1) 全息存储具有存储容量大的优势。用感光干板作为普通照相记录信息时,信息存储密度的数量级一般为05bit/mm2;用平面全息图存储信息时,存储密度一般可提高一个数量级达106bit/mm2 ;如果用体全息图存储信息时,存储密度可高达1013bit/mm2。
(2) 全息存储具有极大的冗余性,存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息丢失。
(3) 全息存储具有读取速率高和能并行读取的特点,每个数据页可包含达1Mbit的信息,写入一页的时间在100ms左右,读信息的时间可以小于100靤,而磁盘的寻址时间至少需10ms。
4.3全息无损检测
当用全息照相及其干涉度量术来进行无损检测时,一般是在被检测的元件上轻微加力(激励),并在加力前后记录二次曝光全息图(或时间平均全息图等),如果元件存在缺陷,就会使其表面产生不规则的形变,从而使在该处的干涉条纹图样也发生不规则的变形,元件缺陷的变形即使发生在0.1mm量级范围内,在干涉图样上也能清楚地显示出来。于是,通过有缺陷和无缺陷元件在同样受力条件下所形成的干涉图样的相对变化,就能指明这种不规则形变。对于大多数应用来说,只需定性地解释干涉条纹。一般说来,干涉条纹出现局部变密或出现条纹曲率不连续性的区城,标志着缺陷(或裂缝等)的存在。缺陷的大小与条纹变密区域的大小相对应,而干涉条纹密度则与缺陷的深度有关。
4.4 红外,微波及超声全息照相技术
全息照相在军事观察,侦察和监视上有重要意义.我们知道,一般的雷达只能探测到目标方位、距离等,而全息照相则能给出目标的立体形象,这对于及时识别飞机、舰艇等有很大作用。因此,备受人们的重视,但是由于可见光在大气或水中传播时衰减很快,在不良的气候下甚至于无法进行工作。为克服这个困难发展出红外、微波及超声全息技术,即用相干的红外光、微波及超声波拍摄全息照片,然后用可见光再现物象,这种全息技术与普通全息技术的原理相同,技术的关键是寻找灵敏记录的介质及合适的再现方法,超声全息照相能再现潜伏于水下物体的三维图样,因此可用来进行水下侦察和监视。
目前全息术在科技、文化科技、文化、工业、农业、医药、艺术、商业、军事等领域都获得了一定程度的应用。但是由于种种技术原因,最有效的应用仍是全息干涉量度术和全息光学元件。
5. 结束语
通过以上的研究和介绍,清楚了全息技术是利用光的干涉原理记录物光的振幅和相位信息,从而实现物体的三维立体再现。了解了这项技术,我们就可以灵活的把它用于更广泛的领域。我们可以设想,把一些珍贵的文物用这项技术拍摄下来,展出时可以真实地立体再现文物,供参观者欣赏,而原物妥善保存,防失窃。大型全息图既可展示轿车、卫星以及各种三维广告,亦可采用脉冲全息术再现人物肖像、结婚纪念照,小型全息图可以戴在颈项上形成美丽装饰,它可再现人们喜爱的动物,多彩的花朵与蝴蝶。迅猛发展的模压彩虹全息图,既可成为生动的卡通片、贺卡、立体邮票,也可以作为防伪标识出现在商标、证件卡、银行信用卡,甚至钞票上,装饰在书籍中的全息立体照片,以及礼品包装上闪耀的全息彩虹,使人们体会到21世纪印刷技术与包装技术的新飞跃。模压全息标识,由于它的三维层次感,并随观察角度而变化的彩虹效应,以及千变万化的防伪标记,再加上与其他高科技防伪手段的紧密结合,把新世纪的防伪技术推向了新的辉煌!而我们也期待着全息技术在更多领域给我们带来更多的惊喜!
参考文献:
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