浅谈全息技术的发展及前景

物理小论文

程秋菊

计科

B111 - 2 -

浅谈全息技术的发展及前景 摘要：全息技术也称全息照相、全息摄影等，是一种神奇的光信息记录技术。其原理可用八个字来概括“干涉记录，衍射再现”。扥问简单的介绍了全息技术的发展历程，特点，一些突破性的进展，和在现代生活中的应用，以及全息技术的前景。 关键词：全息技术、全息照相、全系信息储存、激光 1、引言 全息技术是一门正在蓬勃发展的光学分支，主要运营用了光学原理，是一种不用透镜，而用相干光干涉得到物体全部信息的二部成像技术。如果说全息技术在照相方面的应用与普通照相技术的最大区别，那就是全息技术能够利用激光的相干性原理，将物体对光的振幅和相位反射（或透镜）同时记录在感光板上，也就是把物体反射光的所有信息全部记录下来，并能够再现出立体的三维图像，儿是光波。全息技术近年来已渗透到社会生活的各个领域并被广泛的应用于近代科学研究和工业生产中，特别是在现代测试。生物工程、医学、艺术、商业、保安、及现代存储技术等方面已显示出特殊的优势。随着全息技术的快速发展，全息技术的产品正越来越走向市场、应用与现代生活中。 2、全息技术的发展简介 全息照相技术是1948年英国科学家丹尼斯伽伯为改善电子显微镜成像质量提出的重现波前的理论，并因此获得诺贝尔奖。但当时由于缺乏纯净的能够相互干涉的光，全息图的质量很差。知道十二年以后的1960年，激光器问世，美国密执安大学的埃梅蒂利斯与朱丽斯尤培妮克拍成了第一张全息照片，全息技术才有了蓬勃快速的发展。 全息技术的发展大约可分同轴全息术、离轴全息术、白光再现全息术、白光全息术等4个阶段。 同轴全息术是伽伯当时采用的技术，这一阶段主要是在1960年激光器出现之前，这种技术获得的物体再现像与照明光混在一起，不易观察。 1948年，伽伯为提高电子显微镜的分辨率，在布拉格的“x射线显微镜”、择尼克的相衬原理的启示下，提出了一种用光波记录物光波的振幅和相位的方法，并用实验证实了这一想法。为了进一步证实其原理，他先后采用了电子波与可见光进行了验证，并在可见光中得到了证实，同时制成了第一张全息图。从那时起至20世纪50年代末期，全息图都是用汞灯作为光源，而且是参考光与物光共轴的共轴全息即同轴全息图。它与4-1级衍射波是分不开的，这是全息术的萌芽时期。这个时期全息图存在2个严重问题，一个是再现的原始像与共轭像分不开；另一个是光源的相干性太差，因此在这10多年中，全息术进展缓慢。 离轴全息术是在激光器出现以后产生的用激光再现的全息术，其特点是获得的物体重现像与照明光分离，易于观察。 1960年激光的出现，提供了一种高相干度光源。1962年，美国科学家利斯和乌帕特尼科斯将通信理论中的载频概念推广到空域中，提出了离轴全息术，就是用立轴的参考光照射全息图，使全息图产生3个在空间相互分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。这样，同轴全息图两大难题宣告解决，产生了激光记录、激光再现的全息图。从而使全息术在沉睡了十几年之后得到了新生并进入了一个极为活跃的阶段。此后，又相继出现了多种全息方法， - 3 -

如大景深全息照相法、激光记录与激光再现的彩色全息照相法等。 由于激光再现的全息图失去了色调信息，科学家们开始致力于研究第3代全息图。一个叫班顿的人发现了用激光记录，使用白光还原影响的方法，从而使这项技术逐渐走向实用阶段。美国《国家地理杂志》第1次使用白色光全息片贴在封面时，销售量由1000万增加到再版后的1600万份。这一技术由美国传到欧洲和其他国家，激光全息摄影技术也随之风靡全世界。常见的有反射全息术、像全息术、彩虹全息术和合成全息术等。 白光全息术是利用白光制作全息图，影激光或白光照明观察再现，这是全息术的最高阶段，至今虽有不少人做了一些初步工作，但尚未突破性发展。激光的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件、光源、和记录介质的相对位置严格保持不变。这也给全息术的实际使用带来了种种不便。于是，科学家们又回头来继续讨论白光记录再现全息图的可能性。它将使全息术最终走向防震工作台的黑暗实验室，进入更加广泛的实用领域。 3、全息技术的应用前景 全息技术的应用非常广泛，并不断应用于新的领域，以下列举了全息技术的部分重要应用。 全息显示 全息显示主要利用全息照相能重现物体三维立体图像的特点，因全息片能给出和原物大小相同。细节精美、形状逼真的三维图像，所以是极有发展的应用之一。它可以用来复制历史文物艺术珍品。全息肖像、全息装饰品和全息风景画等也可用于超景深照相，使远距离到近距离的物体同时记录在一张全息片上。而从其在现像中主次按不同距离分层观察，不受普通照相景深的限制。全息显示常用的全息术有：透镜和反镜全息、相面全息、彩虹全息、真彩色全息、合成全息和模压全息等多种模型。其中除透镜全息图需要用激光再现外，其余都可用白光再现，从而使在白昼自然环境中可观察到三维景象。近年来模压全息逐步进入到人们生活中，并受到人们的欢迎和喜爱，模压全息把浮雕艺术和照相艺术相结合，用多层次体现三维空间，极具有观赏价值，它除了作为艺术全息品便于携带和保存外，已广泛用于防伪标志、贺卡、商标、纪念封和图书插图等领域，国内外都以形成一种巨大的产业。 全息干涉计量 全息干涉的相干光束是由同一系统产生的。因而可以消除系统的误差、降低对光学元件的精度要求。全息干涉计量能实现高精度非接触无损三维测量，对任意形状、任意粗糙表面的三维漫反射表面的物体，都能相对分析测量到波长数量级的水平，同时还可以对一个物体在2个不同时刻的状态进行对比，从而探测物体在一段时间内发生的任何变化。全息干涉测量技术与莫尔技术、光电检测技术、CCD数据采集技术、计算机技术等结合起来，实现了自动、快速、准确的实时测量。目前，全息干涉计量分析在无损检验、尺寸形状和等高线的检测、振动分析等领域中已得到广泛的应用、全息干涉计量应用的一个重要领域。 防伪全息摄影技术 据保守的估计，全世界每年由于伪造支付手段（货币、支票）身份证、信用卡等，以及赝品，即防伪各类高档商品和高级消费废品侵犯专利权等给世界经济和工业造成1000亿美元的损失。此外仿冒产品低劣的质量还严重损坏了名牌产品的形象为了在全球范围内与这种经济犯罪作斗争，在过去的一些年 - 4 -

里，全息摄影开发了特殊全息图片类型的特别有效的防伪手段，并可与有关产品的制作过程良好的结合。这里值得一提的例子有：彩虹全息图片。体积和振幅反射全息图片及光聚物银盐和重铬酸盐全息图片。由于全息媒分巨大的储存容量和多面性，全息图片具有广泛的适用性，全息的防伪标记可以记录、存储和配以保安特征转移到护照、信用卡以及诸如化妆品、酒类、汽车和飞机配件等各种各样的产品上。热压凸垒息术士只做保安全息图片的有效手段。 这里也可清楚的看到不同的全息摄影市场已融合一体在防伪方面，制作技术极为繁琐，因为模压全息图片必须带有附加的保安特征以防复制。对于专业实验室、印刷厂和加工企业来说，这方面的已经形成，但其发展规模还无法估计主要市场有：防伪标记有价卡整合多功能卡证系统，以及鉴别、加密、人口控制和脱机系统。 生物医学方面 全息以它独特的优点解决了许多其他技术难以解决的问题，为疾病的诊治做出了贡献。激光全息技术首先在眼科疾病诊治的应用中获得了成功，一张全息照片所提供的信息相当于480张普通眼底照片所提供的信息。在眼科疾病的诊断过程中，利用激光全息成像技术可以提供整个眼睛的三维立体图像，并可以用显微镜对整个眼睛图像的不同位置（如角膜、前房、晶状体、玻璃体以及视网膜等）进行逐层观察和研究。也可以利用激光全息技术提供眼睛各个部分单独的三维立体图像以做深入的检查。在临床检验中，利用全息技术诊断方法可以查处直径在1mm以上的乳腺癌，有利于癌症的早期诊断和治疗。超声全息可用于医疗上的透视等。 全息数据储存 用全息照相方法进行治疗存储，全息底片可在电子系统控制下通过以为实现换页，再现时可采用细激光束照明全息图。全息信息存储的典型代表是激光全息超缩图书资料存储。目前达到的水平：在1mm光斑内，可清楚的记录10000个汉字，在105×148mm2光斑内，可清楚记录12000页资料。而且记录速度快，可达到每秒记录一页，还可以实现立体存储，保密存储。这一技术可广泛应用于应用与图书馆、情报信息中心、海关、专利局、医院、公关及军事指挥系统。全系信息储存不仅可实现高密度。大容量、加密快速储存，还能与计算机练级实现吐温元件自动检索。 一般全息图的记录介质是感光乳剂，它通过受光乳剂的黑度来记录振幅分布；同样也可以用铌酸锂单晶来记录。在1cm3大小的这种单晶内，可以存储1000幅全息图。这是因为在光的照射下，铌酸锂折射率的改变量正比于入射光强，而表现出的纯位相分布的多层性可以记录多层全息图的缘故，其记录的分辨率本领可超过1600线/mm。可以证明，以全息图或傅里叶频谱的方式来存储信息和恢复信息比用实像好。这种信息存储方式也许就是人脑中存储信息的方式，至少为研究这类问题提供了一个可能的模型。 4、全息技术的展望 全息照相的应用潜力是巨大的，这一新技术将会在工业、医学、国防、公安安全等各个领域全面展开，产生显著地社会效益和经济效益。 作为一门新兴学科，全息技术还处在蓬勃发展阶段，我们相信:：随着科技的进一步发展和科技人员的努力垒息照栩的应用必将迎来它更辉煌的明天。 参考文献： 1、杨帆 杨宁 中州大学学报 第25卷 第2期