激光全息技术及其应用

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

Abstract (1)

Key words (1)

引言 (1)

1全息术的发展 (1)

1.1 全息学理论的提出 (1)

1.2 激光记录激光再现时期 (2)

1.3 激光记录白光再现时期 (2)

2 激光全息术原理 (2)

2.1 全息照相和普通照相 (2)

2.2 菲涅耳全息 (3)

2.3 彩虹全息 (5)

3 激光全息术的应用 (5)

3.1 全息干涉计量 (6)

3.2 全息存储 (6)

3.3 模压全息术 (7)

4 展望 (8)

参考文献 (9)

激光全息技术及其应用

学生姓名：关延杭学号：20085040151

学院：物理电子工程学院专业：物理学

指导教师：冯一兵职称：讲师

摘要：自激光问世以来，激光全息得到迅速发展和应用，本文主要对激光全息技术的发展、原理以及应用作一下论述，另外就激光全息术未来的应用作出展望。

关键词：激光全息术；全息照相；全息干涉计量；全息存储

Laser Holography And It’s Application Abstract：With the advent of laser , laser holographic gets a quick development and application in the world. This papper maily present the development , principle and application about laser holography. Last I also look into the future of the laser holographic application in the article.

Key words：laser holography; holography ; transient holographic interferometry; holographic storage

引言

全息术是利用光的干涉和衍射原理，将物体发射的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，并在一定条件下衍射再现，形成原物的三维像。由于记录的是物体的全部信息（振幅和相位），故称全息术或全息照相[1]。

1 全息术的发展

1948年，英籍物理学家伽博（Gabor）首先提出了全息学原理，从而为全息术的诞生奠定了理论基础。

1.1 全息学理论的提出

全息术的发展至今已经历三个阶段：第一阶段是全息术的初始阶段，这一阶段主要是理论研究和少量的实验。

光全息术是由 D.Gabor发明的。他早期的工作是致力于提高电子显微镜的分辨率，那时科学家们认为新的显示时代已到来。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[2]，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。但由于当时没有足够强的相干辐射源，全息术的发展陷入了休眠状态。面临着巨大的障碍和仅有的一点结果，使它的早期研究者不得不放弃了这种光学显示技术.

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。

1.2 激光记录激光再现时期

第二阶段是在激光出现以后，用激光记录并以激光再现的时期。

全息术黯淡的前途直至60年代初由于美国密执安大学雷达实验室进行的工作才使它重放光彩。该实验室从事综合孔径天线研究的E.N.Leith和J.Upatnieks几乎在Javen等人制成氦氖激光器的同时[3]，对Gabor的技术做了划时代的改进，同时成功地进行了三维立体漫射物的记录和再现实验。

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。

1.3 激光记录白光再现时期

20世纪80年代以后至今是全息术发展的第三阶段，这个阶段是进行激光记录而用白光再现的研究，如反射全息、像全息、彩虹全息、模压全息及合成全息等。

1962年，前苏联科学家Y.N.Denisyuk根据G.Lippmann的驻波天然彩色照相法提出了白光反射全息图。从此应用研究不断发展，许多科学工作者开始了他们自己的研究以探讨全息术的应用潜力及其应用领域，如全息干涉计量术、全息存储、全息光学元件、全息显微术、显示全息、计算全息等等。这期间，S.A.Benton彩虹全息术的发明揭开了显示全息图的应用序幕。他们的成功，使Gabor的全息思想在1971年获得诺贝尔物理学奖。

2 激光全息术原理

2.1 全息照相和普通照相

全息照相和普通照相在原理和方法上都有本质的差别[4]。

普通照相是以几何光学原理为基础，利用透镜成像来记录各点的光强分布，所成

像为二维平面图像，物象间关系是点点对应的，只要底片破损就不能重现图像。而且普通照相对外界环境要求不高，一般条件都能满足。

全息照相则不同，它以光的干涉、衍射等物理光学的规律为基础，引入适当的相干参考波，不仅记录了物光的振幅信息，而且也把在普通照相过程丢失的位相信息记录下来。在感光底板上得到的不是物体的像，而是物光与参考光的干涉条纹，这些条纹的明暗对比度、条纹的形状和疏密反映了物光波的振幅和相位分布。经过显影、定影处理后，变得到了一张全息图。它相当于一块复杂的光栅，只有在适当的光波照明下才能重建原来的物光波。全息照相得到的是三维立体的实像。物象之间的关系是点面对应的，全息图上每一点都记录了所有的物光信息，无论磨损还是残破，只要得到一小块儿全息图，就能把原来的物体真实再现出来。

当然，激光全息照相的拍摄要求也要比普通照相严格得多。首先，光源必须是相干光源，全息照相是根据光的干涉原理,因此要求光源必须具有很好的相干性[5]。激光的出现,为全息照提供了一个理想的光源。其次，全息照相系统要具有稳定性，由于全息底片上记录的是又细又密的干涉条纹,所以在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊,甚至使干涉条纹无法记录，为此,要求全息实验台是防震的，全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台面钢板上，另外,气流通过光路,声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化，因此,在曝光时应该禁止大声喧哗,不能随意走动,保证整个实验室绝对安静。再次，物光和参考光的光程差应尽量小,最多不能超过2cm。还有，就是必须使用高分辨率的全息底片，因为全息照相底片上记录的是又细又密的干涉条纹,所以需要高分辨率的感光材料。普通照相用的感光底片由于银化物的颗粒较粗,每毫米只能记录50～100个条纹,激光全息干板其分辨率可达每毫米3000条,能满足全息照相的要求[6]。最后，全息照片的冲洗过程冲洗过程也是很关键的。总的来说，激光全息照相对条件的要求还是很苛刻的。

2.2 菲涅耳全息

全息照相分为两步：波前的干涉记录和波前的衍射重建[7]。以菲涅耳全息为例，首先是波前的干涉记录，如图1就是菲涅耳全息照相的记录光路。

图1全息照相的记录光路

如图，激光束通过快门后经过分束板分为两束：透射的一束经平面镜M2反射、扩束镜L2扩束后作为参考光投射到全息干板E上；反射的一束经平面镜M1反射、扩束镜L1扩束后照到被摄物上，再经过物体的漫反射作为物光束也投射到E上。整个光路光轴在同一个水平面上，光束通过各元件中心。物光与参考光夹角在45o左右。

黑暗中把全息干板夹在干板架上，使感光乳剂面朝向物光和参考光，静置一分钟后启动定时曝光器。取下干板，在暗室中显影，水洗后定影一段时间用水冲洗干净，最后晾干，全息图就制作好了。

下面说全息图的再现[8]，菲涅耳激光全息是用激光再现的。观察虚像的方法如图

2所示：

图2 虚像的观察

将制作好的全息图放回拍摄时原物体的位置，用参考光照射全息图，在全息图后

面原物所在位置上可以观察到物体的虚像。

若要观察到原物体的实像，就要改用参考光的共轭光线来照射全息图，则可以用光屏在全息图后面接受到物的实像，如图3所示光路。

图3 实像的观察

2.3 彩虹全息

彩虹全息术最初是由S.A.本顿提出的。它是用激光记录全息图，用白光透射再现。其基本特点是在记录系统中的适当位置上加入一个狭缝，限制再现光波，以降低像的色模糊。根据人眼是水平排列的特点，成像只有在水平方向有视差效应。彩虹全息保留了水平方向的物体信息，牺牲垂直方向的物体信息，从而可以降低对照明光源的时间相干性的要求。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。

由于狭缝的作用，眼睛在不同位置将会看到不同颜色的像，特别是当观察点的位置连续改变时，就会看到像的颜色发生连续变化，如雨后天空中的彩虹一样，因而成为彩虹全息。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。

彩虹全息图是在物体实像附近记录的。根据产生实像的方法不同可分为一步法彩虹全息术和二步法彩虹全息术。二步法彩虹全息术的实像是由作为母片的一般全息图产生的，而一步法彩虹全息术的实像是由成像透镜产生的。

3 激光全息术的应用

自激光问世以来，激光全息得到迅速发展和广泛应用，浮雕彩虹全息的实现，导致全息印刷业的兴起，显微全息的实现推动了显微技术的进步，全息干涉自动测量技术以及光学图像实时处理等，为全息术在许多领域的应用开辟了广阔的空间并产生了

深远影响。

3.1全息干涉计量

全息干涉计量术是全息术诞生以来最广泛地得到实际应用的一个领域。早期的工作是开创以全息术为基本手段对非透明的漫射物表面静态和动态变化的信息进行检测的理论和方法。这亦即是利用全息术的空间波前再现原理，非接触地进行对物体表面三维测量而获得信息。全息干涉计量术在微应力分析、表面微位移测量、形状和等高线的检测、振动分析、无损检测等领域得到了广泛的应用。由于它能解决一般的干涉计量术以及其他手段难以解决的问题，所以该技术很快渗透到机械学、流体力学、断裂力学、空气动力学、声学、航空航天、化工、高分子化学、医学、生物学等学科领域中去。

在具体方法上，先后发展了实时全息干涉法、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等。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。

全息干涉计量术在80年代美国等西方先进国家已产业化。仅美国1985年的经营额就达9200万美元。由于80年代末期电子计算机软件和硬件技术的飞速发展。使得70年代实验室内诞生的电子斑纹干涉计量更加成熟和实用[9]。被称之为电子斑纹干涉计量术即是基于斑纹干涉计量术的原理并与现代电子学和数学技术的紧密结合而成，其优点是自动化程度高，由计算机控制信息的采集和处理，可实时地进行静态和动态检测。在全息干涉计量术的应用研究方面，我国在80年代初已有几所大学和科研单位的研究项目通过鉴定，其中包括双脉冲红宝石激光的全息干涉计量术研究与应用，有些已达到当时的先进水平[10]。但其后全息干涉计量术的研究成果一直停留在实验室阶段，在某些工程领域中被用作在线实时检测的愿望至今尚没有完美的实现。

3.2全息存储

全息存储在存储容量方面具有巨大的优势，加上其具有冗余度高、数据读取速率高及可并行读取等独特优点，被认为最有潜力与传统的磁性存储技术竞争。所以，全息存储从全息术诞生之日起，就受到了充分的注意。高密度和大容量的全息存储是利用全息术将要存储的信息制作成傅里叶变换点全息图，这些按页面方式存储的点全息图可以排成二或三维阵列存储在记录介质上，也可以像CD唱片的旋转轨迹那样排列存储在圆盘上。用于全息存储的记录材料较多，有可永久保存的银盐干版、光聚合物

及光致抗蚀剂等，也有可擦除重复使用的光导热塑料、有机或无机的光致变色和光折变材料[11]。

60年代末发现光折变效应以后，在光折变晶体中全息存储曾一度成为热点并提出过许多设计精巧的存储方案。进入80年代后，光计算的热潮又重新激发起对光全息存储的研究兴趣。全息存储技术在光计算领域，如光学神经网络、光互连，以及在模式识别和自动控制等领域中有广阔的应用前景。这一时期的研究工作主要是集中在存储方法和存储材料方面，同时，全息存储器(系统)也开始向实用化迈进。

近10年来，光电子技术和器件方面的情况也发生了很大的变化。光电子技术取得的一系列重大进展为全息存储器提供了所必需的高性能半导体激光器、液晶空间光调制器、CCD阵列探测器等核心元器件。全息存储的理论、方法和材料的发展使这项技术日趋成熟。而当代计算机技术和光计算技术的迅速发展，无可非议地需要有比磁盘和光盘容量更大、读取速度更高、功能更好的存储器件，因而对全息存储器的要求再次提到了日程。目前，数字数据、图像的全息存储器以及三维全息存储盘的研制进程不断地在加快，其应用领域也日益展宽[12]。

在国外学术界和工业界，已进行了许多令人难忘的实验演示，证明全息存储器具有作为竞争性商品化产品所必须具有的存储容量、读出速度和保真度。我国有几所大学和研究所的实验室也投入了这热潮中，目前还未解决的一个难题是寻找合适的记录材料。无疑，今后几年将是规划生产可与其他存储技术相竞争的全息存储器的良机。

3.3模压全息术

至今已产业化的模压全息术在早期的文献和光全息学专著中都没有出现，但全息专家们对于花费长时间在实验室中一张一张地制作小幅的全息图已感到不满足，因此考虑到必须研究全息图的复制技术。早期的复制类似普通印相法，用相干光或非相干光机械拷贝，并研制出相关的全息摄影复制机[13]。但产品率低、成本高，无法产业化。

第一个模压全息防伪标识是1980年在美国生产的，1983年美国钞票公司制造了带全息防伪的VISA银行卡。正如国际商会情报局副主席Peter Lower所说：“激光全息图的新奇性、强烈的视觉效果、制作的难度以及易于应用在钞票的包装上、不能去除性、价格低廉、容易验证等特点，使它很快占领了防伪领域。”于是在身份证、护照、信用卡、名优产品、名牌服装标签，以及各类证件中得到广泛应用。而其逼真的三维显示、变幻无穷以及五彩缤纷的图像，使其在包装、产品促销和装饰上得到充分应用。

模压全息术比印刷方法速度更快、更省事地将全息图复制于聚酯薄膜或经处理的纸上。这是一项将全息照相术和化学电镀、模压等复制术结合起来的综合项目。因此这项技术很快投入生产而形成产业化。根据国内外市场现状的分析，我国模压全息产业的未来在三个发展方向上必须引起重视：首先是如何嬀拓全息烫金材料。其次是全息包装材料。一件精良的包装，最重要的是要具备有特色和独特的外观。这直接影响到消费者对商品由外到内的观感，从而决定消费者购买的欲望.透明或镀铝彩虹全息材料完全符合了这种包装的要求。如果采用专版专用，这将使模压全息图进入一个更广泛的领域——立体防伪包装。第三个方向是模压全息术跟现代印刷术相结合。样在产品的整体包装或标贴上更让消费者接受。因为两项技术的结合既保留了传统美术效果，又增进了现代科技的艺术魅力[14]。这将在出版物，如书、杂志、笔记本封面及插图、台历、挂历、贺卡、艺术图片、明信片等等中得到应用，是个不可忽视的市场。

可以说，21世纪包装工业中最具魅力、防伪力度最强的材料就属模压全息图。4展望

光全息术的问世至今已有半个世纪的历程尤其是世界上第一台激光器诞生以后，光全息术的发展更十分引人注目，其应用领域之广泛和对其他现代技术的影响理应写入20世纪高科技成果之列。除上述几个领域之外，诸如：取代古老的光栅元件的全息光栅，其体积薄、重量轻，在现代军事和宇航中获得了重要应用；全息平视显示器也已装备了现代军用设备[15]；全息显微术和X射线全息术的结合可用来研究物质的微观结构和生命现象细微过程，等等。又如，计算机全息图可再现实际不存在的三维物体像，用于三维图像显示，制作微分滤波器，检测非球面透镜，实现各种波前错位干涉，等等。再如，全息光学元件，全息空间滤波器，光纤全息等可用于光学神经网络，扫描器，光盘读写头和现代通讯系统等，这诸多领域的研究和应用近年来都有了很大的进展。70年代初以来，我国的激光全息工作者就在光全息术及其应用的各个领域里起步和跟踪。通过坚持不懈的努力，在科研和教学中做了大量的工作，取得了不少成绩，为激光全息学科及其产业的发展作出了贡献。在人类各项科学与技术的发展和沉积中，在当前科技飞速发展的数字化的氛围中，我国未来的光全息术及其产业一定会有一个更加光辉灿烂的前景。

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