浅谈全息术原理及应用

浅谈全息术原理及应用李闯闯10141540125华东师范大学物理学系电子科学与技术专业摘要全息术又称全息照相术，是一种用相干光干涉得到的物体全部信息的两步成像技术。作为一门正在蓬勃发展的光学分支，从全息术的提出至今，虽然只有半个多世纪但却取得了相当大的成就。近年来，全息术更是渗透到了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，现代存储技术等方面显示出特殊的优势。引言Gabor于1948年提出了一种全新的两步无透镜成像法——全息术，也称之为波阵面再现术。整个过程由两步——波阵面记录和波阵面再现来完成。在波阵面记录过程中，引入适当的相干参考波，使它与由物体衍射（或散射）的光相干涉，把这干涉场记录下来，即可得一张全息图。全息图是与物体毫不相似的干涉图，它具有三维立体性，可分割性以及信息容量大等特点。1.全息术原理全息术是利用光的干涉和衍射原理，将物体的特定波前以干涉条纹的形式记录下来，并在一定条件下，使其再现记录时波前的一种技术。其原理可以用八个字概括“干涉记录，衍射再现”。全息照相与普通照相在原理和方法上都有本质的差别。普通照相是以几何光学原理为基础，而全息照相是利用相干光叠加而发生干涉的原理。普通照相只能记录物体反射或透射光的振幅强度，所以记录的是物体的二维图像。全息术不仅可记录光的振幅，还可记录其位相，故能记录物体的深度信息。“全息”来自希腊字“holos”，意即完全的信息——不仅包括光的振幅信息，还包括位相信息。下面，我们来分析全息术的工作原理：首先，我们讨论一下人眼为什么能看到某样东西。这是由于这个特定物体发出或反射的光波将物体的信息传递到了眼睛。如果能够记录携带物体的全部信息的物光波，并在一定条件下再现这个物光波，即使这个特定物体已经不存在，但只要眼睛完全接收到这个再现波，就可以看到原物体的三维立体图像，如同物体就在那里。全息照相第一步是物光波的记录，就是记录物光波的振幅和相位。但全息照相的记录介质主要是普通的感光片，它只对光强即光振幅敏感，对相位没有反应。因此，需要采取措施把物光波的相位分布转换为强度分布加以记录。[1]波前记录设物体散射的物光波为：O(x,y)=O0(x,y)exp[jφ0(x,y)]另一个与物光波相干的参考光波为：R(x,y)=R0(x,y)exp[jφR(x,y)]经常把参考光取成平均平面波，即R0(x,y)为常数。这两个相干光波在记录平面上叠加形成的光强为：I(x,y)=|R(x,y)2+O(x,y)=|R(x,y)2+|O(x,y)2+O(x,y)R*(x,y)+O*(x,y)R(x,y)=O20(x,y)+R20(x,y)+2O0(x,y)R0(x,y)cos[φ0(x,y)-φR(x,y)]假设记录过程是线性的，胶片的复振幅透过率函t(x,y)=tb+β[O20(x,y)+R20(x,y)]+2βO0(x,y)R0(x,y)cos[φ0(x,y)-φR(x,y)](1)式（1）中，tb和β是反映胶片属性的两个参数。式（1）就是全息图的复振幅函数，可见，它是物光和参考光干涉条纹的集合。[2]波前重构用一束相干光B(x,y)照明式（1）描述的全息图，从全息图衍射的光波为U(x,y)=B(x,y)t(x,y)=tbB(x,y)+β[O20(x,y)+R20(x,y)]B(x,y)+βO(x,y)R*(x,y)B(x,y)+βO*(x,y)R(x,y)B(x,y)=U1+U2+U3+U4（2）如果照明光波就是参考光波，即B(x,y)=R(x,y)，式（2）中的第三项变成U3=βO(x,y)R(x,y)|2(3)由于参考光波是均匀的，|R(x,y)|2为常数，所以除了多一个常数，U3就是物光波。如果照明光波是参考光波的共轭波，即B(x,y)=R*(x,y)，式（2）中第四项为U4=βO*(x,y)R(x,y)|2除了多一个常数，就是物光的共轭波。2.全息图的基本类型由不同的出发点，可得到不同的分类。这里简介全息图的分类。1）平面全息图和体积全息图当全息图的感光层厚度小于干涉条纹时为平面全息图，当感光层厚度远大于干涉条纹时，记录介质在厚度方向也将形成干涉条纹，构成体积全息图。2）透射全息图和反射全息图根据记录时参考光和物光是在全息干版的同侧还是两侧区分，同侧是为透射全息图，两侧时为反射全息图。3）菲涅耳全息图和夫琅和费全息图根据记录时物体与全息干版的距离区分的，近距离时成为菲涅耳全息图，远距离是称为夫琅和费全息图。菲涅耳全息图的特点是全息干版位于物体衍射光场的菲涅耳衍射区，适合于记录三维物体，再现像是与物体十分逼真的立体像。夫琅和费全息图有两种，一种是物光为平行光，另一种记录的是物光波的傅里叶变换普，称为傅里叶变换全息图。3.全息图的记录介质1）灵敏度和光谱灵敏度灵敏度是指记录介质在接受光作用之后，其反应的灵敏程度。S=√𝜂/VH0式中，η为全息图的衍射效率，V是暴光强度的调制度，H0为平局曝光量。上式表示，在获得相同衍射效率的情况下，所需要的V和H0愈小时愈灵敏。2）分辨率记录介质的分辨率是指他能记录的暴光强度的空间调制的最大空间频率，其单位是线对/毫米（cy/mm）。普通照相用胶卷的分辨率只需要200cy/mm就够了。记录全息图时，对记录介质分辨率的要求与参，物光术的夹角有关。3）特性曲线特性曲线表示与记录介质有关的一些参量之间的关系，普通照相用D-lgH曲线，H为曝光量，D是光密度，也称为黑度，它等于透射率T倒数的对数，T=τ2，τ是振幅透射系数，他们的关系是：D=lg(1/T)=-lgT=-lgτ2全息干版的D=lgH曲线见下图在全息书术中，τ-T曲线更合适。理想振幅记录介质的τ-T曲线应当是线性的，如下图：4）噪声记录介质噪声是指介质本身的粒度不均匀或表面的粗糙度造成的散射光。曝光显影处理以后噪声还会增加，如非线性记录产生的噪声，参考光和物光的的散射光产生的干涉条纹或散斑等。对于银盐干版，显影的速度以及漂白处理等过程都会使颗粒度增加，产生噪声。4.全息术的应用近三十年来，全息术发展极为迅速，已渗透到国民经济的各个领域。全息与艺术的结合已经迈出了坚实的一步，种类繁多的全息艺术制品早已走进市场，走入寻常百姓的生活中。作为一种高技术，全息在工业、国防、医学、航空航天等领域已无所不用，在光学计算、光学互联等前沿学科的研究中也已占有一席之地。由于全息应用方面的内容极为丰富，涉及面广，下面将介绍全息术在几方面的应用。1）在艺术领域的应用近年来，全息立体图和真彩色全息逐渐发展起来，使模压全息图在像质、色彩等方面均有显著地改善，可以表现动态景物，如人物肖像可呈现逼真的立体效果，并能随观看角度的变化伴随着再现像的一连串动作。在反光材料领域中，具有衍射图文的模压箔(也称镭射箔、钻石胶片或晶晶彩虹片)，由于它特有的绚丽色彩和丰富变化的图案，在装饰、家具贴边，礼品包装、商品装演等方面得到应用。2）光学防伪光学防伪技术广义的被称为光变图像，它利用光的波动性学说中的干涉，衍射，偏振原理在记录介质上形成不同类型的光学结构（光栅），在不同的观察方向再现眼睛或仪器可以辨别的图像。第一个模压全息防伪标志是1980年在美国生产的。由于模压全息图片技术含量高，带有附加的保密特性，可以防止复制。将全息防伪标志记录，存储和转移到护照，信用卡等高级产品上，可以起到防伪的作用。目前，许多国家已经在大面值钞票上应用了全息防伪标识。下图为欧元的防伪标识。3）在医学领域的应用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。在临床检查中，利用全息诊断方法可以查出直径在1㎜以上的乳腺癌，有利于癌症的早期诊断和搭疗。超声全息还可用于医疗上的透视，降低对操作人员的危害。5.展望目前，全息术产品正越来越多的走向市场，而各种新技术也正吸引着众多科技人员致力研究，其前景十分美妙。可以预见，随着全息技术的发展和完善，它必将会越来越多的应用于现代生活中去，并扮演着重要的角色。参考文献《现代光学应用技术手册》王之江主编顾培森副主编《全息术的现状及发展》张小林河南科技，2010，（09）:16-17《全息术在现代光学中的应用》卢经纬，李劲松激光杂志，2010，（06）：16-18《生活中的全息术》刘园晓，孟照伟，杨嘉，范海英今日科苑，2010，（10）：36-37