全息技術(shù)的發(fā)展歷史及其應(yīng)用前景

1、 全息技術(shù)的發(fā)展歷史及其應(yīng)用前景整理By:標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間3本文主要介紹全息技術(shù)的工作原理、發(fā)展歷史及應(yīng)用前景。全息技術(shù)的工作原理全息技術(shù)利用了光的干涉原理來(lái)記錄物光波并利用光的衍射原理來(lái)再現(xiàn)物光波,因此其工作過(guò)程主要分為全息記錄和全息圖的再現(xiàn)。本文以激光全息照相為例說(shuō)明其工作原理。1.1全息記錄全息記錄利用了光的干涉原理，因此要求記錄的光源必須是相干性能很好的激光。圖1-1是拍攝全息照片的光路圖。圖1-1拍攝全息照片的光由激光器發(fā)出的激光束，通過(guò)分束鏡(Beamsplitter)分成兩束相干的透射光和反射光:一束光經(jīng)反射鏡Mirror1反射，擴(kuò)束鏡Lenses1擴(kuò)束后照射到被拍攝物體上，再?gòu)奈矬w投向

2、照相底片(Film)上，這部分光稱為物光(Objectbeam)。另一束光經(jīng)反射鏡Mirror2反射，擴(kuò)束鏡Lenses2擴(kuò)束直接照射到底片上，稱為參考光(Referencebeam)。由于同一束激光分成的兩束光具有高度的時(shí)間相干性和空間相干性，在照相底片上相遇后，形成干涉條紋。由于被攝物體發(fā)出的物光波是不規(guī)則的，這種復(fù)雜的物光光波是由無(wú)數(shù)的球面波疊加而成的，因此，在全息底片上記錄的干涉圖樣是一些無(wú)規(guī)則的干涉條紋，這就是全息圖。1.2全息圖的再現(xiàn)全息圖的物像再現(xiàn)過(guò)程就是光的衍射過(guò)程。一般采用拍攝時(shí)所用的激光作照明光，并以特定方向或與原參考光相同的方向照射全息圖片，就能在全息圖片的衍射光波中得到

3、0級(jí)衍射光波和1級(jí)衍射光波(如圖1-2所示)。+】級(jí)圖1-2全息圖的物象再現(xiàn)示意圖1-2中，把拍好的全息照片放回底片架上，遮擋住光路中的物光，移走光路中的被拍物體，只讓參考光照在全息圖片上。這樣在拍攝物體方向可看到物的虛像，在全息照片另一側(cè)有一個(gè)與虛像共軛的對(duì)稱實(shí)像(不易觀察到)，這是最簡(jiǎn)單的再現(xiàn)方法。全息技術(shù)的發(fā)展歷史全息照相技術(shù)是1948年英國(guó)科學(xué)家丹尼斯伽伯(DennisGabor)為改善電子顯微鏡成像質(zhì)量提出的重現(xiàn)波前的理論，并因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。但當(dāng)時(shí)由于缺乏純凈的能夠相互干涉的光，全息圖的質(zhì)量很差。直到十二年以后的1960年，激光器問(wèn)世，美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)的埃梅蒂利斯與朱里斯尤佩尼克拍

4、成了第一張全息相片，全息技術(shù)才有了蓬勃快速的發(fā)展。全息技術(shù)的發(fā)展大致可分同軸全息術(shù)、離軸全息術(shù)、白光再現(xiàn)全息術(shù)、白光全息術(shù)等4個(gè)階段。2.1同軸全息技術(shù)同軸全息術(shù)是伽伯當(dāng)時(shí)采用的技術(shù)，這一階段主要是在1960年激光器出現(xiàn)以前。這種技術(shù)獲得的物體的再現(xiàn)像與照明光混在一起，不易觀察。1948年，伽伯為提高電子顯微鏡的分辨率，在布拉格的X射線顯微鏡”、澤尼克的相襯原理的啟示下，提出了一種用光波記錄物光波的振幅和相位的方法，并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一想法。為了進(jìn)一步證實(shí)其原理，他先后采用電子波與可見光進(jìn)行了驗(yàn)證，并在可見光中得到了證實(shí)，同時(shí)制成了第1張全息圖。從那時(shí)起至20世紀(jì)50年代末期，全息圖都是用汞燈作

5、為光源，而且是參考光與物光共軸的共軸全息即同軸全息圖。它與4-1級(jí)衍射波是分不開的，這是全息術(shù)的萌芽時(shí)期。這個(gè)時(shí)期全息圖存在2個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，一個(gè)是再現(xiàn)的原始像與共軛像分不開；另一個(gè)是光源的相干性太差，因此在這10多年中，全息術(shù)進(jìn)展緩慢。2.2離軸全息技術(shù)離軸全息術(shù)是在激光器出現(xiàn)以后產(chǎn)生的用激光記錄激光再現(xiàn)的全息術(shù)，其特點(diǎn)是獲得的物體重現(xiàn)像與照明光分離，易于觀察。1960年激光的出現(xiàn)，提供了一種高相干度光源。1962年，美國(guó)科學(xué)家利思(Leith)和烏帕特尼克斯(Upatnieks)將通信理論中的載頻概念推廣到空域中，提出了離軸全息術(shù)，就是用離軸的參考光與物光干涉形成全息圖，再利用離軸的參考光照射

6、全息圖，使全息圖產(chǎn)生3個(gè)在空間互相分離的衍射分量，其中一個(gè)復(fù)制出原始物光。這樣，同軸全息圖兩大難題宣告解決，產(chǎn)生了激光記錄、激光再現(xiàn)的全息圖。從而使全息術(shù)在沉睡了十幾年之后得到了新生并進(jìn)入了一個(gè)極為活躍的階段。此后，又相繼出現(xiàn)了多種全息方法，如大景深全息照相法、激光記錄與激光再現(xiàn)的彩色全息照相法等。白光再現(xiàn)全息技術(shù)白光再現(xiàn)全息術(shù)是用激光記錄，白光照明再現(xiàn)的全息圖制作技術(shù)，它在一定的條件下賦予全息圖以鮮艷的色彩，這是目前應(yīng)用最廣的全息術(shù)。由于激光再現(xiàn)的全息圖失去了色調(diào)信息，科學(xué)家們開始致力于研究第3代全息圖。一個(gè)叫班頓的人發(fā)現(xiàn)了用激光記錄，使用白光還原影像的方法，從而使這項(xiàng)技術(shù)逐漸走向?qū)嵱秒A段。

7、美國(guó)國(guó)家地理雜志第1次使用白色光全息片貼在封面時(shí)，銷售量由1000萬(wàn)份增加到再版后的1600萬(wàn)份。這一技術(shù)后來(lái)由美國(guó)傳到歐洲和其它國(guó)家，激光全息攝影技術(shù)也隨之風(fēng)靡全世界。常見的有反射全息術(shù)、像全息術(shù)、彩虹全息術(shù)和合成全息術(shù)等。2.4白光全息技術(shù)白光全息術(shù)是利用白光制作全息圖，用激光或白光照明觀察再現(xiàn)，這是全息術(shù)的最高階段，至今雖有不少人做了一些初步工作，但尚未有突破性進(jìn)展。激光的高度相干性，要求全息拍攝過(guò)程中各個(gè)元件、光源和記錄介質(zhì)的相對(duì)位置嚴(yán)格保持不變。這也給全息技術(shù)的實(shí)際使用帶來(lái)了種種不便。于是，科學(xué)家們又回過(guò)頭來(lái)繼續(xù)探討白光記錄白光再現(xiàn)全息圖的可能性。它將使全息術(shù)最終走出有防震工作臺(tái)的黑

8、暗實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入更加廣泛的實(shí)用領(lǐng)域。全息技術(shù)的應(yīng)用前景全息技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，并不斷被應(yīng)用于新的領(lǐng)域，以下列舉了全息技術(shù)的部分重要應(yīng)用：3.1全息顯示全息顯示主要利用全息照相能重現(xiàn)物體三維立體圖像的特點(diǎn)，因全息片能給出和原物大小一樣、細(xì)節(jié)精美、形狀逼真的三維圖像，所以是極有發(fā)展前景的應(yīng)用之一。它可以用來(lái)復(fù)制歷史文物藝術(shù)珍品、全息肖像、全息裝飾品和全息風(fēng)景畫等也可用于超景深照相，使遠(yuǎn)距離到近距離的物體同時(shí)記錄在一張全息底片上。而從其再現(xiàn)像中逐次按不同距離分層觀測(cè)，不受普通照相景深的限制。全息顯示常用的全息術(shù)有：透射和反射全息、像面全息彩虹全息、真彩色全息、合成全息和模壓全息等多種類型。其中除透射全

9、息圖需要用激光再現(xiàn)外，其余都可用自光再現(xiàn)，從而使在自晝自然環(huán)境中可觀察到三維景像。近年來(lái)模壓全息逐步進(jìn)入到人們生活中，并受到人們的歡迎和喜愛(ài)模壓全息把浮雕藝術(shù)和照相藝術(shù)相結(jié)合，用多層次體現(xiàn)三維空間，極具有觀賞價(jià)值它除了作為藝術(shù)全息品便于攜帶和保存外，已廣泛用于防偽標(biāo)識(shí)、賀卡、商標(biāo)、紀(jì)念封和圖書插圖等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外都已形成一種巨大的產(chǎn)業(yè)。 #3.2全息干涉計(jì)量全息干涉的相干光束是由同一系統(tǒng)產(chǎn)生的。因而可以消除系統(tǒng)的誤差、降低對(duì)光學(xué)元件的精度要求。全息干涉計(jì)量能實(shí)現(xiàn)高精度非接觸無(wú)損三維測(cè)量，對(duì)任意形狀、任意粗糙表面的三維漫反射表面的物體，都能相對(duì)分析測(cè)量到波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的水平，同時(shí)還可以對(duì)一個(gè)物體在2個(gè)

10、不同時(shí)刻的狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，從而探測(cè)物體在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的任何變化。全息干涉測(cè)量技術(shù)已與莫爾技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)、CCD數(shù)據(jù)采集技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)測(cè)量。目前，全息干涉計(jì)量分析在無(wú)損檢驗(yàn)、尺寸形狀和等高線的檢測(cè)、振動(dòng)分析等領(lǐng)域中已得到廣泛的應(yīng)用。全息干涉計(jì)量是全息應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域全息防偽防偽與我們的生活息息相關(guān)，將全息技術(shù)應(yīng)用于防偽領(lǐng)域可以大大提高防偽功效。如第二代身份證上的視讀防偽：當(dāng)以適當(dāng)角度看身份證正面時(shí)，會(huì)有長(zhǎng)城標(biāo)志出現(xiàn)，變換角度長(zhǎng)城標(biāo)識(shí)的顏色會(huì)發(fā)生變化。從全球角度看，第一個(gè)將全息圖片作為防偽標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品是JohnnyWalkeWhishy（種威士忌），該

11、酒的銷售額較以前增加了45%。上世紀(jì)90年代全息防偽迎來(lái)首個(gè)鼎盛時(shí)期，無(wú)論高檔商品促銷、名優(yōu)商品的防假冒或有價(jià)證券（如信用卡、鈔票、護(hù)照簽證）的防偽和加密以及圖書、印刷、印染、裝潢、紀(jì)念郵票和廣告標(biāo)牌等等都普遍采用激光模壓技術(shù)。該技術(shù)在八十年代末九十年代初傳入我國(guó)，1990年至1994年期間，全國(guó)各地引進(jìn)生產(chǎn)線上百條。全息存儲(chǔ)光盤技術(shù)這種按位存儲(chǔ)和讀出的“串行”方式要求讀出頭相對(duì)于記錄介質(zhì)作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因而光盤的記錄密度被限制在機(jī)械調(diào)節(jié)的精度以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速率也受到低速機(jī)械運(yùn)動(dòng)的限制。當(dāng)前光盤技術(shù)的前沿研究已使光盤存儲(chǔ)容量接近光學(xué)極限，數(shù)據(jù)已達(dá)到每秒幾兆字節(jié)的數(shù)量級(jí)，這雖然滿足當(dāng)前多媒體技術(shù)的需

12、要，但計(jì)算機(jī)技術(shù)正在向高速、并行性和智能化方向發(fā)展，按位存取的磁盤和光盤顯然不能滿足需要。要尋求一種既能并行讀/寫、提高數(shù)據(jù)速率、又能增大存儲(chǔ)容量的海量存儲(chǔ)技術(shù)，激光全息存儲(chǔ)則是一種最佳選擇。全息疾病診斷激光全息技術(shù)首先在眼科疾病診治的應(yīng)用中獲得了成功，一張全息照片所提供的信息相當(dāng)于480張普通眼底照片所提供的信息。在眼科疾病的診斷過(guò)程中，利用激光全息成像技術(shù)可以提供整個(gè)眼睛的三維立體圖像，并可以用顯微鏡對(duì)整個(gè)眼睛圖像的不同位置（如角膜、前房、晶狀體、玻璃體以及視網(wǎng)膜等）進(jìn)行逐層觀察和研究。也可以利用激光全息成像技術(shù)提供眼睛各個(gè)部分單獨(dú)的三維立體圖像以做深入的檢查。在臨床檢查中，利用全息診斷方法可以查出直徑在1mm以上的