全息術(shù)的歷史與發(fā)展

1、全息術(shù)的歷史與發(fā)展        摘 要：回顧了全息術(shù)的，闡述了全息術(shù)的基本原理，然后介紹了全息術(shù)在實際中的應(yīng)用及其方向。 關(guān)鍵詞：全息術(shù)；干涉計量；全息存儲；顯示全息；模壓全息 我們看到的世界是三維的、彩色的，這是因為每個物體發(fā)射的光被人眼接受時，光的強(qiáng)弱、射向和距離、顏色都不同。從波動光學(xué)的觀點看，是由于各物體發(fā)射的特定的光波不同，光的特征主要取決于光波的振幅(強(qiáng)弱)，位相(同相面形狀)和波長(顏色)。如果能得到景物光波的完全特征，就能看到景物逼真的三維像，這就是全息術(shù)。全息術(shù)誕生到現(xiàn)在60年來取得了很大的進(jìn)展

2、，已被廣泛地應(yīng)用于近代研究和生產(chǎn)中。 1 全息術(shù)的歷史和發(fā)展階段 1948年，丹尼斯·蓋伯提出一種記錄光波振幅和相位的方法，隨后用實驗證實這一想法，即全息術(shù)，并制成世界上第一張全息圖。蓋伯本來是為提高顯微鏡的分辨率而提出的設(shè)想，雖然未能用電子波證實其原理，但用可見光證實了。從第一張全息照片制成到20世紀(jì)50年代末期，全息圖制作具有以下共同特點：全息圖都是用汞燈作為光源；而且是所謂同軸全息圖，即物光和光在一條光路上得到的全息圖。這一時期的全息圖被稱為第一代全息圖，標(biāo)志著全息術(shù)的萌芽。第一代全息圖存在兩個嚴(yán)重問題，一個是再現(xiàn)的原始像和共軛像分不開，另一個是光源的相干性太差。因此在這十多年

3、中，全息術(shù)進(jìn)展緩慢。 1960年激光的出現(xiàn)，提供了一種高相干度光源，為全息技術(shù)發(fā)展提供了可能。針對第一代全息技術(shù)出現(xiàn)的問題，利思和烏帕特尼克斯(1962)提出，將通信理論中的載頻概念推廣到空域中，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全息圖，使全息圖產(chǎn)生三個在空間互相分離的衍射分量，其中一個復(fù)制出原始物光。該方法被稱為離軸全息術(shù)，這是全息術(shù)發(fā)展的第二階段。第二代全息術(shù)解決了光源的問題，并且在立體成像、干涉計量檢測、信息存貯等應(yīng)用領(lǐng)域中獲得巨大進(jìn)展，但是激光再現(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三代全息圖到。這是用激光記錄，而用白光再現(xiàn)的全息圖，在一定的條件下

4、賦予全息圖以鮮艷的色彩。第三代全息術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域的到了應(yīng)用，例如：像全息、反射全息、彩虹全息、模壓全息等。 激光的高度相干性，要求全息拍攝過程中各個元件、光源和記錄介質(zhì)的相對位置嚴(yán)格保持不變，這也給全息技術(shù)的實際使用帶來了種種不便。于是，科學(xué)家們又回過頭來繼續(xù)探討白光記錄的可能性。第四代全息圖應(yīng)該是白光記錄白光再現(xiàn)的全息圖，它將使全息術(shù)最終走出有防震工作臺的黑暗實驗室，進(jìn)入更加廣泛的實用領(lǐng)域。 2 全息術(shù)的基本原理和特點 全息術(shù)是一種“無透鏡”的兩步成像法，它能在感光膠片上同時記錄物體的全部信息，即物體光的振幅和位相。全息照相過程分全息記錄和再現(xiàn)兩步：第一步稱為波前記錄(全息記錄)；第二步物

5、體的再現(xiàn)(重現(xiàn))。 波前記錄依據(jù)的是干涉原理，物光波和參考光波相干疊加而產(chǎn)生干涉條紋。干涉條紋的反襯度記錄了物光波前的振幅分布，干涉條紋的幾何特征(包括形狀、間距、位置)記錄了物光波前的位相分布。就是說，全息圖上的強(qiáng)度分布記錄了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布，它們分別反映了物體的明暗和縱深位置等方面的特征。應(yīng)當(dāng)指出，任何感光底片都只能記錄振幅(或者說強(qiáng)度)的分布，而不能直接記錄位相分布，全息照相之所以能記錄位相分布，是利用了參考光波把它轉(zhuǎn)化成了干涉條紋的強(qiáng)度分布。假如沒有參考光波，或者它與物光波不相干，波前上的位相分布是不可能記錄下來的。 波前再現(xiàn)的理論依據(jù)是衍射原理，照明光波(再現(xiàn)光)

6、經(jīng)過全息圖衍射后出現(xiàn)一個復(fù)雜的光波場。全息圖的衍射波含有三種主要成分，即物光波(+1級衍射波)，物光波的共軛波(-1級衍射波)，照明光波的照直前進(jìn)(零級衍射波)。在記錄和重現(xiàn)的全息照相裝置中，這三種衍射波在空間彼此分離，互不干擾，便于人們用眼睛或鏡頭去觀測物光波的虛像或其共軛波的實像。 全息術(shù)的原理決定了它所記錄的全息圖有下列特點： (1)三維性因為全息圖記錄了物光的相位信息，圖像具有顯著的視差特性，可以看到逼真的三維圖像。 (2)不可撕毀性因為全息圖記錄的是物光與參考光的干涉條紋，所以具有可分割性。它被分割后的任一碎片都能再現(xiàn)完整的被攝物形象，只是分辨率受到一些影響。 (3)信息容量大同一張

7、全息感光板可多次重復(fù)曝光記錄，并能互不干擾地再現(xiàn)各個不同的圖像。 (4)全息圖的再現(xiàn)相可放大或縮小因為衍射角與波長有關(guān)，用不同波長的激光照射全息圖，再現(xiàn)相就會發(fā)生放大或縮小。 3 全息術(shù)的主要應(yīng)用及其發(fā)展方向 全息術(shù)經(jīng)過60年的發(fā)展，已與機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)以及非線性光學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，成為一種高新技術(shù)，擴(kuò)展到醫(yī)學(xué)、裝飾、包裝、印刷等領(lǐng)域，在一些發(fā)達(dá)國家還興起了全息產(chǎn)業(yè)，并且正在形成日益廣闊的市場，實用前景非?？捎^。本文介紹全息術(shù)中幾個應(yīng)用較為廣泛、產(chǎn)業(yè)化較成熟的領(lǐng)域并說明其發(fā)展方向。 3.1 全息存儲 全息存儲是依據(jù)全息術(shù)的原理，將信息以全息照相的方式存儲起來，它利用兩個光波之間的耦合和解耦合，可

8、以把信息存儲和信息之間的比較(相關(guān))、識別，甚至聯(lián)想的功能結(jié)合起來，也就是可以把信息存儲和信息處理結(jié)合起來。用于全息信息存儲的記錄介質(zhì)較多，可永久保存信息的全息圖用銀鹽干板、銀鹽非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蝕劑等；可擦除重復(fù)使用的實時記錄材料有光導(dǎo)熱塑料、有機(jī)或無機(jī)光折變材料等。全息存儲在存儲容量方面具有巨大的優(yōu)勢，原因是： (1)全息存儲具有存儲容量大的優(yōu)勢。用感光干板作為普通照相記錄信息時，信息存儲密度的數(shù)量級一般為105bit/mm2；用平面全息圖存儲信息時，存儲密度一般可提高一個數(shù)量級達(dá)106bit/mm2；如果用體全息圖存儲信息時，存儲密度可高達(dá)1013bit/mm2。 (

9、2)全息存儲具有極大的冗余性，存儲介質(zhì)的局部缺陷和損傷不會引起信息丟失。 (3)全息存儲具有讀取速率高和能并行讀取的特點，每個數(shù)據(jù)頁可包含達(dá)1Mbit的信息，寫人一頁的時間在100ms左右，讀信息的時間可以小于100s，而磁盤的尋址時間至少需要10ms。 當(dāng)前，在世界范圍內(nèi)掀起了全息存儲研究的熱潮，并取得很大的進(jìn)展，其主要表現(xiàn)在： (1)存儲容量迅速提高和性能不斷改善，并逐步走向?qū)嵱没?。例如?994年美國加州理工學(xué)院在1cm3摻鐵妮酸銼晶體中記錄了1000幅全息圖，同年，斯坦福大學(xué)的一個研究小組把經(jīng)壓縮的數(shù)字化圖像視頻數(shù)據(jù)存儲在一個全息存儲器中，并再現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)而圖像質(zhì)量無顯著下降。 1999年美國加州理工大學(xué)利用空-角復(fù)用技術(shù)，在同一塊在摻鐵鈮酸鋰晶體中存儲了26000幅全息圖。北京清華大學(xué)實現(xiàn)了在摻鐵妮酸鏗晶體中的同一空間位置記錄1500幅全息圖，并研制了具有緊湊結(jié)構(gòu)的靈巧型全息存儲裝置。 (2)實用化的全息存儲系統(tǒng)逐漸推出。例如，1995年由美國政府高級研究項目局(ARPA )、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大學(xué)等聯(lián)合成立了協(xié)作組織并在美國國家存