全息術

全息術（holography）又稱全息照相術，指在照相膠片或乾板上通過記錄光波的振幅和位相分布並再現物體三維圖像的技術。又稱全息照相術 、全息攝影術。全息術不僅可用於光波波段，也可用於電子波、聲波 、X射線和微波。普通照相只能記錄物體反射或透射光的振幅（強度） ，所以記錄的是物體的二維圖像。全息術不僅可記錄光的振幅，還可記錄其位相，故能記錄物體的深度信息。“全息”來自希臘字“holos”，意即完全的信息——不僅包括光的振幅信息，還包括位相信息。

基本介紹

• 中文名：全息術
• 外文名：holography
• 別名：全息照相術、全息攝影術
• 特徵：記錄光波振幅等再現物體三維圖像
• 時間：1947年
• 適用對象：光波、電子波、聲波、X射線等

發展簡史

匈牙利出生的英國物理學家D.伽柏從事提高電子顯微鏡分辨本領的工作，受W.布拉格在X射線金屬學方面工作及F.澤爾尼克的關於引入相干背景來顯示位相的工作的啟發，於1947年提出全息術的構想，意圖提高電子顯微鏡的分辨本領。方法是完全撇開電子顯微鏡物鏡，用膠片記錄經物體衍射的未聚焦的電子波，得到全息圖。以相干的可見光照明全息圖，衍射波將產生原物體放大的光學像。1948年，他利用水銀燈發出的可見光代替電子波，獲得了第一張全息圖及其再現像。由於全息術的發明，伽柏1971年獲得了諾貝爾物理學獎。20世紀50年代G.羅傑斯等科學家進一步豐富了波前再現理論。

全息術

光波的位相信息是通過與參考光波相干涉，在記錄介質上形成干涉圖而記錄下來的，所以要求兩束光高度相干。1960年，雷射的出現為全息術的發展開闢了道路。雷射是一種單色的強光，是製作全息圖最理想的光源。雷射照明全息圖，可看到清晰的三維圖像。1961—1962年，E.利思等人對伽柏全息圖進行了改進，引入“斜參考光束法”一舉解決了“孿生像”問題，用氦氖雷射器成功地拍攝了第一張實用的雷射全息圖。這樣就使得全息術在1963年以後成為光學領域中最活躍的分支之一。1964年利思等人又提出了漫射全息圖的概念，並得到三維物體的再現 。與此同時，蘇聯的物理學家根據李普曼彩色照相法和伽柏全息法提出了反射全息圖的概念。1965年以來全息術的一個重要分支——脈衝全息術得到了發展，這使得動態全息干涉計量獲得了實際套用。1968年，S.本頓發明彩虹全息術，由於可用白光觀察全息圖，看到記錄物體的彩虹像，成為顯示全息術的重要進展。它使後來通過模壓技術批量生產全息圖成為現實。

用於電視的計算機生成全息術

基本原理

照明物體的反射光波承載著物體形態的信息傳播。用記錄介質把攜帶信息的光波波前記錄下來，將可在另一時間和場所，採用適當方法把波前再現出來。它繼續傳播仍可產生可觀察的物體的三維像。光波傳遞信息，構成物體的像的過程被分為：波前記錄和波前再現兩步。它是一種兩步無透鏡成像方法。以離軸全息圖為例說明波前記錄和再現的過程。

錐光偏振全息術vs. 三角測量法

波前記錄

所有的記錄介質都只對光強有回響，不能記錄波前攜帶的位相信息。利用干涉原理才能把波前的振幅和位相，即全部信息都儲存在記錄介質中。暗室中高度相干的雷射光束被分成兩部分：一束光照明物體，經物體反射、散射或衍射，作為物光（紅線）投射到照相干板上；另一束光作為參考光（綠線）照明照相干板。兩束光相互干涉。照相干板經曝光、顯影處理就得到全息圖。干涉條紋的襯度和形狀（或位置）信息中分別包含有物光波前振幅和位相的信息。

波前再現

波前記錄的結果是得到一張記有物光振幅和位相信息的全息圖。全息圖上細密的干涉條紋圖樣，如同複雜的衍射光柵，只是光柵條紋的方向和間距可能隨位置變化。用均勻的雷射光束照明全息圖，一部分光直接透過。對於離軸全息圖，有另外兩束衍射光波向不同方向傳播，可看作±1級衍射光。其中一束衍射光波傳播到觀察者眼睛裡，和真實物體發出的光波作用完全相同，實現了波前再現。儘管物體已經移開，仍可看到原始物體的虛像（原始像）。另一束衍射光波可看作原始物光波前的共軛波，傳播形成物體的實像（共軛像），看到的像和原物體凸凹相反。由於再現的光波前攜帶有物波的振幅和位相信息，再現的像顯示出物體的三維特性，具有視差效應。適當選擇記錄時參考光的傾斜角度，可使直接透射光以及產生孿生像的兩束衍射光傳播時分離開，互不干擾。

類型

全息圖種類繁多，有許多不同的分類方法。

同軸和離軸

伽柏全息圖即同軸全息圖。記錄時利用透明物體的透射光作為參考光，散射或衍射光作為物光。照明全息圖 ，再現光波在同軸方向傳播，孿生像在觀察時相互干擾。缺點是物體必須高度透明。離軸全息圖分離出一束參考光束傾斜照明照相干板，參考光與物光有一定夾角，再現時直接透射光與兩束產生孿生像的衍射光向不同方向傳播，可分離開，互不干擾。

平面和體

全息圖上記錄的干涉條紋的間距大於記錄介質厚度時，可看作二維平面光柵結構，稱為平面全息圖。記錄介質厚度比記錄干涉條紋間距大得多，干涉條紋在記錄介質內形成複雜的三維體光柵結構，稱為體全息圖。一張全息圖通常包含不同間隔的條紋結構，它可能同時具有兩種全息圖的性質，但體全息圖要滿足所謂布拉格條件：2dsinα=±λ。

式中，d為體光柵結構的光柵間距，α為入射角，λ為波長。體全息圖再現時對照明光的方向具有靈敏性，這一性質可用在信息存儲上。把不同景物的多個全息圖記錄在一張照相干板上，每記錄一次後改變參考光方向再做第二次記錄。再現時改變照明光方向，可分別產生不同景物的像。

透射與反射

全息圖照明時，在透射的衍射光方向可觀察物體的虛像或產生實像，稱為透射全息圖，它是由處於記錄媒質同側的物光和參考光所形成的；記錄時要求物光和參考光在記錄乾板的同一側。記錄體全息圖時物光和參考光若來自照相干板的兩側，近似相反方向，則得到反射全息圖。照明全息圖，在反射光方向可觀察虛像或產生實像。由於布拉格條件決定的波長選擇性，使得反射全息圖可用白光照明，再現出單色像。

振幅和位相

照明光波通過全息圖時，僅是振幅被空間調製（衰減或吸收），引入常量位相延遲，這種全息圖是振幅全息圖。銀鹽照相干板經曝光顯影處理可得到振幅全息圖。照明光波通過全息圖時，受到均勻吸收，僅位相被空間調製稱為位相全息圖。對於漂白銀鹽乾板，重絡酸鹽明膠、摻鐵鈮酸鋰、光致抗蝕劑等都是位相記錄介質。其厚度或折射率隨曝光量變化分別稱為浮雕型或折射率型記錄介質。位相全息圖的衍射效率遠高于振幅全息圖，所產生的再現象明亮。

模壓全息

模壓全息是一種可通過全息印刷術大量生產複製的全息圖。它可在白光下再現觀察，廣泛套用於作全息防偽標記等場合。

計算全息

隨著計算機技術的發展，人們開始利用計算機製作一個構想中的物體的全息圖——計算全息圖。特別是在計算全息中常常使用黑白全息圖或稱為二進位全息圖，可使記錄媒質的非線性影響降低到相當小程度；另外由於計算機和繪圖儀的可靠性，使得計算全息圖的重複質量得到了保證；此外對於光學上難以得到的複雜物體，利用計算機可根據其數學表達式作出全息圖並得到再現像，從而可以把計算機當作廣義的光學元件來使用。因此計算全息一出現就受到普遍重視，在諸如三維計算機顯示等方面獲得套用。

傳統全息術、計算機制全息圖、數字全息術等

彩虹全息

彩虹全息術是用雷射記錄全息圖，用白光透射再現。它將不同波長的光沿著垂直方向色散開來，在不同的高度可以看到不同顏色的假彩色立體再現像。彩虹全息的衍射光有會聚性能，再現像的亮度較高。採用白光照明光源，可以避免相干散斑紋效應引起的噪聲影響。

套用

現今全息術在科技、文化、工業、農業、醫藥、藝術、商業等領域都獲得了一定程度的套用。全息術的套用主要有以下幾方面。

粒場全息術理論套用及微粒

基於聲學全息術的先進噪聲測量系統

全息顯示

全息術的最大特點是能夠再現出與物體十分逼真的三維像。利用紅、綠、藍三種波長雷射依次在一張記錄乾板上記錄物體的三基色反射全息圖，可用白光再現真彩色的物體三維像。

全息顯微

普通顯微鏡由於焦深很小，工作距離又小，不能觀察一些較深的細微結構。全息術的三維體積成像，可實現超焦深顯微術，只要相干雷射能照射到結構深處，就可拍攝全息圖。隨後在空間再現它的像，再用普通顯微鏡逐面調焦觀察。用脈衝雷射記錄遊動微生物或運動的微粒場，可長期保存，在靜止狀態下逐層觀測分析。

全息存儲

採用傅立葉變換全息圖可實現文字、圖像等信息的大容量高密度信息存儲。由於它是以頁面方式存儲和顯示 ，可很高速率並行記錄和讀出。利用體全息圖再現時對入射光的角度、波長十分敏感的特點，可用不同角度的參考光或不同波長記錄光，在介質的同一體積處記錄多重全息圖，每一幅全息圖都可在適當條件下分別讀出。

全息干涉計量

物光的波前包含著物體的完整信息。全息術可記錄並再現波前，可對物體變形前後產生的兩個波前相比較而實現干涉計量。普通干涉只能測量拋光的透明物體或反射面，全息干涉可測量透明或不透明的物體，甚至三維的漫反射表面。還可以實現材料的無損檢測。