全息記錄

全息記錄是指利用全息術進行相關記錄的方法。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。

在全息術的發展過程中，全息記錄材料作為其載體扮演著十分重要的角色。目前常用的全息記錄介質有鹵化銀乳膠、重鉻酸鹽明膠、光致抗蝕劑、光致聚合物、光導熱塑膠、光折變晶體、液晶等。

基本介紹

• 中文名：全息記錄
• 外文名：holographic record
• 一級學科：數理科學
• 二級學科：光學
• 核心：全息術
• 重要方面：全息記錄材料

全息術

全息術是由英國科學家丹尼斯·伽柏((Dennis Garbor)於1948年為了提高電子顯微鏡的解析度，在布拉格(Bragg)和澤尼克(Zernike)的工作基礎上而提出來的，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重建像，由於光源的相干性差，全息圖只能採用同軸方式記錄，但同軸全息術中三級像無法分離這一特點限制了全息術的進一步發展。直到1960年雷射器的出現為全息術的迅速發展開闢了廣闊的道路，1962年美國密執安大學的E.N.利思(E.N.Leith)和J.烏帕特尼克斯(J. Upatnieks)提出了離軸全息的新方法，從此，全息術進入了高速發展的時期。

數字全息術是一種全新型的成像與測量技術，它是光學與光電技術、數字計算機技術的高度結合，是用電荷禍合器件((Charge-coupled Device, CCD)代替傳統的全息記錄材料來記錄全息圖，並通過計算機數值計算光學衍射場再現物光波前，可準實時再現逼真的三維物體。

數字全息術的思想是由J. W. Goodman和R. W. Lawrence在1967年提出來的數值化的全息圖的重建是由M. A. Kronrod和L. P Yaroslavsky首次進行的。在很長的一段時間內，數字全息圖重建的構想一直受到計算機技術和電子技術的限制，數字全息發展比較緩慢，在1994年數字全息技術因電荷耦合器件(CCD)的問世取得突破性的進展，Schnars和Juptner利用電荷耦合器件(CCD)直接記錄全息圖並且利用計算機數值再現全息圖，使得數字全息的記錄和再現完全實現了數位化[}]。全息術發展到今天，從光源的使用、記錄介質和重建的方法來看，可以分為四代:第一代是用水銀燈記錄的同軸全息圖，同時這也是全息術萌芽的時期，出現的問題是全息重建原始像、零級像和共扼像不能夠分離;第二代是用雷射來記錄全息圖，同時也用雷射再現全息圖，並且採用離軸記錄光路記錄全息圖，把原始像、零級像和共扼像完全分離開了;第三代是用雷射記錄全息圖，白光重建，主要有反射全息、彩虹全息以及合成全息。前三代的全息術也稱為光學全息。第四代是數字全息時代，它是用光敏電子成像器件CCD代替傳統的鹵化銀、重鉻酸鹽明膠等材料來記錄全息圖，以數字的形式存儲於計算機中，並由計算機以數字的方式再現物體的原始像。

原理

全息記錄原理與全息照相原理相同，只是實現方法不一樣。全息照相是將膠片作為記錄介質，而全息記錄介質則是具有光折射特性的光敏晶體材料。另外，兩者所用的物光不同。目前實現全息記錄的雷射是藍綠色氫雷射，分成參考光束和物光束。用物光束承載信息，投射到用LCD構成的空間調製器(SLM)上，用一頁點陣的亮和暗所代表的二進制數字表示信息，與參考光束同時投射在光敏晶體上相互作用、就可將一頁數據變成干涉條紋圖形存儲在晶體中。讀出時，用基準光束照射晶體，與晶體內干涉條紋圖像相互作用，還原出原來寫人的一頁由亮和暗點陣構成的圖像，並從CCD(電荷藕合器件)板上讀取數據。

由於讀出數據時其基準光束投射角度必須與寫入時角度一樣，其誤差不能超過幾分之一，所以利用這一特性可大大提高存儲密度;利用不同的投射角度可在同一晶體上存儲不同的信息。在1cm的光敏晶體中，可存儲1萬張信息頁，每一頁都可包含IMB的信息。這種存儲器的最大特點是它的非易失性，即斷電後所存儲的信息也不會消失。而且，即使部分介質有損壞，也能和全息照片一樣還原成原來的信息。

全息記錄材料

在全息術的發展過程中，全息記錄材料作為其載體扮演著十分重要的角色。目前常用的全息記錄介質有鹵化銀乳膠、重鉻酸鹽明膠、光致抗蝕劑、光致聚合物、光導熱塑膠、光折變晶體、液晶等。這些材料各有優缺點，右圖對這幾種材料的記錄原理、調製方式等進行了粗略的總結與比較。

鹵化銀乳膠

鹵化銀乳膠是一種常用的全息記錄材料，它具有很高的感光靈敏度、光譜回響範圍寬、通用性強、環境穩定性好，但鹵化銀材料也存在著衍射效率不高、漂白後圖像噪聲大、材料製備及後處理步驟繁複等缺點。常用的鹵化銀乳膠材料有天津感光膠片公司、阿克發(Agfa)公司、依爾福(Ilford )公司、柯達公司生產的全息乾版(或軟片)。

光致聚合物

光致聚合物材料是一種非銀鹽感光高分子全息記錄材料，其作為全息記錄材料的研究開始於60年代。主要是用光化學方法產生自由基或離子引發單體發生聚合反應。單體可以直接受光激發引起聚合，也可由光引發劑或光敏劑受光作用引發單體聚合。光引發聚合是光引發劑首先吸收光子躍遷到激發態，在激發態發生光化學反應生成活性種子(自由基或離子)，然後這些活性種子引發單體聚合:光敏引發聚合是光敏劑首先吸收光子躍遷到激發態，在激發態的光敏劑與引發劑之間發生能量轉移或電子轉換，由引發劑產生活性種子，這種活性種子再引發單體聚合，這兩種光聚合都有連鎖反應的鏈增長過程，光反應的量子效率可通過連鎖過程得到放大，一般可達到100~1000。光致聚合物全息記錄材料具有靈敏度及衍射效率高、加工方便、可實時乾法顯影等優點。

目前國際上這方面的產品主要有美國杜邦( Du Pout)公司的HRF, OmniDex系列，以及美國波拉(Polaroid)公司的DMP-128系列光致聚合物材料。國內自80年代末以來也開展了光致聚合型材料的研究，已取得一些進展。

重鉻酸鹽明膠

重鉻酸鹽明膠是一種重要的全息記錄材料，其作為照像材料已有很長的歷史。最早用於照像和印刷術中是利用厚度的變化，同樣原理可以用於製作浮雕型全息圖。向明膠溶液中加入少量的重鉻酸鹽溶液就成為對藍綠光敏感的記錄材料，曝光部分變硬，較未曝光部分難溶於水中。用水顯影可以將未曝光的部分洗去，便形成浮雕型全息圖。不過這樣製成的全息圖並沒有很高的衍射效率，用該方法作成的表面浮雕型全息圖沒有充分體現出DCG的優點。1968年，Shankof對傳統印刷產業中所使用的DCG及其水洗顯影工藝進行了改造，革命性的提出了預硬化DCG體系以及水一醇顯影工藝。這一工作不但使明膠材料可以用於記錄全息圖，而且使DCG材料以其所具有的高相位調製能力、高解析度、高衍射效率、高信噪比等優點成為最優秀的全息記錄材料之一。目前DCG作為一種相位型全息記錄介質，已廣泛套用於光信息的記錄和保存、各種光學元件(如全息光柵、全息透鏡)和全息藝術照片的製作等。但DCG材料在套用中也存在著如下不足:(1) DCG材料的光譜敏感範圍在藍綠光區，對紅光不敏感，全息記錄需採用價格昂貴、使用壽命較短的氫離子雷射器而不能採用廉價長壽命的氦氖雷射器;(2)感光靈敏度低，全息記錄時間長，記錄時的防震要求高;(3)材料對空氣中濕氣的抵抗能力差，全息圖需密封才能長時間保存。(4)目前研究的材料光譜回響範圍窄，不能全色感光，制約了該材料在真彩色全息顯示、多波長全息干涉計量、波長復用高密度全息存儲等領域的套用。

光致抗蝕劑

光致抗蝕劑是一種重要的感光高分子全息記錄材料。經光照射後，光致抗蝕劑塗層中發生化學變化，隨著曝光量的不同產生不同的溶解力，用合適的溶劑顯影可使未曝光區或曝光區加速溶解。曝光部分被溶解的稱正性光致抗蝕劑，未曝光部分被溶解的稱為負性光致抗蝕劑。在全息術中使用正性光致抗蝕劑，可以得到高質量浮雕全息圖。浮雕全息圖可用作大批量模壓複製全息圖的母板，目前，光致抗蝕劑己廣泛套用於微細圖形加工、半導體器件製作、積體電路及印刷電路板生產等方面。

光折變晶體

具有光折變效應的晶體稱為光折變晶體。光折變效應是19b6年在晶體中發現的，指的是光入射到光折變晶體上引起材料折射率的改變。其物理過程是，當光照射到晶體上時，由於入射光的光電離作用，在晶體中激起載流子(電子或空穴或離子)，載流子在晶體內漂移、擴散或躍遷，形成空間電荷分布，進而形成新的空間電場，此電場通過電光效應調製折射率，從而使晶體的折射率發生變化。

光導熱塑膠

光導熱塑膠是一種浮雕型相位記錄材料，其結構是，在基片上先塗布一層透明導體，其上是一層透明光電導體，最上面是一層熱塑膠。使用時，首先對材料進行敏化，在熱塑膠和透明導體之間建立均勻的電位差;第二步曝光，曝光部分光導放電;第三步再充電;第四步顯影定影，顯影過程是加熱使熱塑膠軟化，由於電場的作用使熱塑膠變形，定影過程就是冷卻，於是形成了浮雕型的相位全息圖。

光導熱塑膠作為全息記錄材料的優點是對可見光敏感、乾法顯影、衍射效率高、能重複使用等。缺點是解析度低，高質量薄膜製備困難。