全息技术的发展历史及其应用前景

全息技术的发展历史及其应用前景

整理By：标准时间3

本文主要介绍全息技术的工作原理、发展历史及应用前景。

1.全息技术的工作原理

全息技术利用了光的干涉原理来记录物光波并利用光的衍射原理来再现物光波，因此其工作过程主要分为全息记录和全息图的再现。本文以激光全息照相为例说明其工作原理。1.1全息记录

全息记录利用了光的干涉原理，因此要求记录的光源必须是相干性能很好的激光。图1-1是拍摄全息照片的光路图。

图1-1 拍摄全息照片的光

由激光器发出的激光束，通过分束镜(Beam splitter)分成两束相干的透射光和反射光：一束光经反射镜Mirror1反射，扩束镜Lenses1扩束后照射到被拍摄物体上，再从物体投向照相底片(Film)上，这部分光称为物光（Object beam）。另一束光经反射镜Mirror2反射，扩束镜Lenses2扩束直接照射到底片上，称为参考光（Reference beam）。由于同一束激光分成的两束光具有高度的时间相干性和空间相干性，在照相底片上相遇后，形成干涉条纹。由于被摄物体发出的物光波是不规则的，这种复杂的物光光波是由无数的球面波叠加而成的，因此，在全息底片上记录的干涉图样是一些无规则的干涉条纹，这就是全息图。

1.2全息图的再现

全息图的物像再现过程就是光的衍射过程。一般采用拍摄时所用的激光作照明光，并以特定方向或与原参考光相同的方向照射全息图片，就能在全息图片的衍射光波中得到0级衍射光波和±1级衍射光波（如图1-2所示）。

图1-2 全息图的物象再现示意

图1-2中，把拍好的全息照片放回底片架上，遮挡住光路中的物光，移走光路中的被拍物体，只让参考光照在全息图片上。这样在拍摄物体方向可看到物的虚像，在全息照片另一侧有一个与虚像共轭的对称实像（不易观察到），这是最简单的再现方法。

2.全息技术的发展历史

全息照相技术是1948年英国科学家丹尼斯•伽伯(Dennis Gabor)为改善电子显微镜成像质量提出的重现波前的理论，并因此获得了诺贝尔奖。但当时由于缺乏纯净的能够相互干涉的光，全息图的质量很差。直到十二年以后的1960年，激光器问世，美国密执安大学的埃梅蒂•利斯与朱里斯•尤佩尼克拍成了第一张全息相片，全息技术才有了蓬勃快速的发展。

全息技术的发展大致可分同轴全息术、离轴全息术、白光再现全息术、白光全息术等4个阶段。

2.1同轴全息技术

同轴全息术是伽伯当时采用的技术，这一阶段主要是在1960年激光器出现以前。这种技术获得的物体的再现像与照明光混在一起，不易观察。

1948年，伽伯为提高电子显微镜的分辨率，在布拉格的“x射线显微镜”、泽尼克的相衬原理的启示下，提出了一种用光波记录物光波的振幅和相位的方法，并用实验证实了这一想法。为了进一步证实其原理，他先后采用电子波与可见光进行了验证，并在可见光中得到了证实，同时制成了第1张全息图。从那时起至20世纪5O年代末期，全息图都是用汞灯作为光源，而且是参考光与物光共轴的共轴全息即同轴全息图。它与4-1级衍射波是分不开的，这是全息术的萌芽时期。这个时期全息图存在2个严重问题，一个是再现的原始像与共轭像分不开；另一个是光源的相干性太差，因此在这10多年中，全息术进展缓慢。

2.2离轴全息技术

离轴全息术是在激光器出现以后产生的用激光记录激光再现的全息术，其特点是获得的物体重现像与照明光分离，易于观察。

1960年激光的出现，提供了一种高相干度光源。1962年，美国科学家利思(Leith)和乌帕特尼·克斯(Upatnieks)将通信理论中的载频概念推广到空域中，提出了离轴全息术，就

是用离轴的参考光与物光干涉形成全息图，再利用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生3个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。这样，同轴全息图两大难题宣告解决，产生了激光记录、激光再现的全息图。从而使全息术在沉睡了十几年之后得到了新生并进入了一个极为活跃的阶段。此后，又相继出现了多种全息方法，如大景深全息照相法、激光记录与激光再现的彩色全息照相法等。

2.3白光再现全息技术

白光再现全息术是用激光记录，白光照明再现的全息图制作技术，它在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩，这是目前应用最广的全息术。

由于激光再现的全息图失去了色调信息，科学家们开始致力于研究第3代全息图。一个叫班顿的人发现了用激光记录，使用白光还原影像的方法，从而使这项技术逐渐走向实用阶段。美国《国家地理杂志》第1次使用白色光全息片贴在封面时，销售量由1000万份增加到再版后的1600万份。这一技术后来由美国传到欧洲和其它国家，激光全息摄影技术也随之风靡全世界。常见的有反射全息术、像全息术、彩虹全息术和合成全息术等。

2.4白光全息技术

白光全息术是利用白光制作全息图，用激光或白光照明观察再现，这是全息术的最高阶段，至今虽有不少人做了一些初步工作，但尚未有突破性进展。激光的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变。这也给全息技术的实际使用带来了种种不便。于是，科学家们又回过头来继续探讨白光记录白光再现全息图的可能性。它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室，进入更加广泛的实用领域。

3.全息技术的应用前景

全息技术的应用非常广泛，并不断被应用于新的领域，以下列举了全息技术的部分重要应用：

3.1全息显示

全息显示主要利用全息照相能重现物体三维立体图像的特点，因全息片能给出和原物大小一样、细节精美、形状逼真的三维图像，所以是极有发展前景的应用之一。它可以用来复制历史文物艺术珍品、全息肖像、全息装饰品和全息风景画等也可用于超景深照相，使远距离到近距离的物体同时记录在一张全息底片上。而从其再现像中逐次按不同距离分层观测，不受普通照相景深的限制。全息显示常用的全息术有：透射和反射全息、像面全息彩虹全息、真彩色全息、合成全息和模压全息等多种类型。其中除透射全息图需要用激光再现外，其余都可用自光再现，从而使在自昼自然环境中可观察到三维景像。近年来模压全息逐步进入到人们生活中，并受到人们的欢迎和喜爱模压全息把浮雕艺术和照相艺术相结合，用多层次体现三维空间，极具有观赏价值它除了作为艺术全息品便于携带和保存外，已广泛用于防伪标识、贺卡、商标、纪念封和图书插图等领域，国内外都已形成一种巨大的产业。