高等光学小论文

全息技术的研究及其应用

一、引言

全息技术一门正在蓬勃发展的光学分支，全息术也称全息照相，其原理可用8个字来表述：“干涉记录，衍射再现”。全息术是一种不用透镜成像，而用相干光干涉得到物体全部信息的2步成像技术。第1步是记录，即底片上以干涉条纹的形式存储被摄物的光强和位相。第2步是再现，即用光衍射原理来重现物体原来的三维形状。

光全息技术是由英国科学家丹尼斯·加伯（Dennis Gabor）在1947年提出的。但当时没有足够强的相干光源，全息术的发展陷入休眠状态。直到1960年激光出现，以及1962年利思（Leith）厄帕特克克斯（Upatnieks）提出离轴全息图以后，开辟了全息图的新领域，成为光学的一个重要分支。离轴全息图使得再现的原始像与共轭像分离。同时期，前苏联科学家Y.N.Denisyuk提出了白光反射全息图。白光再现全息图的特点是能够在白昼自然环境中或者在一般白光照明下观察到三维图像。白光再现全息术让全息从科学家的实验室走了出来。浮雕彩虹全息图的研制成功发展了全息图模压大批量复制技术，现已形成全息产业。全息技术的迅速发展，使加伯的全息思想于1971年获得诺贝尔物理学奖。近年来已渗透到社会生活的各个领域，并被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中。特别是在现代测试技术、生物工程、医学、艺术、商业、保安以及现代存储技术等方面已显示出其特殊的优势。

二、全息技术的发展简介

自1948年英国科学家丹尼斯伽伯(Dennis Gabor)提出全息术原理后，便有一些学者开始了全息术的研究工作，但由于当时没有好的相干光源，所以研究工作进展较慢，直到1960年激光器出现以后，全息术才得到迅速发展。全息术的发展大约可分为4个阶段：同轴全息术、离轴全息术、白光再现全息术、白光全息术。

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。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。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。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。

三、全息技术的特点

由于全息术的记录和再现方法的特殊性，使它与普通照相有本质的区别：1、图像三维性。全息图存储了物光波的位相信息，所以再现像具有明显的视差特性，可以看到逼真的立体物象。2、图像不可撕毁性。全息图是以干涉条纹分布式的形式存储了物体的信心，所以全息图的任一部分都可以再现出完整的原物图像，当然其亮度和分辨率将会显著降低。3、重复记录性。同一张全息感光板可以多次重复曝光记录，并能互不干扰地再现各个不同物象。当然每次记录时参考光的入射方向应不同。4，物象缩放性。再现是利用衍射原来，因为衍射角和波长有关，所以用不同波长再现光波照射全息图时，就会得到放大或缩小的物象。

四、全息技术的主要应用

1、全息干涉计量由于全息技术是以干涉条纹形式记录物光波前的，所以我们可以把一个标准物体波前与一个变形物体波前的干涉条纹，用一次曝光法或二次曝光法或连续曝光法，记录在同一张全息图上，经比较可以精确地计量出物体微小形变、位移或振动等，精度达0．01X，是目前全息术应用中最成熟的领域之一。它的主要特点是：非接触型、高灵敏度，高精度、三维性、快速性。

2、全息显微术它有两种形式：一种是将全息术和显微镜相结合的技术，用来提高物象放大倍数和分辨率，称为全息显微镜。另一种是利用全息图再现像的放缩性实现物像放大作用，如果再现光波长比记录光波长大得多，则可以获的放大倍数很大的再现像。如用X射线记录全息图，用可见光再现，则无须特殊光学系统，就可以得到几千倍的放大倍率。当然这还要依靠X射线激光器的开发和利用。

3、全息光学元件用参考光照射全息图可再现出物光波的波前，这种现象可理解为全息图对入射光波具有位相调制的能力，利用这种能力，在一定场合，用全息图可替代普通光学元件（如透镜、棱镜、光栅等），作为成像、转像、准直、分光元件、这种全息图就称为全息光学元件（HOE）。它是用感光记录介质制成，制作方便，成本低，很有实用价值，但要明确它的调制作用是基于光的干涉和衍射原理，而不是几何光学原理。

4、全息存储术它是一种大容量、高存储密度的信息存储方式，有面存储和体存储两种形式。面存储方法是把要存储的文字、图表等、利用傅里叶变换全息图制成直径约1mm的点全息图，排列成阵，或者象唱片那样排列在旋转的圆盘上，在lcm的记录介质上就可存储100幅图像。当然阅读时要借助透镜实现再一次傅里叶变换，才能再现出原图像。体存储技术是一种复用技术，利用空间光调制器将被存储信息调制成0、1的明暗图像，再与同步的参考光束会聚形成全息干涉条纹，被记录在介质的某一层面上，当改变参考光的入射角时，干涉图样将被记录在不同深度的介质层面上，如同书中的页面一样，从而实现信息的立体存储。

5、计算全息图光学全息图是直接用光的干涉方法在介质上记录物光波和参考光波的干涉图样。假如物体并不存在，而只知道物光波的数学描述，则可以利用计算机，并通过计算机控制绘图仪或其他记录装置，将模拟的干涉图样绘制和复制在透明胶片上，这种计算机合成的全息图称为计算机全息图。同样可以用光学方法再现物光波前。它最大的优点是，只要在计算机中输入实际物体或虚构物体的数学模型就可以了。计算机全息图就能再现出唯一的三维虚构物像，所以它具有重要的科学意义。

6、全息显示术全息图的三维显示，启发人们将其应用于显示领域，早在1976年10月，前苏联首次放映了全息电影，其景象是一个姑娘手举一束鲜花迎面而来，历时2分钟，屏幕尺寸60cm×80cm，可供4人同时观看。但到目前为止，具有适用价值的全息电影和全息电视还在研制之中。全息显示术在科学研究中具有非常重要的价值，如将超常条件下研究对象的瞬间状态，应用全息术记录下来，重现的像可供科学家从容地观测、分析和研究，这一应用方向的发展已形成全息动态显微技术——它可以显示加以放大的三维动态图像。

五、全息技术的展望