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什么是全息技术

导读:

   全息技术是实现真实的三维图像的记录和再现的技术。该图像称作全息图。和其他三维“图像”不一样的是,全息图提供了“视差”。视差的存在使得观察者可以通过前后、左右和上下移动来观察图像的不同形象——好像有个真实的物体在那里一样。

    全息技术是伦敦大学帝国理工学院的Dennis Gabor博士发明的。他也因此而获得了1971年的诺贝尔物理学奖。最初,Gabor博士只是希望提高扫描电子显微镜的解析度。上世纪60年代初期,密歇根大学的研究员Leith和Upatnieks制作出世界上第一组三维全息图像。这段时间,前苏联的Yuri Dennisyuk也开始尝试制作可以用普通白光观看的全息图。现在,全息技术的持续发展为我们提供了越来越精确的三维图像。

    全息原理是“一个系统原则上可以由它的边界上的一些自由度完全描述”,是基于黑洞的量子性质提出的一个新的基本原理。其实这个基本原理是联系量子元和量子位结合的量子论的。其数学证明是,时空有多少维,就有多少量子元;有多少量子元,就有多少量子位。它们一起组成类似矩阵的时空有限集,即它们的排列组合集。全息不全,是说选排列数,选空集与选全排列,有对偶性。即一定维数时空的全息性完全等价于少一个量子位的排列数全息性;这类似“量子避错编码原理”,从根本上解决了量子计算中的编码错误造成的系统计算误差问题。而时空的量子计算,类似生物DNA的双螺旋结构的双共轭编码,它是把实与虚、正与负双共轭编码组织在一起的量子计算机。这可叫做“生物时空学”,这其中的“熵”,也类似“宏观的熵”,不但指混乱程度,也指一个范围。时间指不指一个范围?从“源于生活”来说,应该指。因此,所有的位置和时间都是范围。位置“熵”为面积“熵”,时间“熵”为热力学箭头“熵”。其次,类似N数量子元和N数量子位的二元排列,与N数行和N数列的行列式或矩阵类似的二元排列,其中有一个不相同,是行列式或矩阵比N数量子元和N数量子位的二元排列少了一个量子位,这是否类似全息原理,N数量子元和N数量子位的二元排列是一个可积系统,它的任何动力学都可以用低一个量子位类似N数行和N数列的行列式或矩阵的场论来描述呢?数学上也许是可以证明或探究的。

全息技术也称"全息摄影"。一种可把被摄物反射的光波中的全部信息记录下来的新型照相技术。1948年、英籍匈牙利科学家加博尔提出并证实了全息照相原理。1960年发现激光,提供了良好的相干光源使全息照相获得飞速发展和广泛应用。1971年,加博尔为此获诺贝尔物理学奖。

全息照相和常规照相不同,在底片上记录的不是三维物体的平面图像,而是光场本身。常规照相只记录了反映被报物体表面光强的变化,即只记录的光的振幅,全息照相则记录光波的全部信息,除振幅外还忘记录了光波的们相。即把三维物体光波场的全部信息都贮存在记录介质中。

全息照相是一种无透镜的两步成像。原理是:利用物光和参考光干涉在感光胶片上记录一幅干涉图样,呈错综复杂、透明度不同的花纹,称为全息(即全息照片),相当于把胶片制成一不规则的光栅,然后利用全息图对适当照明光的衍射,把原三维影像提取出来。后一过程称为重现。全息图是一个天然的信息存储器,可把"冻结"了的景物重新"复活"在人们眼前。由于这一独特性能全息图有极其广泛的应用。如用于研究火箭飞行的冲击波、飞机机翼蜂窝结构的无损检验等。现在不仅有激光全息,而且研究成功白光全息、彩虹全息,以及全景彩虹全息,使人们能看到景物的各个侧面。全息三维立体显示正在向全息彩色立体电视和电影的方向发展。

除用光波产生全息图外,已发展到可用计算机产生全息图。全息图用途很广,可作成各种薄膜型光学元件,如各种透镜、光栅、滤波器等,可在空间重叠,十分紧凑、轻巧,适合于宇宙飞行使用。使用全息图贮存资料,具有容量大、易提取、抗污损等优点。

全息照相的方法从光学领域推广到其他领域。如微波全息、声全息等得到很大发展,成功地应用在工业医疗等方面。地震波、电子波、X射线等方面的全息也正在深入研究中。


1、反德西特空间,即为点、线、面内空间,是可积的,因为点、线、面内空间与点、线、面外空间交接处趋于“超零”或“零点能”零,到这里是一个可积系统,它的任何动力学都可以有一个低一维的场论来实现。也就是说,由于反德西特空间的对称性,点、线、面内空间场论中的对称性,要大于原来点、线、面外空间的洛仑兹对称性,这个比较大一些的对称群叫做共形对称群。当然这能通过改变反德西特空间内部的几何来消除这个对称性,从而使得等价的场论没有共形对称性。这可叫新共形共形。如果把马德西纳空间看作“点外空间”,一般“点外空间”或“点内空间”也可看作类似球体空间。反德西特空间,即“点内空间”是场论中的一种特殊的极限。“点内空间”的经典引力与量子涨落效应,其弦论的计算很复杂,计算只能在一个极限下作出。例如上面类似反德西特空间的宇宙质量轨道圆的暴涨速率,是光速的8.88倍,就是在一个极限下作出的。在这类极限下,“点内空间”过渡到一个新的时空,或叫做pp波背景,可精确地计算宇宙弦的多个态的谱,反映到对偶的场论中,我们可获得物质族质量谱计算中一些算子的反常标度指数。

2、这个技巧是,弦并不是由有限个球量子微单元组成的。要得到通常意义下的弦,必须取环量子弦论极限,在这个极限下,长度不趋于零,每条由线旋耦合成环量子的弦可分到微单元10的-33次方厘米,而使微单元的数目不是趋于无限大,从而使得弦本身对应的物理量如能量动量是有限的。在场论的算子构造中,如果要得到pp波背景下的弦态,我们恰好需要取这个极限。这样,微单元模型是一个普适的构造,也清楚了。在pp波这个特殊的背景之下,对应的场论描述也是一个可积系统。

全息照相的拍摄要求

为了拍出一张满意的全息照片,拍摄系统必须具备以下要求:

(1) 光源必须是相干光源

通过前面分析知道,全息照相是根据光的干涉原理,所以要求光源必须具有很好的相干性。激光的出现,为全息照相提供了一个理想的光源。这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性,实验中采用He-Ne激光器,用其拍摄较小的漫散物体,可获得良好的全息图。

(2) 全息照相系统要具有稳定性

由于全息底片上记录的是干涉条纹,而且是又细又密的干涉条纹,所以在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊,甚至使干涉条纹无法记录。比如,拍摄过程中若底片位移一个微米,则条纹就分辨不清,为此,要求全息实验台是防震的。全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台面钢板上。另外,气流通过光路,声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化。因此,在曝光时应该禁止大声喧哗,不能随意走动,保证整个实验室绝对安静。我们的经验是,各组都调好光路后,同学们离开实验台,稳定一分钟后,再在同一时间内爆光,得到较好的效果。

(3) 物光与参考光应满足

物光和参考光的光程差应尽量小,两束光的光程相等最好,最多不能超过2cm,调光路时用细绳量好;两速光之间的夹角要在30°~60°之间,最好在45°左右,因为夹角小,干涉条纹就稀,这样对系统的稳定性和感光材料分辨率的要求较低;两束光的光强比要适当,一般要求在1∶1~1∶10之间都可以,光强比用硅光电池测出。

(4) 使用高分辨率的全息底片

因为全息照相底片上记录的是又细又密的干涉条纹,所以需要高分辨率的感光材料。普通照相用的感光底片由于银化物的颗粒较粗,每毫米只能记录50~100个条纹,天津感光胶片厂生产的I型全息干板,其分辨率可达每毫米3?000条,能满足全息照相的要求。

(5) 全息照片的冲洗过程

冲洗过程也是很关键的。我们按照配方要求配药,配出显影液、停影液、定影液和漂白液。上述几种药方都要求用蒸馏水配制,但实验证明,用纯净的自来水配制,也获得成功。冲洗过程要在暗室进行,药液千万不能见光,保持在室温20℃在右进行冲洗,配制一次药液保管得当可使用一个月左右。

全息照相的应用

综上所述,全息照相是一种不用普通光学成象系统的录象方法,是六十年代发展起来的一种立体摄影和波阵面再现的新技术。由于全息照相能够把物体表面发出的全部信息(即光波的振幅和相位)记录下来,并能完全再现被摄物体光波的全部信息,因此,全息技术在生产实践和科学研究领域中有着广泛的应用〔2,3〕。例如:全息电影和全息电视,全息储存、全息显示及全息防伪商标等。

除光学全息外,还发展了红外、微波和超声全息技术,这些全息技术在军事侦察和监视上有重要意义。我们知道,一般的雷达只能探测到目标方位、距离等,而全息照相则能给出目标的立体形象,这对于及时识别飞机、舰艇等有很大作用。因此,备受人们的重视。但是由于可见光在大气或水中传播时衰减很快,在不良的气候下甚至于无法进行工作。为克服这个困难发展出红外、微波及超声全息技术,即用相干的红外光、微波及超声波拍摄全息照片,然后用可见光再现物象,这种全息技术与普通全息技术的原理相同。技术的关键是寻找灵敏记录的介质及合适的再现方法。

超声全息照相能再现潜伏于水下物体的三维图样,因此可用来进行水下侦察和监视。如图(3)。由于对可见光不透明的物体,往往对超声波透明,因此超声全息可用于水下的军事行动,也可用于医疗透视以及工业无损检测测等。

 

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