光全息术的发展及现状—中国光学光电子行业网

全息学的发展阶段
目前全息学正处在它的第三个发展阶段。第一阶段，20 世纪40 年代后期——起始于《自然》杂志上盖伯的最初几篇论文。这个领域吸引了一些卓越的研究人员（Lohmann, Roger 等），但并没有引起普遍的兴趣。第二阶段，60 年代中期，起始于《英国光学学会会刊》上Leith 和Upatnieks 的论文以及几乎在同时问世的连续波可见光激光器。那时支持全息学的人们热情很高，而现实却显得远远达不到人们所期待的结果。较多的全息研究计划着手进行，但很快便终止了。第三阶段没有一个明确的起始日期，也没有一篇明确的创新性的论文，第
三阶段缓慢，但稳步地重新引起注意和得到资助是起始于70 年代中期。

全息学的回顾与展望
    虽然全息术也是一个照相过程，但在概念上是根本不同的。全息术的目的仅仅是记录的照度公布，而实际上要记录下投射到记录平面上的完整波场。这个平面通常还不是一个成像平面，记录完整的波场意味着既记录振幅，也记录位相。当然，问题在于记录位相。振幅（或它的平方，照度）是容易记录的，任何照相记录材料都能胜任这个工作。所有的检测器对波场各部分之间的位相差是完全不灵敏的。然而，物体的信息既包含在波场的振幅结构中，也包含在位相结构中。如果要把波场完全记录下来，振幅和位相二者都必须被检测到。盖伯借助于把位相差转换成强度差的背景波解决了全息术发明中的基本问题，从而把位相编码成照相胶片能够识别的量。盖伯称这记录为全息图，意思是完整的记录。实际上波形以这样的方式被记录在全息图上，在以后的任何时刻只要用一恰当的光束照明全息图，波场能准确地再现出来。这光束通过全息图后，具有了原始波场位相和振幅的调制特性，原始波场好像是被照相干版所俘获，以后被释放出来。再现的波形似乎从来未受过干扰而传播着。迎着光束的观察者发现它与原始波没有区别。他似乎在观察原物，仿佛原来的物体仍放在那里。他看到的是观察真实世界所具有的一切光学特性的物体。它具有三维特性和实际生活中一切正常
的视差关系。这个惊人的现实使得全息术成为科学家和普通人都十分关注的一个议题。全息术确实根本不同于常规的照相术。
    全息术的重要早期工作是布喇格X 射线显微镜的工作及更早期的Woefke 的工作。布喇格的方法是一个两步衍射过程。用照相术方法记录下从晶体散射的X 射线，然后用可见光产生类似的波场。Gobor 的全息术过程是受了布喇格显微镜的启发。他的目的是要改善电子显微镜的象质。Gobor的解决办法是巧妙的，它与传统的电子显微术截然不同，Gobor 记录了被照相物体的射场，然后用光波再现这个场。这为以后全息术的研究打下的重要的基础。几乎在同时，苏联Denisynk 报告了一个重要进展，他把全息术过程与法国物理学家GabrielLippmann 在1891 年发明的彩色照相术形式结合起来。Denisyuk 全息图可以产生单色象，或者在白光点光源下观察时可以产生彩色象。他得到的全息图称为体积全息图。从此应用研究不断发展，许多科学工作者开始了他们自己的研究以探讨全息术的应用潜力及其应用领域，全息干涉计量术是一个同样有意义的进展。它使得有可能用干涉法比较在不同时刻存在着的任意波形，这在传统干涉计量术的范围内是个不可思议的成就。到了70 年代，Benton 提出了虹全息图。这是一种在白光下可以观察的薄全息图，既平面全息图。因为这个全息图利用了整个白光光谱而不仅仅是很窄的波移，即使当光源仅是一个适当亮度的，例如一个100W 灯泡，这个全息图可以极其明亮。所以观察这样的全息图既方便又很经济。
    另一个重要进展是Gross 制成的复合全息图即多重全息图，这种全息图是许多技术巧妙的工艺综合。由Gross 研制的这种复合全息图可以在白光下观察，正如虹全息图可以用白光观察一样。

全息术在相关产业的应用
    1.3.1 全息干涉计量
    全息干涉计量术是全息术诞生以来最广泛地得到实际应用的一个领域，全息干涉计量术在微应力分析、表面微位移测量、形状和等高线的检测、振动分析、无损检测等领域得到了广泛的应用。由于它能解决一般的干涉计量术以及其他手段难以解决的问题，所以该技术很快渗透到机械学、流体力学、断裂力学、空气动力学、声学、航空航天、化工、高分子化学、医学、生物学等学科领域中去。在具体方法上，先后发展了实时全息干涉法、二次曝光全息干涉法，时间平均全息干涉法，双波长干涉法，以及双脉冲频闪全息干涉法等等。随着光电技术、计算机技术、CCD 器件及光纤技术的飞速发展，使得全息干涉计量术在信息采集和处理上更为方便、快捷和可靠，并得以在恶劣环境下对某些物理者进行定时测量。随后出现的相移技术、外差技术和锁相技术等，可以使得测量精度提高到λ/100或更高。
    1.3.2 全息存储
    全息存储在存储容量方面具有巨大的优势，加上其具有冗度高、数据读取速率高及可并行读取等独特优点，被认为最有潜力与传统的磁性存储技术竞争。所以，全息存储从全息术诞生之日起，就受到了充分的注意。用感光干版作为普通照相记录信息时，信息存储密度的数量级一般为105bit/mm2，用平面全息图存储信息时，存储密度一般可提高一个数量级达106bit/mm2，如果用体全息图存储信息时，存储密度可高达1013bit/cm3。用于全息存储的记录材料较多，有可永久保存的银盐干版、光聚合物及光致抗蚀剂等，也有可擦除重复使用的光导热塑料、有机或无机的光致变色和光折变材料。60 年代末发现光折射变效应以后。在光折变晶体中全息存储曾一度成为热点，并提出过许多设计精巧的存储方案。1975 年，英国RCA 公司首次报道了在1cm3 的铌酸锂晶体中存储500 幅全息图的实验。这些早期的工作虽然很出色，但是由于高性能的体全息存储器对光学系统和元器件的要求较高，技术上相对复杂，而且更主要的是当时半导体存储技术和磁存储技术发展得非常迅速并能满足计算机输入/输出的要求，再加上后来发展的光盘存储技术又以其与磁存储技术相兼容的优势而使全息存储技术一度发展迟缓，实用化的研究停滞不前。在中国，许多研究人员也放弃了这项技术的研究。进入80年代后，光计算的热潮又重新激发起对光全息存储的研究兴趣。全息存储技术在光计算领域中有广阔的应用前景。这一时期的研究工作主要是集中在存储方法和存储材料方面，同时，全息存储器（系统）也开始向实用化迈进。
    英国Northrop公司于1991年在1cm3掺铁铌酸锂晶体中存储并高保真再现了500 幅高分辨率军用车辆全息图。1992 年，又在同样的铌酸锂晶体中存储1000 页的数字数据，并无任何错误地复制到数字计算机的存储器。这些研究表明，全息存储具有足够的保真度，可用于数字计算机的存储。全息存储器可望存储几千亿字节数的数据（目前光盘是6.4亿字节数据），并以等于或大于108bit/s 的速度传送数据，可在100us 或更短的时间内随机选择一个数据页面。因此，其它任何一种同时具有这三项优点的存储技术都没有体全息存储这样接近实用化阶段。这一事实在世界范围内再次引起全息存储研究的热潮并取得很大的进展。其主要表现在：（1）存储容量迅速提高和性能不断改善，并逐步走向实用。（2）实用化的全息存储系统逐渐推出。在国外学术界和工业界，已进行了许多令人难忘的实验演示，证明全息存储器具有作为竞争性商品化产品所必须具有的存储容量，读出速度和保真度。我国有几所大学和研究所的实验室也投入了这热潮中，目前还未解决的一个难题是寻找合适的记录材料。无疑，今后几年将是规划生产可与其他存储技术相竞争的全息存储器的良机。但人们能否抓住这个良机，主要取决于能否及时开发出实用化的记录材料和系统。另外，在我国还必须吸取科研单位与企业脱离之教训。
    1.3.3 显示全息
    显示全息术或称全息三维显示是光全息术应用的一个重要方面。随着科学技术的进步，显示全息图将被普遍推广应用。每年一次的显示全息术国际会议都伴随着展出令人惊讶的全息图，它们或相栩栩如生、或色彩鲜艳、或变化无穷、或显示的物波占前后空间（以像基为中心）半米多的三维立体像。让人欣赏到精美的物体细节，逼真的立体视觉，带给人遐想和灵感。因此这项技术在艺术领域中有广泛的应用。
    显示全息图目前主要分两大类：第一类是Lippman 全息图，制作方法有Denisyuk 的单光束法和Benton 的开窗法。随着高质量记录材料的发展，随后的一些研究者和艺术家不断地追求更实用的拍摄技术，如假彩色编码和真彩色反射全息图等等。第二类是S•A•Benton 的彩虹全息图。这项发明是确定光全息术产业化的奠基石，这是一种透射或显示全息图，由于重现像存在彩虹般的色彩而得名。作为商品广告或艺术显示，彩虹全息图市场追求的是大幅，一般在60cm×80cm 或1m 见方。在我国，由于缺乏好的全息记录材料及相对落后的实验设备，使其制作技术水平与国外相比有一定的差距，因此多年来一直无法使显示全息图形成
商品化。DCG 全息图曾一度作为小艺术品匆匆忙忙进入市场，1992 年曾有三个公司销售额是920 万人民币，但终因产品的技术指标达不到市场的要求且产品的单一性而走下坡路。然而部分全息界的专家没有放弃追求。1999 年9 月在深圳召开的“中国国际首届高新技术成果交易会”上展出了由厦门大学刘守等人用国产银盐版拍摄的几张反射全息图，引起了商业巨子们的极大兴趣。投资商们已着手这项技术的开发工作，可望这项典型的科学与艺术相结
合的技术成果在21 世纪初走进千家万户。
    1.3.4 模压全息
    70 年代出现了模压全息产品，至今已产业化。率先获得迅速发展的是美国、日本、英国、法国等国家。第一个模压全息防伪标识是1980 年在美国生产的，1983 年美国钞票公司制造了带全息防伪的VISA 银行卡。模压全息图作为安全防伪是遥遥领先的。它以新奇的、强烈的视觉效果、制作的难度以及易于应用在钞票的包装上，不能去除性、价格低廉、容易验证等特点，使它很快占领了防伪领域。于是在身份证、护照、信用卡、名优产品、名牌服装标签，以及各类证件中得到广泛应用。而其逼真的三维显示、变幻无穷以及五彩缤纷的图像，使其在包装、产品促销和装饰上得到充分应用。我国模压全息术起步较晚，但发展之迅猛让国际同行吃惊。根据国内外市场现状的分析，我国模压全息产业的未来在三个发展方向上必须引起重视：首先是如何开拓全息烫金材料，如果能够用任何图案都显示出五彩缤纷、变幻莫测且具有高防伪力度的全息烫印材料去取代今天这种古老的金膜、银膜，无疑是印刷工业史上的一场革命。其次是全息包装材料。一件精美的包装，最重要的是要具备有特色和独特的外观。这直接影响到消费者对商品的欲望。透明或镀铅彩虹全息材料完全符合了这种包装的要求。这将使模压全息图进入一个更广泛的领域——立体防伪包装。第三是模压全息术跟现代印刷术相结合，这样在产品的整体包装或标贴上更让消费者接受。可以说，21 世纪包装工业中最具魅力、防伪力度最强的材料就属模压全息图。

光全息术在其它领域的现状
光全息术的问世至今已有半个世纪的历程。其应用领域之广泛和对其他现状技术的影响理应写入20 世纪高科技成果之列。除上面提到的几个领域外，诸如：取代古老的光栅元件的全息光栅，在现代军事和宇航中获得了重要应用；全息显微术和X射线全息术的结合可用来研究物质的微观结构和生命现象细微过程等等。又如，计算机全息图可再现实际不存在的三维物体象等等。这诸多领域的研究和应用近年来都有了很大的进展。在当前科技飞速发展的数字化的氛围中，我国未来的光全息术及其产业一定会有一个更加光辉灿烂的前景。

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