全息照相原理及其應(yīng)用探析

劉玉欣

（白城師范學(xué)院，吉林 白城 137000）

全息照相是一種全新的技術(shù)，是一種不使用透鏡便能夠?qū)崿F(xiàn)三維成像，并且記錄的信息易于存儲(chǔ)，便于攜帶，其主要目的不在于照相，而是利用光的原理，使其在工農(nóng)業(yè)、科研等技術(shù)領(lǐng)域取得廣闊的運(yùn)用和發(fā)展。在全息照相實(shí)驗(yàn)中，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)精密度要求極高，所以實(shí)驗(yàn)中也要注意相關(guān)問題，有利于能培養(yǎng)基本實(shí)驗(yàn)技能，同時(shí)提高解決實(shí)際問題的能力。

一、全息照相原理概述

首先，由激光器發(fā)出的激光束（波長為λ），經(jīng)過分光鏡B 被分成兩束光，一束照射到物體上，經(jīng)物體反射或透射，就帶有物體的有關(guān)信息，稱為物光束；另一束則直接照射到感全息底片上，稱為參考光束。物光束經(jīng)處理和參考光匯聚到感光底片的同一區(qū)域并發(fā)生干涉，形成干涉條紋。

底片記錄的是干涉條紋疊加后的圖像，由于參考光是直接照射到全息底片上，則各處的強(qiáng)弱程度是一樣的，但由于物體表面的性質(zhì)不同，則各處反射率不同，所以通過物體投射出光的強(qiáng)度也不同。所以，物光和參考光在匯聚疊加時(shí)各處強(qiáng)度不同，形成了明暗相間的干涉條紋，清晰的記錄了物光的振幅和相位的信息。

設(shè)O 為物體上某一發(fā)光點(diǎn)，

設(shè)參考光在b 處的波動(dòng)方程為:y0=Acos(ωt+φ0)，

物光在O 點(diǎn)處的波動(dòng)方程為:y1=A1cos(ωt+φ1)，

物光在a 點(diǎn)處的波動(dòng)方程為 y=A cos(ωt+φ+2xr/λ)，

參考光與物光的相位差δφ=φ0-φ1+2xr/λ。

由干涉知:

δφ=(2k+1)π處為暗條紋，解得r=λ[(2k+1)π+φ 1+φ0]/2π，

δφ=2kπ處為明條紋，解得r=λ(2kπ+φ1-φ0)/2 π。

設(shè)a、b 為相鄰的兩暗紋,由干涉知:a、b 兩處的物光與參考光必須相反，因?yàn)閍、b 兩處的參考光相同,所以其物光的波程差為入，有幾何關(guān)系知：λ=sinθdx，dx=λ/sinθ。

由此可知：當(dāng)θ大小不同時(shí)，兩光束形成的干涉條紋的間距也不同，θ的大小可以反映出物光的相位，在根據(jù)條紋的方向即可確定物體的具體位置。[1]

最后，對(duì)全息底片經(jīng)過多重步驟的處理，在顯影和定影之后形成全息圖，用一束頻率和傳播方向與均與參考光相同的激光照射全息圖，就可以再現(xiàn)物體的立體圖像，人們可以從不同的角度看到物體的不同形態(tài)。該全息圖以光學(xué)編碼的形式記錄著物光的全部信息。

二、全息照相技術(shù)的應(yīng)用

全息照相是一種尖端科技，最早它是1948 年丹尼斯·蓋伯為改善電子顯微鏡像質(zhì)所提出的一種記錄光波振幅和相位的方法，即全息術(shù)，并繪制出世界第一張全息圖。在之后的數(shù)年中，全息術(shù)發(fā)展較為緩慢，直到激光的出現(xiàn)使得全息術(shù)得到了質(zhì)的飛躍。20 世紀(jì)60 年代，第一代激光全息技術(shù)衍生出多種實(shí)用的技術(shù)，出現(xiàn)的白光全息以及“彩虹”全息技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用于紙幣印刷，商標(biāo)和各種食品包裝上，用于檢驗(yàn)真?zhèn)?。同時(shí)，全息技術(shù)在科技文化、工農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥及軍事等領(lǐng)域有著更加廣泛的應(yīng)用。

1.全息光學(xué)元件

（1）全息光柵

全息光柵是一種重要的分光元件，它是由兩束具有特定波面形狀的光束發(fā)生干涉，形成明暗相間的干涉條紋，最后經(jīng)處理得到的。全息光柵又可根據(jù)光束波面形狀的不同分為平面光柵、矩形光柵、余弦光柵等等。全息光柵具有很多優(yōu)點(diǎn)：相比于傳統(tǒng)的光柵，其光譜中無鬼線和半線，這是使得全息光柵最受歡迎的原因；同時(shí)制造周期短、制作成本低；分辨率高，雜散光少，由于全息技術(shù)使得光柵刻線總數(shù)增加，因此色散率和分辨率也大幅度增加；對(duì)環(huán)境要求低，可用于科研、教學(xué)和各種產(chǎn)品的開發(fā)。

（2）全息濾波片

濾光片是介質(zhì)表面的兩平面波相干疊加制得的全息圖，全息技術(shù)利用的是激光干涉原理，記錄的是干涉條紋的振幅和相位信息，當(dāng)某復(fù)色光入射時(shí)，加入濾光片為了過濾掉其他顏色的光，將滿足衍射條件光能再現(xiàn)出來，從而起到濾光作用。

（3）全息透鏡

用一球面光波（或平面光波）和另一球面光波相干疊加所制得的全息圖就是一個(gè)全息透鏡。最早出現(xiàn)的菲涅耳波帶片是全息透鏡的雛形，但由于其效率低且存在多級(jí)像，所以沒有獲得實(shí)際應(yīng)用。20 世紀(jì)60 年代，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，全息透鏡等新型光學(xué)元件也得到了發(fā)展與應(yīng)用?，F(xiàn)如今，全息透鏡已成為光學(xué)系統(tǒng)中的一個(gè)重要成像元件，應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其在軍用方面，對(duì)其光學(xué)儀器在減輕重量方面做出了巨大貢獻(xiàn)。

2.全息存儲(chǔ)

全息存儲(chǔ)是利用全息照相的技術(shù)原理來記錄圖文數(shù)據(jù)的。其優(yōu)點(diǎn)在于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，可提供高達(dá)1000TB的容量。相比之下，目前硬盤的最大容量僅為2TB，這個(gè)容量只相當(dāng)于全息存儲(chǔ)容量的“冰山一角”。同時(shí)，全息存儲(chǔ)可以并行讀寫數(shù)百萬比特，大大地提高了信號(hào)的傳輸、存儲(chǔ)速度。

全息存儲(chǔ)的最大優(yōu)點(diǎn)是超高密度，不僅如此，它還具有極大的提升潛力，一個(gè)小的全息芯片可以存儲(chǔ)大量的“內(nèi)在能量”是一個(gè)革命性的突破，所以，只要控制芯片具有足夠強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，全息存儲(chǔ)技術(shù)將會(huì)繼續(xù)發(fā)展，成為最有希望的新一代存儲(chǔ)技術(shù)。[2]

3.全息干涉測量

光學(xué)干涉測量是在大量拍攝實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)并發(fā)展起來的一門新型技術(shù)。早在1962 年，在成功拍攝第一張激光全息照片后，以美國利思為首的研究小組偶然發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一張全息底片經(jīng)過二次重復(fù)曝光后，其攝得的全息照片的物象將呈現(xiàn)出不同于之前的獨(dú)特的干涉條紋，它們帶有被攝物體的全部信息，并將其全部記錄下來。

全息干涉測量大都是非接觸測量，具有很高的測量靈敏度和精確度，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)無損檢測、物體微小形變位移測量、振動(dòng)檢測及光學(xué)信息的存儲(chǔ)等領(lǐng)域。但是相比于國外的研究與應(yīng)用，我們應(yīng)多研究新型的測量方法，研究多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，大幅度提升全息干涉測量的技術(shù)。

4.顯示全息

全息顯示是基于全息照相的一種應(yīng)用，其觀察時(shí)只要使用參考光照射全息底片，即可在全息底片上觀測到物體的三維形態(tài)。同時(shí)，可以在激光透射全息圖片的基礎(chǔ)上制作各種類型的全息圖片，如白光透射、反射全息圖片等，這些圖片可用于室內(nèi)裝修、舞臺(tái)布景、投影等。再如以動(dòng)態(tài)顯示的全息術(shù)、3D 動(dòng)畫片等都充分展示了全息術(shù)的創(chuàng)造性魅力和立體美。[3]不僅如此，全息照相能再現(xiàn)潛伏于水下物體的三維圖樣，因此，它可用來做水下的監(jiān)察和監(jiān)控，為我們提供了大大的便利。

5.模壓全息

模壓全息技術(shù)是將全息照相得到的干涉條紋壓印到一種光致抗蝕材料上，并用白光再現(xiàn)，可以得到原來物體的三維立體圖像。自1970 年發(fā)現(xiàn)模壓全息技術(shù)以來，經(jīng)過十余年的發(fā)展，模壓全息圖已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科學(xué)、教育、文化、商業(yè)等諸多領(lǐng)域，并在迅猛發(fā)展。[4]模壓圖片技術(shù)含量高，同時(shí)帶有保密性，可以防止隨意復(fù)制，在信息的存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)移上可以起到防偽作用。

隨著科技的進(jìn)步，全息照相的發(fā)展也在不斷向前，從最早的一張全息圖到現(xiàn)如今全息技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，我們深知科學(xué)發(fā)展的力量。相信全息照相技術(shù)并不會(huì)止步于此，在不久的未來，它會(huì)被更加完善，排除多種困難，應(yīng)用到更多更新興的產(chǎn)業(yè)，為人們的生活帶來更加豐富的體驗(yàn)。