[科普中國(guó)]-全息記錄

全息術(shù)

全息術(shù)是由英國(guó)科學(xué)家丹尼斯·伽柏((Dennis Garbor)于1948年為了提高電子顯微鏡的分辨率，在布拉格(Bragg)和澤尼克(Zernike)的工作基礎(chǔ)上而提出來(lái)的，他利用水銀燈發(fā)出的可見(jiàn)光代替電子波，獲得了第一張全息圖及重建像，由于光源的相干性差，全息圖只能采用同軸方式記錄，但同軸全息術(shù)中三級(jí)像無(wú)法分離這一特點(diǎn)限制了全息術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。直到1960年激光器的出現(xiàn)為全息術(shù)的迅速發(fā)展開(kāi)辟了廣闊的道路，1962年美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)的E.N.利思(E.N.Leith)和J.烏帕特尼克斯(J. Upatnieks)提出了離軸全息的新方法，從此，全息術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展的時(shí)期。

數(shù)字全息術(shù)是一種全新型的成像與測(cè)量技術(shù)，它是光學(xué)與光電技術(shù)、數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度結(jié)合，是用電荷禍合器件((Charge-coupled Device, CCD)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全息記錄材料來(lái)記錄全息圖，并通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算光學(xué)衍射場(chǎng)再現(xiàn)物光波前，可準(zhǔn)實(shí)時(shí)再現(xiàn)逼真的三維物體。

數(shù)字全息術(shù)的思想是由J. W. Goodman和R. W. Lawrence在1967年提出來(lái)的數(shù)值化的全息圖的重建是由M. A. Kronrod和L. P Yaroslavsky首次進(jìn)行的。在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，數(shù)字全息圖重建的構(gòu)想一直受到計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的限制，數(shù)字全息發(fā)展比較緩慢，在1994年數(shù)字全息技術(shù)因電荷耦合器件(CCD)的問(wèn)世取得突破性的進(jìn)展，Schnars和Juptner利用電荷耦合器件(CCD)直接記錄全息圖并且利用計(jì)算機(jī)數(shù)值再現(xiàn)全息圖，使得數(shù)字全息的記錄和再現(xiàn)完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化[}]。全息術(shù)發(fā)展到今天，從光源的使用、記錄介質(zhì)和重建的方法來(lái)看，可以分為四代:第一代是用水銀燈記錄的同軸全息圖，同時(shí)這也是全息術(shù)萌芽的時(shí)期，出現(xiàn)的問(wèn)題是全息重建原始像、零級(jí)像和共扼像不能夠分離;第二代是用激光來(lái)記錄全息圖，同時(shí)也用激光再現(xiàn)全息圖，并且采用離軸記錄光路記錄全息圖，把原始像、零級(jí)像和共扼像完全分離開(kāi)了;第三代是用激光記錄全息圖，白光重建，主要有反射全息、彩虹全息以及合成全息。前三代的全息術(shù)也稱為光學(xué)全息。第四代是數(shù)字全息時(shí)代，它是用光敏電子成像器件CCD代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鹵化銀、重鉻酸鹽明膠等材料來(lái)記錄全息圖，以數(shù)字的形式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，并由計(jì)算機(jī)以數(shù)字的方式再現(xiàn)物體的原始像。1

原理全息記錄原理與全息照相原理相同，只是實(shí)現(xiàn)方法不一樣。全息照相是將膠片作為記錄介質(zhì)，而全息記錄介質(zhì)則是具有光折射特性的光敏晶體材料。另外，兩者所用的物光不同。目前實(shí)現(xiàn)全息記錄的激光是藍(lán)綠色氫激光，分成參考光束和物光束。用物光束承載信息，投射到用LCD構(gòu)成的空間調(diào)制器(SLM)上，用一頁(yè)點(diǎn)陣的亮和暗所代表的二進(jìn)制數(shù)字表示信息，與參考光束同時(shí)投射在光敏晶體上相互作用、就可將一頁(yè)數(shù)據(jù)變成干涉條紋圖形存儲(chǔ)在晶體中。讀出時(shí)，用基準(zhǔn)光束照射晶體，與晶體內(nèi)干涉條紋圖像相互作用，還原出原來(lái)寫(xiě)人的一頁(yè)由亮和暗點(diǎn)陣構(gòu)成的圖像，并從CCD(電荷藕合器件)板上讀取數(shù)據(jù)。

由于讀出數(shù)據(jù)時(shí)其基準(zhǔn)光束投射角度必須與寫(xiě)入時(shí)角度一樣，其誤差不能超過(guò)幾分之一，所以利用這一特性可大大提高存儲(chǔ)密度;利用不同的投射角度可在同一晶體上存儲(chǔ)不同的信息。在1cm的光敏晶體中，可存儲(chǔ)1萬(wàn)張信息頁(yè)，每一頁(yè)都可包含IMB的信息。這種存儲(chǔ)器的最大特點(diǎn)是它的非易失性，即斷電后所存儲(chǔ)的信息也不會(huì)消失。而且，即使部分介質(zhì)有損壞，也能和全息照片一樣還原成原來(lái)的信息。2

全息記錄材料在全息術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，全息記錄材料作為其載體扮演著十分重要的角色。目前常用的全息記錄介質(zhì)有鹵化銀乳膠、重鉻酸鹽明膠、光致抗蝕劑、光致聚合物、光導(dǎo)熱塑料、光折變晶體、液晶等。這些材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，右圖對(duì)這幾種材料的記錄原理、調(diào)制方式等進(jìn)行了粗略的總結(jié)與比較。

鹵化銀乳膠鹵化銀乳膠是一種常用的全息記錄材料，它具有很高的感光靈敏度、光譜響應(yīng)范圍寬、通用性強(qiáng)、環(huán)境穩(wěn)定性好，但鹵化銀材料也存在著衍射效率不高、漂白后圖像噪聲大、材料制備及后處理步驟繁復(fù)等缺點(diǎn)。常用的鹵化銀乳膠材料有天津感光膠片公司、阿克發(fā)(Agfa)公司、依爾福(Ilford )公司、柯達(dá)公司生產(chǎn)的全息干版(或軟片)。

光致聚合物光致聚合物材料是一種非銀鹽感光高分子全息記錄材料，其作為全息記錄材料的研究開(kāi)始于60年代。主要是用光化學(xué)方法產(chǎn)生自由基或離子引發(fā)單體發(fā)生聚合反應(yīng)。單體可以直接受光激發(fā)引起聚合，也可由光引發(fā)劑或光敏劑受光作用引發(fā)單體聚合。光引發(fā)聚合是光引發(fā)劑首先吸收光子躍遷到激發(fā)態(tài)，在激發(fā)態(tài)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成活性種子(自由基或離子)，然后這些活性種子引發(fā)單體聚合:光敏引發(fā)聚合是光敏劑首先吸收光子躍遷到激發(fā)態(tài)，在激發(fā)態(tài)的光敏劑與引發(fā)劑之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移或電子轉(zhuǎn)換，由引發(fā)劑產(chǎn)生活性種子，這種活性種子再引發(fā)單體聚合，這兩種光聚合都有連鎖反應(yīng)的鏈增長(zhǎng)過(guò)程，光反應(yīng)的量子效率可通過(guò)連鎖過(guò)程得到放大，一般可達(dá)到100~1000。光致聚合物全息記錄材料具有靈敏度及衍射效率高、加工方便、可實(shí)時(shí)干法顯影等優(yōu)點(diǎn)。

目前國(guó)際上這方面的產(chǎn)品主要有美國(guó)杜邦( Du Pout)公司的HRF, OmniDex系列，以及美國(guó)波拉(Polaroid)公司的DMP-128系列光致聚合物材料。國(guó)內(nèi)自80年代末以來(lái)也開(kāi)展了光致聚合型材料的研究，已取得一些進(jìn)展。

重鉻酸鹽明膠重鉻酸鹽明膠是一種重要的全息記錄材料，其作為照像材料已有很長(zhǎng)的歷史。最早用于照像和印刷術(shù)中是利用厚度的變化，同樣原理可以用于制作浮雕型全息圖。向明膠溶液中加入少量的重鉻酸鹽溶液就成為對(duì)藍(lán)綠光敏感的記錄材料，曝光部分變硬，較未曝光部分難溶于水中。用水顯影可以將未曝光的部分洗去，便形成浮雕型全息圖。不過(guò)這樣制成的全息圖并沒(méi)有很高的衍射效率，用該方法作成的表面浮雕型全息圖沒(méi)有充分體現(xiàn)出DCG的優(yōu)點(diǎn)。1968年，Shankof對(duì)傳統(tǒng)印刷產(chǎn)業(yè)中所使用的DCG及其水洗顯影工藝進(jìn)行了改造，革命性的提出了預(yù)硬化DCG體系以及水一醇顯影工藝。這一工作不但使明膠材料可以用于記錄全息圖，而且使DCG材料以其所具有的高相位調(diào)制能力、高分辨率、高衍射效率、高信噪比等優(yōu)點(diǎn)成為最優(yōu)秀的全息記錄材料之一。目前DCG作為一種相位型全息記錄介質(zhì)，已廣泛應(yīng)用于光信息的記錄和保存、各種光學(xué)元件(如全息光柵、全息透鏡)和全息藝術(shù)照片的制作等。但DCG材料在應(yīng)用中也存在著如下不足:(1) DCG材料的光譜敏感范圍在藍(lán)綠光區(qū)，對(duì)紅光不敏感，全息記錄需采用價(jià)格昂貴、使用壽命較短的氫離子激光器而不能采用廉價(jià)長(zhǎng)壽命的氦氖激光器;(2)感光靈敏度低，全息記錄時(shí)間長(zhǎng)，記錄時(shí)的防震要求高;(3)材料對(duì)空氣中濕氣的抵抗能力差，全息圖需密封才能長(zhǎng)時(shí)間保存。(4)目前研究的材料光譜響應(yīng)范圍窄，不能全色感光，制約了該材料在真彩色全息顯示、多波長(zhǎng)全息干涉計(jì)量、波長(zhǎng)復(fù)用高密度全息存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

光致抗蝕劑光致抗蝕劑是一種重要的感光高分子全息記錄材料。經(jīng)光照射后，光致抗蝕劑涂層中發(fā)生化學(xué)變化，隨著曝光量的不同產(chǎn)生不同的溶解力，用合適的溶劑顯影可使未曝光區(qū)或曝光區(qū)加速溶解。曝光部分被溶解的稱正性光致抗蝕劑，未曝光部分被溶解的稱為負(fù)性光致抗蝕劑。在全息術(shù)中使用正性光致抗蝕劑，可以得到高質(zhì)量浮雕全息圖。浮雕全息圖可用作大批量模壓復(fù)制全息圖的母板，目前，光致抗蝕劑己廣泛應(yīng)用于微細(xì)圖形加工、半導(dǎo)體器件制作、集成電路及印刷電路板生產(chǎn)等方面。

光折變晶體具有光折變效應(yīng)的晶體稱為光折變晶體。光折變效應(yīng)是19b6年在晶體中發(fā)現(xiàn)的，指的是光入射到光折變晶體上引起材料折射率的改變。其物理過(guò)程是，當(dāng)光照射到晶體上時(shí)，由于入射光的光電離作用，在晶體中激起載流子(電子或空穴或離子)，載流子在晶體內(nèi)漂移、擴(kuò)散或躍遷，形成空間電荷分布，進(jìn)而形成新的空間電場(chǎng)，此電場(chǎng)通過(guò)電光效應(yīng)調(diào)制折射率，從而使晶體的折射率發(fā)生變化。

光導(dǎo)熱塑料光導(dǎo)熱塑料是一種浮雕型相位記錄材料，其結(jié)構(gòu)是，在基片上先涂布一層透明導(dǎo)體，其上是一層透明光電導(dǎo)體，最上面是一層熱塑料。使用時(shí)，首先對(duì)材料進(jìn)行敏化，在熱塑料和透明導(dǎo)體之間建立均勻的電位差;第二步曝光，曝光部分光導(dǎo)放電;第三步再充電;第四步顯影定影，顯影過(guò)程是加熱使熱塑料軟化，由于電場(chǎng)的作用使熱塑料變形，定影過(guò)程就是冷卻，于是形成了浮雕型的相位全息圖。

光導(dǎo)熱塑料作為全息記錄材料的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)可見(jiàn)光敏感、干法顯影、衍射效率高、能重復(fù)使用等。缺點(diǎn)是分辨率低，高質(zhì)量薄膜制備困難。3