浅谈全息术的原理及其应用002

《近代物理光学基础》课程论文班级：11物理学一班学号：111101002姓名：欧阳建伟1浅谈全息术的原理及其应用摘要：1948年，英国科学家DennisGabor创立了全息术，但由于方法和条件等原因，最初十几年其发展很缓慢。激光问世后，全息术就得到了迅速的发展。目前，全息术在科技、文化、工农业、医学及军事领域都得到了广泛应用。随着科技的进步，全息术在不断向前发展，并逐步深入到现代生活的应用当中。本文着重介绍全息术的物理原理及其在社会各领域的应用，让人们了解并认识全息术这一新兴科技在各领域中发挥的重要作用。关键词：全息术；全息应用；全息原理；全息摄影引言全息也称为全息术、全息照相、全息照相技术。全息术是利用光的干涉原理，将物体发射的特定光波以干涉条文的形式记录下来并在一定条件下使其衍射再现，形成与原物体逼真的三维像。全息照相把物光波的强度分布和相位分布都完整的记录下来，也即记录了物体的全部信息（而普通照相只能记录物光波的光强分布，因为光波导相位数值在光强的记录过程中被损失掉）。因此把这种照相术为全息照相术或全息术。全息术已远远不只局限于全息照相中，它已逐渐渗透到社会的各个领域，并被广泛地应用于科学研究和工业生产中。1全息术的提出与发展现状全息术的思想最早由英国科学家DennisGabor在1948年提出的，这是一个极大的成就，但在当时并没有受到重视，并且也难以推广，其原因是制作全息照相底片的实验装置所需要的单色光束应该具有优良的相干长度，而又需要有足够的光源，这在当时是很难实现的条件，因而影响了它的发展。但是在激光问世以后，上述的要求已成为轻而易举的事，因此全息照相术得到了迅速的发展。Gabor在全息照相术中对光波波前的重建和对光波中的相位参数的认识等成就而被大家所公认，终于在1971年获诺贝尔物理学奖（相距发明24年以后）[1]。激光再现的全息图失去了色彩信息，促使科学家们开始致力于研究第三代全息图。1962年，前苏联Denisyuk将Lippman彩色照相法与全息术相结合，发明了反射式全息图，并首次提出了体积全息和白光再现的思想。1969年美国人Benton在全息图的碎片能再现物体完整像的启发下，提出了彩虹全息术。全息术的迅速发展，使得全息术的应用更加普及。全息图能再现物体的三维立体图像，随着拍摄技术的提高，2高衍射率、低噪声的优质全息图，给人以色彩艳丽，图像逼真的立体视觉，是显示全息被普遍的推广应用。如艺术图像精品、稀世文物再现的展览、大幅仿真的商业广告。建筑物的展示等[2]。2全息术的原理及优点2.1全息术的物理原理全息照相术是一种记录光波全部信息及使之再现的新技术。它是将光波的振幅和相位信息记录在一张感光的照相底片上。普通照相是用光学镜头把物体成像在感光胶片上，经过冲洗印象得到与物体相似的平面像，它记录的是物的各点的光强分布。全息照相不用镜头成像，它的基本方法是把一束激光用分光器分成两束，一束激光直接照在感光胶片上，称为参考光束；另一束光照射在原物体上，使在原物体的表面上发生漫反射，这种漫反射的光波照射到全息感光底片上，就与参考光束相叠加而产生干涉，所以全息感光底片上所获得的图像实际上是一幅十分复杂的干涉条纹图案，曝光后的底片经过显影和定影后就称为一幅透明的全息底片。全息照相底片并没有物体形象，是一片极细的各种条纹构成的图案，若用原参考光去照射，便可得到原物体的空间（三维）再现影像，一般可得到一个虚像一个实像[3]。图一全息记录3图二全息再现2.2全息术的优点全息术之所以被广泛应用推广，是因为它具有不可替代的优点。（1）全息照片记录了物光波的强度和相位。用特定的单色光照射能在特定的光线和范围内再现物光波，再现的物光波与原物体所发射的光波完全相同，所以可以看到原物体的立体图像，是原物体的虚像。（2）全息图上任何局部的点，都记录了来自空间每一点的振幅、相位信息，所以全息图能够做到死而不“已”，即使记录载体有缺损或部分损伤，也并不影响整个像的再现，依旧可以形成完整的像。（3）信息容量大。一张全息照片中可以记录多个物光波，主要是是参考光束在不同的入射方向，因而可以储存的信息要比普通的照片多得多，并且全息照相底片可以经过多次曝光[1]。3全息术的应用从全息术的提出到今天，全息已经和多个学科交叉融合，形成了全息干设计量，全息显示，全息显微，全息电影，全息储存，彩虹全息等技术，并在人们的生活中得到广泛应用。3.1全息术在光学领域中的应用光全息术作为光学的一个分支，正是现代光学的蓬勃发展，才引起了光全息术的产生和发展。然而光全息术的发展也带动了光学的全面发展。利用全息原理制作的光学元件在光学及其他领域中发挥着巨大的作用。一个全息光学元件就是一个特定的全4息图，是一个能够完成特定光学功能的高质量的全息图。全息光学元件的优点是结构紧凑、质量轻、成本低，并能提供一定的功能，尤其是能够完成普通光学元件承担的绝大部分任务。基于这些优点，全息光学元件原来越广泛地应用于各个领域中，全息平板显示器及全息扫描器都是全息光学元件成功应用的例子。全息光学元件的应用还有很多。例如，用全息透镜矫正单玻璃透镜的球差和色差，全息光学元件应用在CD录放头光学系统中以代替普通的准直透镜、分束镜、柱面镜及物镜等。用全息光学元件完成激光器混合装置中的对准调校，超级市场上使用的全息条纹码识别器，光学调制器，光学互联器和光学数据处理器等[4]。3.2全息术在工业中的应用用全息干涉的方法进行精密测量，称为全息干设计量，是目前全息应用在广泛的领域之一。全息干设计量术是利用空间波前再现的原理，对物体无接触地进行三维观测且不论物体表面光洁度如何，都能相对分析测量到波长数量级的水平。它还可以对一个物体的两个不同时刻的状态进行对比，从而可以探测物体在一段时间内繁盛的任何变化[5]。目前，全息干设计量分析在无损检验、振动分析、微应力应变测量、形状和等高线的检测等领域，并已得到了广泛的应用。3.3全息术在军事上的应用全息术武器是美国正在研制的一种非致命武器，它是采用激光装置从空间站把模拟的影像传送到云层表面，当与敌方交战时，这种影像能及时出现在空中，对敌方进行信息骚扰。这种武器虽不会伤害人的性命及致残人的身体，但却能干扰人的心理，崩溃人的精神，使人产生厌战情绪，进而使人解除武器逃离战场[6]。目前，美国国防部的科研机构正致力于研究空中模拟伊斯兰教殉难圣徒的全息图像，让这些圣徒从“天上”发出号令，规劝教友“停止抵抗，返回家园”。各国军队对美国的这类试验都非常感兴趣，称其为“现代条件下高技术与心理战的联姻”，并认为全息术武器在未来战场上肯定会大有用武之地，全息术成像逼真等特点决定了这一技术在军事领域将具有广泛的应用前景。以往心理战的主要媒介是印刷品和广播，现今可通过全息摄影技术将声音与逼真的影像完美地结合起来，起到意想不到的心理战效果。在未来高技术局部战争中，以全息术武器为代表的新一代攻心武器将崭露头角，并发挥巨大作用。3.4全息技术在防伪材料方面的应用全息影像的应用起初是用于激光防伪方面。1980年，美国科学家成功地印制出5世界上第一张模压全息图片。这种激光全息图片又称彩虹全息图片，是通过激光制版将影像制作到塑料薄膜上，产生五光十色的衍射效果，使图片具有二维、三维空间感。这种全息图像的全息信息用普通照相机无法拍摄，因而全息图案难以复制，第一个将全息图片用作防伪标识的产品是一种威士忌酒。在引进初期，这种防伪技术确实起到了一定的防伪作用，它的销售额较以前增加了45%左右。近几年出现了全息转移纸技术，也称为真空镀膜转移纸。它是将全息信息采用模压工艺预先模压在特定的膜上，并进行真空镀膜，然后再将镀层转移到纸张或纸板表面。全息转移纸具有两层（或多层）记录各种信息的载体。正是基于这种制造工艺，全息转移纸具有防伪、耐折、装饰、耐磨、可印刷、环保等优点。相信随着全息技术的发展，全息防伪技术将取得进一步的发展。3.5全息影像在文物展览保护方面的应用由于文物易受光和气体等外界因素的腐蚀，人们在参观文物展出的同时，对文物本身会带来一些破坏。全息影像在文物保护方面可以发挥作用。全息影像技术在展出时真实地立体再现文物，供参观者欣赏，而使原物保存完好。如此既能满足人们参观文物的需求又能切实的保护文物。3.6全息术在医疗方面的应用全息术用在医学上，可以帮助医生全面了解患者病情。在疾病的诊断过程中，利用激光全息成像技术可以提供病患部位的三维立体图像，并可以用显微镜对其图像的不同位置进行逐层观察和研究。也可以利用激光全息成像技术提供各个病变部分单独的三维立体图像以做深入的检查。采用激光全息技术，让穿过人体检查部位的超声波作用在液面上，同时把一束激光分成两束：一束照射到液面上并被液面反射到摄像机上；另一束作为参考光直接照到摄像机上，这样摄像机便可以记录下带有声全息的干涉图，在通过激光还原就可以得到超声波的全息图。利用这种全息诊断方法可以查出直径在1mm以上的乳腺癌，有利于癌症的早期诊断和治疗。3.7全息影像在影视方面的应用全息电影是在全息摄影基础上发展起来的新型电影。全息电影系统方案能够借助一种特殊的全席银幕，是影响倍增从而实现多区影像再现。放映室用激光投射全息片，观众不用戴立体眼镜就能看到立体的影像。全息电影技术较为复杂，拍摄时也必须以激光照射，激光能量太大会伤害演员，太小又达不到拍摄效果。因此，全息电影一般6多用于拍摄风光片、木偶片和动物等。全息电影和基于全息技术的3D数字电影技术已经得到迅速发展，这是一种全新的革命性的技术。今天，全息电影和基于全息技术的3D数字电影的表现力远远超过了普通电影，它们是电影制作的未来，代表了媒体世界的全新时代。结语随着科技的进步，全息术在不断向前发展，并深入到现代生活的应用当中。一个以全息技术为主题的新兴工业体系正在全球崛起，相信在不久的将来，全息术能为人们的生活带来更丰富的体验。参考文献：[1]章志鸣，沈元华，陈惠芬．光学第三版[M]．北京：高等教育出版社，2009:309~314．[2]李冬萍．全息术的发展和应用[J]．大学物理实验，2003，02(3)：18．[3]朱家健．浅谈全息术及其应用[J]．中国科技信息，2008，21(1)：5．[4]戚祖敏．简谈全息技术在现代社会中的应用[J]．大众科技，2008，09(8)：23．[5]张小林．全息术的现状及发展[J]．河南科技，2010，09(4)：60．