軟物質（Soft Matter）是一門獨特的研究領域，它常用來概括膠體、高分子、泡沫、薄膜、顆粒物質和生物材料等對象。這些對象的物理結構往往在微米/亞微米級，既不屬于原子/分子級的微觀尺度，也不屬于常規的宏觀尺度（米）。因此對軟物質對象的定量實時測量與表征一直是一個難題。

數字全息術（Digital Holography）作為一種干涉測量技術在微米尺度具有極佳的動態三維成像能力，再加上它非接觸無損成像的特性，近年來被廣泛應用于軟物質的三維表征。

來自意大利國家研究理事會-應用科學與智能系統研究所（CNR-ISASI）的 Pietro Ferraro 博士和那不勒斯費德里克二世大學的 Pier Luca Maffettone 教授共同領導團隊以“Digital holography as metrology tool at micro-nanoscale for soft matter”為題在 Light: Advanced Manufacturing 發表了一篇綜述文章，系統地介紹了數字全息術在軟物質測量的中的應用與創新，并針對不同物化特性的軟物質給出了數字全息測量的參考方案。

1. 薄膜厚度分布的數字全息表征

與我們日常生活最接近的例子就是如何定量化妝品的用量：“這個乳液好不好推開”，答案往往是因人因量而異的。但是從護膚品研發角度來說，研究人員需要知道特定容積的乳液形成均勻薄膜時的平均厚度，這樣就可以控制涂抹之后的皮膚感受和吸收量，創造更好的使用體驗。

圖 1：不同運動狀態下薄膜的實時全息測厚結果，數字全息可以適用于多種薄膜測量場景

而數字全息術便是實現對于薄膜厚度定量三維測量的關鍵。在這篇綜述中，作者們首先回顧了數字全息數在薄膜厚度分布測量中的基本成像系統和方法，其后介紹了不同物質、不同演化方式的薄膜厚度測量方案。常規的薄膜測厚是由干涉計量完成的，例如白光干涉計量。但是這種方法往往只能對厚度較薄且分布均勻的薄膜實現準確測量。數字全息術并不會受到這些限制。對于大部分厚度在毫米級以下的透明或半透明薄膜，數字全息都可以有效地記錄并重建出膜厚分布。

圖 2：表面活性劑薄膜的數字全息與白光干涉測量平行對比實驗。在薄膜厚度分布較為復雜的情況下，數字全息術可以有效地揭示膜厚分布

2. 微納制造過程的全息監控

現代制造業已經開始向小型化、智能化轉型，來勢洶洶的新冠疫情也刺激了“片上實驗室”（Lab on a chip）技術的發展。對于具有微納結構的軟物質而言，在加工制造過程中往往要求更加精確的定量觀測。數字全息術具有強大的納米-微米級三維成像能力，因此非常適合作為現代微納加工過程中的“觀測手”。

圖 3：熱釋電噴射打印過程的全息監控。利用數字全息術的三維成像能力，對熱釋電聚合物噴射頭進行運動追蹤，以實現對打印過程的閉環控制

在這篇綜述的第二部分，作者們介紹了基于數字全息監控實現的閉環熱釋電噴射打印、微透鏡制造、微流控通道成型和細胞支架光加工技術。在熱釋電噴射打印中，數字全息術可以用于追蹤和定位聚合物椎體，保證噴射加工過程“指哪打哪”；在微透鏡和微流控通道的加工制造中，全息術被用于檢查對象形貌和質量，實現精確品控；在細胞支架的光加工過程中，數字全息被用于定量觀測光固化過程，為細胞打造一個舒適的家。

3. 全息微粒示蹤

除了薄膜和聚合物材料以外，軟物質還包括膠體和顆粒物等。從燃燒產生的煤煙到海洋中的微塑料顆粒，數字全息技術能幫助我們更好地觀測這些顆粒成分。得益于全息成像的數值衍射傳播過程，可以通過特定算法從一張數字全息圖中重建出整個空間中的顆粒分布信息。這同時也引出了數字全息術的另一個重要特點，即為“光場測量”能力。

圖 4：利用數字全息術對薄膜中的微粒進行三維示蹤

在綜述的最后一部分，作者們對基于數字全息術的軟物質應力應變測量和三維顆粒測量進行了介紹。最經典的全息顆粒測量技術無異于同軸全息米氏分析法（Lorenz-Mie analysis），它可以實現對于空間中大量微粒的三維定位和示蹤。除此以外，離軸數字全息也被用于實現跨尺度微粒追蹤，但是它只適用于顆粒濃度較低的空間。近年來，機器學習的興起極大地促進了全息微粒示蹤技術的發展，基于機器學習的數字全息重建過程進一步提高了成像分辨率和定位精度。

4. 結語

毫無疑問，數字全息術正是打開軟物質世界大門的鑰匙。那些復雜多變的軟物質微納結構，將借助全息成像之眼被世人了解。從列文虎克利用顯微鏡首次觀測微生物至今，三百多年的時光并沒有磨滅我們對于微觀世界的好奇心。而基于數字全息術的軟物質表征將幫助我們更好地研究和學習這位伴隨人類社會千年發展的老朋友。

論文信息

Wang et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:10

https://doi.org/10.37188/lam.2022.010