撰稿人：Cinnamomum （浙江大學(xué) 博士后）

說到全息技術(shù)（holography），我們很容易聯(lián)想到那些栩栩如生的三維立體成像，然而這只是全息技術(shù)的其中一個應(yīng)用。事實上，全息技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)遍布我們生活中的諸多領(lǐng)域，小至圖像加密，身份證、人民幣、以及各種防偽標簽，大至輪胎無損檢測、（太空用）機身形變監(jiān)測等，隨著研究地不斷深入，全息技術(shù)的進一步發(fā)展將為人類社會提供更加有趣且實用的應(yīng)用。

圖1：全息藝術(shù)效果圖

什么是“全息技術(shù)”？

通俗地講就是把光的全部信息（包括振幅、相位）記錄下來，再在另外的地方重新復(fù)現(xiàn)（構(gòu)建）出來的技術(shù)。

傳統(tǒng)的光學(xué)全息技術(shù)是利用感光材料記錄物體光波和參考光波的干涉圖樣，在一定的條件下，利用光的衍射現(xiàn)象，可以通過參考光波照射干涉圖樣重建出原物體光波。而隨著光學(xué)、光電技術(shù)和數(shù)字計算機技術(shù)的交叉發(fā)展，人們用CCD/CMOS記錄全息圖，并通過計算機數(shù)值模擬光學(xué)衍射過程再現(xiàn)物體光波前，可實時再現(xiàn)逼真的三維物體。該技術(shù)又發(fā)展為“數(shù)字全息技術(shù)”（digital holography）。

名詞解釋：“在數(shù)字全息術(shù)中，被記錄信息以數(shù)字格式儲存在計算機中。記錄過程利用波陣面與數(shù)碼相機或傳感器上的參考波進行干涉，然后將波陣面的信息儲存在相機或計算機中。記錄過程的基本要求是，相機的像素必須足夠小。如下圖所示，被記錄物體被相干光照亮，并與數(shù)字傳感器上的參考光波混合，由此生成的干涉圖樣被計算機記錄下來。在重建過程，有兩種選擇。最常見的是，利用衍射和傳播方程對記錄的全息面進行計算分析，可以將波陣面?zhèn)鞑サ教摂M空間的任何平面；然后，該平面的強度信息可以出現(xiàn)在顯示器上。通過這種方式，可以對重建的圖像進行電子掃描并逐面顯示。”（拓展：《全息術(shù)：正確概念與錯誤表述》）

圖2：數(shù)字全息技術(shù)示意圖。

然而，無論是傳統(tǒng)的全息技術(shù)還是數(shù)字全息技術(shù)，在利用激光照射物體，使其發(fā)出（反射、散射）物體光波，并與參考光波干涉形成干涉圖樣，實現(xiàn)相關(guān)功能或應(yīng)用時，都需要考慮激光的波長大小。目前研究的較多的是基于可見光波段的全息技術(shù)（可見光范圍：400 nm 到 760 nm）。

然而，對于尺寸較大的物體（如人體大?。?/span>、或測量形變大小較大時（如 50 μm），若利用可見光記錄干涉圖樣，會因為精度過高，導(dǎo)致CCD或記錄相機的單個像元可能被多個干涉條紋（或散斑）覆蓋（即單個像元同時接收多個信號），從而無法準確復(fù)現(xiàn)原物體的信息（圖像）。因此，發(fā)展基于更大波長激光（肉眼看不見的光波段）的數(shù)字全息技術(shù)具有重要的研究意義。

鑒于此，來自比利時列日大學(xué)的研究團隊 Marc Georges 等人總結(jié)了熱紅外波段、太赫茲波段的數(shù)字全息技術(shù)研究的應(yīng)用與挑戰(zhàn)，以“Holography in the invisible. From the thermal infrared to the terahertz waves: outstanding applications and fundamental limits”為題在 Light: Advanced Manufacturing 發(fā)表綜述文章。

該綜述文章主要探討了肉眼不可見的長波紅外光（如 7 μm 到 15 μm范圍）和太赫茲波段（如 300 μm 到 3 mm范圍，即 1 到 0.1 THz）的數(shù)字全息技術(shù)，并給出了其相比于可見光全息技術(shù)的特點與現(xiàn)有的挑戰(zhàn)。

1.波長對干涉圖樣記錄相機的參數(shù)影響。由于更大波長形成的干涉圖樣的散斑或條紋間距較大，所用的 CCD 或記錄相機的像元間距較大（如 17 μm，而可見光用的相機的像元間距為 4 μm），因此對于較大尺寸的物體（如 2 m x 2m），長波全息技術(shù)具有更大的離軸角度（off-axis angle）。然而，受限于衍射極限，其復(fù)現(xiàn)圖像時的橫向分辨率也會降低 1 到 2 個數(shù)量級，為了更清晰的復(fù)現(xiàn)原物體，需要將物體與相機的間距拉近。對于 THz 波段，甚至縮小到 5 cm（挑戰(zhàn)）。

2.相位測量與分辨率。無論是可見光全息技術(shù)還是長波長全息技術(shù)，所記錄的干涉圖樣變化可用于計算傳輸波的相位變化。由于相位差與光程差有關(guān)，因此常利用相位差大小檢測兩次測量中物體發(fā)生的形變大小（會產(chǎn)生光程差）。通俗地講，采用不同波長相當于采用不同精度的尺子?？梢姽狻俺咦印钡木雀?，但量程小，對于產(chǎn)生較大形變（如 50 μm）的物體，可見光產(chǎn)生的干涉圖樣過度密集，無法較好地呈現(xiàn)出形變的信息。利用長波長“尺子”，雖然測量精度降低，但量程大，能夠滿足較大形變的測量，通過數(shù)字全息技術(shù)，可用于如大面積輪胎形變、太空用機身形變等應(yīng)變的實時監(jiān)測。

3.反射類型。當物體表面的粗糙度遠小于工作波長時，光波入射到物體表面會形成鏡面反射，當物體粗糙度遠大于工作波長時，則形成散射，記錄的干涉圖樣也為散斑（這是全息技術(shù)計算中所需要的）。然而，某物體的粗糙度對于可見光而言可形成散射，對于長波長，特別是 THz 波段時，卻容易變成鏡面反射，加大了如拋物面等物體的物體波收集的難度（挑戰(zhàn)）。因此，常用的方法是在“光滑”物體表面涂上可清洗的粉末，以加大物體表面對入射長波長激光的散射，或通過反射擴散板處理入射激光，從而大面積的照射目標物體，以得到更全面的反饋。

4.穩(wěn)定性。干涉裝置中的光程在全息圖記錄期間的變化不應(yīng)超過零點幾個激光波長。因此，可見波長的全息記錄過程需要安裝在隔振的桌子上，以避免在測量過程中，空氣亂流或振動引起的光程變化（從而導(dǎo)致相位變化和干涉條紋偏移）。相比之下，長波長全息記錄中，由于激光波長可達到 10 um 甚至數(shù)百 μm，大大增加了裝置對外部干擾的容差性，這使得長波長全息技術(shù)能夠在更加嚴峻的環(huán)境下使用，以及戶外環(huán)境下進行實時監(jiān)測。

5.材料穿透性。相比而言，長波長激光對諸多材料具有更好的穿透性。例如，大功率 CO? 激光器產(chǎn)生的 10 μm 波長的激光可穿透煙霧或火焰，這使得長波長全息技術(shù)在紅外熱成像、失火室內(nèi)活體成像中具有重要的應(yīng)用價值。對于太赫茲波段，其非離子化的穿透能力比X射線成像更加安全。當頻段范圍小于 1 THz（亞太赫茲波段）時，可穿透的材料包括常用于 3D 打印的丙烯腈·丁二烯·苯乙烯（ABS），其他常見高分子聚合物如聚乳酸（PLA），尼龍，聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），聚四氟乙烯（PTFE，泰氟?。?/span>、脫水組織、薄紡織物等。

因此，基于上述長波長全息技術(shù)的特點，人們展示了諸多有趣且實用的研究。如圖3所示，通過紅外數(shù)字全息技術(shù)，能夠?qū)﹄[藏在火焰或煙霧后方的人形雕像的進行圖像復(fù)現(xiàn)。由于此處該技術(shù)不需要透鏡對物體波聚焦，可避免記錄相機像元接收信號的飽和，從而實現(xiàn)比紅外熱成像儀更清晰的圖像復(fù)現(xiàn)。在未來，該技術(shù)有望用于火災(zāi)情景下的人體成像，具有重要的科學(xué)研究意義。

圖3：利用長波長數(shù)字全息技術(shù)對隱藏在火焰或煙霧后方的物體進行3D圖像復(fù)現(xiàn)。

例如，利用太赫茲波段對材料的穿透性，實現(xiàn)隱藏在聚丙烯覆蓋層后面的字母成像（圖4），該技術(shù)可用于無損檢測，在不破壞原本物體的前提下，提取所需的物體信息。顯然，這得益于長波長激光對材料的穿透能力。

圖4：利用反射式離軸太赫茲數(shù)字全息技術(shù)對隱藏目標進行實時成像。

再如，利用長波紅外數(shù)字全息技術(shù)，對大面積鏡面反射物體進行形變大小的測量。

圖5：利用同軸長波紅外數(shù)字全息技術(shù)測量大空間反射器的大變形。

綜上所述，目前在可見光范圍內(nèi)，空間光調(diào)制器等波前整形元件將為自干涉非相干的數(shù)字全息技術(shù)提供更多的可能性。然而，對基于更大波長的全息技術(shù)而言，由于缺乏面積大、靈敏度高的陣列探測器（即記錄干涉圖樣的相機），限制了紅外和太赫茲數(shù)字全息技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。

但無論如何，利用長波長激光（如紅外、太赫茲波段）開發(fā)數(shù)字全息技術(shù)，在大面積物體的無損檢測（如隱藏在高分聚合物下的字母信息等）、（太空用）機身形變監(jiān)測、火情下活體成像（如巨大煙霧下的人體探測）等應(yīng)用中，具有巨大的應(yīng)用潛力。未來，這些“看不見”的全息技術(shù)值得人們更加深入的探索。

論文信息  

Georges et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)2:22

https://doi.org/10.37188/lam.2022.022

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