文|卡卡

编辑|卡卡

《——【·引言·】——》

本次整个项目的目标是推进全息图生产中纳米制造的研究。

全息图以其数据存储、原始光场再现、安全识别和生物传感器等优越的特性，引起了学者和研究者的兴趣和关注。

20世纪40年代初，来自英国的丹尼斯·加博在x射线显微镜领域的先驱工作基础上，发明了电子全息技术，第一个由激光器启用的光学全息图是由苏联的尤里·丹尼苏克在1962年创造的。

背景

第一个全息技术是由英国研究员丹尼斯·加博尔在20世纪40年代通过x射线电子显微镜实验的意外结果发现的，它被称为电子全息技术。

然而，直到苏联科学家德尼苏克首次通过对三维物体的图像记录，获得了物体光束的振幅、相位和光谱特征信息，才出现了光学全息图的真正意义，这种记录介质可以再现虚拟物体，并通过白光照明来重建原始光场。

从那时起，各种类型的全息图由于其在数据存储、3D艺术品、安全、尺寸检查、干涉显微镜、全息传感器等光学应用方面的卓越应用而涌现出来。

一般情况下可以通过在记录介质上投影干涉图案来记录全息图，在记录介质中，光散射出的物体（物体光束）干扰相干光束（参考光束），用干涉法和衍射法解释了整个过程。

物体的图像可以通过照射与记录全息图的激光束相同，通过衍射激活原始的光波，这有点像对乐器产生的声波的编码，然后在不存在原始振动源的情况下进行再现。

为了记录全息图，激光束基本上需要7束来提供相干光束，具体来说，应该使用分束器将源束划分为不同的束，每个束向不同的方向传播，撞击现场的光束会干扰光束通过透镜的扩散。

记录介质

记录介质在整个过程中都起着重要的作用，可以选择几种材料作为摄影介质，卤化银乳剂是最常见的材料之一，因为其高分辨率和敏感的光束，并且容易获得的。

衍射光栅是全息器件的一个例子，它可以通过将光源产生的两个平面波叠加在全息记录介质上来制造，两个平面波的干涉导致了横跨记录表面的直线，对应于变化的干涉强度。

当光栅只用一束用来创建它的光束照亮时，它可以显示8个，另一个衍射波出现在与第二波最初入射相同的角度，这样，原始的物体波就被“构造”了，衍射图样是一个全息器件。

全息术

全息术的原理也可以在数学模型中加以描述，单频入射光束可以建模为复数U，光的振幅和相位用复数的绝对值和角度表示，任意一点的目标波和参考波都记为Uo和UR。

如果感光记录介质暴露在两束光束下，其透光率T与照射在记录板上的光能成正比，其中，k是一个常数，当记录板被参考光束照射时，通过记录板传输的光UH等于透光率T乘以给定的参考光束振幅UR，UH有四个项目，代表从全息图中出现的光束。

第一项是指强度与Uo成正比的重建物体光束，第二个和第三个光束是参考光束的修改版本，第四项被称为“共轭物束”，它与9个物体束具有反向曲率，并在全息板之外的空间中形成物体的真实图像。

全息图的分类

自1962年第一个光学全息图创建以来，有各种类型的全息图，一个全息图应该包含一个或多个复杂的性质。

例如，一个透射全息图也可以被振幅调制，由于不同的属性，全息图基本上被分为三种不同的类型，即薄全息图和体积全息图、透射和反射全息图、振幅和相位调制全息图。

对于薄全息图，它被定义为记录介质的厚度比干涉条纹的周期性要小得多，因此记录介质的厚度可以忽略不计，在薄（或表面）全息图方面，已经进行了一些研究，以实现一定的应用。

华沙理工大学的Michal教授设计了一种薄的多平面算法，可以在距离全息平面不同距离的地方重建彩色全息图，通过计算和优化，可以在固定距离上重建最好的图像（大小和位置精确匹配）。

与在摄影重建中表现出二维特征的薄全息图不同，体积（或厚）全息图作为一种选择性滤色片，只能使一定波长的辐射衍射，记录介质的涂层应该比相干光束产生的间距厚得多。

在这种情况下，记录在记录介质中的干涉结构是三维的（3D），结果表明入射光只能以一个特定的角度衍射，称为布拉格角，但是，如果一个光束的入射角与原始参考光束不同，则原始光场的重建将发生在另一个波长处，因此原始物体的颜色也会发生变化。

由于其独特的体积全息图特性，这类全息图得到了深入的研究，1997年，首尔国立大学的一个研究小组成功地利用11种光纤作为参考光束绘制光折变体积全息图，生成的全息图对空间复用具有良好的空间选择性。

2013年，高红学院设计了体积全息图作为位移滤波器，选择性地减少人工卫星白天的背景噪声，衍射效率图与远离日光的经度距离有关。

体积全息图在医学科学上的潜力

除了在传感技术上的应用外，体积全息图在医学科学上也显示出了巨大的潜力，来自亚利桑那大学的雷蒙德·k教授设计了一个带有宽带照明的简并体积全息图，它可以提供低成本、高质量的成像，并作为表面下内窥镜。

对于透射和反射全息图，它们通过与记录介质的相对入射位置来区分，如果物体光束和参考光束从同一侧入射到平板上，则记录一个透射全息图。

否则，当物体光束和参考光束在距离记录平面的相反两侧移动时，就制作反射全息图，通常，由于薄膜全息图的衍射效率太低，所以只有体积全息图才能作为反射全息图。

卤化银乳液

1984年初，D.J. Cooke 教授用卤化银乳液作为记录材料处理高衍射效率反射全息图，旨在改进高效相位反射全息图，而不是透射反射全息图，利用鞣制显影剂作用于Agfa 8E56HD乳液的优势，设计的全息图可以达到近75%的衍射效率（考虑反射）。

他的进一步研究，Keiji和他的团队从日本制作全息聚合物液晶13和效率与液滴的大小和密度，可以看到当LC液滴的大小接近0.2 μm和密度是2E13每厘米-3时反射效率可以达到最大的70%。

2011年，Domschke等人发明了一种制造生物相容性传感器的方法，其中包括一个反射全息图，能够检测体内目标液体的变化。

本发明专门用于监测糖尿病患者眼液中的葡萄糖水平，该专利为大规模、大规模生产14个生物相容性传感器提供了一种廉价和经济有效的方法，它可以推进医学传感领域的技术，具有重要意义。

调制全息图

在调制全息图中，主要涉及两种类型：振幅调制全息图和相位调制全息图，对于调幅全息图，衍射光的振幅与原始记录光的强度呈正相关，而相位调制全息图是通过根据干涉图样强度的比例改变记录介质的厚度或折射率来制作的，全息图包含两个或两个多的多个特征。

在这种情况下，通常将体积相全息图集成并设计以提高衍射效率，以体积全息光栅为例，它具有传统衍射光栅所无法实现的紧凑、高质量的成像性能等特殊性能。

光栅

传统的衍射光栅更容易受到周围环境的影响，轻微的物理接触可能会引起废料，影响衍射效率，体积相位全息图（VPH）是物理上的，可以在高的环境下生存。

体积相光栅在天文应用中显示出巨大的潜力，因为它们可以很容易地制造和定制光栅，并且可以替代天文光谱仪，具有更高的衍射效率、色散、柔性结构的光栅。

隐藏式全息图

关于隐藏式全息图，它基本上是吸收全息图，其中的透光率取决于所记录的光的曝光，C.T.Chang在1977年研究了薄和厚振幅全息图的衍射效率。

将全息图的厚度从0调制到1，在一定的调制深度下，厚反射全息图的衍射效率最高，其次是薄透射和厚透射全息图。

原因是大量的光只通过了记录层的一小部分，因此用来反射的衍射光仍然是主要的，总的来说，有六种类型的全息图是由不同的性质来定义，在不同的条件下可以分别应用16种。

全息图的记录

为了记录全息图，需要一些必要的项目，如合适的激光束、准直器、分束器和一个稳定的环境，当记录干涉图样时，使热过程和其他物理过程能够稳定地进行，为了将干涉图样转换为光学器件，应用专门的光敏材料来记录光学信息，即记录介质。

多种全息记录材料已被发现并应用于全息记录，如感光乳液、光折射、光聚合物、光刻胶、照相胶片和无机晶体，卤化银乳液因其灵敏度高和成本效益高等优点，是第一个使用的材料。

卤化银晶体的颗粒对光很敏感，明胶乳液经过复杂的光化学过程，包括光照、显影、固定和漂白。

银化合物对光谱带宽的某些部分（高达520 nm）敏感，为了提高对其他部分的灵敏度，在乳化剂中掺杂了一些敏化剂（染料），以扩大光谱的灵敏度。

许多染料作为一种敏化剂时都有其局限性，它们在水中的溶解度相对较低，因此，它们在乳化液的存在下会沉淀，不能被充分去除，染料的残余物留在乳化液中，进而影响卤化银颗粒的记录性能。

为了提高乳液层的光反应效率和质量，1992年发明了在卤化银乳液中加入三核硅氰，该化合物的光谱灵敏度为600~690nm，染料充分溶解于水中，在卤化银开发和固定乳剂后被很大程度地冲洗掉。

记录介质

在选择记录介质后，对照相基底的处理也很重要，当卤化银暴露在强烈的辐射下时，它可以分解成金属银，使平板变暗。

为了削弱黑暗的影响，进行了一些工作，利用光束后硬化二色明胶，金等发明了曝光后方法来提高乳液层的性能，卤化银层曝光后预硬化，然后在显影剂中开发，随后，该层被漂白和硬化两次。

经过尝试后，它经过了表面硬化和固定，最后，用温水将加工层冲洗，并再次干燥完成，曝光后的过程在很大程度上提高了对光的敏感性，增加了颜色的再现性和能量敏感性。

卤化银乳化液

卤化银乳化液的分辨率取决于许多因素，如光照、卤化银晶体的粒度等，卤化银晶粒的缺陷和不足会直接影响重建图像的质量，细化卤化银晶粒对提高衍射效率具有重要意义。

到目前为止，获得细粒银乳液的方法多种多样，在一项发明中，重春等人使用19水溶性银和水溶性卤化物的混合水溶液，通过将形成的颗粒排出混合容器来防止颗粒变大，产生的银颗粒的尺寸控制为~0.05 μm。

卤化银敏感明胶（SHSG）

另一种被称为卤化银敏感明胶（SHSG）的技术被引入，用于制作全息图，该技术结合了卤化银乳剂的高灵敏度，具有衍射效率高、二色色化明胶散射效应低的优点。

一般来说，SHCG技术都经历了暴露和晒黑的过程，固定后，银盐或切片会摊开，得到透明的纯明胶。

用亲水有机溶剂使左凝胶脱氢，明胶的折射率为1.5，整个空隙的空气折射率为1.0，折射率之间的差异产生了很高的衍射效率，高达96%。

总结

本次项目的目标是推进全息图生产中纳米制造的研究，细化卤化银晶粒对提高衍射效率具有重要意义，传统的衍射光栅更容易受到周围环境的影响，轻微的物理接触可能会引起废料，影响衍射效率。

各种类型的全息图由于其在数据存储、3D艺术品、安全、尺寸检查、干涉显微镜、全息传感器等光学应用方面的卓越应用而涌现出来。

参考文献

1.镀高折射率纳米薄膜长周期光纤光栅传感特性研究. 邹芳.上海大学,2016

2.卤化银感光材料光作用动力学研究进展. 傅广生,杨少鹏,李晓苇,韩理,胡小勇,孙宇臣,马礼谦.感光科学与光化学,2002

3.基于纳米压印和键合制造尺寸可控的微/纳米流体芯片研究. 黄达;张然;樊元义;刘骁;褚金奎.机电工程技术,2020

4.纯相位全息图优化算法. 卜浩祯;焦述铭.液晶与显示,2021