神通激光

第四節 處處有用武之地

　　在一次文物展覽會上，一些全息照片吸引了無數觀眾。這些全息照片，將那些極珍貴的文物以及那些不能搬進展覽館裏來的古跡遺址等，以逼真的立體形象重現在觀眾麵前，似乎真實文物就在眼前，猶如身臨古跡遺址之中，難怪人們不斷發出讚歎之聲。

　　這是全息照相的影像立體性的直接應用，叫做立體顯示。除了文物之外，精雕細琢的藝術品、多種多樣的標本和模型等都可以拍攝成全息照片，供展覽會、博物館、商店作展出品或陳列品，還可以作為建築物、家庭和人們衣著的絕美的裝飾品。用全息照相方法製作的模型和標本，是學校教學中難得的生動而直觀的教具，使學生如同眼見實物，親切地體會到實際情景。在科學研究上，等離子診斷、高速運動物體和液體都要用全息照片來進行立體顯示，X射線和γ射線所得到的透視照片或斷層照片也要靠合成全息照片來進行立體顯示。全息照相使人們可以將那些看不見、摸不著的衝擊波、熱振動、超聲波、微波、電子射線等拍攝下一來，用立體顯示方法進行觀察和分析。

　　在光學儀器製造中，如今又有了一種獲取具有各種光學功能的新型光學元件的手段，這就是全息照相製造方法。具有各種光學功能的全息圖片，叫做全息光學元件。例如，全息光柵就是最有用途的一種全息光學元件。光柵有長的和圓的兩種類型，它們實際上就是刻線間距很小的標尺或度盤，特點是線條長而間距小，多數為線條和間距等寬的。光柵是數字式儀器儀表、數控機床和精密機床中實現數字顯示的關鍵元件之一。我們知道，數字顯示儀表能夠迅速而準確地提供數據，是現代科技部門中的一位重要成員。光柵是在精確計量與檢測中實現數顯的難得之寶，在國內外受到極大的重視。光柵技術在生產和科研中的應用，有利於實現加工、測量和控製的自動化，讀數數字化，而且能夠進行動態測量，最後將結果自動地記錄、打印出來，既提高了測量精度，又提高了工作效率。但是，光柵的製造，目前還主要是靠機械刻劃、投影光刻和照相複製等方法，如果能大量地采用全息照相技術製造無疑將大大提高製造的效率。全息光柵的製造原理如前麵所講的，是采用激光器發出的兩束相幹平行光，即一束物體光束和一束參考光束，在感光幹板上產生幹涉條紋，經顯影和定影後而得到透明和不透明相間條紋構成的全息光柵。全息光柵和刻劃光柵相比，具有無鬼線、像差小、分辨本領高、雜散光很少等優點。

　　在工業和科研檢測方麵，全息照相和幹涉測量方法結合而形成一門嶄新的測量技術，叫做全息幹涉度量學。它的實質就是：利用全息照相能夠真實地記錄和顯現原物體形象的本領，把一個物體變形前後的兩個形象作光波的幹涉比較，從而能夠對任意形狀和表麵狀況的物體進行長、寬、高三維測量，精度可以同光的波長相比。我們知道，波長多麽短小啊，可見測量精度是極高的！全息幹涉度量方法用途十分廣泛，例如，可以對輪胎、製動器、蜂板結構、渦輪葉片、建築材料、聲學器件、橋梁和水壩模型及其他物體進行無損探傷、無損測量，並進行應力分析和振動分析，就像給人做身體檢查，不必開刀破肚，而是整體檢查。

　　在光學信息處理和存儲技術領域，激光全息照相的問世，使光學信息處理這門古老的學科返老還童，青春煥發。特別是近20年來，光學信息處理發展極為迅速。就拿利用光學方法作圖樣識別來說吧。人對外界事物有識別能力，譬如說，親友久別重逢，一見麵就會發現對方的變化：瘦了或胖了，長高了，臉曬黑了，等等。將記憶中的事物同新觀察到的事物相比較，找出二者的相似與差別，人的這種識別能力是很強的。這是因為，大腦所能存儲的事物相當之多，即使大腦中某一部分受到損傷也不會破壞這些記憶，再加上人身自帶的銳敏的光學儀器——眼睛能夠準確而充分地提供信息，因此，對於相似與差別的比較識別可以同時迅速地完成，這是目前任何機器都無法比擬的。然而，由於現代科學技術的迅猛發展，人工判讀和識別已經遠遠不能滿足要求了，必須尋求自動化的判讀和識別的方法及設備。眾所周知的電子計算機的圖樣識別，由於識別方式和人眼——大腦的識別過程不同，加之存儲量和計算速度都有限，仍然不能滿足需要。由於這個緣故，人們又想到了光學信息處理和存儲技術。光學係統是傳遞和變換信息的一種極好的工具。一景物同時被成像和被變換，這與人眼和大腦識別外界事物的情況是相近的。用光學方法實現圖樣識別，就是靠的全息照相技術。光學全息圖樣識別已經在許多方麵得到應用。就拿漢字檢索來說，它1分鍾能檢索漢字300～500個，這簡直是人工檢索無法比擬的！此外，指紋的自動識別，對於破案是很有用的；導彈上裝上圖樣識別裝置，就像長上眼睛，能夠自動尋找目標；圖樣識別在醫學上應用，可以幫助醫生發現患者的早期病變。除了圖樣識別之外，還有圖像規整、圖像改善和增強、信息存儲編碼和成圖技術等。目前，光學信息處理正在廣泛地用於地球資源考察、森林普查和防火、農作物生長情況和病蟲害防治、軍事偵察、探礦、環境汙染監視、側視雷達、醫學診斷、提高各種成像係統的分辨率、文字檢索和辨認。

　　在信息存儲技術之中，全息存儲的潛力最大。如上麵講的那樣，全息照相所給出的全息圖片最不怕挫折，具有不怕擦傷、不怕塗汙、不怕撕破的優點，因而在它上麵存儲信息是非常可靠的。如果采用厚記錄材料作存儲介質，那麽存儲容量是非常巨大的，比其他任何方式所能達到的要高出幾個數量級。

　　在洞察微觀世界的窗口，全息照相為之增添了明鏡——全息顯微術。人們用普通的顯微鏡觀察微小物體受到了焦深短的限製，因而想到將全息術引入，得到的全息顯微鏡的焦深可以達到1厘米左右。因此，全息顯微術特別適用於觀察微生物和懸浮粒子等微小目標。此外，如果采用極短的光波（如X射線）的全息照相，那麽，我們就能夠直接觀察到分子和原子的結構。

　　光學全息照相又和電子計算機結成了良緣。我們知道，數字電子計算機有很好的通用性、很高的精度和靈活性。光在空間的傳播可以用電子計算機進行模擬計算。全息照相的兩步成像過程，電子計算機是可以模擬計算的。用電子計算機做波前記錄，叫做計算機產生全息圖；用電子計算機做波前再現，叫做計算機全息圖再現。利用計算機產生全息圖技術，能夠製造出實際上還不存在的抽象物體的全息圖，製造出各種無法用光學方法獲得的器件，這對於工程設計和非標準加工都十分有用。利用計算機全息圖再現技術，可以對由聲波或電波形成的全息圖進行“實時再現”，這樣，就有可能顯示出水中、地下及不透明固體內部的情況。

　　全息照相還使雷達技術產生了變革，出現了一種新型的雷達——全息相幹雷達。我們知道，雷達又叫做無線電定位儀，是用微波來確定目標的距離、位置及運動狀態的設備。普通微波雷達測定距離、方位和角度的精度都很差，還容易受地麵假回波影響和各種電磁波幹擾。激光出現後，人們研製出了激光雷達，它不僅可以測出目標的距離和方位，還可以測出目標的運動速度和加速度，測距範圍寬，測定精度高，抗幹擾性能和保密性能好。從前麵講的全息照相的原理和過程可以看出，全息照相並不是普通照相術的一個變種，而是一種根本上全新的過程。這裏再次強調指出這一點是很重要的，因為雷達利用了普通照相術的一些性質，而新型全息相幹雷達則突破了這些傳統的局限性。在相幹雷達中，高度相幹的微波發生器給出照射地形信號，同時，這個發生器也作為參考波發生器。當飛機飛行時，從飛行路線上每一點接收到的反射信號與這個參考信號合在一起，便產生了一個相幹圖樣，轉變成光的圖樣並用照相方法記錄下來。這個記錄就是一種全息圖，用激光加以處理可以“再現”該地形。

　　§§第七章 “死光”的威力