神通激光

第四节 处处有用武之地

　　在一次文物展览会上，一些全息照片吸引了无数观众。这些全息照片，将那些极珍贵的文物以及那些不能搬进展览馆里来的古迹遗址等，以逼真的立体形象重现在观众面前，似乎真实文物就在眼前，犹如身临古迹遗址之中，难怪人们不断发出赞叹之声。

　　这是全息照相的影像立体性的直接应用，叫做立体显示。除了文物之外，精雕细琢的艺术品、多种多样的标本和模型等都可以拍摄成全息照片，供展览会、博物馆、商店作展出品或陈列品，还可以作为建筑物、家庭和人们衣着的绝美的装饰品。用全息照相方法制作的模型和标本，是学校教学中难得的生动而直观的教具，使学生如同眼见实物，亲切地体会到实际情景。在科学研究上，等离子诊断、高速运动物体和液体都要用全息照片来进行立体显示，X射线和γ射线所得到的透视照片或断层照片也要靠合成全息照片来进行立体显示。全息照相使人们可以将那些看不见、摸不着的冲击波、热振动、超声波、微波、电子射线等拍摄下一来，用立体显示方法进行观察和分析。

　　在光学仪器制造中，如今又有了一种获取具有各种光学功能的新型光学元件的手段，这就是全息照相制造方法。具有各种光学功能的全息图片，叫做全息光学元件。例如，全息光栅就是最有用途的一种全息光学元件。光栅有长的和圆的两种类型，它们实际上就是刻线间距很小的标尺或度盘，特点是线条长而间距小，多数为线条和间距等宽的。光栅是数字式仪器仪表、数控机床和精密机床中实现数字显示的关键元件之一。我们知道，数字显示仪表能够迅速而准确地提供数据，是现代科技部门中的一位重要成员。光栅是在精确计量与检测中实现数显的难得之宝，在国内外受到极大的重视。光栅技术在生产和科研中的应用，有利于实现加工、测量和控制的自动化，读数数字化，而且能够进行动态测量，最后将结果自动地记录、打印出来，既提高了测量精度，又提高了工作效率。但是，光栅的制造，目前还主要是靠机械刻划、投影光刻和照相复制等方法，如果能大量地采用全息照相技术制造无疑将大大提高制造的效率。全息光栅的制造原理如前面所讲的，是采用激光器发出的两束相干平行光，即一束物体光束和一束参考光束，在感光干板上产生干涉条纹，经显影和定影后而得到透明和不透明相间条纹构成的全息光栅。全息光栅和刻划光栅相比，具有无鬼线、像差小、分辨本领高、杂散光很少等优点。

　　在工业和科研检测方面，全息照相和干涉测量方法结合而形成一门崭新的测量技术，叫做全息干涉度量学。它的实质就是：利用全息照相能够真实地记录和显现原物体形象的本领，把一个物体变形前后的两个形象作光波的干涉比较，从而能够对任意形状和表面状况的物体进行长、宽、高三维测量，精度可以同光的波长相比。我们知道，波长多么短小啊，可见测量精度是极高的！全息干涉度量方法用途十分广泛，例如，可以对轮胎、制动器、蜂板结构、涡轮叶片、建筑材料、声学器件、桥梁和水坝模型及其他物体进行无损探伤、无损测量，并进行应力分析和振动分析，就像给人做身体检查，不必开刀破肚，而是整体检查。

　　在光学信息处理和存储技术领域，激光全息照相的问世，使光学信息处理这门古老的学科返老还童，青春焕发。特别是近20年来，光学信息处理发展极为迅速。就拿利用光学方法作图样识别来说吧。人对外界事物有识别能力，譬如说，亲友久别重逢，一见面就会发现对方的变化：瘦了或胖了，长高了，脸晒黑了，等等。将记忆中的事物同新观察到的事物相比较，找出二者的相似与差别，人的这种识别能力是很强的。这是因为，大脑所能存储的事物相当之多，即使大脑中某一部分受到损伤也不会破坏这些记忆，再加上人身自带的锐敏的光学仪器——眼睛能够准确而充分地提供信息，因此，对于相似与差别的比较识别可以同时迅速地完成，这是目前任何机器都无法比拟的。然而，由于现代科学技术的迅猛发展，人工判读和识别已经远远不能满足要求了，必须寻求自动化的判读和识别的方法及设备。众所周知的电子计算机的图样识别，由于识别方式和人眼——大脑的识别过程不同，加之存储量和计算速度都有限，仍然不能满足需要。由于这个缘故，人们又想到了光学信息处理和存储技术。光学系统是传递和变换信息的一种极好的工具。一景物同时被成像和被变换，这与人眼和大脑识别外界事物的情况是相近的。用光学方法实现图样识别，就是靠的全息照相技术。光学全息图样识别已经在许多方面得到应用。就拿汉字检索来说，它1分钟能检索汉字300～500个，这简直是人工检索无法比拟的！此外，指纹的自动识别，对于破案是很有用的；导弹上装上图样识别装置，就像长上眼睛，能够自动寻找目标；图样识别在医学上应用，可以帮助医生发现患者的早期病变。除了图样识别之外，还有图像规整、图像改善和增强、信息存储编码和成图技术等。目前，光学信息处理正在广泛地用于地球资源考察、森林普查和防火、农作物生长情况和病虫害防治、军事侦察、探矿、环境污染监视、侧视雷达、医学诊断、提高各种成像系统的分辨率、文字检索和辨认。

　　在信息存储技术之中，全息存储的潜力最大。如上面讲的那样，全息照相所给出的全息图片最不怕挫折，具有不怕擦伤、不怕涂污、不怕撕破的优点，因而在它上面存储信息是非常可靠的。如果采用厚记录材料作存储介质，那么存储容量是非常巨大的，比其他任何方式所能达到的要高出几个数量级。

　　在洞察微观世界的窗口，全息照相为之增添了明镜——全息显微术。人们用普通的显微镜观察微小物体受到了焦深短的限制，因而想到将全息术引入，得到的全息显微镜的焦深可以达到1厘米左右。因此，全息显微术特别适用于观察微生物和悬浮粒子等微小目标。此外，如果采用极短的光波（如X射线）的全息照相，那么，我们就能够直接观察到分子和原子的结构。

　　光学全息照相又和电子计算机结成了良缘。我们知道，数字电子计算机有很好的通用性、很高的精度和灵活性。光在空间的传播可以用电子计算机进行模拟计算。全息照相的两步成像过程，电子计算机是可以模拟计算的。用电子计算机做波前记录，叫做计算机产生全息图；用电子计算机做波前再现，叫做计算机全息图再现。利用计算机产生全息图技术，能够制造出实际上还不存在的抽象物体的全息图，制造出各种无法用光学方法获得的器件，这对于工程设计和非标准加工都十分有用。利用计算机全息图再现技术，可以对由声波或电波形成的全息图进行“实时再现”，这样，就有可能显示出水中、地下及不透明固体内部的情况。

　　全息照相还使雷达技术产生了变革，出现了一种新型的雷达——全息相干雷达。我们知道，雷达又叫做无线电定位仪，是用微波来确定目标的距离、位置及运动状态的设备。普通微波雷达测定距离、方位和角度的精度都很差，还容易受地面假回波影响和各种电磁波干扰。激光出现后，人们研制出了激光雷达，它不仅可以测出目标的距离和方位，还可以测出目标的运动速度和加速度，测距范围宽，测定精度高，抗干扰性能和保密性能好。从前面讲的全息照相的原理和过程可以看出，全息照相并不是普通照相术的一个变种，而是一种根本上全新的过程。这里再次强调指出这一点是很重要的，因为雷达利用了普通照相术的一些性质，而新型全息相干雷达则突破了这些传统的局限性。在相干雷达中，高度相干的微波发生器给出照射地形信号，同时，这个发生器也作为参考波发生器。当飞机飞行时，从飞行路线上每一点接收到的反射信号与这个参考信号合在一起，便产生了一个相干图样，转变成光的图样并用照相方法记录下来。这个记录就是一种全息图，用激光加以处理可以“再现”该地形。

　　§§第七章 “死光”的威力