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LAM | 热红外与太赫兹波段全息技术

2022-04-23 08:00

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

撰稿人：Cinnamomum （浙江大学博士后）

说到全息技术（holography），我们很容易联想到那些栩栩如生的三维立体成像，然而这只是全息技术的其中一个应用。事实上，全息技术的应用已经遍布我们生活中的诸多领域，小至图像加密，身份证、人民币、以及各种防伪标签，大至轮胎无损检测、（太空用）机身形变监测等，随着研究地不断深入，全息技术的进一步发展将为人类社会提供更加有趣且实用的应用。

图1：全息艺术效果图

什么是“全息技术”？

通俗地讲就是把光的全部信息（包括振幅、相位）记录下来，再在另外的地方重新复现（构建）出来的技术。

传统的光学全息技术是利用感光材料记录物体光波和参考光波的干涉图样，在一定的条件下，利用光的衍射现象，可以通过参考光波照射干涉图样重建出原物体光波。而随着光学、光电技术和数字计算机技术的交叉发展，人们用CCD/CMOS记录全息图，并通过计算机数值模拟光学衍射过程再现物体光波前，可实时再现逼真的三维物体。该技术又发展为“数字全息技术”（digital holography）。

名词解释：“在数字全息术中，被记录信息以数字格式储存在计算机中。记录过程利用波阵面与数码相机或传感器上的参考波进行干涉，然后将波阵面的信息储存在相机或计算机中。记录过程的基本要求是，相机的像素必须足够小。如下图所示，被记录物体被相干光照亮，并与数字传感器上的参考光波混合，由此生成的干涉图样被计算机记录下来。在重建过程，有两种选择。最常见的是，利用衍射和传播方程对记录的全息面进行计算分析，可以将波阵面传播到虚拟空间的任何平面；然后，该平面的强度信息可以出现在显示器上。通过这种方式，可以对重建的图像进行电子扫描并逐面显示。”（拓展：《全息术：正确概念与错误表述》）

图2：数字全息技术示意图。

然而，无论是传统的全息技术还是数字全息技术，在利用激光照射物体，使其发出（反射、散射）物体光波，并与参考光波干涉形成干涉图样，实现相关功能或应用时，都需要考虑激光的波长大小。目前研究的较多的是基于可见光波段的全息技术（可见光范围：400 nm 到 760 nm）。

然而，对于尺寸较大的物体（如人体大小）、或测量形变大小较大时（如 50 μm），若利用可见光记录干涉图样，会因为精度过高，导致CCD或记录相机的单个像元可能被多个干涉条纹（或散斑）覆盖（即单个像元同时接收多个信号），从而无法准确复现原物体的信息（图像）。因此，发展基于更大波长激光（肉眼看不见的光波段）的数字全息技术具有重要的研究意义。

鉴于此，来自比利时列日大学的研究团队 Marc Georges 等人总结了热红外波段、太赫兹波段的数字全息技术研究的应用与挑战，以“Holography in the invisible. From the thermal infrared to the terahertz waves: outstanding applications and fundamental limits”为题在 Light: Advanced Manufacturing 发表综述文章。

该综述文章主要探讨了肉眼不可见的长波红外光（如 7 μm 到 15 μm范围）和太赫兹波段（如 300 μm 到 3 mm范围，即 1 到 0.1 THz）的数字全息技术，并给出了其相比于可见光全息技术的特点与现有的挑战。

1.波长对干涉图样记录相机的参数影响。由于更大波长形成的干涉图样的散斑或条纹间距较大，所用的 CCD 或记录相机的像元间距较大（如 17 μm，而可见光用的相机的像元间距为 4 μm），因此对于较大尺寸的物体（如 2 m x 2m），长波全息技术具有更大的离轴角度（off-axis angle）。然而，受限于衍射极限，其复现图像时的横向分辨率也会降低 1 到 2 个数量级，为了更清晰的复现原物体，需要将物体与相机的间距拉近。对于 THz 波段，甚至缩小到 5 cm（挑战）。

2.相位测量与分辨率。无论是可见光全息技术还是长波长全息技术，所记录的干涉图样变化可用于计算传输波的相位变化。由于相位差与光程差有关，因此常利用相位差大小检测两次测量中物体发生的形变大小（会产生光程差）。通俗地讲，采用不同波长相当于采用不同精度的尺子。可见光“尺子”的精度高，但量程小，对于产生较大形变（如 50 μm）的物体，可见光产生的干涉图样过度密集，无法较好地呈现出形变的信息。利用长波长“尺子”，虽然测量精度降低，但量程大，能够满足较大形变的测量，通过数字全息技术，可用于如大面积轮胎形变、太空用机身形变等应变的实时监测。

3.反射类型。当物体表面的粗糙度远小于工作波长时，光波入射到物体表面会形成镜面反射，当物体粗糙度远大于工作波长时，则形成散射，记录的干涉图样也为散斑（这是全息技术计算中所需要的）。然而，某物体的粗糙度对于可见光而言可形成散射，对于长波长，特别是 THz 波段时，却容易变成镜面反射，加大了如抛物面等物体的物体波收集的难度（挑战）。因此，常用的方法是在“光滑”物体表面涂上可清洗的粉末，以加大物体表面对入射长波长激光的散射，或通过反射扩散板处理入射激光，从而大面积的照射目标物体，以得到更全面的反馈。

4.稳定性。干涉装置中的光程在全息图记录期间的变化不应超过零点几个激光波长。因此，可见波长的全息记录过程需要安装在隔振的桌子上，以避免在测量过程中，空气乱流或振动引起的光程变化（从而导致相位变化和干涉条纹偏移）。相比之下，长波长全息记录中，由于激光波长可达到 10 um 甚至数百 μm，大大增加了装置对外部干扰的容差性，这使得长波长全息技术能够在更加严峻的环境下使用，以及户外环境下进行实时监测。

5.材料穿透性。相比而言，长波长激光对诸多材料具有更好的穿透性。例如，大功率 CO₂ 激光器产生的 10 μm 波长的激光可穿透烟雾或火焰，这使得长波长全息技术在红外热成像、失火室内活体成像中具有重要的应用价值。对于太赫兹波段，其非离子化的穿透能力比X射线成像更加安全。当频段范围小于 1 THz（亚太赫兹波段）时，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），其他常见高分子聚合物如聚乳酸（PLA），尼龙，聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），聚四氟乙烯（PTFE，泰氟隆）、脱水组织、薄纺织物等。

因此，基于上述长波长全息技术的特点，人们展示了诸多有趣且实用的研究。如图3所示，通过红外数字全息技术，能够对隐藏在火焰或烟雾后方的人形雕像的进行图像复现。由于此处该技术不需要透镜对物体波聚焦，可避免记录相机像元接收信号的饱和，从而实现比红外热成像仪更清晰的图像复现。在未来，该技术有望用于火灾情景下的人体成像，具有重要的科学研究意义。