几种常用全息记录介质简介

1.卤化银乳胶（Silver Halide Emulsion）

超微粒卤化银乳胶是较早使用的一种记录材料。它是将微粒度小到0.03～0.08μm的卤化银（例如溴化银）混合在明胶中，再加上适量的补加剂（包括坚膜剂、增感剂和稳定剂等），均匀涂布在平面度很好的玻璃（或醋酸盐胶片）片基上而成。它既可用于制作振幅型全息图，又可通过漂白成为位相型全息图，且保存期长。表5.3.3列出了几种市售卤化银乳胶全息底片，供读者参考。

表5.3.3　几种市售卤化银乳胶全息底片

国产卤化银乳胶的处理过程一般如下：

曝光→显影→定影→漂白→烘干

底片曝光时，卤化银晶粒吸收光能量，发生光化学作用而变成银斑，称为显影中心（或显影斑）。已曝光的乳胶中显影斑的集合称为潜像（Latent Image）。

显影就是将已曝光的底片浸入显影液中进行化学处理，在处理过程中，单个细小的显影中心的存在，会促使整个卤化银晶粒变成金属银沉积下来。而不含显影中心的晶粒则不发生这样的变化。显影过程是处理的重点，从技术上讲，应该根据不同的显影液配方和稀释程度，在一定的温度下控制一个适当的显影时间，以求达到理想的特性曲线。这通常靠经验来进行。

定影也是一种化学处理过程，将已显影的底片浸入定影液中，其目的是清洗掉剩余的卤化银晶粒而留下金属银，防止未感光的晶粒以后再变质成为金属银。金属银粒在可见光频段是不透明的，因此，经显影、定影后干板的不透明度，将取决于其上各区域中银粒的统计分布密度（即光密度）。这样得到的全息图即是振幅型全息图。

漂白（Bleaching）是用氧化剂（例如氯化汞HgCl2、重铬酸铵（NH4）2Cr2O7、溴化铜CuBr2等），将金属银还原为透明的银盐（卤化银晶体），其结果是使银粒原来的位置留下乳胶的厚度变化（鞣化漂白，Tanning Bleaching），形成浮雕像，或使全息图片上曝光部分的明胶折射率不同（非鞣化漂白，Nontanning Bleaching），从而使上述振幅型全息图变成位相型全息图。

表5.3.4列出最常用的显影液、定影液和漂白液配方，供读者做全息照相实验时参考。

表5.3.4　显影液、定影液、漂白液配方

在上述各种溶液的配制和使用过程中应注意：

①药品按配方的顺序称量并放入烧杯中，必须一种药品溶解后再放入第二种药品；

②显影液和定影液都要一次性配制好，不能在中途停顿数小时后再继续配制；

③底片从显影液或定影液或漂白液中取出后，都必须用清水经过充分的漂洗，最后烘干才能使用。(www.xing528.com)

2.重铬酸盐明胶（Dichromated Gelatin，DCG）

重铬酸盐明胶是一种很好的位相记录介质，它具有衍射效率高、分辨率高和噪声低的优点；其缺点是怕潮湿、容易消像，需要密封。

明胶有未硬化和硬化两种：未硬化的明胶可以用于制作浮雕型全息图；硬化的明胶适用于制作折射率型的位相全息图，用它制作的体积全息图，其衍射效率可高达90%。

重铬酸盐明胶是通过在明胶溶液中加入适量的重铬酸铵溶液而制成的。曝光过程中的光化学过程较复杂，一般认为，溶解在明胶中的重铬酸盐是感光敏化剂，它以铬离子Cr6+与明胶相结合。当曝光时，由于吸收光，6价的铬离子Cr6+变成了3价的铬离子Cr3+，低价铬离子可以在明胶分子间形成铰链，从而使明胶硬化。整个反应发生在明胶内部，并渗透到任何起反应的地方，于是明胶中曝光和未曝光的部分产生了不同的硬度，这时全息图就初步形成了。在水洗显影时，未曝光部分的明胶不像软明胶那样能被洗掉，只是把多余的重铬酸盐洗去，同时明胶因吸收水分而膨胀，吸收水分的多少与曝光量成反比。这一过程虽有折射率的变化，但变化不大。如果再将明胶全息图放在异丙醇中浸泡脱水并快速干燥，就可以增加折射率的差异，使曝光部分的折射率发生明显的变化（Δn≥0.03），成为衍射效率很高的位相型全息图。由于它具有衍射效率高和噪声低的特点，因此适合于制作全息光学元件（如全息光栅、全息透镜）和反射全息图。

重铬酸盐明胶的分辨率可以达到5 000线/毫米，灵敏波长的长波一端大约是540 nm，因此曝光时常用Ar+激光器的514.5 nm和488.0 nm波长或He-Cd激光器的441.6 nm波长。

3.光致抗蚀剂（Photoresist）

光致抗蚀剂是一种很适合于记录薄浮雕位相全息图的记录介质。它是光敏有机材料，在光照射下，经显影后能产生浮雕像。光致抗蚀剂分为负性和正性两种类型。正性的是曝光部分产生有机酸，在碱性显影液（例如1%的NaOH溶液）中被溶解；负性的是曝光部分吸收光后产生铰链，不溶于显影液，未曝光部分被溶解。在全息照相术中使用正性光致抗蚀剂。

光致抗蚀剂的分辨率约1 500线/毫米，厚度小于1.0μm。其灵敏波段是340～450 nm，用He-Cd激光器的441.6 nm或Ar+激光器的457.9 nm波长来曝光较适合。对441.6 nm波长所需的曝光量约在50～80 mJ/cm2，而对457.9 nm波长所需的曝光量则在600 mJ/cm2左右。正性光致抗蚀剂已广泛用在模压全息产业中，其浮雕全息图用于制作模压全息图的原版。

4.光折变晶体（Photorefractive Crystal）

光折变晶体是指在光辐射作用下，其折射率随光强非均匀分布而发生局部变化的晶体。这种现象称为光折变效应（Photorefractive Effect）。它是发生在电光材料内部的一种复杂的光电过程，其成像机制至今还不完全清楚。一般认为，电光晶体中存在杂质（Impurity）、缺陷（Defect）、空穴（Hole），它们在晶体禁带隙中形成中间能级（Intermediate Level），即构成施主能级（Donor Site）和受主能级（Acceptor Site），成为光激发电荷的主要来源。在适当波长的光的照射下，晶体内的施主通过接收光子被电离，产生电子（受主一般不直接参与光折变效应），同时电子从中间能级受激跃迁至导带（Conduction Band）。光生载流子在导带中或因浓度梯度引起扩散（Diffusion），或在电场（外电场或晶体内极化电场）作用下产生漂移（Drift），或因光生伏打效应（Photovoltaic Effect，均匀铁电体材料在均匀光照下产生沿自发极化方向的光生伏打电流）而运动。由上述3种迁移机制单独作用或综合作用，完成光折变晶体内部载流子的迁移过程。迁移的载流子可以重新被俘获，经过再激发、再迁移、再俘获，最终形成与光场强度相对应的空间电荷分布，从而产生相应的空间电荷场。如果晶体不存在对称中心，则此空间电荷场将通过线性电光效应（Linear Electro-Optic Effect）在晶体内形成折射率在空间的非均匀分布，即产生折射率调制的位相光栅（Phase Grating）。这就是光折变材料的成像过程。

光折变晶体是一种可重复使用的实时记录材料，也可以采用固定（定影）技术，使固定后的光栅有较长的存储寿命并对读出光不敏感。光折变晶体现已广泛应用于光学信息处理、空间光调制器、信息存储（体全息存储）和位相共轭器件（Phase Conjugate Device）。

目前应用的光折变晶体可以分为两大类：一类是电光晶体（Electro-Optic Crystal）；另一类是化合物半导体（Compound Semiconductor）。铌酸锂（LiNbO3）、钛酸钡（Ba TiO3）和铌酸锶钡（Sr BaNb2O6，SBN）是3种在较低光强照射下就能显示光折变效应的最有效的电光晶体。另外，由于掺铁铌酸锂（Fe：LiNbO3）的光生伏打效应，故具有很好的折射率调制，并可获得相对大的晶体尺寸。例如，已有记录了5 000个全息图的尺寸为2 cm×1.5 cm×1 cm的铌酸锂晶体的报道。钛酸钡则得不到较大的晶体尺寸，5 mm×5 mm×5 mm的样品就已经算大。而且，为了实现最大的折射率调制，样品的切割方向必须与晶轴C成一定角度，这又进一步减小了样品的尺寸。此外，该材料在13℃附近存在位相跃迁，因此该晶体必须总是保持在这个温度之上。SBN有较大的电光系数，且不需要特殊的晶体切割就能实现，位相跃迁（可由掺杂调节）远离室温，并可由电学方法或温度调节来定影。但与前两种晶体比较，SBN迄今所获得的光学质量仍是比较差的。

若干种化合物半导体，例如砷化镓（Ga As）、磷化铟（InP）、碲化镉（Cd Te）等，都显示出光折变效应，并已被应用于光学信息处理系统，其显著的优点是对光场的响应快，典型的如Ga As在中等激光功率强度100 MW/cm2下，能实现亚毫秒级响应时间，这比Ba TiO3在同等条件下要快1～2个数量级。

电光晶体类材料的光谱响应区处于可见光的中段，而化合物半导体材料的光谱响应区则处于0.9～1.35μm的近红外波段或0.6～0.7μm的橙红波段。

除了前面介绍的4类全息记录介质外，还有其他一些类型，例如光导热塑料（Photothermoplastic）、光致聚合物（Photopolymer）和液晶（Liquid Crystal）等，有关全息记录介质的进一步知识，请参阅文献[8]。