彩色全息记录材料介绍

　　全息记录材料可分为无机和有机两大类。大致有卤化银乳胶、重铬酸盐明胶、感光性高分子、光导热塑性塑料、光致各向异性材料、光致折变材料等，其中应用最广泛的是卤化银乳胶和重铬酸盐明胶感光材料。根据记录材料吸收光后材料性能变化的类型大致又可分为透射型、折射型、浮雕型和混合型四种。在全息印刷中主要使用的则为透射型的卤化银、折射型的重铬酸明胶和浮雕型的光致抗蚀剂，属折射和浮雕混合型的以漂白处理方式使用的卤化银材料等。

　　记录材料的选择应从两个方面考虑。一是记录波长，有单波长记录和多波长记录两种情况。另一是全息图的类型，有透射全息图和反射全息图的区别。前者要考虑记录材料的灵敏波长，后者考虑记录材料的厚薄。单波长记录的透射式全息图，多用红敏的记录材料，如国产的天津全息I型和II型，Agfa8E75，Ilford SP696T，SP673和俄罗斯的PRG—03等银盐干版，和光导热塑片等；蓝敏的用天津全息III型，8E56银盐于版和光致抗蚀剂等。

　　单波长记录反射全息图多用DCG版(蓝敏)，光致聚合物(红敏或蓝敏)和8E56HD、8E75HD银盐干版等。多波长记录透射全息图常用649F,8E56银盐干版。反射全息图常用8E56HD和8E75HD记录夹层全息和俄罗斯PRG—03全色银盐干版；双色DCG版；新兴起的光致聚合物有杜邦公司HRF系列和Ommi Dex全息胶片系列。为了方便详细介绍全息常用记录材料的特点，下面先简要介绍反映记录材料性能的几个主要特性参数。

　　全息记录材料的特性参数

　　1,灵敏度

　　灵敏度是记录材料在接受光的作用后，其反应的灵敏程度。

　　因为记录过程是一种光化学作用，光子的能量与波长有关，波长愈长光子的能量愈小，而每一种记录材料都有一个波长的红限，波长大于红限的光对该材料不能起光化学反应。此外，每一种材料都有它自己的吸收带，只有在吸收带内的波长才能起光化学反应作用。这就是记录介质对光谱灵敏程度不同的原因。

　　2 ,光谱灵敏度

　　因为记录过程是一种光化学作用过程，光子的能量与波长有关，波长愈长光子的能　量愈小，通常每一种记录介质都有一波长的红限．波长大于红限的光不能起光化学作用。另外对每一种记录介质都有它的吸收带，在吸收带内的波长才能起光化学作用，这就是光谱灵敏度。必须在该波段有吸收带。图5—8画出国产I型和I型全息干版Kador 649F、Ilford和Agfa全息干版的特性曲线。

　　3, 衍射效率

　　衍射效率定义为全息图衍射成像的光通量与再现照明光总光通量之比。衍射效率不仅与记录介质的性质有关，还与全息图的类型和条纹的调制度有关。一般说来位相型记录材料的衍射效率较振幅型的高。条纹调制度则与参、物光束比有关。对于同一种记录材料，衍射效率还与全息图的空间频率有关。表列出不类型理想全息图的理论衍射效率。

　　表 理想记录介质的衍射效率的理论值

　　4,分辨率

　　记录材料的分辨率通常以1mm长度中能够识别的线对数来表示，即记录材料所能记录的曝光强度的空间调制的最大空间频率，其单位是1/mm。普通照相用胶卷的分辨率只需要200线/mm就够了。记录全息图时，对记录材料分辨率的要求与参、物光束的夹角有关。

　　5,特性曲线

　　特性曲线表示与记录材料有关的一些参量之间的关系，普通照相用 曲线， 是光密度，也称黑密度，它等于透射率 的倒数的对数， 是振幅透射系数，H是记录材料曝光量。在全息术中常用更为合适的H曲线。理想的振幅记录材料的 曲线应当是线性的。

　　对于位相记录材料，透射函数中位相的改变 随曝光量的改变而改变。理想的位相记录材料 －H曲线应当是线性的。实际的位相记录材料在适当的曝光量范围内有一个线性区域可以利用。

　　在全息制版中全息图的衍射效率是个很重要的参量，衍射效率与记录材料、曝光强度的调制度、曝光量的大小都有关系。为了提高全息原版的质量，优化制版工艺，应当分析记录材料在不同曝光量条件衍射效率与曝光强度的调制度V的关系，即以H0为参数的 曲线；或者在不同调制度情况下衍射效率与曝光量的关系，即在V为参量的 曲线。

    6,噪声

　　记录材料的噪声是指材料本身的粒度不均匀性和表面的粗糙度造成的散射光。曝光显影处理以后噪声还会增加，如非线性记录产生的噪声，参考光和物光波的散射光间产生的干涉条纹或散斑等。对于银盐干版，显影的速度以及漂白处理等过程都会使颗粒度增加，产生噪声。

　　常用的全息记录材料

　　理想的记录材料应当对曝光所用的波长有高灵敏度、高分辨率、低噪并且具有线性的 曲线。从生产的角度来考虑还应该具有能够重复使用和价格便宜等优点。实际上对某一种记录材料来说是不可能同时满足这些条件的。

　　1,卤化银乳胶

　　卤化银感光材料是最常用的一种全息材料，它具有高灵敏度、光谱响应宽、分辨率高和通用性强等优点，但衍射效率和信噪比低。卤化银乳胶片分为胶片（软片）和干版（硬片）两种，其主要结构是感光层和片基，感光层又称乳胶层，由超微粒卤化银（主要成分为AgBr和AgCl）晶粒悬浮在明胶中，再加上一定的敏化剂制成的乳胶，其厚度一般为0．01～5μm，乳胶附着在片基上，习惯上把片基为玻璃板的称为全息干版，而片基为醋酸盐和涤纶片等胶片的则称全息软片。作为全息用的卤化银乳胶中微粒度要求为0．03～0．09μm。

　　由于粒度越小感光灵敏度越低，所以全息干版的曝光量较普通照相干版大得多。全息干版的标准显影剂是D19，这种显影剂能得到较高的值。显影后的银颗粒大小为0．1～0．2μm。细微粒的显影剂是D76，显影出的银粒呈丝状。银颗粒越细，全息图的衍射效率可以提高，同时噪声降低。如果银的粒度小于波长，则瑞利散射可以适用。超细微粒干版用D76稀释显影液显影，干版呈棕红色，银的粒度为0．005～0．025μm，全息图的衍射效率可以达到40％。另一种提高衍射效率的方法是用D76显影及F5定影后，再用R10（NaCl）漂白，然后用强光照射，使全息图上曝光部分的生成物为光解银，其粒度为0．01μm。全息的衍射也可以提高。

　　全息干版经曝光和显影处理后得到振幅型全息图，如果经过漂白处理则成为位相型的全息图。漂白是用氧化剂将金属银还原为透明银盐，其结果是使全息图上曝光部分的明胶折射率不同。衍射效率的提高与上述两者的折射率之差有关，但是并不是差值越大越好，而是有一个最佳值。漂白用的氧化剂有很多种，常用的氯化汞（HgCl2）、氯化铁（FeCl3）、铁氰化钾[K3Fe(CN)6]、重铬酸铵[(NH4)Cr2O7]、以及溴化铜(CuBr2)等。上述氧化剂与金属银作用后生成物及其折射率见表。

    表 漂白后的银盐及其折射率

　　为了获得一张高质量的全息图，使用和处理全息干版时还要注意一些技术性问题。全息干版在涂布乳胶后的干燥过程往往产生应力，为消除这种应力，可以将干版在使用前放置在一定湿度的容器中过一夜。全息干版的片基玻璃表面平度一般不好，在记录时由于背面反射光的影响，产生一种木纹状的干涉条纹。消除这种条纹的办法是曝光时在干版片基玻璃的背面覆盖一块中性玻璃，中间加入折射率与玻璃相匹配的折射液，当显影时把它去掉。如果记录反射全息图，可以把干版放在折射率匹配的液槽中。曝光时如果光束以较大的角度斜入射在干版上，光从侧面进入玻璃，将在两表面之间发生多次反射，形成一条条的小全息图，这会影响全息图的质量；消除的办法是用光栏限制光束，使其截面小于全息干版，或挡住干版的边缘。

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　　2．重铬酸盐明胶

　　重铬酸盐明胶是一种很好的位相型记录介质，它的分辨率可以达到5000线／mm。重铬酸盐明胶具有高衍射效率和高信噪比的优点。缺点是感光度低，只有（3～7）×10-3J/cm2，是柯达649F的百万分之一左右。重铬酸盐明胶对温度和细菌的反应敏感，且对环境的温湿度敏感，怕潮湿，图像不稳定，容易消像，所以应放在密闭容器中保存。铬对人有毒。

　　重铬酸盐明胶的硬化明胶折射率可达到0．08，用于记录体积全息时其η－H曲线。明胶有硬化和末硬化的两种。未硬化的明胶可以制作浮雕型全息图；硬化的明胶适合于制作折射型的位相型全息图。由于这种材料被光照射的部分不变黑，在全息图再现时不吸收光，因此其衍射率高，用它制作的体积全息图的衍射效率可达到90％。

　　重铬酸盐明胶和其他重铬酸盐胶质是应用最早的照相材料。明胶是从动物的天然蛋白质骨胶中提取的。明胶中掺有少量用以敏化的重铬酸盐后，用短波长的蓝紫光照射，曝光的地方变硬，较未曝光的的地方难溶于水，水洗后可以转成厚度、密度或两者兼有的变化，因此可用它做全息材料，产生由厚度或折射率调制位相型全息图。重铬酸盐明胶吸收区的波长大约为540nm，因此只能用于氩离子激光的514．5nm和488nm，或氦镉激光的412nm波长。因为重铬酸盐明胶干版，不像卤化银干版中有微小的银粒子，所以它的分辨率很高，可达2000～5000线／mm。

　　如果用氦氖激光的632．8nm波长，在明胶中还得加入其他敏化染料，常用的染料有亚甲蓝和亚甲绿。

　　3．光致抗蚀剂

　　光致抗蚀剂是一种很适合于记录薄浮雕位相型全息图的光敏有机记录材料。这种材料经过曝光和显影可以形成浮雕像。它有正型和负型两种类型。

　　正型光致抗蚀剂，曝光的地方吸收光产生有机酸破坏交联成为可溶性有机材料，通过显影被溶掉；负性的光致抗蚀剂，曝光的地方因吸收光在分子间形成交联，使有机材料硬化而变得不溶解，显影后只有未被曝光的部分被溶解掉，留下的是凹凸不平表面的全息图。作为全息记录材料，光致抗蚀剂可以用离心甩胶的方法制成微米量级的薄膜，收缩及变形都很小，衍射效率高，是制作浮雕全息的很好的材料，分辨率可达到3000线／mm左右。但是用它作为浮雕全息材料存在着两个缺点，其一是感光灵敏度低；其二是光谱响应范围窄。光致抗蚀剂对蓝光敏感，通常用He-Cd激光器的441．6nm波长曝光。光致抗蚀剂用于记录全息图，要求它必须与片基很好地粘结，为此只能选用正型光致抗蚀剂。

　　光致抗蚀剂能在光的作用下产生一种强酸，通过加热能使主体树脂发生光分解和光交联反应。由于产生的强酸可循环使用，所以可获得高灵敏度。目前广泛使用的光酸产生剂是金翁盐，如碘金翁盐、硫金翁盐、铁金翁盐、碳金翁盐等。如甲酚树脂－β－萘甲酸叔丁酯－三苯基硫六氟磷金翁盐组成的感光体系，是正型抗蚀剂，感光灵敏度达几个mJ/cm2。

　　国外普遍采用Shipley公司的MICROPOSIT－1350（AZ－1350）正型光致抗蚀剂。国内有北京化工二厂生产的BP－212正型光刻胶。

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　　4．光导热塑性塑料

　　光导热塑性塑料是一种浮雕型位相记录材料，其结构如图1所示。光导热塑性塑料干版的制造方法，是在玻璃片基上用真空镀膜方法镀上透明的导电膜，例如氧化锡，然后用化学的方法，涂布厚度为2～3μm的光电导体和厚度约为1μm的热塑性塑料。光导热塑性塑料的工作原理如图1所示。

　　在使用时，首先在暗室中敏化光导热塑性塑料。所谓敏化就是用带有4～8kV高电压的电网充电，在热塑性塑料和透明导体这间建立均匀的电位差 使干版带电并有感光性，其中d为热塑性塑料和光电导体层的总厚度，ε为相应介电常数，σ为面电荷密度，如图1（a）所示。第二步是对干版进行曝光，曝光部分光电导放电，至使热塑层在光照处的电位Vˊ下降为 ，。第三步是使热塑性塑料表面电荷再次呈现均匀分布，即再充电，由于光照处电容器的厚度dˊ变小，在相同电位的情况下，表面电荷密度必然增加，这样就在热塑层表面形成潜像，如图1(c)所示。第四步是显影和定影，这里的显影过程是先对热塑性塑料加热致60oC左右使它软化，它在电场作用下会变形。定型过程是冷却，使之形成浮雕型的全息图，如图（d）所示。由于热塑性塑料的热导电性，光导热塑性塑料可以擦除后反复使用。擦除的方法是把它加热到适当的温度，片子表面的电荷全部消失，使塑料恢复到原来的平整度冷却。如图（ｅ）所示。

图 光导热塑性塑料干版的结构与工作原理

　　光导热塑性塑料作为全息记录材料的优点是对可见光敏感和干显影，适合于实时观察，衍射率高，能重复使用，布喇格效应很小，是较为理想的平面全息图记录材料。缺点是分辨率低，小于2000线／mm。

　　5．光致聚合材料

　　全息记录用光致聚合物包括四类主要基本组分：光引发剂、乙烯基单体、增感材料和载体。每种组分都有多种材料可以使用。根据使用要求不同，可以进行不同的优化组合。光致聚合是一种光化学过程，在光的照射下，聚合体系中产生活性自由基，并引发起聚合效应使体系内的小分子或单体被组合成大分子或聚合物。光致聚合材料可用来制作折射型或浮雕型的位相全息图，全息图本身有好的几何保真度。光聚合材料作为全息记录材料，图像形成的机理可由图5－20表示。曝光阶段，光聚合物体系在特定波长的激光能量的作用下产生自由基，并聚合形成大的分子。不同位置记录条纹光强度的分布形成了记录材料聚合度的空间分布，再经过显影、定影处理形成全息图。不同聚合度的物质，反映在光学特性方面，就显示出折射率的差异。

　　感光性高分子材料，兼有高灵敏度、高衍射效率、光谱响应范围宽、加工简便、存贮稳定等优点，是目前研究开发的重点。感光性高分子材料从反应机理可以分为光聚合型、光交联型和分解型。它们可以用于制作浮雕型或折射型的位相全息。

　　除了上面介绍的几种常用的全息记录材料以外还有光色材料、光折变晶体和强电介质材料等，详细情况请读者参阅有关著作。