1-1 全像術簡介
全像術(Holography) (1)是一種紀錄在二維平面卻能顯示出三維圖像的影像技術。以 傳統的影像技術而言，例如：照相術，它是藉由透鏡系統將三維的景象記錄在感光的平 面上，更或者簡單利用不反光屏幕上的小針孔將景象紀錄再感光底片上，但是記錄下來 的僅僅是原始景象的強度分布，而其他包含景象重要資訊的相位等，則就會喪失掉了。
而全像的獨特性質就是它能完整的把一個物體的資訊包含相位以及振幅通通的記錄下 來，而因為許多的感光材料只能紀錄強度變化，因此全像必須將相位資訊轉換成強度變 化來達成紀錄。全像紀錄時它是利用一個同調光源，會分成參考波以及照射物體後的物 體散射波，然後兩者干涉同時照射在紀錄材料上，由圖 1.1(a)所示，經過處理完成紀錄 的底片我們會稱其為全像片，而我們要重建讀取時，必須以同樣的參考光源同方向的照 射底片，則觀察者在底片的另一面就會看到我們所拍攝的物體好像在原來的地方一樣，
如圖1.1(b)。
同調光源 感光底片
反射鏡 物體
同調光源 全像片
反射鏡 影像 觀察者
(a)
(b)
圖1.1 全像拍攝簡示圖(a) 記錄 (b) 重建
全像術是由蓋伯(G 電子顯微鏡的解析度 提出的一個技術，而他也在 1971 年因為這項技術發明而得到了諾貝爾物理獎。全像術 (Holography)的名稱是由希臘字而來，Holo 代表著全部(whole)，graphein 代表著記錄 (writing)，也就是說全像可以完整的紀錄一個波所有的訊息，包括它的振幅以及相位。
可惜這項技術在當時遭遇到兩個困難點，主要的困難點在於沒有適合的高強度同調光源 可以用來記錄，另外一個則是不能將影像虛像以及實像分離(稱此為同軸全像如圖 1.2)，
因而使得這項技術沉默了許多年，雖然如此，但是蓋伯卻建立了對近代三維影像和全像 的基本架構。
年代，具有高同調性和高強度的光源：雷射的發明，克服了蓋伯的 第一個困難點，爾後，利斯(Leith)和厄普尼克(Upatnieks)利用斜向離軸的概念(稱此為離 軸全像，如圖1.3)，也就是成功的將虛像以及實像分離開來，克服了蓋伯的第二個困難 點，進而使得全像術廣泛的被科學家所研究。
圖1.2 同軸全像 (a) 紀錄 (b) 重建。
abor)在 1948 年所提出，當時他是為了提高
一直到了 1960
物體光 x
（a） 物體
z
點光源
參考光 感光底片
全像片
點光源 Z0 Z0
虛像 實像
觀察者
（b）
圖1.3 離軸全像 (a) 記錄 (b) 重建
經由多年來的科學家 應用的範圍有：全像展
示(Holography display)、全像干涉儀(Holography Interferometry)、全像儲存、全像光學元 件、…等，全像展示大多是作為供人觀賞的作品，全像干涉儀則主要是用在工程測量方 面，全像儲存我們也稱作體積全像儲存，是近來有希望取代傳統光碟片的技術，而全像 光學元件則是利用其紀錄相位的特性，可將光學元件的相位記錄下來，將原本有固定厚 度的光學元件變成厚度較小的光學元件、或是各式各樣形狀的光學元件，因而大大改變 我們的光學系統。
累積研究經驗之後，全像術目前較廣為 z
θ
物體
感光底
（a）
x z
θ
穿透光
全像片
虛像 實像
參考光
（b）
1-2 體積全像簡介
的干涉條紋週期以及紀錄材料的厚度而有所不同，因此劃分成兩 類，一種為體積全像（Volume Hologram）與另一種為薄全像（Thin Hologram），全像是 一種光柵，它可因為曝光的條件或者拍攝程序來決定它的干涉條紋分布，因此我們常利 用Q 值來判斷是體積全像或者是薄全像，
全像會因為材料內
2
2 0
= d
Q nΛ
πλ (1-1)
λ0代表重建
度；定義在Q>1 時我們稱此全像為體積全像，反之在Q<1 時我們稱此全像為薄全像。
全像的干涉條紋的間隔可以在微米（μm）級，並且其繞射效率則是隨著厚度改變的函 數，因此我們可以利用厚度改變繞射效率的特性，以及體積全像會因為我們讀取的光源 波長偏離原來的參考光源的波長，或者是讀取光源的角度不是原來參考光源入射的角 度，而無法重建原來紀錄光的特性。做成體積全像濾波器。
及反射式體積全像兩種；
穿透式體積全像是指，紀錄時訊號光以及參考光由感光材料的同一面入射，讀取時參考 光一樣由此面射入，而繞射光則會由另外一面射出，有如光訊號穿透一樣，因此稱此為 穿透式體積全像；反射式體積全像則是指，紀錄時訊號光以及參考光由感光材料的不同 面入射，讀取時參考光以相同的面射入，繞射光則會在與參考光相同的那一面射出，有 如反射一樣，因此稱此為反射式體積全像。
時光在空氣中的波長，n是光柵的折射係數，Λ是光柵的週期，d是材料的厚
全像實驗架設方式都是利用兩道光的干涉，然後記錄干涉條紋在感光材料內，體積
一般而言，體積全像依照紀錄的方式，可以分成穿透式以
1-3. 體積全像拉曼濾波片簡介
被Smekal提出理論預測，除了常見的瑞利（Rayleigh）彈性 散射光外，還會有頻率遷移（shifted）的非彈性散射光；但是正式被提出來則是在 1928 年由印度科學家拉曼（Raman）以及Krishnan從實驗所證實。當時實驗架構很簡單，將 陽光聚焦以及利用一些濾波器，然後再依靠眼睛觀察散射光的顏色變換所完成，後來拉 曼利用一座水銀燈（mercury lamp）和一台攝譜儀（spectrograph），在 60 幾種液體例如 包含苯（benzene）和四氯化碳（carbon tetrachloride）的液體中，看到了與入射光頻率 不同的散射光。但是拉曼效應是很微弱的效應，大概是入射光的10 左右，所以實驗需 要消耗很多的樣品以及曝光時間要拉很長，並且與當時廣為應用的紅外線光譜相比，光 源的穩定性以及強度都差，因此發展空間極為有限。雖然之間曾經改善光源的強度但是 仍舊不能有效利用。
雷射的產生使得拉曼光譜重生了，雷射提供了單一波長、具同調 性、高強度的平行光源，使得拉曼光譜的研究可以在體積較小的樣品、帶有顏色的樣品、
固體、液體、氣體、和在高溫的樣品、被稀釋的溶液、或在真空中以及其他非穩定的條 件下所進行，再加上後來微電子技術的快速發展，使得捕捉拉曼光譜的設備更快、更精 確也更多功能，有助於許多科學家在許多不同領域的研究。隨著這些技術的進步與改 善，因而促使許多科學家投入更多有關拉曼光譜的研究，例如共振拉曼散射（Resonance Raman scattering）、表面增強拉曼散射（Surface enhanced Raman scattering）、同調反史托 克拉曼散射（Coherence Anti-Stoke Raman scattering），激發拉曼增益或損耗光譜學
（Stimulated Raman Gain & Loss spectroscopy ）、…等。
電子能量的轉換所產生，而化 學家大都主要集中探討振動態的拉曼效應，所以我們通常說拉曼效應就單只是探討振動 1-3-1 拉曼光譜的簡介
拉曼效應(2)早在1923 年
-8
直到 1960 年代，
拉曼散射常是因為物質內部分子的振動、轉動或者是
態的
在此引進拉曼位移（Raman Shift）公式 ：
Raman Shift Δ（cm-1）=（1/雷射光波長）-（1/散射光波長） (1-2)
而入射光與拉曼散射光之間的能量差等於分子散射時的振動能量，所以我們看到的拉曼 光譜圖為散射光子強度對光子能量的改變量Δ（cm-1）所作的圖（如圖1.5 所示）。圖中 拉曼效應。拉曼散射又分為兩種，一種為史托克散射（Stoke-scattering）此種拉曼 散射光的能量比雷射光能量小，因此波長較雷射光波長還長，而另外一種為反史托克散 射（anti-Stoke scattering），此種拉曼散射光的能量比雷射光能量大一點，因此波長較雷 射光波長短一點，由圖1.4 來看，因為分子或原子處於低能階的電子比處於高能階的多，
再加上史托克散射是由較低能階躍遷後引起，而反史托克散射則是在較高能階躍遷，所 以大部分拉曼散射光，史托克散射光出現的機率比反史托克散射大。
hν0
圖1.4 瑞利散射、史托克散射以及反史托克散射的簡單示意模型圖
的每一個峰值都代表著此測量物所擁有的某個分子結構，再由這些峰值位置對照一些拉 曼位移表（如表1.1），就可以得知此測量物包含的分子結構是哪些。
hν0 hν0
h(ν0–νv)
h(ν0+νv) hν0
史托克 瑞利 反史托克
v=1 v=2 v=3 v=0 虛擬能階
圖1.5（a）正常人的結膜與（b）有症狀的結膜的拉曼光譜圖(3)
表1.1 正常結膜以及有症狀結膜的拉曼頻帶位置及其對應的分子(3)~(6)
1-3-2. 拉曼光譜的應用
我們可利用各個分子的振動能量的不同，所導致拉曼光譜的譜線的不同，來判斷出 我們所測量的物質是由哪些分子所組成，而這項特點可讓拉曼光譜應用於非常多的領 域，如以下所列︰
（1）化學物質：分析和特性測量 有機物、無機物，包括溶劑、汽油化工產品、碳物質、
薄膜。（2）化學過程：用於檢視高分子配方和聚合過程，即時測量混合物（包括溶劑 混合物及水溶液）各組成成分的含量，檢查有機污染物，跟蹤化學反應的中間和末端產 物，預測聚合物的型態特徵。（3）高分子聚合物和塑膠：質量控制進廠和出廠產品，
認定生產過程中的污染物質，即時監測聚合反應過程，利用多變量分析/化學計量學方法 預測雙折射、晶狀性、結晶溫度等物理特性。（4）藥物：認定和分析藥物成分、關鍵 添加劑、填充劑、毒品；對藥物的純度和質量進行質量控制。（5）刑事檢測：檢測易 燃易爆物，毒品藥品，生物武器試劑，墨水及文件。（6）生物和醫學：測量血液和血 清中總蛋白質及生物溶質含量，決定新陳代謝產物的濃度，測量血液和組織的含氧量，
在對癌症分子（如子宮癌、肺癌等）和心血管疾病（如動脈硬化）進行診斷。（7）食 品：測量食物油中脂肪酸的不飽和度，檢測食品中的污染物如細菌，認定營養品和果品 飲料中的添加藥物。（8）礦物或珠寶：鑑定和分析真假寶石（如鑽石，石英，紅寶石，
綠寶石等）以及對珍珠、 玉石及其他珠寶產品進行分類。（9）材料，半導體，地質，
綠寶石等）以及對珍珠、 玉石及其他珠寶產品進行分類。（9）材料，半導體，地質，