第四节 激光全息印刷

　　由于激光具有良好的单色性和相干性，将全息术应用于印刷，可对白光再现全息图进行大量复制，产生全息图的第三代产品，称其为“全息印刷”。

　　全息印刷属于特种印刷的范畴，是传统印刷的重要补充。现在世界各国都很重视全息印刷，并积极开展应用研究和开发工作。根据资料介绍，从1985年至1995年10年间全息图像印刷产品市场平均每年以36．2％的速度增长。在出版印刷、包装装潢、商品证件防伪加密等领域获得了广泛应用，成为具有经济效益和社会效益的开发项目，引起印刷界、包装界的极大兴趣。

　　全息印刷又称为全息图的大量模压复制。它是全息技术的一个重要应用领域，具有广阔的应用前景。全息图的模压复制技术1969年由美国无线电公司（RCA）首先提出，1981年日本举办了首届模压全息图片展览，1984年美国“国家地理杂志”首先将模压全息图用于杂志的封面，随后不断扩大应用领域，近10年来发展极为迅猛。

一、全息印刷的工艺过程

　　模压全息图制作过程可分为三个阶段：激光全息母版制作、电铸金属模版和模压。

　　所谓模压全息术就是先以能实现白光再现的全息技术方法，在光致抗蚀剂等一类全息记录介质上制作出浮雕型全息图（称为原版）。然后通过电铸成形将原版全息图转化成金属浮雕全息图（称为铸版），经热压将金属全息图上的浮雕信息压入PVC或PET塑料薄膜，最好经真空镀铝将透射式全息图变为反射观察的全息图。

　　1．激光全息母版的制作。用于全息印刷的原版全息图必须是能实现白光再现的浮雕型位相全息图。制作出高质量的全息图是决定全息印刷质量的最关键环节之一。

　　制作白光再现全息图方法较多，模压全息复制技术中多采用彩虹全息、像面全息和反射全息等技术方法。以下重点介绍彩虹全息图制作方法。



图21－10

　　（1）彩虹全息图制作。首先，用银盐干版（天津全息I型）记录物体的菲涅耳型全息图H1，该版经漂白后作为主全息图。光路系统如图21－10所示。He-Ne激光束经M1反射后到达分束镜S，其中透射光由M2反射，经扩束滤波器L1后被凹面反射镜M准直并照射于记录干版H1上作为参考光。经分束器S的另的束反射光作为物光，由M3、M4反射后，经扩束镜L2扩束后照射物体，使物光和参考光在全息干版H1上干涉，曝光后经暗室处理获得H1全息图，即主全息图。



图21－11

　　第二步，用Ar⁺激光器的457.9nm或He-Cd激光器的441.6nm波长的光经准直后沿原参考光的共轭方向照明主全息图H1。光路系统如图21－11所示。在H1前放置狭缝装置，光通过主全息图再现时可得赝视实像（作为物光）。然后，在该实像附近位置放置光致抗蚀剂类记录干版H2，使物光和参考光在H2上干涉并进行记录，经显影处理后，就获得一张浮雕型的彩虹全息图。因为在H2曝光时，狭缝也作为物体被记录在彩虹全息图中，所以再现时还要形成一个狭缝的像。因该记录过程分二步进行，通常称其为二步彩虹全息术。它是在1969年由本顿（Benton）首先提出的。

　　如果再现时用白光来照明彩虹全息图，则每种波长的光都形成一组狭缝像和物体像。一般来说，这一系列像分别出现在不同的空间位置上。若观察者用眼睛在狭缝像附近上下移动其视线，就可以看到从红到紫的不同颜色的物体像。这是因为，通过一个狭缝像的位置只能看到一种颜色的物像。之所以称它为彩虹全息，就是因为这一系列不同颜色的 物像犹如彩虹一样。

　　到1978年美籍华人陈选、极振寰等为了简化拍摄过程，进一步改善像质，提出一步彩虹全息术。其光路结构如图21－12所示。



图21－12

　　2．金属模版制作。这道工序的目的是的把光致抗蚀剂原版全息图上的浮雕型条纹复制在金属板上，制成用于模压机上的工作模片。这是一项涉及化学分析、电化学、表面物理的综合技术，人们称其为民成型技术。电成型也叫作电铸，其工艺流程如图21－13所示。



图21－13

　　（1）表面处理。表面处理的目的是清除胶层表面的油污和杂质，以确保像的保真度和镀层的牢固性。由于光致抗蚀剂易溶解于碱性溶液，所以必须用中性洗涤剂清洗。

　　（2）敏化。敏化处理是将光致抗蚀剂表面离子化，以形成均匀分布的离子颗粒（即反应中心），以保证镀银反应能够均匀地进行。敏化剂为氯化亚锡溶液。

　　（3）化学镀银。这是整个电成型工艺的关键。镀银有两个作用：①在光致抗蚀剂表面形成薄薄一层导电层，约3-5um，成为电解镀镍的阴极；②在浮雕表面镀上一层颗粒极细的银，使光致抗蚀剂上的浮雕沟槽能完全转移到金属镍层上。它的基本化学过程是所谓银镜反应。反应式可表示为：

　　nAg⁺+3/2nOH^-+C₆H₁₂O₆→nAg+nH₂O+1/2nRCOO^-

　　(4)电铸镍。整个电铸过程在电铸槽中进行，槽中镀液呈酸性，置于镀液中的光致抗蚀剂板作为阴极。电镀液的主盐是氨基硫酸镍，也可以用硫酸镍和氯化镍。氨基硫酸镍是一种强电解质，在镀液中全部离解镍离子：

　　Ni[(NH₃SO₃]→Ni²⁺+SO^2-₃+NH₃↑

　　溶液中带正电的镍离子向阴极（即光致蚀剂板）移动，并在阴极接受电子，变成镍原子而镀在阴极上，即：Ni²⁺+2e→Ni

　　电铸过程中要根据所需厚度来调整电流和时间，同时还要注意控制温度、酸度，消除镀层应力等。

　　将镍模从片基上剥离后，用丙酮之类的有机溶剂除胶，就得到所谓的第一代模版（银版），习惯上称“曾祖母”版。

　　（5）表面钝化处理。将模版在钝化液（重铬酸溶液）中做钝化处理，使其表面生成一层银的氧化物，便于在翻镀工作模版时容易剥离。

　　（6）翻铸。经清洗、钝化处理后，将第一代模版放入镀槽中快速电铸镍，即得第二代模版（称祖母版）。再用第二代模版电铸第三代模版（称母版）。最后将母版放入硬镀槽（含硬度剂）中铸出模压用的工作模片。

　　镍版具有很高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性，适用于大批量连续生产。一个好的镍压模可使用百万次以上。

　　3．模压。模压复制是制作全息印刷产品的最后一道工序。它的工艺过程是：将全息金属模版加热到一定温度，以一定的压力在热塑性材料（PET或PVC镀铝薄膜）上压印，这样将工作模片上的全息信息转印到镀铝薄膜上，所以人们把这种全息印刷的专用设备称为全息模压机。

　　模压印刷分平压和滚压，滚压又分为圆压平和圆压圆两种方式。圆压圆是目前最先进的一种方式，也是大规模生产中最常用的一种方式。 它具有全息模版使用寿命长，全息图幅面尺寸大，生产效率高等特优点。模压机如图21－14所示。



图21－14

　　由模压机压制后得到模压全息图，可进行印后加工处理，如压敏胶涂布、衬热纸复合、模切、成品包装入库。模压全息图还可通过“热冲压转印”技术，将其转印到纸张上（如杂志封面和插图）或其它承印材料上。

　　热冲压转印技术由制造转印膜和热冲压转印两个工序组成。制造转印膜是以模压全息图为基础，由复合机来完成的。首先需要在模压全息图的片基表面复合一层离型层和一层基底材料。离型层材料应是一种有离型性、成模性和粘合性的树脂。基底材料通常采用聚酯薄膜（PET）。

　　然后，在模压全息图的金属反射层上复上一层粘合层，这层材料通常选用一种具有特殊性能的热固性树脂。转印膜的构造如图21－15所示。



图21－15

　　热冲压印是由专用的设备完成的，它的工作过程是：利用光电定位装置，使转印膜上的全息图与被转印材料重合并精确定位。然后，用加热的金属模向下冲压，使热固性树脂与被转印的材料粘合在一起，同时使离型层以下部分与基底分离。图21－16所示为转印过程原理图。图21－17是热冲压设备的工作过程示意图。



图21－16



图21－17

二、全息印刷的应用

　　1．防伪标识。由于全息图的制作工艺复杂，技术难度大，再加上在拍摄过程中，可以采用编码技术进行加密处理，目前，模压全息术已作为一种行之有效的防伪手段越来越广泛地应用于商品市场。如国内一些名牌商品（三九胃泰、101生发精、天安851等）因采用全息防伪商标，都收到较好的效果。一些国家还把这一防伪性能应用在信用卡、钞票和重要文件上。

　　2．在室内装饰和包装装潢方面的应用。具有衍射图纹的模压箔，又称镭射箔、钻石胶片或晶晶彩虹片，由于它们特有的绚丽色彩和丰富变化的图案，已应用于室内装饰、家具贴边、礼品包装、商品装潢等方面。

　　模压全息图片作为一种助销手段，特别受到食品工业界的重视，许多厂商将模压全息图作为食品的包装装潢，有的则把全息图片放在食品袋中，以增加人们尤其是孩子们对购买食品的兴趣。

　　3．全息印刷出版物方面的应用。应用全息的三维立体效果和彩虹全息的绚丽色彩制作别具特色的全息艺术作品，用做书刊封面、插图、贺年卡、年历等方面均具有较高的艺术性和欣赏价值。

　　总之，模压全息图的应用领域将不断地扩大，在许多方面显示它独特的魅力。

[时间：2001-12-11  作者：许鑫　杨皋  来源：《印刷应用光学》·第二十一章 激光在印刷工业中的应用]