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1、1全息技术基本原理及双曝光全息干涉计量全息技术基本原理及双曝光全息干涉计量 技术在微小位移测量上的应用技术在微小位移测量上的应用姓名：郭昕姓名：郭昕 学号：学号：0508138摘要：摘要：介绍了光全息的特点及技术原理，以及阴谋功用领域。通过对悬臂梁受力前后双曝光全息图进行再现，测量出干涉条纹序数与相对应的位置坐标，进而得到微小位移。顺带测出材料的杨氏模量。关键词：关键词：全息技术；记录与再现；双曝光全息图；悬臂梁；微小位移1引言引言40 多年来，全息照相已成为信息光学最活跃的领域之一。各种类型的全息图、全息元件和设备、全息检测方法和显示技术都到了发展；各种全息记录材料和全息产品获得了应用；越来
2、越多的科技工作者们建立起了全息实验室，并开展了大量的学术研究和应用探索。尤其是近十多余来，全息技术的发展使全息产品走向产业化，并开始深入到人们日常生活领域。正如美国商务通信公司(BCC)所预测：“全息照相术正以活跃、最新和增长最快的高级技术工业之一的姿态呈现于世界。2 2光全息的技术特点及原理光全息的技术特点及原理普通照相是根据几何光学成像原理，记录下光波的强度(即振幅)，将空间物体成像在个平面上，由于丢失了光波的相位，以而失去了物体的三维信息。如果能够记录物光波的振幅和相位，并在一定条件下再现，则可看到包含物体全部信息的三维像。即使物体己经移开，仍然可以看到原始物体本身具有的全部现象、包括三
3、维感觉和视差。利用干涉原理，将物体发出的持定光波以干涉条纹的形式记录下来，使物光波前的全部信息都贮存在记录介质中，故所记录的干涉条纹图样被称为“全息图” 。当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现出原始物光波，从而形成与原物体逼真的三维像。这个波前记录和重现的过程称为全息术或全息照相。2 21 1 全息照相技术的特点和优越性全息照相技术的特点和优越性21. 全息照相最突出的特点为由它所形成的三维形象一张全息图看上去很象一扇窗子，当通过它观看时，物体的三维形象在眼前，让人感觉到形象就要破窗而出。如果观察者的头部上下、左右移动时，就可以看到物体的不同侧面。所看到的整个景像是那样的逼真，完全没有普通
4、照片给予人们的隔膜感。2. 全息图具有弥漫性一张具有激光重现的透射式全息图，即使被打碎成若干小碎片，用其中任何一个小碎片仍可重现所拍摄物体的完整的形象。不过，当碎片太小时，重现景像的亮度和分辨率伴随着降低。这就好比通过一个小窗口观看物体时所出现的情况。3. 全息图可进行多重记录对于一张全息相片，记录时的物光和参考光以及重现时的重现光，三者应该是一一对应的。这里包含两层意思：一是指记录时用什么物，则重现时也就得到它的像；二是指重现光与原参考光应相同。如果重现光与原参考有区别(例如波长、波面或入射角不同)，就得不到与原物体完全相同的像。当入射角不同时，则像的亮度和清晰度会大大降低，入射角改变稍大时
5、，像将完全消失。利用这一特点，就可在同一张全息底片上对不同的物体记录多个全息图像。4. 全息图可同时得到虚像和实像实像能投射到屏幕上被观察到，而虚像则否。这基础光学中关于实像与虚像的概念是一致的。但细致观察，还可看到全息图更多的像。总之，全息相片是一种全新的照片。全息照相术(Holography)从根本上改进了传统的照相术，已经成为当代一些科学家、艺术家获得完整自然信息的重要手段，并显示出巨大的应用潜力。2 22 2 全息技术的原理及方法全息技术的原理及方法用于涉方法得到的像平面上光波的全部信息(振幅和相位)，存在于物像之间光波经过的任一平面上。如果在这些平面上能记录携带物体全部信息的波前。并
6、在一定条件下再现(亦称重现)物光波的波前，那么，从效果上看，相当于在记录时被“冻结”在记录介质上的波前从全息图上“释放”出来，然后继续向3前传播，以产生一个可观察的三维像。如果不考虑记录过程和再现过程在时间上的间隔和空间上存在的差异，再现光波与原始光波毫无区别。因此，由光波传递信息而构成物体的过程被分解为两步：波前记录与波前再现。在全息术中通常使用的波是光波，一般把它称为光全息术。根据使用波的不同，又有微波全息术、声波全息术等。波前记录与波前再现是全息术的核心。波前记录与波前再现是全息术的核心。221波前记录（干涉法记录物光波前）波前记录（干涉法记录物光波前）物光波波前信息包括光波的振幅和相位
7、，然而现有的所有记录介质仅对光强产生响应，因此，必须设法把相位信息转换成强度的变化才能记录下来。干涉法是将空间相位调制转换为空间强度调制的标准方法。记录全息图的一种光路布置如图 1 所示。由激光器发出的高度相干的单色光经过分束镜 BS 时分成两束，其中一束光经过反射镜 M1反射、扩束镜 L1扩束后，用来照明待记录的物体，称为物光束；另一束光经反射镜 M2反射、扩束镜 L2扩束后，直接照射全息底片(又称为全息干板)。后一束光提供一个参考光束，当其与来自物体表面的散射光均照射到全息干板上时，物体散射光参考光进行相干叠加，其结果产生极精细的干涉条纹(干涉条纹间距在 cm)，4105被记录在全息干板上
8、，从而形成一张全息图底片。图图 1 记录全息图的一种光路记录全息图的一种光路上述全息图底片经过显影、定影处理后，当用原参考光照明时，光通过全4息图后的衍射和衍射光之间的干涉，形成与物体光波完全相同的光波，从而得到原物的清晰的像。这是就全息图的重现(Hologram reconstruction)。波前记录过程如图 2 所示。如果传播到记录介质上的物光波前的振动大小为：，传播到记录介质上的参考光波波前为：),(),(),(yxjeyxOyxO。则被记录的总光强为：),(),(),(yxjeyxRyxR),(),(cos),(),(2),(),(),(22yxyxyxOyxRyxOyxRyxI（1
9、） 常用的记录介质是银盐感光干板，对两个波前的干涉图样曝光后，经显影、定影处理得到全息图。因此，全息图实际上就是一幅干涉图。(4)式中的前两项是物光和参考光的强度分布，其中参考光波一般都选用比较简单的平面波或球面波，因而是常数或近似于常数，而是物光波在底片上造成的),(yxR),(yxO强度分布，它是不均匀的，但实验上一般都让它比参考光波弱得多。前两项基本上是常数，作为偏置项，第三项是干涉项，包含有物光波的振幅和相位信息。参考光波作为一种高频载波，其振幅和相位都受到物光波的调制(调幅和调相)。参考光波的作用正好完成使物波波前的相位分布转换成干涉条纹的强度分布的任务。图图 2 波前记录波前记录作
10、为全息记录的感光材料很多，最常用的是由细微粒卤化银乳胶徐敷的超微粒干板，简称全息干板。假定全息干板的作用相当于一个线性变换器，它把曝光期间内的入射光强线性地变换为显影后负片的振幅透过宰，为此必须将曝光量变化范围控制在全息干板曲线的线性段内。图 3 是负片的曲线，Et Et 横坐标 E 表示曝光量，纵坐标 t 表示振幅透过率。我们应利用曲线的线性区，5如果全息图的记录未能满足线性记录条件，将影响再现光波的质量。图图 3 负片的负片的曲线曲线Et 222 波前再现（衍射效应再现）波前再现（衍射效应再现）用一束相干光波照射全息图，假定它在全息图个面上的复振幅分布为，则透过全息图的光场为：).(yxC
11、（2） 4321* 0),(),(),(UUUURCOCORCOOCtyxtyxCyxU和均为常数，是曲线直线部发的斜率，为曝光时间和的0tEt 乘积。从上式透射场式的写法可以看出，我们应当将看做波前函数，它*,OOC们分别代表照明光波的直接透射波、物光波及其共轭波，而将它们各自的系数分别看做一种波前变换或一种运算操作。理论分析表明，和基本上保留了照明光波的特性这一项称为全息图1U2U衍射场中的零级波。是原来物波波前的准确再现，它与在波前记录时原始物3U体发出的光波的作用完全相同。当这一光波传播到观察者眼睛里时，可以看到原物的形像。出于原始物光波是发散的，所以观察到的是物体的虚像，如图 4 (
12、a) 所示。这一项称为全息图衍射场中的级波。这一项为全息图衍射场中14U的级波。1只有当照明光波与参考光波均为正人射的平面波时，全息图衍射场中的级光波才严格地镜像对称；由共扼光波所产生的实像，对观察者而言，14U该实像的凸凹与原物体正好相反，因而给人以某种特殊感觉，这种保称为赝(视)像(Pseudoscopic imgae)。6若照明光波恰好是参考光波的共轭波及，则 再现了物光),(yxC),(*yxR4U波前的共扼波，给出原始物体的一个实像，如图 4(b)所示。再现的是物光波3U前，故给出原始物体的一个虚像，由于受的调制，虚像会也产生变形。*RR图图 4 波前再现。波前再现。(a) 用原始参
13、考照明；用原始参考照明；(b) 用共轭参考照明用共轭参考照明波前记录是物波波前与参考波前的干涉记录，它使振幅和相位调制的信息变成干涉图的强度调制。这种全息图被再现光波照射时，它又起一个衍射光屏的作用，正是由于光波通过这种衍射光屏而产生的衍射效应，使全息图上的强度调制信息还原为波前的振幅和相位信息，再现了物光波前。因此，波前记录波前记录和波前再现的过程，实质上是光波的干涉和衍射的结果。和波前再现的过程，实质上是光波的干涉和衍射的结果。3 3双曝光全息干涉计量技术在微小位移（形变）测量上的双曝光全息干涉计量技术在微小位移（形变）测量上的应用应用3 31 1 全息术的应用全息术的应用全息术发展到今天
14、，已在许多领域获得了广泛的应用，并已成为信息光学的一个新兴学科全息学(Holography)，进入到高新科技领域。概括起来，全息照相的应用可归结为下面几上方面：(1) 全息显示 (Holographic display(2) 全息干涉计量学 (Holographic interferometry)7(3) 全息光学元件 (Holographic optical element, HOE)(4) 全息信息存储 (Holographic information storage)(5) 全息信息处理 (Holographic information processing)(6) 全息显微术 (Hol
15、ographic microscopy)3 32 2 全息干涉计量技术全息干涉计量技术全息干涉计量是全息应用的个重要领域，干涉计量的基础是波前比较。全息术是唯一能记录和再现波前的技术，这使我们有可能用一个标准波前与一个变形物体产生的波前相比较而实现干涉测量。由于标准波前和变形波前是通过同一光路来产生的，因而可以消除系统误差，这样对光学元件的精度要求可以降低，这是其它干涉计量方法不容易做到的最常用的全息干涉方法是单次曝光法、二次曝光法利时间平均法。单次曝光法是通过一次曝光把初始物光波面记录在全息图上，底片经处理后用变形后的物光波面和参考光同时照射全息图，参考光可以再现初始物光波面，这个初始物光波
16、面与直接透过全息图的变形后的物光波面相干涉，产生干涉条纹，这样人们可以通过观察干涉条纹的连续变化，分析整个变形过程。为了使再现的标准波前与实际的波回重合，对全息图的复位有严格要求，通常采用就地显影、定影，或用精密复位装置。也可以来用干显影的记录介质，如光导热塑料、光致变色材料等。二次曝光法是通过二次曝光将标准物光波前和变形后的物光波前，按不同时刻记录在同一张全息图上，再现时，通过两个波面之间的干涉条纹了解波面的变化，从面分析两次曝光之间物体的变形。全息干涉术还可用来进行振动分析。记录振动物体的全息图时，物体的位置每时每刻都在变化，我们记录的实际上是振动物体位于不同位置时物光波前与参考光波前干涉结果的时间平均，即得到时间平均全息图。它的再现像就是时间平均全息干涉条纹图样，由条纹的形状和强度分布可以确定振动的模式及振动物体表面各点的振幅。这就是时间平均法。本文将介绍利用二次曝
