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1、乐山师范学院毕业论文 本科生毕业论文系（院）物理与电子工程学院 专业 物理学 论文题目浅析激光全息技术的发展和应用 学生姓名 邓小波 指导教师 舒晓琴 讲师 班 级 09级物理学班 学 号 09300116 完成日期：2013年4 月浅析激光全息技术的发展和应用邓小波物理与电子工程学院 物理学 0930016摘要：着重描写了激光全息技术的原理即全息照相的原理和过程。介绍了全息显示、干涉技术、储存技术、防伪技术等领域中激光全息技术的发展趋势和应用现状，讨论了激光全息技术在交叉学科领域中应用及其发展趋势。明确的指出了它们各自在今后的发展方向，从而不断推动激光全息技术在各领域的发展及应用。关键词 全
2、息显示 激光全息技术 全息扫描 储存技术前言顾名思义全息既指的是全部信息（振幅、频率和位相）的意思。而全息术是利用了光的干涉，将物体身上发射的某种特定的光波用干涉条纹进行记录从而形成一种可以记录物体全部信息的图像，我们将这种图像称之为全息图。当我们需要观察物体的再现图像时，可使用激光照射全息图，激光的是一种相干性非常好的光，根据光的衍射，这样就可以用激光记录和再现全息图，这就是我们说的激光全息图。自从激光全息技术的发明以来，它的应用领域和范围不断拓展，对相关技术行业的影响也越来越突出，尤其是近年来激光全息技术与其他学科技术的综合应用，激光技术更体现了它的广阔的应用前景。1 激光全息技术的原理1
3、.1 全息照相和普通照相全息照相和普通照相有一定的联系，它们都是以光波作为信息的载体，以光信息的储存和显示为目的。但它们在原理上有着本质的区别【1】，普通照相是以几何光学原理为基础，利用透镜成像来记录各点的光强分布，所成像为二维平面图像，物象间关系是点点对应的，只要底片破损就不能重现图像。而且普通照相对外界环境要求不高，一般条件都能满足。全息照相则不同，它以光的干涉、衍射等物理光学的规律为基础，引入适当的相干参考波，这样它就记录了物体的振幅信息和位相信息，因而才能得到三维立体图像的实像。在感光底板上得到的不是物体的像，而是物光与参考光的干涉条纹，这些条纹的明暗对比度、条纹的形状和疏密反映了物光
4、波的振幅和相位分布。经过显影、定影处理后，变得到了一张全息图。它相当于一块复杂的光栅，只有在适当的光波照明下才能重建原来的物光波。全息照相得到的是三维立体的实像。物象之间的关系是点面对应的，全息图上每一点都记录了所有的物光信息，无论磨损还是残破，只要得到一小块儿全息图，就能把原来的物体真实再现出来。1.2 激光全息照相激光全息照相分为两步：波前的干涉记录和波前的衍射再现【2】。1.2.1 波前的干涉记录激光束照射物体产生物光束，另一束激光作为参考光束，使两束光在空间相遇，从而发生干涉，感光材料置于其中某一平面处，记录下该平面处的干涉条纹，即全息图。 (1)其中、分别为物光波和参考光波在全息图平
5、面的复振幅分布。式（1）中第一、二项为0级衍射项，第三项为原始像（即+1级像），第四项为共轭像（即-1级像）。如图1就是全息照相的记录光路图1全息照相的记录光路如图，激光束通过快门后经过分束板分为两束：透射的一束经平面镜M2反射、扩束镜L2扩束后作为参考光投射到全息干板E上；反射的一束经平面镜M1反射、扩束镜L1扩束后照到被摄物上，再经过物体的漫反射作为物光束也投射到E上。整个光路光轴在同一个水平面上，光束通过各元件中心。物光与参考光夹角在45o左右。黑暗中把全息干板夹在干板架上，使感光乳剂面朝向物光和参考光，静置一分钟后启动定时曝光器。取下干板，在暗室中显影，水洗后定影一段时间用水冲洗干净，
6、最后晾干，全息图就制作好了。1.2.2 波前的衍射再现在全息干板上不能观察到原来物体的像，这是因为它记录的不是物体的几何图像，只能看到许多明暗不同的干涉条纹，但可以利用光栅衍射原理，使全息图再现物体发出的光波，这个过程就称为全息图的再现。如图2所示就是再现过程的观察光路图，照射在全息图上的光是由一束从特定方向或与原来参考光方向相同的激光束(通常称为再现光)，全息图像上有许多明暗不同的干涉条纹，这些条纹相当于一个复杂的光栅，按光栅衍射原理，再现光将发生衍射，物体在原来位置时发出的光波与“+1级”衍射光是发散光完全一样，将形成一个虚像，同时与原物体完全相同，称为真像；“-1级”衍射光是会聚光，将形
7、成一个共轭实像，称为膺像。这样就可以看到那个逼真的三维立体图像（虚像）。图2 全息图的再现 当用原始参考光再现时，全息图平面的光波场复振幅分布为： （2）利用衍射公式对上式进行衍射积分计算即可获得物体的像光场分布，从而获得强度和位相再现像。2 激光全息显示2.1全息显示的发展及应用全息技术能够综合虚拟物体以及显示三维物体逼真形象的能力，使它在图像显示领域占有十分重要的地位。全息显示技术的发展经历了几个大的阶段；20世纪80年代以前，全息显示技术局限于实验室自作阶段，发展了多种白光显示全息图，例如像平面全息图，反射式体积全息图，彩虹全息图，合成体视全息图等。20世纪80年代后期，全息图的模压式复
8、制技术逐渐成熟，全息图和全息光栅可以采用和凸版印刷类似的工艺技术大规模工业生产，这种先进的制造技术使得全息术走出了实验室，形成了庞大的全息产业，在产品防伪，商标广告，包装装潢，珍品展示，科普教育等各个方面发挥着重要作用。今年出现的数字式合成全息图，利用强大的计算机设计功能，产生三维物体一系列带有视差信息的二维图像，然后利用光学全息记录技术，综合出白光三维显示全息图。这是一种拼装式全息图，逐个像元记录，然后拼接成任意大的尺寸。它具有全视差，大视场，大景深，全方位真彩色显示特点，这种全息技术必会将全息显示推向一个更高的阶段3。2.2 激光全息三维显示2.2.1 激光全息三维显示的应用激光全息三维显
9、示是光全息术应用的一个重要方面。每个三年一次的国际性激光显示全息术交流会议，都吸引了来自世界各国的科学家、艺术家、大学研究人员和企业界人士，并由许多令人惊讶的全息图和应用成果展示。这些应用涉及到各个领域。激光全息三维显示广泛应用于显微领域和海洋学考察等科学研究、工业产品检测、立体广告和商品标签等商业领域、虚拟物品设计、文教艺术、多媒体领域、地理地形和地质探测等领域和经济医学等领域。2.2.2 激光全息三维显示的发展自二十世纪六十年代以来，激光全息三维显示技术因有广泛的应用前景而备受关注。人们已经设想发展全息显微术、全息X射线显微镜、全息电影、全息电视，乃至于立体艺术广告等。目前作为高科技的激光
10、全息三维显示技术在检测、计量、文字图像、信息、设计、商品展示、医学诊断、装饰装潢等领域得到了越来越多的应用，他带来的经济效益和社会效益越来越受到人们的重视，不少国家还兴起了激光全息三维显示产业，并且正式形成日益广阔的市场，它的应用前景非常可观【4】。 3 激光全息干涉技术3.1 激光全息干涉计量技术的发展2002年以来，三维空间中位移测量时影响其测量结果的各种因素的分析和解决方法由南京航空航天大学的蔡云良教授为代表的科研工作者所提出，现在已经开始应用于相关领域。他们还对形变和作用力进行分析、测量位移、震动分析过程中，既位移和形变的大小，以及对测量位移矢量的方向进行了大量研究【5】。随着激光全息
11、干涉条纹的计算机数字图像处理技术的发展，当用激光全息干涉法测取干涉条纹照片时，现已能够大幅度消除不均匀背景杂音，使图像对比度增强，全息干涉条纹得到细化，从而得到清晰的干涉条纹图像，达到精确测量的目的6。目前，美国和德国已经研制出由菌子质记录介质的激光全息干涉计量设备。随着半导体激光技术的进步，脉冲固体激光器的小型化将成为可能。更加小型、便携式瞬态激光全息计量测试设备将在科研、国防和国民经济中发挥更大作用。3.2 激光全息干涉无损检测它在上个世纪60年代末，一种在全息干涉技术中有着重要作用的新技术发展起来了。即就是为无损检测技术中的一个的新分支的激光全息干涉技术。激光全息无损检测是全息干涉计量的
12、实际应用，它的检测原理就是建立在判读全息干涉条纹与结构变形量之间关系的基础上的。既物体在外力的作用下，其表面将会变形。若物体存在缺陷，则缺陷部分的表面变形与原物体无缺陷时的表面形状是不同的。这是因为缺陷的存在，使缺陷部位的热传导系数、强度、刚度、韧性等物理量均发生变化所引起的。因而缺陷部位的局部变形与原物体的整体形状就不一样。应用激光全息干涉无损检测，则可以把这种不同表面的变形转换成光强用来表示干涉条纹，再由感光介质记录下来。若结构不存在缺陷，则这种全息干涉条纹只与外加载荷有关，且干涉条纹是规律性的。反之，则干涉条纹是不规则的。因而在缺陷处产生的条纹，是结构在外加载荷作用下产生的干涉条纹与结构
13、缺陷引起的变形的干涉条纹迭加的结果。这种迭加将引起缺陷部位的表面干涉条纹发生畸变。根据这种干涉畸变就可准确地判断物体的结构是否存在缺陷。目前，激光全息干涉无损检测技术得到了广泛的应用。如：复合材料检测、电铸结构件检测、火箭固体燃料火药柱检测、压力容器检测、应力腐蚀裂纹扩展的检测等工业、军事及国防领域 7。3.3 瞬态激光全息干涉计量技术的发展和应用3.3.1 瞬态激光全息干涉计量技术的应用领域瞬态激光全息干涉计量包括了光电图像处理器、全息技术、计算机图像处理、光敏材料和超短脉冲激光等新新科学领域，实现了对瞬态过程的记录、再现和判读，做到对应力、压力密度、质量密度、压力、温度、振幅、弯矩、应变、
14、位移或转动等物理量的精确测量，从而可以达到对超快物理现象的确切诊断。如：无损探伤、冲击场、流场、应力场及生物过程等 8。3.3.2瞬态激光全息干涉计量技术的应用3.3.2.1 激波绕圆柱体流过时的流场的瞬态全息干涉利用同一记录系统和参考光波，在同一底片上的两次记录。当利用原物光波照射时，将同时再现出沿相同方向传播的变化前后的两个物光波，这两个光波的干涉将在再现物体像上形成一组干涉条纹。要计算物体的表面变形可以对该干涉条纹形状等分析，其折射率的变化可以通过对条纹间的间距进行分析，从而得到激波绕圆柱体流过时的流场的瞬态全息干涉图。2.3.2.2 水平偏置椭圆管自然对流放热的激光干涉测量一种对流体无
15、扰动的全场性的与非接触式的实时全息干涉测量技术，使用此技术非常方便。即使当它的工作状况发生改变时，也能够连续地观测和记录流体的实时变化情况。广泛的应用于传值和传热过程。如水平偏置椭圆管自然对流放热的激光干涉测量94 激光全息储存技术激光全息技术自诞生起，激光全息技术就受到人们关注。目前激光全息储存技术已取得很大的进展，储存容量增大，储存器性能不断改进高密度全息储存技术正日益走向实用。目前激光全息储存技术主要是在数字数据的储存及超大容量全息储存器等方面的应用。4.1 激光全息储存技术的应用4.1.1 数字数据的储存1997年，一个集成化的角度复用全息储存模块由Drolet等人设计出来。该快包括一个BaTiO3光折变晶体、一对液晶光束偏转器和光电子集成电路。此模块的优点是：采用共轭读出方式，再现光逆向经过信号光束记录时通过的路径（从SLM到记录介质），不需要额外的在线光路和成像光路；另外共轭读出方式还校正了读出光的线性相位畸变。其中OEIC的每个像素都具有储存、光探测和调制功能，它本身可完成像素之间的局部数据传输（如探测器到储存器，储存器到调制器），具有动态刷新的功能。4.2.2 超大容量全息储存器人们利用全息材料进一步研究超大容量全息储存技术，目前已经发展了几种盘式全息储存方案，如果三维全息储
