激光全息技術(shù)

HarbinInstituteofTechnologyHarbinInstituteofTechnology激光全息技術(shù)課程名稱：近代光學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)院系：航天學(xué)院專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)姓名：學(xué)號(hào)：哈爾濱工業(yè)大學(xué)一激光全息的原理激光全息技術(shù)以光的干涉、衍射等物理光學(xué)的規(guī)律為基礎(chǔ)，引入適當(dāng)?shù)南喔蓞⒖疾ǎ粌H記錄了物光的振幅信息，而且也把位相信息記錄了下來(lái)。在感光底板上得到的不是物體的像，而是物光與參考光的干涉條紋，這些條紋的明暗對(duì)比度、條紋的形狀和疏密反映了物光波的振幅和相位分布。經(jīng)過(guò)顯影、定影處理后，變得到了一張全息圖。它相當(dāng)于一塊復(fù)雜的光柵，只有在適當(dāng)?shù)墓獠ㄕ彰飨虏拍苤亟ㄔ瓉?lái)的物光波。全息照相得到的是三維立體的實(shí)像。物象之間的關(guān)系是點(diǎn)面對(duì)應(yīng)的，全息圖上每一點(diǎn)都記錄了所有的物光信息，無(wú)論磨損還是殘破，只要得到一小塊兒全息圖，就能把原來(lái)的物體真實(shí)再現(xiàn)出來(lái)。1.1實(shí)現(xiàn)激光全息照相的要求實(shí)現(xiàn)激光全息照相的要求也很嚴(yán)格。首先，光源必須是相干光源，全息照相是根據(jù)光的干涉原理，因此要求光源必須具有很好的相干性。激光的出現(xiàn)，為全息照提供了一個(gè)理想的光源。其次，全息照相系統(tǒng)要具有穩(wěn)定性，由于全息底片上記錄的是又細(xì)又密的干涉條紋，所以在照相過(guò)程中極小的干擾都會(huì)引起干涉條紋的模糊，甚至使干涉條紋無(wú)法記錄，為此，要求全息實(shí)驗(yàn)臺(tái)是防震的，全息臺(tái)上的所有光學(xué)器件都用磁性材料牢固地吸在工作臺(tái)面鋼板上，另外，氣流通過(guò)光路，聲波干擾以及溫度變化都會(huì)引起周圍空氣密度的變化，因此，在曝光時(shí)應(yīng)該禁止大聲喧嘩，不能隨意走動(dòng)，保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)室絕對(duì)安靜。再次，物光和參考光的光程差應(yīng)盡量小，最多不能超過(guò)2cm。還有，就是必須使用高分辨率的全息底片，因?yàn)槿⒄障嗟灼嫌涗浀氖怯旨?xì)又密的干涉條紋，所以需要高分辨率的感光材料。普通照相用的感光底片由于銀化物的顆粒較粗，每毫米只能記錄50?100個(gè)條紋，激光全息干板其分辨率可達(dá)每毫米3000條，能滿足全息照相的要求。最后，全息照片的沖洗過(guò)程沖洗過(guò)程也是很關(guān)鍵的。按照配方要求配藥，配出顯影液、停影液、定影液和漂白液。上述幾種藥方都要求用蒸餾水配制。沖洗過(guò)程要在暗室進(jìn)行，藥液千萬(wàn)不能見光，保持在室溫20°C左右進(jìn)行沖洗［1］。1.2菲涅耳全息全息照相分為兩步：波前的干涉記錄和波前的衍射重建。以菲涅耳全息為例，首先是波前的干涉記錄，如圖1-1就是菲涅耳全息照相的記錄光路。

圖1-1全息照相的記錄光路如圖，激光束通過(guò)快門后經(jīng)過(guò)分束板分為兩束：透射的一束經(jīng)平面鏡M2反射、擴(kuò)束鏡L2擴(kuò)束后作為參考光投射到全息干板E上；反射的一束經(jīng)平面鏡M1反射、擴(kuò)束鏡L1擴(kuò)束后照到被攝物上，再經(jīng)過(guò)物體的漫反射作為物光束也投射到E上。整個(gè)光路光軸在同一個(gè)水平面上，光束通過(guò)各元件中心。物光與參考光夾角在45°左右。黑暗中把全息干板夾在干板架上，使感光乳劑面朝向物光和參考光，靜置一分鐘后啟動(dòng)定時(shí)曝光器。取下干板，在暗室中顯影，水洗后定影一段時(shí)間用水沖洗干凈，最后晾干，全息圖就制作好了。下面是全息圖的再現(xiàn)，菲涅耳激光全息是用激光再現(xiàn)的。觀察虛像的方法如圖1-2所示：擴(kuò)束鏡圖2虛像的觀察將制作好的全息圖放回拍攝時(shí)原物體的位置，用參考光照射全息圖，在全息圖后面原物所在位置上可以觀察到物體的虛像。若要觀察到原物體的實(shí)像，就要改用參考光的共軛光線來(lái)照射全息圖，則可以用光屏在全息圖后面接受到物的實(shí)像，如圖1-3所示光路。圖3實(shí)像的觀察1.3彩虹全息彩虹全息術(shù)最初是由S.A.本頓提出的。它是用激光記錄全息圖，用白光透射再現(xiàn)。其基本特點(diǎn)是在記錄系統(tǒng)中的適當(dāng)位置上加入一個(gè)狹縫，限制再現(xiàn)光波，以降低像的色模糊。根據(jù)人眼是水平排列的特點(diǎn)，成像只有在水平方向有視差效應(yīng)。彩虹全息保留了水平方向的物體信息，犧牲垂直方向的物體信息，從而可以降低對(duì)照明光源的時(shí)間相干性的要求。它將不同波長(zhǎng)的光沿著垂直方向色散開來(lái)，在不同的高度可以看到不同顏色的假彩色立體再現(xiàn)像。由于狹縫的作用，眼睛在不同位置將會(huì)看到不同顏色的像，特別是當(dāng)觀察點(diǎn)的位置連續(xù)改變時(shí)，就會(huì)看到像的顏色發(fā)生連續(xù)變化，如雨后天空中的彩虹一樣，因而成為彩虹全息。彩虹全息的衍射光有會(huì)聚性能，再現(xiàn)像的亮度較高。采用白光照明光源，可以避免相干散斑紋效應(yīng)引起的噪聲影響。二激光全息技術(shù)的應(yīng)用2.1激光全息技術(shù)在測(cè)量中的應(yīng)用（1） 激光全息在位移、振動(dòng)、速度等方面的應(yīng)用由于激光全息的自身特點(diǎn)，能夠記錄和再現(xiàn)物體的全部信息，能夠重現(xiàn)物體的三維圖像，所以用它來(lái)測(cè)量位移，振動(dòng)、速度不僅能夠單點(diǎn)，單方向測(cè)量，而且還能多方向多點(diǎn)的測(cè)量。測(cè)量采用雙曝光的方式，物體變化前和變化后的三維圖象同時(shí)再現(xiàn)出來(lái)，經(jīng)過(guò)層析的方法實(shí)現(xiàn)位移、振動(dòng)、速度的多點(diǎn)多方向的測(cè)量。（2） 激光全息在溫度場(chǎng)測(cè)量方面的應(yīng)用激光全息在溫度場(chǎng)測(cè)量的原理為：在一定的介質(zhì)中，溫度的高低與介質(zhì)的密度有關(guān)，也即是與介質(zhì)的折射率有關(guān)，如果通過(guò)激光全息的方法計(jì)算出介質(zhì)的折射率，那么就根據(jù)格拉德斯通-戴爾公式計(jì)算出溫度值［2。2.2激光全息技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，全息干涉計(jì)量技術(shù)以它獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)解決了許多其他技術(shù)難以解決的問(wèn)題。（1） 在眼科疾病的診斷過(guò)程中，利用激光全息成像技術(shù)可以提供整個(gè)眼睛的三維立體圖像，并可以用顯微鏡對(duì)整個(gè)眼睛圖像的不同位置（如：角膜、前房、晶狀體、玻璃體以及視網(wǎng)膜等）進(jìn)行逐層觀察和研究。也可以利用激光全息成像技術(shù)提供眼睛各個(gè)部分單獨(dú)的三維立體圖像以做深入的檢查。（2） 超聲波檢測(cè)是目前臨床診斷中的一種重要的手段，但它卻難以記錄和觀測(cè)。采用激光全息技術(shù)，讓穿過(guò)人體檢查部位的超聲波作用在液面上，同時(shí)把一束激光分成兩束，一束照射到液面上并被液面反射到攝相機(jī)上，另一束作為參考光直接照到攝相機(jī)上，這樣攝相機(jī)便可以記錄下帶有聲全息的干涉圖，再通過(guò)激光還原就可以得到超聲波的全息圖。利用這種全息診斷方法可以查出直徑在1mm以上的乳腺癌，有利于癌癥的早期診斷和治療。（3） 2001年，解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院和海軍總醫(yī)院合作，研制成功了用于飛行員體檢的激光全息隨機(jī)點(diǎn)立體視覺檢查儀，該技術(shù)屬國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)。2.3激光全息技術(shù)在交叉和邊緣領(lǐng)域中的應(yīng)用（1） 激光全息技術(shù)制成的全息激光防護(hù)薄膜在光電對(duì)抗中，激光干擾、致盲武器可以干擾、致盲、甚至毀傷對(duì)方武器系統(tǒng)中的光電傳感器和人眼，從而使對(duì)方喪失戰(zhàn)斗力。全息激光防護(hù)薄膜是采用高透明滌綸軟片基，涂敷重銘酸鹽明膠作為光敏介質(zhì)，利用激光全息技術(shù)制作的反射或三維相位光柵。全息激光防護(hù)薄膜能粘貼在光學(xué)系統(tǒng)上，可以按要求實(shí)現(xiàn)反射特定波長(zhǎng)的激光，起到防護(hù)激光輻射的作用。薄膜能讓除特定波長(zhǎng)的激光以外的其它波長(zhǎng)的光只有較少衰減地通過(guò)，可見光透過(guò)率高，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)亮度和像質(zhì)影響較小。（2） 采用激光全息技術(shù)研制的實(shí)時(shí)指紋取像系統(tǒng)指紋識(shí)別系統(tǒng)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)廣泛地運(yùn)用于身份識(shí)別與身份確認(rèn)的各個(gè)領(lǐng)域。2002年，重慶醫(yī)科大學(xué)的甘平教授采用激光全息技術(shù)研制的實(shí)時(shí)指紋取像系統(tǒng)，具有質(zhì)量好，無(wú)畸變、無(wú)失真和圖像清晰的特點(diǎn)，甚至能看見指紋脊上的腺孔?？捎闷叫泄饣虬l(fā)散光照明，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該項(xiàng)技術(shù)上的空白，在國(guó)際上處于先進(jìn)水平，目前正在形成產(chǎn)業(yè)化。隨著該系統(tǒng)的推廣使用，將改變我國(guó)公安系統(tǒng)以外基本很少使用指紋識(shí)別系統(tǒng)的局面。（3） 激光全息掃描技術(shù)激光全息掃描技術(shù)可以應(yīng)用于高速打印機(jī)、條碼閱讀器、激光投射系統(tǒng)、光電跟蹤等一系列產(chǎn)品中，充分顯示了其應(yīng)用前景。激光全息掃描能實(shí)現(xiàn)多方位、多焦距的掃描，能產(chǎn)生一個(gè)三維的掃描場(chǎng)，有收集被掃描物散射的散射光的功能。在散射光中包含著被掃描物的信息，全息圖把帶有此信息的散射光會(huì)聚到探測(cè)器。對(duì)于不需要的環(huán)境光時(shí)，它還有濾波的作用。（4） 激光全息光刻技術(shù)與雙光子聚合技術(shù)（高分子光化學(xué)）相結(jié)合生產(chǎn)光子晶體光子晶體是具有光子帶隙的一種新型光學(xué)材料。被美國(guó)《科學(xué)》雜志列為當(dāng)今十大科學(xué)進(jìn)展之一的光子晶體，由于運(yùn)行速度快、能量損耗小，效率高，在光波導(dǎo)器件、高效率發(fā)光二極管、光濾波器、光子開關(guān)等方面具有巨大的應(yīng)用潛力，將逐步取代傳統(tǒng)的電子器件。而要制造出具有更高折射指數(shù)的光子晶體，就需要通過(guò)激光全息光刻技術(shù)與雙光子聚合技術(shù)，先制造出聚合物微結(jié)構(gòu)作為模板，再用其它高折射率的材料（Si、Ge、TiO2等）進(jìn)行填充，通過(guò)煅燒、化學(xué)腐蝕等方法除去模板來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.4激光全息技術(shù)在防偽、印刷及包裝領(lǐng)域的應(yīng)用無(wú)論是高檔商品促銷，名優(yōu)商品的防假冒或有價(jià)證券（如信用卡、鈔票、護(hù)照簽證）的防偽和加密以及圖書、印刷、印染、裝璜、紀(jì)念郵票和廣告標(biāo)牌等等，都普遍采用激光模壓全息技術(shù)。模壓全息圖的制作主要分為三個(gè)階段：激光攝制原片全息圖，電成型制金屬模板，模壓復(fù)制。這三個(gè)階段的生產(chǎn)工藝和技術(shù)要求都比較高，但由于防偽是該產(chǎn)業(yè)的技術(shù)關(guān)鍵，而重現(xiàn)具有動(dòng)感的三維立體圖像又是激光全息技術(shù)作為防偽手段的關(guān)鍵，所以母版全息圖的攝制就成了這三個(gè)階段中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［3。三數(shù)字激光全息技術(shù)的原理及應(yīng)用數(shù)字激光全息（DigitalLaserHolography）是一種全新的全息圖記錄和再現(xiàn)方式。與傳統(tǒng)全息相比，數(shù)字激光全息技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)全息圖麻煩的前處理過(guò)程，將數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)記錄的圖像輸入到計(jì)算機(jī)中，或用數(shù)字圖像技術(shù)由計(jì)算機(jī)直接生成的圖像處理成為合成全息所用的二維圖片，在計(jì)算機(jī)控制下通過(guò)空間光調(diào)制器將圖片輸入到光路中，然后用一套程控系統(tǒng)完成全息圖的自動(dòng)記錄。數(shù)字激光全息技術(shù)不僅擺脫了實(shí)驗(yàn)室實(shí)物拍攝的束縛，而且在仿真顯示和虛擬景物顯示方面有了新的突破。數(shù)字激光全息技術(shù)的發(fā)展，使其原有技術(shù)的復(fù)雜性和局限性得到克服，在實(shí)現(xiàn)圖像的三維動(dòng)態(tài)顯示、真實(shí)地記錄與再現(xiàn)客觀事物領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，并且能夠進(jìn)行自動(dòng)記錄，制作成本也大幅下降，這一切為數(shù)字激光全息技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。數(shù)字激光全息技術(shù)近幾年來(lái)在激光全息無(wú)損檢測(cè)、數(shù)字激光全息存儲(chǔ)、數(shù)字激光全息成像和印刷等領(lǐng)域的應(yīng)用受到了極大的關(guān)注并取得了很大的進(jìn)展。3.1數(shù)字激光全息無(wú)損檢測(cè)技術(shù)激光全息無(wú)損檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中的一個(gè)新分支，自上世紀(jì)60年代末期發(fā)展起來(lái)，已成為全息干涉計(jì)量技術(shù)的重要應(yīng)用之一。多年來(lái)，激光全息無(wú)損檢測(cè)的理論、技術(shù)、照相系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)都有了很大發(fā)展，在航空航天工業(yè)中，對(duì)復(fù)合材料、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、疊層結(jié)構(gòu)、航空輪胎和高壓管道容器的檢測(cè)具有某些獨(dú)到之處，解決了用其他方法無(wú)法解決的問(wèn)題。脈沖激光器出現(xiàn)之后，消除了全息干涉過(guò)程中的隔振要求，這就使激光全息無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)成為可能。目前，由于視頻拷貝和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的迅速發(fā)展，全息干涉條紋圖像可以通過(guò)CCD攝像機(jī)，快速、準(zhǔn)確地輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖像處理，滿足無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的各種需要。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)將激光全息檢測(cè)技術(shù)與光纖、CCD和微機(jī)數(shù)字圖像處理等新技術(shù)相結(jié)合，形成非接觸遠(yuǎn)距控制小型化檢測(cè)儀器，擺脫了實(shí)驗(yàn)室的束縛，也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，把畸變?nèi)⒏缮鏃l紋圖像傳到專家辦公室，由他們來(lái)對(duì)缺陷作出共同的診斷。由此可以預(yù)測(cè)，激光全息無(wú)損檢測(cè)與CCD攝像、計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像實(shí)時(shí)處理等數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合，將把這一技術(shù)推向新的發(fā)展高度。3.2數(shù)字激光全息存儲(chǔ)技術(shù)數(shù)字激光全息存儲(chǔ)技術(shù)是隨著激光全息技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種大容量、高密度的存儲(chǔ)方式。全息信息存儲(chǔ)是利用傅立葉變換全息圖，制作點(diǎn)全息圖排成陣列，或者像唱片那樣排在旋轉(zhuǎn)圓盤上，利用一個(gè)稱為空間光調(diào)制器(SLD：SpatialLightModulator)的裝置，將一頁(yè)數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為二維圖像，然后，就可以生成一幅全息圖。全息信息存儲(chǔ)具有高存儲(chǔ)密度，它是通過(guò)在感光材料的同一區(qū)域記錄多張全息圖得到的。目前，最常用的多重記錄方法有多波長(zhǎng)，多角度，多相位記錄。為了得到更高的存儲(chǔ)密度，可以綜合使用幾種多重記錄方法。全信息存儲(chǔ)技術(shù)具有極大的冗余性，因此，介質(zhì)部分缺陷不影響數(shù)據(jù)的讀出。另外，由于沒有移動(dòng)的部分，并且每一頁(yè)的所有信息都同時(shí)并行存取，這種存儲(chǔ)技術(shù)也有對(duì)任意存儲(chǔ)數(shù)據(jù)快速存取的潛力。3.3數(shù)字激光全息成像和印刷技術(shù)數(shù)字激光全息成像技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制、全智能化設(shè)計(jì)和制作動(dòng)態(tài)激光全息圖像與文字的高新技術(shù)。1999年美國(guó)ZEBRAIMAGING公司推出了真彩色數(shù)字化大面積大視場(chǎng)大景深光聚合物反射全息圖，推動(dòng)了三維顯示全息圖的進(jìn)一步發(fā)展和市場(chǎng)化。ZEBRA全息圖將全息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成新的數(shù)字化自動(dòng)化象素全息圖技術(shù)，全息圖顏色鮮艷逼真不變，水平和垂直動(dòng)態(tài)視場(chǎng)分別可達(dá)100度，全息圖面積可以任意大，使全息三維顯示技術(shù)在空間顯示，廣告宣傳、文物、人像、標(biāo)本、模型、實(shí)物圖像、抽象圖像、工業(yè)數(shù)據(jù)、工業(yè)設(shè)計(jì)等方面的三維逼真空間顯示前進(jìn)了一大步，顯示了全息圖應(yīng)用光輝燦爛的前景。2001年，曹漢強(qiáng)、朱光喜等研究出一種基于超復(fù)數(shù)系的數(shù)字全息圖像生成方法。制作過(guò)程是先在計(jì)算機(jī)上采用VisualC5.0設(shè)計(jì)分形數(shù)字圖像序列生成系統(tǒng)，生成模擬物體運(yùn)動(dòng)的數(shù)字圖像序列，并經(jīng)過(guò)過(guò)濾波變換和動(dòng)感測(cè)試，將分形數(shù)字圖像按生成順序輸出到透明片上，然后，對(duì)透明片進(jìn)行全息照相，就能得到一張浮雕型的白光再現(xiàn)彩虹全息圖，該全息圖再現(xiàn)時(shí)可看到不同層次的圖案，產(chǎn)生出運(yùn)動(dòng)的效果，色彩艷麗的圖像給人以藝術(shù)的享受。由于分形數(shù)字全息圖像生成過(guò)程具有較好的參數(shù)可控制性和不可逆轉(zhuǎn)性，以及采用了多層曝光，合成的防偽標(biāo)志難以仿制。在計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光全息技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、精密光學(xué)控制技術(shù)、衍射光學(xué)制造技術(shù)和工藝發(fā)展的基礎(chǔ)上，激光無(wú)油墨印刷技術(shù)有了突破性的發(fā)展，產(chǎn)生了激光防偽包裝