白光再现全息术

全息照片及其原理摘要本文描述了笔者所见到的一张全息照片的特点，并利用全息照相的基本原理和白光再现全息的原理对所观察到的部分现象进行一些简单的解释。

关键词全息照相白光再现全息从1948年伽柏首次提出全息照相的思想，到1971年伽柏因全息技术获得诺贝尔物理学奖，再到如今的白光记录全息技术，短短六十年，全息技术被广泛运用到工业、医学、生物、军事等多个领域，并体现出其强大的优势。

一、现象描述笔者曾在大学期间进入到学校的演示实验室，并在那里见到了一张全息照片，并观察到若干现象：1.全息照片长约50cm，宽约30cm，厚约4cm。

除了照片外，没有其他任何辅助装置。

2.全息照片内容为三件青铜器，包括背景，物体在内，整张照片均为青绿色。

3.全息照片具有极强的立体感，层次感，可以从各个角度观察照片中物体的各面。

二、原理解释1.全息照相基本原理物体发出的光包含光的振幅和光的相位两方面的信息并可以用复数形式表示),(),(),(y x i e y x a y x A ψ=并且光用复数表示后满足复数的运算规则。

在普通摄影中，相片只是记录了景物反射光的强弱，即振幅信息。

如果能在拍摄过程中，同时记录下光的振幅和相位信息，就能记录下立体信息，这就是的全息摄影思想。

但由于所有的记录介质只能对光强有响应，所以应将光的相位信息转化为光强信息记录下来。

常用的方法是干涉法。

拍摄原理如图一所示。

激光器发射出的光被分束器分成两部分。

其中一部分照射到物体上，通过物体的漫反射反射到感光胶片上，称为物光；另一部分则直接照射到感光胶片上，称为参照光。

二者发生干涉，记录下光的信息。

设物光为),(),(),(y x i o e y x o y x O ψ=,类似的那么参照光则为),(),(),(y x i r e y x r y x R ψ=，二者在胶片上干涉有),(),(),(y x R y x O y x A +=则光强为经查阅资料，全息底片经过冲洗后，全息图上各点振幅透过率与入射光强度有如下关系),(),(0y x kI T y x T +=其中为),(y x I 振幅透过率，),(y x T 为入射光强。

全息术的发展及其应用展望全息术的发展及其应用展望第一章全息术简介1.1什么是光全息术？光全息术是利用光的干涉和衍射原理,将物体反射的特定光波以干涉条纹的形式记录下来,并在一定条件下使其再现,形成与原物体逼真的三维像.由于记录了物体的全部信息(振幅和位相) ,因此称为全息术或全息照相术. 显然,这是一种用光学方法在人的视觉上再现物体三维清晰像的典型技术. 近年来,这种技术的实际应用范围越来越广,且已超出工程技术领域,扩展到医学、艺术、装饰、包装、印刷等领域. 正如1983 年英国泰晤士报宣称:“全息照相术面临的突破比150 年前照相术面临的突破更加有意义. ”提出这种观点的基础是因为模压全息图的产生. 这种产品使几十年来仅限于少数专家在实验室中的全息显示技术形成了能大规模生产的产业.1.2全息术的类型全息术的类型很多, 可以从不同的角度来进行分类: 比如根据拍摄时物与底片距离的远近分为夫琅和费全息与菲涅耳全息; 根据参考光与物光共轴与否分为共轴全息与离轴全息;也可以根据底片上乳胶层的厚度与干涉条纹间距的比例分为平面全息(乳胶层很薄以至全息片的性能不受乳胶层厚度影响) 和体全息(介质厚度大于干涉条纹间距, 介质内部也记录了干涉场的信息)。

1.3全息术的特点1三维性因为全息图记录了物光的相位信息, 再现时,可观察到如同真实物体一样逼真的三维图像。

当观察者改变位置时, 可以看到物体后面被挡住的部分, 可以看到逼真的三维图像。

2不可撕毁性因为全息图记录的是物光与参考光的干涉条纹, 所以具有可分割性。

它被分割后的任一碎片都能再现完整的被摄物形象, 只是分辨率受到一些影响。

3再现像的缩放性因衍射角与波长有关, 用不同波长的激光照射全息图, 再现像就会发生放大或缩小。

4信息容量大同一张全息感光板可多次重复曝光记录, 并能互不干扰地再现各个不同的图像。

第二章光全息术的发展光全息术是D. Gabor在1948年为改善电子显微镜像质所提出的，其意义在于完整的记录。

浅谈全息图的三个特点及激光全息摄影技术摘要:全息照相记录了光波的全部信息，除振幅外,还记录了光波的相位；菲涅耳全息图用白光再现会产生色模糊和像模糊;菲涅耳全息图上每一点都记录了物体上所有点发出的波的全部信息，每一点都可以在再现光照射下再现出像的整体,因而全息图的碎片仍能再现出物体完整的像。

激光全息技术作为一种新兴技术，全息影像技术还不是很完善，包括成本、清晰度、容量等问题还没有得到妥善的解决，但全息技术的应用,顺应了时代发展的潮流，将成为未来人们生活中必不可少的一部分.引言从全息思想的提出至今已经有半个多世纪的历史。

期间，全息技术的发展取得了很大的成就。

了解激光全息摄影，有助于我们深入了解全息技术对生产、生活的重要影响以及其今后的发展方向.一、全息图的三个特点（一）全息图的三维立体性全息照片和普通的科普照片是不一样的。

在适当的光照下,全息照片上显示出来的景象是立体的，可看到景物的各个侧面。

全息照相和常规照相之不同还在于，常规照相只是记录了被摄物体表面光线强弱的变化，即只记录了光的振幅；而全息照相则记录了光波的全部信息，除振幅外，还记录了光波的相位.这样就把空间物体光波场的全部信息都贮存记录了下来.然后利用全息照片对特定波长单色照明光的衍射，把原空间景象显现出来。

它可将一个“冻结”了的景物重新“复活”后显现在人们眼前。

全息照片的这一特性使它的应用极其广泛，如用于研究火箭飞行时的冲击波、机翼蜂窝状结构的无损检测等.（二）菲涅耳全息图不能用白光再现白光作为再现光源，通常光源线度较宽，如果光源线度展宽会引起像的线度展宽形成线模糊。

同时白光含有所有波长，从而会引起像的色模糊，因此菲涅耳全息图不能用白光再现.（三）菲涅耳全息碎片能够再现完整三维图像菲涅耳全息图上每一点都记录了物体上所有点发出的波的全部信息，每一点都可以在再现光照射下再现出像的整体，因而全息图的碎片仍能再现出物体完整的像.不过对再现像有贡献的点越多,像的亮度越高。

白光反射全息图 一、 基本原理
白光反射全息图是利用光学原理在人的视觉上再现物体三维信息的一种技术。

它利用光的干涉和衍射原理，将物体反射的特定光波一干涉条纹的形式记录下来，并在一定条件下使其再现，形成原物逼真的三维像。

由于这种方法不仅能记录下物体不同部位的光强信息，而且还能记录下物体前后不同部位的相位信息，因此称之为全息照相术。

制作白光全息图，需要用激光器作为光源，涉及了相干性原理，耦合波理论及bragg 条件，Lippman 原理等原理。

二、 显示条件
全息图基于衍射理论，重现物体的光波，因此对光源有一定要求。

图像清晰度与照明光源有如下关系：
a)
重现像的最小可分辨尺寸Δδ与光源直径c 表示的照明光源空间相干性之间的关系：
r z z r
∆=
∆1
δ （式中z 1为显示像到全息图的距离，z r 为照明光源到全息图的距离） b)
重现像的最小可分辨尺寸Δδ与光源波长宽度Δλ之间的关系为：
⎪⎭
⎫
⎝⎛∆=∆λλθδr z 1 （式中z 1为显示像到全息图的距离，θr 是光源发散角，Δλ/λ）为波
长宽度相对值。

白光显示全息图的照明灯光源直径Δr 和光源波长宽度Δλ以及全息图像前后深度z 1都有一定关系，若要Δδ小，即整个立体图像清晰，就要求z r 大θr 小。

一般灯炮由于θr 较大，因此需要z r 更大一些，即照明要和全息图有一定距离。

反射式
透射式
三、 全息图的种类
1、反射全息图
2、透射彩虹全息图
3、360度全息图。

全息术应用了光的什么原理1. 什么是全息术？全息术是一种基于光的影像记录和再现技术，它利用光波的干涉和衍射原理记录并再现物体的三维信息。

全息术在科学研究、艺术创作、商业应用等领域都有广泛的应用。

2. 光的干涉原理全息术的核心原理是基于光的干涉现象。

干涉是指两束或多束光波相互叠加时发生的波的相长相消现象。

当光波通过多个孔径或屏幕时，由于光波的波动性质，波峰和波谷会相互叠加或抵消，产生干涉现象。

3. 光的衍射原理除了干涉现象，全息术还利用了光的衍射现象。

衍射是指光波在通过障碍物或孔径时发生的偏折现象。

当光波通过一个物体或孔径时，光波会在周围产生一系列的交替明暗条纹，这种现象就是衍射。

4. 全息术的原理全息术结合了光的干涉和衍射原理，利用干涉和衍射的特性来记录和再现物体的三维信息。

具体来说，全息术包括三个关键步骤：记录、再现和观察。

4.1 记录在全息术的记录过程中，需要将被记录的物体放置在一个光学平台上，通过一个分束器将激光光源分为两束：信号光和参考光。

信号光照射到物体上，并记录下光的相位和振幅信息。

参考光则绕过物体直接照射到光敏材料上进行干涉。

4.2 再现在全息术的再现过程中，通过光敏材料的干涉图样来还原被记录的物体信息。

激光光源照射到光敏材料上，光波与被记录下来的干涉图样发生干涉和衍射现象，形成物体的三维像。

这个再现的图像是通过光的波前面和光场的干涉结果来生成的。

4.3 观察观察是全息术中的最后一步，利用光学设备观察光敏材料上再现出来的物体图像。

观察者可以从不同的角度观察全息图像，得到物体的立体感和深度信息。

5. 全息术的应用全息术由于其独特的记录和再现原理，具有广泛的应用领域，包括但不限于以下几个方面：•科学研究：全息术可用于物体形貌的研究和分析，如纳米颗粒、细胞结构等。

•艺术创作：全息术可以被用于创作全息照片、全息雕塑等艺术作品。

•商业应用：全息术在广告宣传、产品展示等方面有很大的潜力，让人们体验更具有沉浸感和立体感的视觉效果。

实验7 激光全息照相【实验目的】1．了解全息照相的基本原理。

2．学习并掌握全息照相的基本实验技术。

【实验原理】英国物理学家伽柏（D.Gabor）在1947年，并非从三维成像（three dimensional imaging）的目的出发，而是为了提高电子显微镜（electron microscope）的分辨率，发明了全息术（holography）。

他提出用物体衍射的电子波制作全息图（hologram），然后用可见光（visible light）照明全息图来得到放大的物体像。

由于省去了电子显微镜物镜（objective），这种无透镜两步成像过程可期望获得更高的分辨率（resolution），伽柏用可见光验证了这一原理。

全息术的思想渊源来自波动光学（wave optics），全息术的发展，不仅有赖于激光（laser）的出现，还有赖于其它方面的贡献。

伽柏曾经说过：“在进行这项研究时，我站在两个伟大的物理学家的肩膀上，他们是布喇格（W.L.Bragg）和采尼克（F.Zernike）。

”这就是说，伽柏全息思想的萌生受到他们的启发。

在发明全息术的前几年，伽柏看过布喇格的“X射线显微镜（X-ray microscope）”（布喇格采用两次衍射使晶格的像重现），并注意到如若采用布喇格的方法还不足以记录傅里叶变换的全部信息。

为了解决相位记录的问题，伽柏想到了采尼克在研究透镜像差（lens aberration）时使用过的“相干背景”，即用“相干背景”作为参考波（reference wave），那么参考波与衍射波（diffraction wave）（物波（object wave））相互干涉，用照相底片记录干涉图样（interference pattern），便得到包含相位（phase）信息在内的干涉图样，此即全息图。

在全息图上，两个波相位相同处产生极大，相反处产生极小，当用参考光照明全息图时可重建物波波前（wave front）。

全息存储的应用前景摘要: 回顾了全息术的历史,阐述了全息术的基本原理,然后介绍了全息术在实际中的应用及其发展方向. 全息术;干涉计量;全息存储;显示全息; 关键词: 全息术;干涉计量;全息存储;显示全息;模压全息引文: 我们看到的世界是三维的,彩色的,这是因为每个物体发射的光被人眼接受时,光的强弱,射向和距离,颜色都不同.从波动光学的观点看,是由于各物体发射的特定的光波不同,光的特征主要取决于光波的振幅(强弱),位相(同相面形状)和波长(颜色).如果能得到景物光波的完全特征,就能看到景物逼真的三维像,这就是全息术.全息术诞生到现在60 年来取得了很大的进展,已被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中. 1. 全息术的历史和发展阶段1948 年, 丹尼斯盖伯提出一种记录光波振幅和相位的方法, 随后用实验证实这一想法, 即全息术, 并制成世界上第一张全息图. 盖伯本来是为提高电子显微镜的分辨率而提出的设想,虽然未能用电子波证实其原理,但用可见光证实了.从第一张全息照片制成到20 世纪50 年代末期,全息图制作具有以下共同特点:全息图都是用汞灯作为光源;而且是所谓同轴全息图, 即物光和参考光在一条光路上得到的全息图. 这一时期的全息图被称为第一代全息图,标志着全息术的萌芽.第一代全息图存在两个严重问题,一个是再现的原始像和共轭像分不开,另一个是光源的相干性太差.因此在这十多年中,全息术进展缓慢. 1960 年激光的出现,提供了一种高相干度光源,为全息技术发展提供了可能.针对第一代全息技术出现的问题,利思和乌帕特尼克斯(1962)提出,将通信理论中的载频概念推广到空域中,用离轴的参考光与物光干涉形成全息图,再利用离轴的参考光照射全息图,使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量, 其中一个复制出原始物光. 该方法被称为离轴全息术,这是全息术发展的第二阶段.第二代全息术解决了光源的问题,并且在立体成像,干涉计量检测, 信息存贮等应用领域中获得巨大进展, 但是激光再现的全息图失去了色调信息. 科学家们开始致力于研究第三代全息图到.这是用激光记录,而用白光再现的全息图, 在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩. 第三代全息术已经在很多领域的到了应用, 例如: 像全息,反射全息,彩虹全息,模压全息等. 激光的高度相干性, 要求全息拍摄过程中各个元件, 光源和记录介质的相对位置严格保持不变,这也给全息技术的实际使用带来了种种不便.于是,科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性. 第四代全息图应该是白光记录白光再现的全息图, 它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室,进入更加广泛的实用领域. 2. 全息术的基本原理和特点全息术是一种"无透镜"的两步成像法,它能在感光胶片上同时记录物体的全部信息,即物体光的振幅和位相.全息照相过程分全息记录和再现两步:第一步称为波前记录(全息记录);第二步物体的再现(重现). 波前记录依据的是干涉原理, 物光波和参考光波相干叠加而产生干涉条纹. 干涉条纹的反衬度记录了物光波前的振幅分布,干涉条纹的几何特征(包括形状,间距,位置)记录了物光波前的位相分布.就是说,全息图上的强度分布记录了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布,它们分别反映了物体的明暗和纵深位置等方面的特征.应当指出,任何感光底片都只能记录振幅(或者说强度)的分布,而不能直接记录位相分布,全息照相之所以能记录位相分布,是利用了参考光波把它转化成了干涉条纹的强度分布.假如没有参考光波,或者它与物光波不相干,波前上的位相分布是不可能记录下来的. 波前再现的理论依据是衍射原理,照明光波(再现光)经过全息图衍射后出现一个复杂的光波场.全息图的衍射波含有三种主要成分,即物光波(+1 级衍射波),物光波的共轭波(-1 级衍射波),照明光波的照直前进(零级衍射波).在现代记录和重现的全息照相装置中,这三种衍射波在空间彼此分离, 互不干扰, 便于人们用眼睛或镜头去观测物光波的虚像或其共轭波的实像. 全息术的原理决定了它所记录的全息图有下列特点: (1)三维性——因为全息图记录了物光的相位信息,图像具有显著的视差特性,可以看到逼真的三维图像. (2)不可撕毁性——因为全息图记录的是物光与参考光的干涉条纹,所以具有可分割性. 它被分割后的任一碎片都能再现完整的被摄物形象,只是分辨率受到一些影响. (3)信息容量大——同一张全息感光板可多次重复曝光记录,并能互不干扰地再现各个不同的图像. (4)全息图的再现相可放大或缩小——因为衍射角与波长有关,用不同波长的激光照射全息图,再现相就会发生放大或缩小. [ 3. 全息术的主要应用及其发展方向全息术经过60 年的发展,已与计算机技术,光电技术以及非线性光学技术紧密结合, 成为一种高新技术,扩展到医学,艺术,装饰,包装,印刷等领域,在一些发达国家还兴起了全息产业,并且正在形成日益广阔的市场,实用前景非常可观.本文介绍全息术中几个应用较为广泛,产业化较成熟的领域并说明其发展方向. 3.1 全息存储全息存储是依据全息术的原理, 将信息以全息照相的方式存储起来, 它利用两个光波之间的耦合和解耦合,可以把信息存储和信息之间的比较(相关),识别,甚至联想的功能结合起来,也就是可以把信息存储和信息处理结合起来.用于全息信息存储的记录介质较多,可永久保存信息的全息图用银盐干板, 银盐非漂白型位相全息干板, 光聚合物及光致抗蚀剂等; 可擦除重复使用的实时记录材料有光导热塑料, 有机或无机光折变材料等. 全息存储在存储容量方面具有巨大的优势,原因是: (1)全息存储具有存储容量大的优势.用感光干板作为普通照相记录信息时,信息存储密度的数量级一般为105bit/mm2; 用平面全息图存储信息时, 存储密度一般可提高一个数量 2 级达106bit/mm ;如果用体全息图存储信息时,存储密度可高达1013bit/mm2. (2)全息存储具有极大的冗余性,存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息丢失. (3)全息存储具有读取速率高和能并行读取的特点, 每个数据页可包含达1Mbit 的信息, 写人一页的时间在100ms 左右,读信息的时间可以小于100s,而磁盘的寻址时间至少需要10ms. 当前,在世界范围内掀起了全息存储研究的热潮,并取得很大的进展,其主要表现在: (1)存储容量迅速提高和性能不断改善,并逐步走向实用化.例如,1994 年美国加州理工学院在1cm3 掺铁妮酸锉晶体中记录了1000 幅全息图,同年,斯坦福大学的一个研究小组把经压缩的数字化图像视频数据存储在一个全息存储器中, 并再现了这些数据而图像质量无显著下降. 1999 年美国加州理工大学利用空-角复用技术,在同一块在掺铁铌酸锂晶体中存储了26000 幅全息图.北京清华大学实现了在掺铁妮酸铿晶体中的同一空间位置记录1500 幅全息图,并研制了具有紧凑结构的灵巧型全息存储装置. (2)实用化的全息存储系统逐渐推出. 例如, 1995 年由美国政府高级研究项目局(ARPA ), IBM 公司的Almaden 研究中心,斯坦福大学等联合成立了协作组织并在美国国家存储工业联合会(NS1C)支持下川,投资约7000 万美元,实施了光折变信息存储材料(PRISM)和全息数据存储系统(HDSS)项目,预期在5 年内开发出具有容量为1T bit 数据,存储速率为1000MB/s 的一次写人或重复写人的全息数据存储系统.同样的研究在法国,英国,德国和日本等国家也正在加紧进行. 近几年来, 光电子技术和器件取得了系列重大进展, 为全息存储器提供了所必要的高性能半导体激光器,液晶空间光调制器,CCD 阵列探测器等核心元器件,全息存储的理论和方法的发展使这项技术日趋成熟然而, 美中不足的是全息图的寿命问题尚待解决, 虽然张泽明,谢敬辉等对Ce:Fe:LiNbO3 晶体的全息存储和热定影进行了理论和实验研究,从方法上给出了记录角度越大,光栅周期越小,热定影所需最小离子数密度越高,存储系统的整体性能越好,但是目前还未解决的一个难题是寻找合适的记录材料.无疑,这将成为全息存储界研究的热门课题. 3.2 显示全息显示全息技术是在激光透射全息图的基础上来制作各种类型的全息图, 如白光反射全息建筑, 室内装饰, 投影等; 图, 白光透射全息图等, 各种类型的显示全息图可用于舞台布景, 再如,以动态显示的全息技术,层面X 射线照相术,3DCAD 技术,3D 动画片,雷达显示, 导向和模拟系统等, 3 年一次的显示全息国际会议上都有全息界泰斗展出令人吃惊的全息每图,它们充分展示了全息技术创造性的魅力和艺术的美. 显示全息目前主要有两大类: 第一类是Lippmann 全息图, 制作方法有Denisyuk 的单光束法和Benton 的开窗法. 第二类是S.A. Benton 的彩虹全息图, 这是一种透射式显示全息图, 可在白光照明下再现立体图像, 且图像的颜色随观察的位置的变化而变化, 从红到紫如雨后彩虹而得名. 随着高质量记录材料的发展, 随后的一些研究者和艺术家不断追求更实用的拍摄技术,如假彩色编码和真彩色反射全息图等.美国光学学会主办的《Applied Optics》和《Optics Letters》20 世纪80 年代都有关于这方面的论文报道. SPIE 主办的在由《Holosphere》和美国全息制造商协会主办的《Holography News》以往和近年都不断地报道有关显示全息图的最新制作技术和商业信息.但从这些报道情况来看,显示全息存在不足主要表现在: (1)视角范围,图像体积有限; (2)没有获得特别有效的全息图的计算方法; (3)由于全息计算数量巨大,导致动态显示异常困难.克服以上不足,将可能成为显示全息研究的几个热点. 近年来, 显示全息技术掀起一场数字化变革, 数字合成全息技术为全息三维显示开辟了前所未有的应用前景. 随着计算机运行速度的提高和高分辨空间调制器件的发展, 利用显示全息的大视场,大景深,全视差,真彩色,可拼装,价格低廉等特性,在不久的将来开发出真正意义的全息电影和全息电视,为显示全息技术创造良好的商业前景. 3.3 模压全息模压全息是1979 年RCA 公司为解决视频标准件的全息拷贝而提出的,它是将全息术和电镀,压印技术结合起来,使全息图的制作产业化,用白光再现时,可得到色彩鲜艳逼真的三维图像,并可通过印刷方式大批量生产,使得它在许多领域得到广泛的应用,以商品形式走向市场. 模压全息的制作主要分为三个阶段: 激光摄制原片全息图; 电成型制金属模板; 模压复制.这三个阶段生产工艺和技术要求都比较高,因此,模压全息作为安全防伪首当其冲,是安全防伪技术的一个里程碑.正如全息图的新奇性,强烈的视角效果,制作的难度以及易于应用在钞票的包装上,不能去除性,价格低廉,容易验证等特点,使它很快占领了防伪领域.模压全息是一种技术与艺术结合的高科技产品,无论在高档商品促销,名优商品的防假冒或在有价证券(如信用卡,钞票,护照签证)的防伪和加密以及图书,印刷,印染,装磺,纪念邮票和广告标牌等都有采用模压全息技术,并备受使用者青睐. 模压全息出现于20 世纪70 年代,80 年代中期已形成了一种产业,90 年代达到了鼎盛时期.本世纪初,随着防伪技术要求的不断提高,模压全息技术又有了新的突破:美国斑马图像公司推出了二维图像的数字化采集和拍摄技术;2003 年,苏州大学研制成功并已批量生产"数码激光全息照排系统";同年,倪星元,张志华等成功研制了可替代传统镀铝防伪薄膜的透明TiO2 激光全息防伪薄膜. 这些模压全息的一个个技术突破, 使防伪功能有了提高, 让激光全息防伪技术达到新的境界. 模压全息产业在我国起步较晚, 但发展速度迅猛, 目前国内已有100 多条模压全息生产线.为了使模压全息技术健康发展,我国模压全息产业发展必须在三个方向上引起重视:首先是开拓全息烫金材料,取代金膜和银膜,其次开发全息包装材料,实现立体防伪包装,第三个方向是模压全息技术和现代印刷术相结合, 体现传统的美术效果和现代科技的艺术魅力. 3.4 全息干涉计量全息干涉计量术是将不同物光, 在不同的时间记录在同一张全息干板上, 然后利用全息术的空间波前再现原理, 非接触地对物体表面进行三维测量而获得信息. 全息干涉计量术是全息应用的一个重要方面, 它能实现高精度非接触性无损测量, 比一般光学干涉计量有很多优点.一般光学计量只能测量形状比较简单,表面光度很高的零部件,而全息计量方法则能对任意形状,任意粗糙表面的物体进行测量,测量精度为光波波长λ 的数量级.目前,全息干涉计量术在方法上先后发展了实时全息干涉法(单次曝光法),二次曝光全息干涉法,时间平均全息干涉法,双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法,此外,J.A.Leendertz 开辟了全息干涉计量术的另一个新的分支-激光斑纹计量术.随着光电技术,计算机技术,CCD 器件及光纤技术的飞速发展, 使得全息干涉计量技术在信息采集和处理上更为方便, 快捷和可靠, 并得以在恶劣环境条件下对某些物理量进行定时测量. 再加之相移技术, 外差技术和锁相技术等,可使测量精度提高到λ/100 或更高. 全息干涉计量在20 世纪80 年代美国等西方先进国家已产业化, 我国在20 世纪80 年代初有几所大学和科研单位的研究项目通过鉴定, 其中有些达到当时的先进水平. 经过近几年的开发和研制,我国在全息干涉计量测试设备方面主要发展有: (1)用于测试火箭发动机喷雾化特性的YSCI 型离子瞬态激光全息测试仪; (2)用于激光热核聚变稠密等离子体电子密度测量的SPQ-1 型四分幅皮秒紫外线激光全息探测仪; (3)包括记录,再现,图像处理三部分的瞬态激光全息干涉计量测试系统; (4)用于对航空,航天,石油化工等部门常用的膜盒进行位移检侧的激光全息光栅精密测试系统.目前美国和德国已经研制出有菌子质记录介质的激光全息干涉计量设备. 将全息干涉计量术与计算机图像处理技术相结合,借助光电图像传感器,大孔径面阵CCD 器件和小型化的脉冲固体激光器等先进设备的出现,发展系统化,智能化,小型化的全息干涉计量装置将是未来全息干涉计量术的发展方向全息图有多种拍摄方法，因而也有不同的再现过程．按对光源的要求可分为单色光再现和复色光再现．单色光再现全息图再现物像时需要用特殊的照明光源，给观察全息图带来不便，而复色光再现全息图(如反射全息图、像面全息图、彩虹全息图、合成全息图及模压全息图)再现物像时仅需要普通的白光光源(如白炽灯、日光等)即可，因而可十分方便地观察全息照片．白光再现物像还在于克服了一般全息图只能显示出单色像的缺点，从而使光全息术在实际应用中又迈出了一大步，它可以应用于商品的商标和广告，各种工艺品及装饰品等．一、白光全息照相实验目的(1) 了解白光反射再现全息图的记录和再现原理；(2) 掌握白光反射再现全息图的拍摄方法．实验原理白光反射再现全息图是利用厚层照相乳剂记录干涉条纹，并利用布喇格衍射效应再现物像的．在这种记录过程中也是利用分离的相干光束进行叠加，物光和参考光分别从记录介质的两侧入射，两束光之间的夹角接近于180°．因而，在全息记录介质内可建立起驻波，这样形成的干涉条纹接近平行于记录介质的表面．这些干涉条纹实际上是一些平面，即形成了三维分布的空间立体光栅．用图19.1可以说明干涉条纹的形成．参考光和物光以接近180°的夹角φ入射到干版的乳胶层上．为简便分析，假设参考光和物光均为平面波且与乳胶面的法线构成相同的倾角．从图中可以看到，一系列相继等相位波前穿过乳胶层，两列波的波阵面相交的轨迹为一平面，在这个平面上均为干涉最大．干版的乳胶层被曝光图19.1 图19.2后，经过显影和定影处理，就形成了一些高密度的银粒子层．在所假定的条件下，这些银粒子层平分物光和参考光之间的夹角．这些密度高的银粒子层对于入射光来说就相当于一些局部反射平面，称为布喇格平面(图中以虚线表示)．根据图19.1可得如下关系式：2dsin(φ/2)=λ．(19.1)式中，d为相邻两银粒子层之间的距离，λ为介质中的波长．以上结果是在假定的特殊条件下得出的，而在一般情况下也可以得到类似的结果．实际的物光不可能是平面波，因此，物光和参考光所形成的干涉层是很复杂的．原物光的全部信息就被记录在这些复杂的银层上，当用任何一束平面波照射处理好的全息图时，通过这些布喇格平面的局部反射作用就可以再现出一束原始物波，即再现出物体的原始信息．其原理可用图19.2说明．由相邻两个布喇格平面所反射的光线之间的总光程差δ=2dsin ψ (19.2)为了使再现物像获得最大亮度，两个相邻布喇格平面的反射光之间的光程差应等于一个波长．令δ=λ，由(19.2)式可得sin ψ=d 2λ． (19.3)这一关系式称为布喇格条件，ψ称为布喇格角．这也就是获得最佳再现像而应满足的条件．分析式(19.1)和式(19.3)可以得到下面两个结论：(1) 反射全息图在再现时，对应于某一个角度，只有一种波长的光能获得最大亮度．也就是只有再现光的波长和方向满足布喇格条件时才能再现物像．所以，这种全息图可以从含有多种波长的复色光源中选择一种波长再现物像，从而实现了复色光再现．(2) 用白光再现时，若从不同角度观察，再现像的颜色将有所变化，即不同的角度对应着不同的光波波长，随着ψ角的增加，观察到的波长将从短波向长波方向变化．图3.18.3即为一个实拍光路．扩束后的激光投射到全息干版上，部分激光透过干版照射到被拍物上，由被拍物散射回干版的光即为物光．物光和原入射光(参考光)以大约180°的夹角分别从全息干版两侧入射到乳胶层中，从而在乳胶层内形成干涉图样并使乳胶层曝光．经过显影、定影处理之后即可得到白光反射再现全息图．该实验光路适合于拍摄物体线度不太大、表面平坦且散射能力较强的物体，如硬币、表芯及小工艺品等．图19.3用上面的光路拍摄，φ角约为180°，由式(19.1)可知，此时的布喇格平面之间的距离约为介质中的半个波长．以红色He-Ne 激光为例，此值约为0.3μm ，在厚度为6~10μm 的乳胶层中可以获得大约20~30个布喇格平面，更厚的乳胶层可以增加布喇格平面的数量，从而进一步提高像的质量．实 验 装 置He-Ne 激光器(用天津I 型干版，可用功率1~2mW 的小激光器，若用RHD 型干版，则要用输出功率在25mW 以上的激光器)，光开关(即曝光时间控制器，可以自动控制曝光时间)，扩束镜(用于扩展激光束，以便均匀照亮干版和被摄物)，干版夹和载物台(放置全息干版和被拍物．最好二者一体，以便提高防震能力)，全息台(高性能全息台、简易全息台及砂全息台均可)．实 验 要 点(1) 实验前应布置迈克尔逊干涉光路检查全息台的稳定性，使防震性能符合要求，即干涉条纹的漂移不应超过条纹间距的四分之一．否则要查找引起震动的原因．(2) 应特别注意干版和被摄物的固定．固定干版应使用两边夹紧的干版夹．被摄物应在实验前预先固定好，以便得到充分的稳定时间．本实验光路中干版和被摄物之间的距离比较近，在装御干版时应特别注意不要触动被摄物．(3) 干版装好后让实验系统静置1min 以后再进行曝光．在曝光期间应尽量避免震源、声源、热源及风源等所引起的干扰．(4) 不同型号的全息干版其性能及处理方法是不同的，处理干版时应按厂家提供的配方及程序进行操作．以北京师范大学生产的RHD 型银盐全息干版为例，它的曝光量约为5mJ/cm2，显影液按其推荐配方配制，使用时按1:10的比例加水稀释，在20℃时显影30min ，用F-5定影液定影，可以得到衍射效率较高的全息图．(5) 光路中可以加上针孔滤波器和光栏，拦掉光束周围的杂散光，使光斑均匀布满干版和被摄物体．注 意事 项(1) 实验所用的激光器带有高压，在操作时应注意安全．(2) 未经扩束的激光对人的眼睛是非常有害的，不得迎视．思 考 题(1) 比较激光透射再现全息图和白光反射再现全息图在记录和再现方面有何异同?(2) 白光反射再现全息图有多种拍摄光路，除实验中所用的之外，你能否再画出几种?二、单光束全息照相术实 验 原 理以激光散斑照射漫反射物体、拍摄全息照片为例．1 单光束全息照相这里所指的单光束，是由激光器输出的一束未经分束仅经扩束的散射光．被摄物体和全息干版H 都被这一束散射光均匀照射．其中，一部分光直接照射到H 上，称参考光R ，另一部分光是经被摄物漫反射(或透射)后又投射到H 上，称物光O ．R 与O 在空间形成干涉，干版H 记录了干涉花样．经衍射即可再现出被摄物体的清晰三维图像．单光束全息照相有一个十分突出的特征，它可以减少由于震动所造成的困难．其原因有二．(1) 外界的震动对单光束形成的O 与R 影响较小．即使之产生O 与R 的相位差变化较小，也就是干涉项发生的变化较小(振动振幅小于相邻两干涉条纹间距的1/4宽度)，O 与R 的相位可基本上保持同步，其原理简要分析如下：远处的震动一般以次声波的频率传播，f ≤20Hz ，其传播速度因地表层及建筑物的材料不同而不同，一般为103m/s ，纵波波速约为横波的2倍．我们先讨论横波的影响．横波波长约为υ/f=50m ，设其最大振幅为所用激光的波长λ(这样大的位移足以导致一般全息照相的失败)．各处的相位不同，其振幅也不同．在单光束全息术中，一般扩束镜距拍摄物与干版约30cm ，远远小于震动横波的波长．因此，各处的振幅差小于λ/20，即扩束镜、被摄物和干版在竖直方向的振动基本同步．对于纵波的影响可采用类似的方法进行估计．在两维平面上，水平方向各处的振幅差也小于λ/20，总振幅差约为2λ/20≈λ/10，它对光程差的影响可以估算．如图19.4所示，以扩束镜L 为参考系原点，在拍摄过程中，由于振动，物体上某点O 移到O ’，干版上某点H 移到H ′，由于干版和物体紧固在同一底座上，因此 OO ′=HH ′=λ/10 ；OH=O ’H ′，可求得光程差的变化量δ=LH-LH ’+λ/10，可以证明LH-LH ’≈λ/104所以δ≈λ/10<λ/4，图 19.4。