哈工大近代光学实验报告.docx

近代光学创新实验双曝光全息照相技术介绍院 （系） 航天学院 专 业 光学工程学 生 许祯瑜 学 号 1132130123 班 号 21301 2013年6月双曝光全息照相技术介绍摘要：双曝光全息照相技术是指在拍摄静态全息图曝光过程中，如果拍摄物产生了微小位移（或微小形变），则这张全息图再现时在像的表面上就会产生若干条黑条纹，从而可以根据全息图片再现的物象条纹完成对拍摄物体表面，诸如形变、位移、振动等多种物理量的研究和测量工作。通过最近几年的发展，全息干涉测量法已经在无损检测、微小位移或振动的监测等领域得到了广泛的应用，成为全息照相技术的一个重要分支。关键词：激光全息干涉技术；双爆光；测量0 引言双曝光法即在全息光路布局中，用一张全息底片分别对变形前后的物体进行两次全息照相。这时，物体在变形前后的两个光波波阵面相互重叠，固定在一张全息图中。如全息图用拍摄时的参考光照明，再现的干涉条纹图即表征物体在两次曝光之间的变形或位移。双曝光全息干涉法是简单易行的常用方法，可获得高反差的干涉条纹图。自激光全息术发明以来，激光全息技术的应用领域和范围不断拓展，对相关技术和行业的影响越来越大，尤其是近年来随着激光全息技术与其它学科技术的综合运用，激光全息技术更展现了它的巨大应用前景。全息干涉测量技术是全息技术应用于实际的最早也是最主要的技术之一，它把普通的干涉测量同全息技术结合起来，有如下特点：(1) 一般干涉测量只可用来测量形状比较简单的高度抛光表面的工件，而全息干涉测量能够对具有任意形状和粗糙表面的三维表面进行测量，精度可达光波波长数量级。(2) 由于全息图再现的像具有三维性质，故用全息技术就可以通过干涉测量方法从许多不同视角去观察一个形状复杂的物体，一个干涉测量全息图就相当于用一般干涉测量进行的多次观察。(3) 全息干涉测量可以对一个物体在两个不同时刻的状态进行对比，因而可以探测物体在一段时间内发生的任何改变。这样，将此一时刻物体与较早时刻的物体本身加以比较，在许多领域的应用中将有很大优点，特别是适用于任意形状和粗糙表面的测量。(4) 全息干涉测量的不足之处是其测量范围小，仅几十微米左右。目前，全息干涉测量技术在方法上先后发展了实时全息干涉法（单次曝光法）、双曝光全息干涉法、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等。双曝光全息干涉测量法原理简单操作方便,是测定物体微小变形的有效方法。1 实验原理1） 基本原理 所有干涉仪的工作原理都是比较两个或多个波面的形状。双曝光法是将初始物光波面与变形以后的物光波面相比较。在记录过程中对一张全息干板作双曝光，一次是记录初始物光波（标准波面）的全息图；一次是记录变化以后的物光波（变形波面）的全息图。这两张全息图记录在同一张干板上，记录时顺序也可以颠倒。当用照明光波再现时，可再现出两个物光波面，这两个波面是相干的，因而观察到的是她们之间的干涉条纹。通过干涉条纹的分布情况，可以了解波面的变化。双曝光法的记录与再现光路如图1所示。在底片平面上，参考光波，初始物光波，变形后的物光波。图1 双曝光全息图的记录与再现假设两次曝光时间相同，则总的曝光光强为 在线性记录条件下，全息图的复振幅透过率正比于曝光光强假设用参考光波照明全息图，如图1（b），则在全息图的透射光波中，与原始物光波和变形物光波有关的分量波为再现的原始物光波前和变形物光波前沿同一方向传播，产生干涉。这时干涉条纹的强度分布为因为变形后的物光波前已经“冻结”在全息图中，在适当照明条件下就可以通过再现产生干涉条纹，从而给定量分析提供了很大的方便。12）几种典型光路 图2是透明物体的双曝光光路。用平行光照射物体，其透射光与参考光干涉产生全息图。一次曝光是初始状态的样品（或不放样品），另一次曝光时样品已发生变化（或放入样品）。图2 透明物体的双曝光光路参考光R用平面光波或球面波均可。物体用平行光照明时，可以得到像面全息图，即全息干板上记录的是两个波面干涉的像图全息图。再现时，有两种观察方式，一种如图2（b）所示，用原来的参考光R照明再现，在小孔E处可观察到整个物面上的条纹；另一种是根据像面全息的特点，可以用白光直接观察，在合适的方向上可以看到干涉条纹。暗纹是黑色的，亮纹是彩色的，角度改变时，条纹的彩色也在变化，但条纹的位置不变。图3给出了另一种典型的双曝光光路，即漫射光照明的双曝光光路。通常用一块很薄的毛玻璃产生散射光，这样物体可以获得各种方向的照明。对于参考光同样可以用平面或球面光波。用这种方式所记录的双曝光全息图，再现时，可在原来记录光路中（挡住物光）再现，也可以用一细激光束从与参考光相反的方向照明，再现的原始像光波是发散的，可投射到屏上观察。图3 漫射光照明的双曝光光路2 双曝光全息照相技术应用1） 双曝光法在平面物体的位移和变形测试方面的应用用全息干涉法测量不透明物体表面的变化和位移时，可采用如图4所示光路。图4 平面物体位移和变形的双曝光光路对于平面物体的位移和形变测量可采用平行光垂直照明的方式，如图4（a）所示，第一次曝光时，物体处于自由状态；第双曝光时，物体处于受力的状态，物体的位移是的函数，记作；再现像的干涉条纹如图4（b）所示，N为条纹数目。2） 双曝光技术在光刻术方面的应用光刻术是把超小线条刻印到半导体薄片上来制作复杂电路的技术，目前这些半导体电路正促使信息爆炸。这一技术是今天经典光学设计和制造的需求量最大的应用之一。光刻技术的进展对半导体工业的显著增长也有一定的贡献。半导体技术从粗糙的单个晶体管到由百万个晶体管很快将是十亿个晶体管组成的微处理器和记忆芯片非同寻常的发展是一段令人神往的历史。1979年，常规智能把光刻限制到1m的分辨率，出现了1983年就被电子束成像系统所替代的情形，到1985年，这一估算修改为0.5m的最小分辨率，又出现了1993年被X射线光刻技术取代的情形。今天，用光刻进行0.25m生产刚刚开始，0.18m似乎也有可能。但光刻一直是芯片生产成本的限制因素。光学投影光刻术显示出适于完成这一任务。根据瑞利标准，分辨率是由成像光的波长（）和投影透镜的数值孔径（NA）决定：其中一部隐含但是重要的假设是：像质在这种分辨率下几乎完美。此外，图像的场尺寸必须很大。因此，改善光学分辨率的挑战是显而易见的。随着双曝光技术的不断发展，这一技术在改变光学分辨率上将有一定的应用前景。3） 曝光技术在制作光纤光栅器件上的应用全息曝光法制作光纤光栅是人们早已采用的一种工艺，它首先通过分束器将光源分成两束等强光束，经过相同光程照射在光纤上形成强度周期性变化的干涉条纹，光纤折射率随光强周期性变化形成了光纤光栅，光栅周期T与入射波长，以及两干涉分束夹角满足关系式。全息曝光法的主要优点是光栅制作周期调谐方便灵活，Bragg波长可通过改变入射光束间夹角很容易进行调节。利用曝光技术制成的光纤光栅的应用领域正在不断取得新的进展，一方面主要集中于光纤光栅传感器；另一方面则是在光纤通讯领域。随着光纤光栅制作性能的不断完善，将会导致光纤技术及其相关领域的又一次新的革命。24） 双曝光法测量温度场利用像面全息双曝光法测量温度场，采用像面全息记录，可以使物光聚焦在像面上，能够提高物光强度和干涉条纹的对比度，且可以在白光下再现。采用双曝光法，将像面全息的记录方式和双曝光法结合起来，具有非接触、精度高和全场同时测量等优点，且不会影响原有温度场的分布，可广泛应用于温度场的测量之中。光学全息法用于温度场的测量，原理是温度的变化会引起空气折射率的变化，进而引起光程差的变化，产生干涉条纹。如果采用像面全息双曝光法，使物光通过温度场（参考光不经过温度场），温度场的变化则会引起折射率变化，使物光光程发生变化。温度相同的地方折射率相同，光程也相同。因此，每一个干涉条纹就是一条等温线，得到的干涉条纹则是一系列等温线，它反映了温度场的分布。像面全息双曝光法是将像面全息的记录方式和双曝光的干涉方法结合起来的一种全息方法。对于漫射体的测量，反射光太弱，若以此作为物光波，很难满足干涉中物光强度和参考光强相差不大的条件，即使通过衰减参考光使其满足，也会严重影响干涉图的对比度和分辨率。采用像面全息可以增强物光波，满足干涉光束的强度要求，从而提高全息图的对比度。双曝光法通过对比初始物光波面和变化后的物光波面，观察二者之间的干涉条纹分布，测量物光波的变化。因此将像面全息的记录方式和双曝光的干涉方法结合起来，可以测量漫射体形变、位移、温度场的分布图5 双曝光法测量温度场5） 双曝光法在无损检测中的应用高压合成绝缘子是电力工业上的一种重要的基础元件，其制造水平对电力工业的发展有着非常重要的影响。由于其内部缺陷在外表很难看得出来，其硬度较低，粘合好后为细长件，刚性很差，对其进行在线检测一直是该行业面临的一道难题。寻找一套切实可行的检测方法，提供一种实用的检测设备，是高压合成绝缘子生产上的迫切需要。由于试件在变形前后的两次曝光中，光路系统不变，两次曝光物光的光程差主要是由试件的变形所引起。利用全息干不涉法测量试件的位移灵敏度可达0.2。因此，全息干涉法具有全场非接触测量和高灵敏度的优点，可以有效地用于无损检测。高压合成绝缘子在检测时，苦能给予适当加载，有内部缺陷的表面会呈现不均匀的变形。用全息干涉法测量表面位移场便可方便地揭示出其内部缺陷。33 结论全息干涉技术在应力分析、位移与振动冲击的测量，温度