激光全息照相
摘要:全息的意义在于记录光波的全部信息。自从20世纪60年代激光出现以来,全息照相得到了全面的发展和广泛的应用。本文简述了全息照相的实验原理及实验技巧,并给出了其应用前景。
关键词:激光全息照相,原理,技巧,应用
引言
光是一种电磁波,它的全部信息包含:振幅(反映物体上各点发出的光的强弱,决定像的强度,位相(反映物体上各点在空间的相对位置,决定像的形状和频率(反映光的颜色。普通照相只记录了振幅,得到的是二维平面像,而全息照相在记录振幅信息的同时还记录了位相信息,即记录了光波的全部信息。因而这种照相称为全息照相。全息照相得到的是三维空间的立体像,它所依据的基本原理通常概括为“干涉记录,衍射再现”。全息摄影技术的应用十分广泛,目前,已应用于精密测量、无损探伤、指纹识别、高速摄影、全息显微术、信息处理和信息储存等许多领域。
1.全息照相术的起源
早在1948年.全息照相的奥秘由Denis Gabor所发现.它通过光的衍射使图象由平面变为立体.因而获得诺贝尔物理奖.1982年.美国加里福尼亚物理学家Steve Mc Grew 开发了从玻璃版转移到镍薄片上的操作方法。使得全息图能够以高速而低成本地压印在塑料薄
膜上成为可能.八十年代中,Steve Mc Grew遇到了英国John Brown.他们合伙在英国建立了欧洲光压印公司(Light Impressions Europe。该公司在发展浮雕式全息照相工业起到了先锋作用.例如礼品业、时装业都采用了该公司的全息图标贴,作为市场促销的工具.1987年.该公司的乙烯基压敏胶全息图获得了促进应用全息图的Fasson奖.
2.实验原理及技巧
物体上各点发出的光(或反射的光是电磁波,借助于它的频率、振幅和相位的不同,人们可以区分物体的颜色、明暗、形状和远近等。普通照相是通过透镜把物体成像在感光底片上,记录了物体的表面光强(光振动振幅的平方的分布,所以记录的只是光信号的强度,得到的只是物体的一个平面相。所谓“全息照相”就是把物体上发出的光信号的全部信息—-振幅和相位记录下来,并能完全再现被摄物光波的全部信息,从而再现物体的立体图像。全息照相分为两个部分:用干涉法记录光波全息图,称波前纪录;用全息图把原光波波前再现,称波前再现。
为拍出一张满意的全息照片拍摄系统必须具备以下要求:(1光源必须是相干光源。全息照相是根据光的干涉原理,因此要求光源必须具有很好的相干性。激光的出现,为全息照相提供了一个理想的光源。这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性。参考光和物光的光程差的影响。参考光和物光的光程差不能太大,不能大于所用激光的相干长度,否则两者不能相干,无法在全息干板上获得干涉条纹。(2全息照相系统要有稳定性,由于全息底片上记录的是干涉条纹,而且是又细又密的干涉条纹,所以在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊,甚至使干涉条纹无法记录。比如,拍摄过程中若底片位移一个微米,则条纹就分辨不清,为此,要求全息实验台是防震的。全息台上的所有光学器件都用磁性材料
牢固地固定在工作台面钢板上。另外,气流通过光路,声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化。因此,在曝光时应该禁止大声喧哗,不能随意走动,保证整个实验室绝对安静。
(3要有高分辨的记录介质,随夹角θ的增大,干涉条纹间距d将进一步减小,而普通照相感光底片的分辨率仅为每毫米100条,因此全息照相需要采用高分辨率的记录介质-全息感光片。这种感光片的分辨率可大于每毫米1000条,但感光敏感度不高,所需曝光时间比普通照相感光底片要长,而且它只对红光敏感,因此全息照相的全部操作过程都可在暗绿色灯光下进行。(4曝光时间的影响。如果曝光时间太短,底
板上条纹太浅甚至没有,复杂的衍射光栅无法形成,当然也就无法再现像。若曝光时间太长,底板可能太黑,光线的透过率降低。另外,曝光时间越长,保持系统稳定性越难,曝光时间内突然的躁声和振动会使拍摄失败。(5显影时间的影响。显影的程度是否适当对全息图质量影响很大。若显影时间太长,全息干板发黑,光线的透射率
降低,无法再现像;而显影时间太短,干板上条纹不能出现,无法形成复杂的衍射光栅,甚至是一块透明玻璃片,也无法再现像。
3全息照相术的应用
激光全息术在防伪方向的应用.全息图的色彩是通过光衍射而获得而不是依靠油墨.所以它不可能用一般的摄影术来复制,因而要仿冒全息图标贴是极端困难的.利用全息图防止仿冒的应用.最早用于高级的防仿冒市场.例如银行的信用卡,以后逐渐延伸到电脑软件、药
品、化妆晶、食品、饮料、时装、礼品等都利用全息图标贴作为防仿冒的有力武器,对产品的真伪起到鉴别的作用。
压力容器进行无损探伤一直是国内外石油、化工等行业研究的重要内容.将激光全息照相技术用于压力容器无损探伤,是一个很有应用价值的尝试.尽管压力容器试验规范上还没有要求采用这种技术.但随着激光全息照相技术在各个工业领域的广泛应用.采用先进的激光全息干涉技术对压力容器进行无损探伤,具有越来越重要的应用价值。
指纹识别。全息照相是快速、准确识别指纹特征的最有效的方法。它利用相关匹配滤波片把指纹信息转换成光强变化。被检指纹若与指纹库中某一指纹完全一致,则产生最大光强;若不一致,则挡去一部分光而减弱光强。全息照相系统与电子计算机处理系统相比,有以下优点:a无需事先画出指纹的视频波;b允许多个库存指纹和潜指纹同时进行比较;c以较简单的光学装置代替复杂的数学运算过程。
常规照相对物证的保密性较差,拍出的底片在可见光下是可以判读的;而全息底片必须通过相干光源,在特殊的光路下才能观察到底片的内容。因此,全息底片具有良好的保密性能。常规照相底片如果破损(如撕破、断开,就无法进行补救,而全息底板即使破损,分开的底板仍包含全部信息。发布通辑令,就可以将已照好的全息底板分成多块,在各地同时发出,缩短寄送时间,加快通辑令的迅速传播。
常规显微照相为了提高显微镜的分辨本领,镜头的数值孔径尽量大一些,结果高分辨显微镜的景深必然很小,所以只能看到几乎是一个平面上的物,想看一个三维物体就要多次调焦;而全息显微镜对立体物做出全息图,然后通过全息图显现物的三维像,解决了一般显微镜
中分辨本领与景深的矛盾。根据全息照相的原理,在记录物体和显示物体影像时,可以不采用透镜,避免了像差影响而达到很小的衍射极限。全息照相的视野只与记录材料的分辨本领和尺寸有关,因而可以获得更大的视野。如果在拍摄和显示时,采用不同波长的激光器,可以实现图像放大。由于波长的不同,衍射角不同,这等于将全息图作了相应调整。。
信息贮存。一般全息图的记录介质是感光乳剂,它通过受光乳剂的黑度来记录振幅分布;同样也可以用铌酸锂单晶来记录。在lcm3大小的这种单晶内,可以贮存1000幅全息图。这是因为在光的照射下,铌酸锂折射率的改变量正比于入射光强,而表现出的纯位相分布的多层性可以记录多层全息图的缘故,其记录的分辨本领可超过1600线/mm。可以证明,以全息图或傅立叶频谱的方式来贮存信息和恢复信息比用实像好。这种信息贮存方式也许就是人脑中贮存信息的方式,至少为研究这类问题提供了一个可能的模型。
结束语
激光全息照相实验的成功率问题一直困扰着我们,本文就提出了一些改进的技巧。虽然说全息照相还有种种的缺点,比如防伪方向正经受着其他技术的很大冲击,因此我们要不断的改进技术,挖掘其潜能。全息照相的应用潜力是还是十分巨大的,在未来,这一新技术将会在工业、医学、国防、公共安全等各个领域全面展开,产生显著的社会效益和经济效益。
参考文献
1.杨帆,杨宁.激光全息照相技术及其应用前景[J].中山大学学报,2008,25(2.
2.代伟.全息照相实验技巧探讨[J].实验技术与管理.2007,24(8.
3.大学物理实验教程(2-2.石油大学出版社.2008
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