激光全息干涉測量技術(shù)

1、激光全息干涉測量技術(shù)1 激光全息干涉測量技術(shù)發(fā)展史 全息技術(shù)是英國科學(xué)家丹尼斯 蓋伯（dennis gabor）在1948年首先提出的。但是直到1960年初，激光器的出現(xiàn)才為這種方法提供了適用的、具有足夠相干性同時(shí)又具有高度單色性的照明光源。1962年利思（leith）和厄帕特尼克斯（upatnieks）提出離軸全息圖，全息術(shù)的研究進(jìn)入了一個(gè)極為活躍的階段，相繼出現(xiàn)了多種全息方法，開辟了全息應(yīng)用的新領(lǐng)域，成為光學(xué)的一個(gè)重要分支。光學(xué)全息術(shù)的發(fā)展到現(xiàn)在經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段是蓋伯用水銀燈記錄同軸全息圖，這是全息術(shù)的萌芽時(shí)期。其主要問題是再現(xiàn)原始像和共軛像不能分離，以及沒有理想的相干光源。第二階

2、段是利用厄帕特尼克斯提出離軸全息圖，把原始像和共軛像分離，同時(shí)激光器的出現(xiàn)為全息術(shù)提供了理想的光源。這一階段全息術(shù)在理論上建立了基礎(chǔ)，在可能的應(yīng)用方面作了大量的實(shí)驗(yàn)，取得了豐碩的成果，在全息記錄材料方面也得到了相應(yīng)的發(fā)展。第三階段是激光記錄白光再現(xiàn)全息術(shù)，主要有反射全息圖、像全息圖、彩虹全息圖及合成全息圖，使全息術(shù)在顯示方面展示其優(yōu)越性。反射全息圖，特別是真彩色全息全息圖一成為已成為一種高貴的藝術(shù)品，在科學(xué)技術(shù)上亦有較重要的應(yīng)用價(jià)值。浮雕彩虹全息圖的研制成功，發(fā)展了全息圖模壓大批量復(fù)制技術(shù)，現(xiàn)已形成全息印刷產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，全息術(shù)被應(yīng)用于許多領(lǐng)域：如全息干涉計(jì)量、全息三維顯示、全息顯微

3、術(shù)、光學(xué)信息編碼存儲(chǔ)、光學(xué)信息處理等等。目前隨著實(shí)時(shí)記錄材料和性能優(yōu)良的光聚合材料的發(fā)展以及全息術(shù)和光電技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，全息術(shù)在科學(xué)技術(shù)上的應(yīng)用也擴(kuò)展到實(shí)時(shí)全息干涉自動(dòng)測量、光學(xué)圖像實(shí)時(shí)處理、光計(jì)算等新的應(yīng)用領(lǐng)域。一些有特殊功能的全息光學(xué)元件如光學(xué)互連元件、二元光學(xué)元件、多功能全息成像元件空間光調(diào)制器、空間濾波器等全息方法來制作有其優(yōu)越性。特別是計(jì)算機(jī)全息圖的實(shí)現(xiàn)，補(bǔ)充了照相記錄全息圖的不足。2 激光全息干涉測量原理全息技術(shù)分兩步成像，即全息圖的紀(jì)錄和物光波的再現(xiàn)。2.1 全息圖的紀(jì)錄用相干光照射物體，物體散射出來的光投射到全息干板上，同時(shí)用同一光源發(fā)出的另一部分相干光波作為參考光也投

4、射到全息干板上，于是兩束光在全息干板上形成干涉。在感光乳膠的作用下，干涉條紋被記錄下來。這樣曝光后的干板再經(jīng)過適當(dāng)?shù)娘@影，定影處理就成為全息底片。這個(gè)過程就是記錄過程。設(shè)參考光束以一定入射角照射干板，其電矢量為 設(shè)物體光束的電矢量為 參考光波是一個(gè)強(qiáng)度均勻的平面波，它以入射角i照射到記錄介質(zhì)上，介質(zhì)上各點(diǎn)的強(qiáng)度分布是相同的。而相位分布則隨y值而變化。如果以入射到o點(diǎn)的光波的相位為參考，那么入射到記錄介質(zhì)上任一點(diǎn)p（x，y）的光線的相位將比入射到o點(diǎn)的光線相位延遲， 則在任一點(diǎn)p（x，y）的參考光波為 對(duì)物體光波由于入射到記錄介質(zhì)上各點(diǎn)的振幅和相位均為x，y的函數(shù)，所以在點(diǎn)p（x，y）物體光波為

5、 于是參考光波和物體光波在p點(diǎn)的合成分布為 記錄介質(zhì)記錄的是光強(qiáng)信息，即 參考光是固定不動(dòng)的，所以全息底片上的干涉條紋主要由物體光束調(diào)制，即干涉條紋的亮度和形狀主要由物體光波決定。因此物體光波的振幅和相位就以光強(qiáng)的形式記錄在全息底片上。全息底片經(jīng)過顯影和定影處理之后，就成為一張全息圖。2.2 物體光波的再現(xiàn)全息底片經(jīng)處理后有一定的振幅透過率t（x，y），振幅透過率t（x，y）和曝光量e在一定范圍內(nèi)是線性關(guān)系。當(dāng)記錄介質(zhì)的曝光使用這線性部分時(shí)，所得到的透過率就和曝光光強(qiáng)成線性關(guān)系。 t（x，y）=mi（x，y） 用和參考光波一樣的光波作為照射光波來照射處理后的全息圖，得到的透射光波為 如果參考光

6、波是充分均勻的，即為常數(shù)，則就表示一個(gè)與物體光波相同的透射光波，這個(gè)光波具有原來物體光波的一切性質(zhì)。如果我們迎著這個(gè)光波觀察就會(huì)看到一個(gè)和原來一模一樣的物體，這個(gè)透射光波就好像是原物體發(fā)出的。所以我們稱這個(gè)透射波是原始物體波前的再現(xiàn)。 由于再現(xiàn)時(shí)實(shí)際物體并不存在，該像只是由衍射光線的反向延長線構(gòu)成的，所以我們稱這個(gè)像為原始物體的虛像。2.3 全息干涉條紋的調(diào)制度物體光波和參考光波在記錄介質(zhì)上相干疊加后所得到的強(qiáng)度分布特點(diǎn)方程為：由上式看出，光強(qiáng)分布是在一個(gè)均勻項(xiàng)上加一個(gè)余弦調(diào)制，即全息圖上的光強(qiáng)調(diào)制是按正弦變化的，這種正弦變化的紀(jì)錄就得到干涉條紋，如下圖所示： 光強(qiáng)分布曲線圖再現(xiàn)時(shí)起到正弦光柵

7、的作用。物體光波振幅對(duì)參考光波調(diào)幅，物光波位相對(duì)參考光波調(diào)相。振幅調(diào)制度為：；當(dāng)ar=ao時(shí)，有最大調(diào)制度為1。如果干涉條紋的強(qiáng)度分布是單純的正弦型分布，則這個(gè)調(diào)制度有時(shí)也成為條紋的對(duì)比度。2.4 全息干涉測量中的光源和底片光源：在全息干涉測量中，由同一光源發(fā)出兩部分相同的相干光波；其中一部分用來照射物體，然后由物體散射出來即為物波，投射到全息干板上，另一部分相干光波作為參考光也照射到全息干板上，于是在干板上形成物波與參考光波的干涉。全息底片：曝光后的干板經(jīng)過適當(dāng)?shù)娘@影、定影處理就成為全息底片。全息圖的底片就是用來記錄全息圖的地方。大多數(shù)全息圖記錄在由懸浮在明膠層的細(xì)微銀鹵化物晶體粒構(gòu)成的高分

8、辨率照相乳劑上。這些乳劑大多數(shù)涂敷在玻璃板上，也有一些用粗酸纖維基的底片。3 激光全息干涉測量技術(shù)3.1 全息干涉測量技術(shù)全息干涉測量技術(shù)是全息技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的最早也是最主要的技術(shù)之一，1965年首先由 ppowell及 kstetsen提出。它把普通的干涉測量同全息技術(shù)結(jié)合起來，有如下特點(diǎn)。（1）一般干涉測量只可用來測量形狀比較簡單的高度拋光表面的工件，而全息干涉測量能夠?qū)哂腥我庑螤詈痛植诒砻娴娜S表面進(jìn)行測量，精度可達(dá)光波波長數(shù)量級(jí)。（2）由于全息圖再現(xiàn)的像具有三維性質(zhì)，故用全息技術(shù)就可以通過干涉測量方法從許多不同視角去觀察一個(gè)形狀復(fù)雜的物體，一個(gè)干涉測量全息圖就相當(dāng)于用一般干涉測量進(jìn)行

9、的多次觀察。（3）全息干涉測量可以對(duì)一個(gè)物體在兩個(gè)不同時(shí)刻的狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，因而可以探測物體在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的任何改變。這樣，將此一時(shí)刻物體與較早時(shí)刻的物體本身加以比較，在許多領(lǐng)域的應(yīng)用中將有很大優(yōu)點(diǎn)，特別是適用于任意形狀和粗糙表面的測量。（4）全息干涉測量的不足之處是其測量范圍小，僅幾十微米左右。3.2 常用的全息干涉測量方法。1實(shí)時(shí)法實(shí)時(shí)法是物體曝光一次的全息圖，經(jīng)顯影和定影處理后在原來攝影裝置中精確復(fù)位，再現(xiàn)全息圖時(shí)，再現(xiàn)像就重迭在原來物體上，若物體稍有位移或變形，就看到干涉條紋。由于這種干涉測量方法是即刻發(fā)生的，因而稱為實(shí)時(shí)全息干涉計(jì)量法，簡稱實(shí)時(shí)法。實(shí)時(shí)法通過觀察干涉條紋的變化情況來研

10、究物體的變形趨勢和狀況，探測和檢查物體內(nèi)部的缺陷。其原理如圖實(shí)時(shí)法原理圖實(shí)時(shí)法只用一張全息圖，能夠隨時(shí)改變物體的變形條件（如應(yīng)力、溫度），實(shí)時(shí)地觀察不同條件下物體的變形情況。但在實(shí)際應(yīng)用中要求全息圖必須嚴(yán)格復(fù)位，如果復(fù)位精度不高，將直接影響測量精度；乳膠收縮會(huì)產(chǎn)生少許附加條紋，也會(huì)影響精度。但實(shí)時(shí)法使用方便，節(jié)省測量時(shí)間，特別適用于測試透明物體中的一些現(xiàn)象。2二次曝光法二次曝光法全息圖的制作和實(shí)時(shí)法全息圖的制作在第一步是完全類似的，只是在第二步二次曝光法拍攝了第一次未變形物體的全息圖后，全息底片并不立刻進(jìn)行處理，而是在原來的位置不動(dòng)，讓加載系統(tǒng)對(duì)物體加載使物體變形，當(dāng)物體變形到所要觀察的狀態(tài)時(shí)

11、，再在同一張全息干板上對(duì)變形后的物體進(jìn)行第二次曝光記錄，然后將干板進(jìn)行處理。這樣全息干板上就記錄了物體在兩個(gè)狀態(tài)時(shí)的全息圖。當(dāng)用和記錄時(shí)參考光束入射方向相同的照明光波照明二次曝光全息圖后，再現(xiàn)的原物體光波和變形后的物體光波發(fā)生干涉，在再現(xiàn)像上會(huì)看到由變形或位移引起的干涉條紋。二次曝光法的原理如圖所示。2 (a)為全息圖記錄過程，物體在兩種狀態(tài)下的位置分別為oo1和oo2，波陣面分別為uo1和uo2，在同一張底片h上進(jìn)行二次曝光，獲得一張二次曝光的全息圖。(b)為再現(xiàn)過程，再現(xiàn)像oo1和oo2之間存在相位關(guān)系，在oo1和oo2重合處出現(xiàn)干涉條紋，干涉條紋便記錄下了物體在兩個(gè)狀態(tài)下的位移或變形量。

12、由于二次曝光法的干涉條紋是兩個(gè)再現(xiàn)光波之間的干涉，故不必考慮物體與全息圖的位置精度，而且獲得的是物體兩個(gè)狀態(tài)變化的永久記錄。二次曝光法用于研究許多材料的性能參數(shù)，如檢查材料內(nèi)部缺陷，在兩個(gè)不同時(shí)刻材料或物體的變形量等。若采用脈沖激光，二次曝光法就可以應(yīng)用于瞬態(tài)現(xiàn)象的研究，如沖擊波、高速流體、燃燒過程等，可以計(jì)量到1/10波長的微小變化。圖2 二次曝光法的原理（a）全息記錄過程（b）再現(xiàn)過程另外，二次曝光中干涉條紋往往是由兩個(gè)因素引起的，一個(gè)因素是兩次曝光中間物體狀態(tài)的變化，另一個(gè)因素是兩次曝光時(shí)光波頻率的變化。后一種因素往往使問題復(fù)雜化，有時(shí)頻率的變化甚至使干涉條紋消失，所以為保證測量的準(zhǔn)確性

13、，要嚴(yán)格控制激光器輸出光波頻率的穩(wěn)定性。3時(shí)間平均法多次曝光全息干涉測量技術(shù)的概念可以推廣到連續(xù)曝光這一極限情況，結(jié)果得到所謂“時(shí)間平均全息干涉測量技術(shù)”。這種方法常用來研究特殊振動(dòng)的物體，對(duì)周期振動(dòng)物體作一次曝光。當(dāng)記錄的曝光時(shí)間遠(yuǎn)大于物體振動(dòng)周期時(shí)，全息圖上記錄的是振動(dòng)物體各個(gè)狀態(tài)在這段時(shí)間中的平均干涉條紋。當(dāng)這些光波又重新再現(xiàn)出來時(shí)，它們在空間必然要相干迭加，由于物體不同點(diǎn)振幅不同而引起的再現(xiàn)波位相不同，迭加結(jié)果是再現(xiàn)像上必然會(huì)呈現(xiàn)和物體的振動(dòng)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的干涉條紋，亦即產(chǎn)生和振動(dòng)的振幅相關(guān)的干涉條紋。時(shí)間平均法可用非接觸方法來獲得振動(dòng)體的振動(dòng)模，能對(duì)整個(gè)二維擴(kuò)散的表面精密地測出振動(dòng)的振幅

14、。測量對(duì)象以粗糙面較為適宜，同時(shí)，可對(duì)小至晶體振子大至擴(kuò)音器、樂器、渦輪機(jī)翼等進(jìn)行振動(dòng)分析。3.3 激光全息干涉測量的應(yīng)用領(lǐng)域與實(shí)例（一） 尺寸和形狀檢測 利用激光全息干涉測量技術(shù)可對(duì)近似相同的形狀和尺寸進(jìn)行機(jī)密比較，測量精度可達(dá)到0.10.51 全息長度比較儀2 測量表面粗糙度3 測量汽缸內(nèi)孔4 測量發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的熱變形為正確地確定汽缸活塞的設(shè)計(jì)尺寸，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，必須知道活塞受熱后變形的情況。圖是全息干涉測量活塞熱變形的光路圖。透鏡 l和 l組成準(zhǔn)直系統(tǒng)，把細(xì)的激光束擴(kuò)展成大孔徑的平行光束。分光器 犅 把這個(gè)光束的一部分投向活塞，經(jīng)活塞表面漫反射后，返回并穿過b，由視場透鏡l投射到全息底

15、片 h上，這是物光。穿過分束器 b的另一束光經(jīng)反射鏡l反射到底片上，這是參考光。物光和參考光的光程差盡量要小，在實(shí)際應(yīng)用中，它小于cm。在底片 h 上，物光和參考光的光強(qiáng)比為。在這個(gè)比例下，通過視場透鏡l在觀察屏e 上二次曝光法和實(shí)時(shí)法都能觀察到清晰的干涉條紋。(二)缺陷檢測 利用被測件在承載或應(yīng)力下表面微小變化的信息，就可以判定被測件某些參量的變化，發(fā)現(xiàn)缺陷部位。（三）振動(dòng)的測量振動(dòng)的測量是由振動(dòng)物體拍攝的全息圖再現(xiàn)后觀測的，最基本的方法是時(shí)間平均法。此方法準(zhǔn)確度和靈敏度都很高，特別是利用三維信息來研究振動(dòng)物體的振型，是振動(dòng)測量從來沒有達(dá)到的。因此，在工業(yè)和科學(xué)研究上得到很多應(yīng)用，全息測振已

16、經(jīng)成為解決振動(dòng)問題的一種工具（四）粒子與流場分布測量全息干涉技術(shù)對(duì)粒子尺寸和流場三維分布可進(jìn)行很有效的測量，是獲得整個(gè)流場定量信息的理想方法，目前已在空氣動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)傳輸、蒸汽渦輪機(jī)測試、霧場水滴微粒尺寸分布、透明體的均勻性分布、溫度分布、流速分布等方面得到應(yīng)用。3.4 激光全息干涉測量儀器的生產(chǎn)廠家及特點(diǎn)1、 南京慧波理工科教儀器研究所jc-1d型多功能激光全息測試儀簡要說明:jc-1d型多功能激光全息測試儀是一種大工作臺(tái)大光學(xué)件型的多功能激光儀器，它能拍攝面全息、反射全息、兩次曝光全息、時(shí)間平均全息，可用全息干涉計(jì)量和散斑干涉計(jì)量定量測量物體的位移場，此外還可測激光波長、相干長度、透明介質(zhì)

17、厚度、折射率等。本儀器可開設(shè)多個(gè)物理實(shí)驗(yàn)。2、 挪威optonor公司 vibromap 1000 & vibromap 5000用于零件和機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中振動(dòng)特性的測試評(píng)價(jià)，非破壞性試驗(yàn)，微機(jī)電機(jī)構(gòu)振動(dòng)測試，聲學(xué)測試等。被測對(duì)象從零點(diǎn)幾毫米到幾米，實(shí)時(shí)和事后的3d全息模態(tài)分析。3中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 型激光全息干涉儀是一種原理新、口徑大、精度高的用于光學(xué)材料均勻性測量的大型精密測試儀器。其測量原理是將全息成象原理和經(jīng)典干涉原理相結(jié)合，運(yùn)用二次曝光全息差分干涉技術(shù)，獲得被測件的反射和透射干涉條紋，由組合干涉圖求得兩組干涉條紋的級(jí)序，聯(lián)立求解兩組條紋的干涉方程，即可得到折射率微差和厚度微

18、差。該儀器可同時(shí)測定和，因而易于實(shí)現(xiàn)高精度測量：一般可達(dá)。儀器口徑為毫米，易于制造，且造價(jià)較低。4激光全息干涉測量技術(shù)的其他應(yīng)用自半個(gè)世紀(jì)激光全息技術(shù)發(fā)明以來,其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍不斷開拓,對(duì)相關(guān)技術(shù)和行業(yè)的影響越來越大,尤其是近年來隨著激光全息技術(shù)與其它學(xué)科技術(shù)的綜合運(yùn)用,更展現(xiàn)了它巨大的應(yīng)用前景。1瞬態(tài)激光全息干涉計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及近幾年來開發(fā)研制的相關(guān)儀器設(shè)備瞬態(tài)激光全息干涉計(jì)量涵蓋了超短脈沖激光、全息術(shù)、光電圖象傳感器、光敏材料和計(jì)算機(jī)圖象處理等新興學(xué)科領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)過程的記錄、再現(xiàn)和判讀,做到對(duì)如位移、轉(zhuǎn)動(dòng)、應(yīng)變、應(yīng)力、振動(dòng)、溫度、壓力、質(zhì)量密度、電子密度等物理量的精確測量,從而達(dá)到

19、對(duì)應(yīng)力場、流場、燃燒場、沖擊波、生物過程及無損探傷等超快物理現(xiàn)象的可見化診斷。近幾年新開發(fā)和研制的典型瞬態(tài)激光全息干涉計(jì)量測試設(shè)備主要有：(1)用于測試火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴霧化特性的yscl型運(yùn)動(dòng)粒子瞬態(tài)激光全息測試儀;(2)用于激光熱核聚變稠密等離子體電子密度測量的spq-1型四分幅皮秒紫外線激光全息探測儀;(3)包括記錄、再現(xiàn)、圖象處理三部分的瞬態(tài)激光全息干涉計(jì)量測試系統(tǒng);(4)用于對(duì)航空、航天、石油化工等部門常用的膜盒進(jìn)行位移檢測的激光全息光柵精密測試系統(tǒng)。(1)水平偏置橢圓管自然對(duì)流放熱的激光干涉測量。激光實(shí)時(shí)全息干涉法是一種非接觸式的全場性的測量新技術(shù),對(duì)流體無擾動(dòng),使用方便。當(dāng)改變實(shí)驗(yàn)工

20、況時(shí),它便于連續(xù)觀察和記錄流體的實(shí)時(shí)變化情況,在傳熱和傳質(zhì)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和研究。(2)分離器入口段顆粒間相互作用的激光全息診斷。脈沖激光全息系統(tǒng)具有很好的診斷動(dòng)態(tài)顆粒場的能力,將其用于氣固兩相流的研究,可以獲得顆粒在流場中運(yùn)動(dòng)歷程的三維高速瞬變行為細(xì)節(jié),并具有很高的時(shí)間和空間分辨率。為人們深入細(xì)致地研究氣固兩相流動(dòng)提供了可能。2激光全息技術(shù)在交叉和邊緣領(lǐng)域中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(1)全息激光防護(hù)薄膜在光電對(duì)抗中,激光干擾!致盲武器將干擾、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,涂敷重鉻酸鹽明膠作為光敏介質(zhì),采用激光全息技術(shù)

21、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,實(shí)現(xiàn)按要求反射特定波長的激光,起到防護(hù)激光輻射的作用。薄膜能讓除特定波長的激光外的其它波長的光較少衰減地通過,可見光透過率高,對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的視場亮度和像質(zhì)影響較小現(xiàn)在研制的激光防護(hù)薄膜均可以承受二十次左右0.53微米波長激光的輻射,可見光透過率均在72%以上。今后的發(fā)展方向是進(jìn)一步提高承受激光輻射的次數(shù)和強(qiáng)度。(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)國家已經(jīng)廣泛地運(yùn)用于身份識(shí)別的各個(gè)領(lǐng)域。2002年,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,無畸變、無失真和圖像清晰的特點(diǎn),甚至能看見指紋脊上

22、的腺孔,且可用平行光或發(fā)散光照明,填補(bǔ)了國內(nèi)在該項(xiàng)技術(shù)上的空白,目前正在形成產(chǎn)業(yè)化。將來通過指紋識(shí)別技術(shù)與ic卡結(jié)合可構(gòu)成指紋ic卡取代atm卡、制造指紋防偽證件、指紋考勤機(jī)以及取代門鑰、身份照片、證件、圖章和id系統(tǒng)等,還可取代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)用程序密碼,具有很大的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)前景。(3)激光全息掃描技術(shù)激光全息掃描在高速打印機(jī)、條碼閱讀器、激光投射系統(tǒng)、光電跟蹤等一系列應(yīng)用中,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,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匯聚到探測器。對(duì)于不需要的環(huán)境光,它還有濾

23、波的作用。激光全息掃描器的優(yōu)勢在于系統(tǒng)的尺寸,對(duì)驅(qū)動(dòng)器的要求,掃描速度,機(jī)械容差以及價(jià)格但它在精度上并不占有優(yōu)勢;目前還缺乏寬帶的記錄材料,因此,記錄和再現(xiàn)中要使用不同波長的激光,這會(huì)引入一些像差;為了得到高質(zhì)量的光斑,必須進(jìn)行一些像差校正的工作;全息圖的衍射效率也是一個(gè)較大的限制。周崇喜、杜春雷等開發(fā)研制了一種新型的二元光學(xué)二維純位相型激光掃描器比較傳統(tǒng)的掃描器具有掃描范圍大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小!容易實(shí)現(xiàn)二維掃描!衍射率高、易于制作的特點(diǎn)。提高精度、減小像差、減小校正工作,仍然是激光全息掃描技術(shù)今后應(yīng)著力解決的問題。(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

24、有光子帶隙的一種新型光學(xué)材料,被美國科學(xué)雜志列為當(dāng)今十大科學(xué)進(jìn)展之一。由于其運(yùn)行速度快,能量消耗少,效率高,在光波導(dǎo)器件!高效率發(fā)光二級(jí)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,通過煅燒!化學(xué)腐蝕等方法除去模板來實(shí)現(xiàn)。將來當(dāng)聯(lián)通光纖網(wǎng)時(shí),能對(duì)信號(hào)進(jìn)行分檢和解碼的機(jī)頂盒將納于光子晶體光纖和器件中,而不再使用笨重的傳統(tǒng)光纖和硅元件電路。光子晶體的開發(fā)和研究會(huì)極大地促進(jìn)新世紀(jì)it產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,通信網(wǎng)的全光化

25、成為必然的趨勢,21世紀(jì)的通信網(wǎng)將成為光子網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)過程中,激光全息光刻技術(shù)與雙光子聚合技術(shù)將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。 3激光全息技術(shù)在防偽、印刷及包裝領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢 從世界范圍看,激光模壓全息術(shù)在80年代中期形成了一種產(chǎn)業(yè),90年代達(dá)到了鼎盛時(shí)期。無論是高檔商品促銷,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、裝潢、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

26、是激光全息技術(shù)作為防偽手段的綱,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)。在母版全息圖的制作上,上世紀(jì)八,九十年代比較典型的激光全息技術(shù)有:二維多層假彩色編碼技術(shù)!真三維全息術(shù)!真彩色全息技術(shù)、合成全息術(shù)、動(dòng)態(tài)全息術(shù)以及在全息標(biāo)識(shí)上的加密技術(shù)。且在實(shí)際制作過程中又常將23種方法綜合交叉使用,使全息圖上具備光電、光磁、紅外、熒光顯示等多重防偽手段。但到了上世紀(jì)末和本世紀(jì)初,隨著行業(yè)內(nèi)部競爭的加劇和防偽技術(shù)要求的不斷提高,使激光模壓全息技術(shù)面臨著在挖掘防偽潛能上必須有新的突破。(1)近年來,美國斑馬圖象公司推出了三維圖像的數(shù)字化采集和拍攝技術(shù)。該技術(shù)是將被拍攝的物體放在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上,應(yīng)用數(shù)碼

27、相機(jī)對(duì)物體的不同側(cè)面拍攝出一系列二維圖片,輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后(或用計(jì)算機(jī)本身生成一系列的圖像)依次顯示到空間光調(diào)制器上,在暗室中用激光依次照射圖片,形成散射光束。用全息攝影技術(shù)將這些信號(hào)光束依次記錄在同一塊全息乳膠底版的不同條形區(qū)域或方形小區(qū)域中,經(jīng)過化學(xué)處理后形成全息圖,在白光點(diǎn)光源照明下可再現(xiàn)原來記錄的一系列圖片的信號(hào)光束,組成鮮明的大視場、大視差的三維彩色像。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):(a)由數(shù)碼相機(jī)采集輸入計(jì)算機(jī)的一系列圖像是數(shù)字化圖像,其像質(zhì)和彩色等可以方便的進(jìn)行處理,并且整個(gè)記錄過程可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化控制。(b)由于采用像素記錄信息,每個(gè)像素之上記錄了一束圖像信息,許多塊可拼接成為更大

28、的全息圖版,沒有限制。(c)采用了空間光調(diào)制器進(jìn)行拍攝以及自動(dòng)化控制和實(shí)時(shí)處理(采用光聚合物記錄介質(zhì)),免除了煩瑣復(fù)雜的處理步驟,以及使用昂貴的大功率激光器。(2)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)過過濾波變換和動(dòng)感測試,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)彩虹全息圖母全息圖。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

29、成過程具有較好的參數(shù)可控制性和不可逆轉(zhuǎn)性,以及采用了多層曝光,合成的防衛(wèi)標(biāo)志難以仿制。(3)2003年,蘇州大學(xué)研制成功并已批量生產(chǎn)/數(shù)碼激光全息照排系統(tǒng)。該系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)將普通的圖形或圖案轉(zhuǎn)換成新的圖形格式,由像素全息系統(tǒng)自動(dòng)地在記錄材料(光刻膠片)上光刻出全息母版;系統(tǒng)能組合不同的動(dòng)感圖案,動(dòng)感效果和加密方案。系統(tǒng)生成的圖像在360度的視角內(nèi)任何光源和觀察條件下可視,且隨觀察位置的改變而動(dòng)態(tài)變化。系統(tǒng)對(duì)環(huán)境中的振動(dòng)影響不敏感,無須使用全息隔振臺(tái),這是激光全息技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)技術(shù)突破。近幾年,光刻點(diǎn)陣全息技術(shù)!實(shí)時(shí)光電圖像全息合成技術(shù)、光聚合物反射全息圖技術(shù)、真彩色全息圖技術(shù)、脈沖激光全息圖技

30、術(shù)也有望突破傳統(tǒng)的照相方式,讓激光全息防偽技術(shù)達(dá)到新的境界。2003年,倪星元,張志華等研制成功了可替代傳統(tǒng)鍍鋁防偽薄膜的透明tio2激光全息防偽薄膜,這種新薄膜具有納米多孔結(jié)構(gòu),能精細(xì)的反映激光全息圖,在防偽功能和科技含量上都有了提高,可見光透過率為90%,折射率可達(dá)1.8以上?，F(xiàn)在世界范圍內(nèi)每年全息材料的銷售額超過十億美元,并且呈逐年增加的趨勢,其中用于安全防偽目的的全息材料占全息市場的60%以上?？梢灶A(yù)見,隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,這一市場的規(guī)模會(huì)更大、技術(shù)水平會(huì)更高。一、激光全息照相技術(shù)激光全息照相技術(shù)用途最廣泛的是用來制作彩虹全息圖，其制作過程分三階段來完成，即激光全息照相母版制作

31、、電鑄金屬模壓版、彩虹全息圖模壓復(fù)制。在這里，我們對(duì)這三階段分別進(jìn)行簡單介紹。1、 激光全息照相原理激光全息照相是指用激光干涉的方法將我們需要的物體圖像信息記錄于感光載體上，再經(jīng)過光的衍射等技術(shù)處理形成在可見光下也能再現(xiàn)的彩虹全息圖的過程。簡單的說，激光全息照相就是干涉記錄和衍射再現(xiàn)。干涉記錄 激光器發(fā)出的相干性很好的激光束經(jīng)過分光鏡分為兩束光，一束光被稱為參考光，經(jīng)過反射鏡、擴(kuò)束鏡后照射在感光載體上（一般是光致抗蝕劑的光刻膠版）；另一束光被稱為物光，經(jīng)過光學(xué)鏡組后照射在物體上，經(jīng)過物體反射后的物光攜帶著物體的光信息，與參考光相遇在感光載體上，并在感光載體上形成干涉條紋。這個(gè)干涉條紋記載了我們

32、拍照物體的全部信息，包括光強(qiáng)信息和位相信息。這個(gè)感光載體經(jīng)過顯影、定影，就是我們拍攝的激光全息照片。這種照片在普通光照下是看不見圖像的，只有在激光參考光束的照射下才能看見全息圖像。要想在普通光源條件下也能欣賞到精美的全息圖，就必須進(jìn)行第二步的拍攝過程，即衍射再現(xiàn)。衍射再現(xiàn) 激光器發(fā)出的光一分為二,一束再現(xiàn)光束(也就是二次拍攝的物光束)照射在第一步中得到的激光全息照片上,并在激光全息照片前面放一塊開有水平狹縫的擋板,透過激光全息照片的再現(xiàn)光束穿過狹縫,照射到另一塊新的感光載體上,并記錄了激光全息照片的光信息；而另一束參考光與再現(xiàn)光相遇在新的感光載體上，也形成了含有光信息的干涉條紋。這塊已經(jīng)曝光后

33、的感光載體經(jīng)過顯影、定影等處理后得到的全息照片，就是可以在普通光源下直接欣賞的彩虹全息圖。為了得到高質(zhì)量的彩虹全息圖,在我們?nèi)⒄障鄷r(shí)必須滿足三個(gè)條件:第一，采用相干性很好的光源，激光正是這樣的相干光源；第二，拍照時(shí)物光和參考光的光程差要越小越好，這兩束光的光強(qiáng)比一般要控制在1：11：10之間，兩束光的夾角一般控制在3060改變兩束光的夾角，可以得到不同色彩的圖像；第三，拍照系統(tǒng)和環(huán)境必須穩(wěn)定，激光器、光學(xué)鏡頭、被拍物體、感光載體都應(yīng)該固定在一個(gè)防震平臺(tái)上，如果是氣墊防震平臺(tái)效果更好，拍照期間要避免拍照室內(nèi)空氣流動(dòng)和溫差變化，在拍照室的周圍應(yīng)該挖有一定深度的防震溝，防止外部環(huán)境的震動(dòng)影響光路的

34、變化。這樣得到的彩虹全息圖不能大量復(fù)制，在工業(yè)生產(chǎn)中引進(jìn)模壓工藝來進(jìn)行大批量復(fù)制。在模壓之前我們要準(zhǔn)備制作較多的模具，這些模具我們稱為模壓版，制作模壓版的工藝叫電鑄。2、 電鑄模壓金屬版的工藝激光全息照相得到的是一塊表面刻有彩虹全息圖的光刻膠版（玻璃板基的感光載體），從微觀上看是浮雕型的凹凸溝槽，它含有物體的光強(qiáng)信息和相位信息，我們要復(fù)制它也就是要完全復(fù)制相同或相反的凹凸溝槽。這個(gè)過程分兩個(gè)階段來完成：第一，將光刻膠版上的圖文信息（凹凸溝槽）復(fù)制到金屬鎳版上。這個(gè)過程又分四步：（1）光刻膠版表面清潔處理。為了后面銀鏡反應(yīng)的順利完成和銀層牢固，必須要清除光刻膠層表面的油污和雜質(zhì)，由于光刻膠（光致

35、抗蝕劑）在堿性環(huán)境下易溶解，所以必須用中性洗滌劑清洗，并用無離子水沖洗干凈。（2）光刻膠版表面敏化處理。用氯化亞錫溶液處理光刻膠表面，在其表面形成均勻分布的亞錫離子，這些亞錫離子就是銀鏡反應(yīng)中的反應(yīng)中心。（3）光刻膠版表面銀鏡反應(yīng)，也就是在光刻膠版表面通過化學(xué)的方法鍍上一層細(xì)膩均勻的銀層（35m），使其表面金屬化，可以作為下一步電鑄中的電極。（4）電鑄復(fù)制。將金屬化的光刻膠版放在電鑄槽中作為電化學(xué)反應(yīng)中的陰極，金屬鎳塊作為陽極，電鑄液一般是氨基磺酸鎳，經(jīng)過一定時(shí)間的反應(yīng)后，在陰極表面形成一塊金屬鎳版，這塊鎳版與光刻膠版嚴(yán)密偶合，凹凸溝槽完全相反，經(jīng)過剝離后這就是一塊與光刻膠版完全相反的模壓母版。第二，由模壓母版復(fù)制更多的模壓工作版。這個(gè)過程同樣是在電鑄槽里完成的，母版在入槽前，要進(jìn)行表面鈍化處理，就是將母版表面或淋或泡一定時(shí)間的濃硫酸或重鉻酸鉀溶液，形成一層氧化物，便于電鑄后子版與母版的剝離。通過這種方法，可以不斷的復(fù)制模壓版。我們將最后直接用于模壓的金屬版叫模壓工作版，其它的為制備模壓工作版而準(zhǔn)備的金屬版統(tǒng)稱為模壓母版。復(fù)制模壓母版在軟槽里進(jìn)行，復(fù)制模壓工作版在添加了硬度劑的硬槽里進(jìn)行。3、 模壓復(fù)制的工藝過程模壓工藝的主要生產(chǎn)設(shè)備是圓壓圓的高速全息模壓機(jī)。將模壓工作版通過夾具固定在模壓機(jī)的版輥上，利用加熱加壓的方式，將模壓工作版上的浮雕全息圖轉(zhuǎn)移到pet