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 Impreions 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Faon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
