激光全息技術在測量中的應用

李獻波

(河南省安陽市質監局質量技術監督檢驗測試中心,河南 安陽 455001)

一、激光全息技術的發展

全息的英文單詞為"holography"，意思是將全部信息記錄下來。全息技術是能夠記錄和再現物體全部信息的技術，它首先由丹尼斯蓋博在1948年發明的能同再現光波場的振幅及位相的光學方法[1]，自此以后，曾在相當長的一段時間里是光學中最熱門的研究領域之一。隨著時間的推移，在全息的原理和實驗技術相對成熟以后，人們很自然地將目光轉移到了它的實際應用研究方面。從目前情況看，經過人們的努力，激光全息在檢測、診斷、分析領域，醫學領域、交叉和邊緣科學領域，防偽、印刷及包裝領域等都有不裴的成績，但相對于它自身的特點：由于全息可以記錄光的相位和強度，理論上講，它是一種非常優越的光測量方法。全息在光學測量中其優越性還遠未得到發揮。到目前為止，其實際應用還非常少見，大部分工作仍然停留在實驗室的研究階段。我們知道，全息技術的核心內容為記錄技術和再現技術。記錄技術中主要是記錄介質的光學敏感性、記錄介質記錄干涉條紋的失真性以及記錄介質隨時間變化特性等。人們相繼開發了濕式記錄材料和干式記錄材料，濕式記錄材料是需要用化學方式處理的材料如鹵化銀記錄干板等；干式記錄材料是不需用化學方式處理的材料，如光致聚合物，光析變晶體等。近來由于計算機技術和CCD技術的發展，人們用電子器件來作為全息的記錄介質，用計算機儲存，處理電子器件記錄的信息，這就是現在稱作的數字全息。數字全息的出現，被認為是全息技術近年來的又一重大進步。全息技術的再現其關鍵技術在于再現的失真度，現有兩種方式，一種是用原記錄全息的參考光照射記錄介質，其關鍵在于怎樣能減小或消除背景噪聲，另一種是數字全息方法，即是由計算機對采集的數據進行處理，還原到信息的原始狀態。其關鍵是去除包裹的方法。

二、激光全息的原理

傳統的光學全息技術可以分為兩個過程。第一個過程是波前記錄，如圖（1）所示。波前記錄是通過干涉方法把物光的相位分布轉換成照相底板能夠記錄的光強分布來實現。因為兩個干涉光波的振幅比和相位差決定著干涉條紋的強度分布，所以在干涉條紋中就包含了物光波的振幅和相位信息。在照相底板平面上，物光波和參考光波疊加發生干涉，將記錄干涉圖樣的照相底板適當曝光后沖洗，就得到一張全息圖（全息照片），所以全息圖正是參考光波和物光波干涉圖樣的記錄，顯然，全息照片本身和原始物體沒有任何相像之處。全息術的第二個過程是利用衍射原理進行物光波的再現，如圖（2）所示。用一個光波（大多數情況不是與記錄全息圖時用的參考光波完全相同）再照明全息圖，光波在全息圖上就好像在一塊復雜光柵上一樣發生衍射，在衍射光波中將包含有原來的物光波，因此當觀察者迎接物光波方向觀察時，便可看到物體的再現像，整個過程就好像無線電的加載和解調過程。

與傳統的光學全息相對的是數字全息，數字全息較之傳統的光學全息最大不同是，在數字全息中，由于全息圖由CCD器件直接獲得而不需要光敏記錄介質，所以，CCD采集到的物光波信息能夠直接傳遞到計算機中，參數的計算可以立即進行，正因為數字全息有如此的特點，它在測量中的應用十分廣泛，因為測量都是數據檢測，記錄、處理過程組成。這些用計算機特別方便實用，也正是因為數字全息產生的時間較短，全息在測量中的應用相對滯后，下面就一些激光全息在測量中的應用實例作一些介紹，以給我們有一些啟迪，開拓激光在測量中的應用。

三、激光全息在測量中的應用

1、激光全息在位移、振動、速度等方面的應用

由于激光全息的自身特點，能夠記錄和再現物體的全部信息，能夠重現物體的三維圖像，所以用它來測量位移，振動、速度不僅能夠單點，單方向測量，而且還能多方向多點的測量。測量采用雙曝光的方式，物體變化前和變化后的三維圖象同時再現出來，經過層析的方法實現位移、振動、速度的多點多方向的測量[2]。

2、激光全息在溫度場測量方面的應用激光全息在溫度場測量的原理為：在一定的介質中，溫度的高低與介質的密度有關，也即是與介質的折射率有關，如果通過激光全息的方法計算出介質的折射率，那么就根據格拉德斯通-戴爾公式計算出溫度值。文獻[3]中采用了全息兩次曝光的方式，實現了溫度場的三維測量，并進行了實驗驗證，結果和理論值非常吻合。

[1]Gabor D.A New microscopic principle Nature,1984,161:T77-778.

[2]閆燦林.數字全息干涉技術測量懸臂梁鋁板位移場的研究.《無損檢測》2004年11月，第26卷第11期.

[3]張師帥，羅軍，黃素逸.激光全息干涉層析技術測量溫度場的探討.《實用測試技術》1999年7月第4期.