哈工大近代光学实验报告

《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()()()0,,exp ,r R x y r x y i x y ϕ=⎡⎤⎣⎦，初始物光波()()()00,,exp ,O x y O x y i x y ϕ=⎡⎤⎣⎦，变

形后的物光波()()()''00,,exp ,O x y O x y i x y ϕ⎡⎤=⎣⎦。

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

()()()()2

2''2200000000e x p e x p ,?r r I x y O R O R r O O r i O r i ϕϕϕϕ=+++=+++⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦()()''000000exp -exp --r r O r i O r i ϕϕϕϕ⎡⎤⎡⎤++⎣⎦⎣⎦

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

()()',,o t x y t I x y β=+

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

()()()'2'2'000000,exp exp i U x y O r i O r i βϕβϕ=+

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

()'00cos i I C ϕϕ=-

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。[1]

2）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x 的函数，记作()2Z Z x N λ

==；再现像的干涉条纹如图4（b ）所示，N 为条纹数目。