激光全息技术在测量中的应用

李献波

(河南省安阳市质监局质量技术监督检验测试中心,河南 安阳 455001)

一、激光全息技术的发展

全息的英文单词为"holography"，意思是将全部信息记录下来。全息技术是能够记录和再现物体全部信息的技术，它首先由丹尼斯盖博在1948年发明的能同再现光波场的振幅及位相的光学方法[1]，自此以后，曾在相当长的一段时间里是光学中最热门的研究领域之一。随着时间的推移，在全息的原理和实验技术相对成熟以后，人们很自然地将目光转移到了它的实际应用研究方面。从目前情况看，经过人们的努力，激光全息在检测、诊断、分析领域，医学领域、交叉和边缘科学领域，防伪、印刷及包装领域等都有不裴的成绩，但相对于它自身的特点：由于全息可以记录光的相位和强度，理论上讲，它是一种非常优越的光测量方法。全息在光学测量中其优越性还远未得到发挥。到目前为止，其实际应用还非常少见，大部分工作仍然停留在实验室的研究阶段。我们知道，全息技术的核心内容为记录技术和再现技术。记录技术中主要是记录介质的光学敏感性、记录介质记录干涉条纹的失真性以及记录介质随时间变化特性等。人们相继开发了湿式记录材料和干式记录材料，湿式记录材料是需要用化学方式处理的材料如卤化银记录干板等；干式记录材料是不需用化学方式处理的材料，如光致聚合物，光析变晶体等。近来由于计算机技术和CCD技术的发展，人们用电子器件来作为全息的记录介质，用计算机储存，处理电子器件记录的信息，这就是现在称作的数字全息。数字全息的出现，被认为是全息技术近年来的又一重大进步。全息技术的再现其关键技术在于再现的失真度，现有两种方式，一种是用原记录全息的参考光照射记录介质，其关键在于怎样能减小或消除背景噪声，另一种是数字全息方法，即是由计算机对采集的数据进行处理，还原到信息的原始状态。其关键是去除包裹的方法。

二、激光全息的原理

传统的光学全息技术可以分为两个过程。第一个过程是波前记录，如图（1）所示。波前记录是通过干涉方法把物光的相位分布转换成照相底板能够记录的光强分布来实现。因为两个干涉光波的振幅比和相位差决定着干涉条纹的强度分布，所以在干涉条纹中就包含了物光波的振幅和相位信息。在照相底板平面上，物光波和参考光波叠加发生干涉，将记录干涉图样的照相底板适当曝光后冲洗，就得到一张全息图（全息照片），所以全息图正是参考光波和物光波干涉图样的记录，显然，全息照片本身和原始物体没有任何相像之处。全息术的第二个过程是利用衍射原理进行物光波的再现，如图（2）所示。用一个光波（大多数情况不是与记录全息图时用的参考光波完全相同）再照明全息图，光波在全息图上就好像在一块复杂光栅上一样发生衍射，在衍射光波中将包含有原来的物光波，因此当观察者迎接物光波方向观察时，便可看到物体的再现像，整个过程就好像无线电的加载和解调过程。

与传统的光学全息相对的是数字全息，数字全息较之传统的光学全息最大不同是，在数字全息中，由于全息图由CCD器件直接获得而不需要光敏记录介质，所以，CCD采集到的物光波信息能够直接传递到计算机中，参数的计算可以立即进行，正因为数字全息有如此的特点，它在测量中的应用十分广泛，因为测量都是数据检测，记录、处理过程组成。这些用计算机特别方便实用，也正是因为数字全息产生的时间较短，全息在测量中的应用相对滞后，下面就一些激光全息在测量中的应用实例作一些介绍，以给我们有一些启迪，开拓激光在测量中的应用。

三、激光全息在测量中的应用

1、激光全息在位移、振动、速度等方面的应用

由于激光全息的自身特点，能够记录和再现物体的全部信息，能够重现物体的三维图像，所以用它来测量位移，振动、速度不仅能够单点，单方向测量，而且还能多方向多点的测量。测量采用双曝光的方式，物体变化前和变化后的三维图象同时再现出来，经过层析的方法实现位移、振动、速度的多点多方向的测量[2]。

2、激光全息在温度场测量方面的应用激光全息在温度场测量的原理为：在一定的介质中，温度的高低与介质的密度有关，也即是与介质的折射率有关，如果通过激光全息的方法计算出介质的折射率，那么就根据格拉德斯通-戴尔公式计算出温度值。文献[3]中采用了全息两次曝光的方式，实现了温度场的三维测量，并进行了实验验证，结果和理论值非常吻合。

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

[2]闫灿林.数字全息干涉技术测量悬臂梁铝板位移场的研究.《无损检测》2004年11月，第26卷第11期.

[3]张师帅，罗军，黄素逸.激光全息干涉层析技术测量温度场的探讨.《实用测试技术》1999年7月第4期.