激光的全息图像技术

华中科技大学，徐长发，2020.1.20

普通照相，是利用透镜成像原理，把被摄物的漫反射光的光强分布记录在“底片”上(如今的底片已经可以数字化了)，以此获得二维平面图像。普通照相的物象间关系是点点对应的，只要底片破损就不能重现图像。普通照相对外界环境要求不高，一般条件都能照相。

激光也能照相，而且除了可以记录被摄物体的漫反射光的强度分布之外，还可以记录漫反射光的干涉信息，以这两类信息获得的“全息图像”，要比一般图像表现被摄物体会更“精细”、更“丰富”、更“全面”。这就是激光的全息照相技术，它有很多精彩的应用。

一.全息照相的原理

激光全息照片要在暗室中拍摄。全息照相的记录光路如下图所示。

激光束通过快门后经过分束板分为两束：

一束称为参考光，经平面镜反射、扩束镜，直接投射到全息干板上。

另外一束称为物光，经平面镜反射、扩束，照射到被摄物体上，其漫反射光也在全息干板上接受。

两束光都在同一个平面上，物光与参考光夹角在45°左右，在全息干板上形成干涉条纹，并被记录。

这里有几个问题需要解释一下：

为什么要用“扩束镜”?因为激光器射出的光束太集中，照射的区域小，通过扩束镜可以让照射区域扩大。

什么是“全息干板”?是玻璃制造的，一面镀有一层粘性感光剂，在红色或绿色激光的照射下，附着其上的感光剂将会被曝光，从而记录下干板所接受到的，又细又密的干涉条纹的，光强分布。

“全息干板”所记录的干涉条纹有什么信息?如果只有物光漫反射，干板记录的是被摄物体的一般平面照片，如果干板同时接受到物体反射光和参考激光，干板记录的就是干涉条纹，干涉条纹中既有物光漫反射强度的信息，也有漫反射光的相位信息(因为没有相位差就不会产生干涉条纹)，还含有被记录物体的尺寸、形状、亮度和对比度等信息。所以“全息干板”上记录的干涉条纹就是被摄物体的全息图。

当然，“全息干板”现在可以不用感光材料了，可以数字化了，就像数码相机的记录方式一样。

下面叙述全息图的再现问题。要用激光照射全息图才能观察虚像，其方法如下图所示。用参考光照射制作好的全息图，沿着原来物光照射物体的角度去观察全息图，在全息图后面就可以看到物体的虚像，而且立体感十足。

光弹性应力检测的方法应用很广。

例如，为了设计一个复杂的机械工件、桥梁或水坝，都可以用透明塑料模拟它们的形状，并根据实际工作状况按比例地加上外力，然后用光测弹性仪显示出其中的应力分布来，一定可以看出那些地方应力是否过分集中，是否会影响结构的强度，也可以看出结构内部是否存在缺陷。

光弹性分析可以利用白光，也可以利用单色光，光的干涉现象是与材料内部应力、折射率相关的。下面介绍的激光全息图像，其干涉现象是与由材料的表面应力相关的。

2)激光全息光弹性无损检测。

因为物体在受到外界载荷时会产生变形，这种变形一定会在物体的表面变形中表现出来，如果物体内部有缺陷，则有、无缺陷的表面变形也是不一样的，这些微弱的表面变形是用肉眼无法观察的，但是用激光的干涉现象可以明显地看出来。

于是，人们对受力物体拍摄激光全息图像，干涉条纹一定会明显地记录物体表面的应力大小，把不同受力的全息图比对，分析其干涉条纹的反差、形状和间距变化，就可以分析由于加载所造成的表面应变、应力，可以分析物体内部有无缺陷等内容。这就是激光全息无损检测方法。

3)其它激光全息无损检测方法。

激光的频率范围在红外到紫外之间，读者应该明白，有多种频率的激光，而且不同频率的激光有不同的性质，以此可知，不同类型的无损检测需要使用不同类型的激光。

例如，红外线看不见，红外线对热源敏感，于是人们可以用红外激光照射物体，人眼看不见，但摄像机能捕捉到被红外光“照明”的景物和环境。

红外照相、摄像已经普及了，同样的人们可以做红外全息图，以此去侦察夜间物体，可以检测物体表面的热分布，从而达到无损检测的目的。

同样的道理，紫外线也是一种激光，也可以用紫外线照射物体，得到图像或全息图。

四.总结

激光全息技术的发明，获得了1971年的诺贝尔物理学奖。

激光全息技术可望在立体电影、电视、展览、显微术、干涉度量学、投影光刻、军事侦察监视、水下探测、金属内部探测、保存珍贵的历史文物、艺术品、信息存储、遥感，研究和记录物理状态变化极快的瞬时现象、瞬时过程(如流体表现、风洞试验、爆炸过程、燃烧过程等)等各个方面获得广泛应用。

激光干涉方法，激光全息图像方法，都是利用了光波特性设计出来的。其实，干涉现象和全息原理适用于各种形式的波动，如X射线、微波、声波、电子波等。只要这些波动在形成干涉花纹时具有足够的相干性即可。现在就要科学工作者研究超声全息、红外全息、微波全息、电子波全息、地震波全息、X射线全息。这些全息技术在军事侦察等领域中具有重要意义，当然在民用领域也大有天地。

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