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1、摘要济 宁 学 院 本科毕业论文光的干涉及其应用李阳2009020126专 业 名 称 光信息科学与技术 申请学士学位所属学科 理 科 指导教师姓名、职称 讲师 2012年 05月 30日II 摘 要 光的很多性质都在人们的生活、生产中有着重要的作用，提到光的干涉不难联想到风靡全球的3D电影，也不难想到全息干涉技术。因为它就是利用了光的干涉来记录图像信息的。全息干涉技术可做到全场、定量、直观的无损检测，是现代光学检测计量的重要手段之一，在科学研究、工业检测、生物医疗及国防军事技术等领域具有广泛的应用。全息记录介质是决定全息干涉系统性能极其应用范围的主要因素。传统全息记录介质需要化学显影、定影处
2、理，需要精准复位调整，无法做到实时处理，且不能重复使用。相比之下光折变晶体作为全系干涉的记录介质则有其明显的优点。采用此介质可充分发挥全息干涉与光折变晶体两方面的优点，可大大提高全息干涉系统的实时性、灵活性。选用新的光折变晶体，采用新的系统结构和技术，探索新的应用领域，从理论与实践两个方面进一步深化光折变全息干涉技术的研究，是十分必要的。本论文的研究工作，从理论与实践两方面对光折变全息干涉技术进行了深入的研究，系统的研究了光折变全息干涉条纹衬比度的时间变化特性，提出了一系列新技术、新方法，并探索了光折变全系干涉新的应用领域。关键词：光的干涉、全息干涉技术、光折变晶体、条纹衬比度 Abstrac
3、t Many of the properties of light plays an important role in the life of people and production. Mention of light interference is not difficult to associate 3D popular global film ,and not difficult to think of holographic interferometry(HI).Because it is the use of the light interference to recordin
4、g image information.Holographic interferometry ,witch permits whole-field and nondestructive optical testing,is one of the most powerful means of modern measurement and metrology techniques.It is employed in numerous scientific,technical,industrial,engineering and medical applications.The holographi
5、c recording medium is decided by holographic interferometry system performance and its application scope of main factors.For the purpose of realtime holography and thermoplastic materials.However ,the former is not recyclable and usually needs post-processing of uniform exposure to make its refracti
6、ve index modulation stable ,while the latter suffers from the limited spatial resolution and the cumbersomeness of operation.Compared with the classical recording materials mentioned above ,photorefractive crystals(PRCs) have been under extensive studies in recent decades and considered as promising
7、 holographic recording materials in HI owing to their high resolution,adequate sensitivity which is controllable by changing their compositions,large storage capacity,realtime processing ability and excellent reusability .It is very necessary which selection of a new photorefractive crystal,and the
8、new system structure and technology.explore new areas of application,research the photorefractive holographic interference technique from the theory and practice. The aim of the presented dissertation is to construct a realtime PHI system with proper doped Ce:SBN under low power He-Ne laser light ,g
9、ive a systematic and comprehensive analysis on it ,and study its new techniques,new methods and new applications in optical testing and image processing,theoretically and experimentally. Key Words: Interferometry of light , Holographic interference technique ,Photorefractive crystals , Fringes contr
10、ast 目录1. 引言 .1 1.1光折变全息干涉简介及研究现状.l 1.2 研究意义及目的.3 1.3 研究内容及创新.5 1.3.1 研究内容.5 1.3.2 研究工作的创新点.7 2. 光折变全息记录与再现的物理机理与特性.12 2.2 光折变全息记录与再现的物理理.13 2.4 光折变晶体全息记录与再现的特性数.25 2.4.1 光谱响应.26 2.4.2 响应时间与存储时间.27 2.4.3 灵敏度.27 2.4.4 动态范围.28 2.4.5 散射噪声及晶体光学质量.28 2.4.6 空间频率响应（空间分辨率）.29 2.5 光折变晶体材料简介.293. 掺铈铌酸锶钡（Ce：SBN
11、）晶体及其全息记录特性.33 3.1 SBN 晶体的结构.33 3.3 SBN 晶体基本的物质性质、光学性质及光折质.35 3.4 Ce：SBN 晶体全息记录特性测量.37 3.3.1 光谱响应.37 3.3.2 全息记录衍射效率.37 3.3.3 全息记录、擦除时间.404. 光折变全息干涉及其应用研究.42 4.1 全息干涉的基本原理与方法.42 4.2 光折变全息干涉的基本原理.47 4.2.1 单次曝光光折变全息干涉.48 4.2.2 两次曝光光折变全息干涉.49 4.3 光折变全息干涉条纹衬比度的时间变化特性.49 4.3.1 单次曝光全息干涉条纹衬比度及最佳观测时间.51 4.3.
12、2 两次曝光全息干涉条纹衬比度及最佳观测时间.59 4.4 光折变全息干涉实验装置及试验参数.61 4.5 用光折变全息干涉测量三维轴对称折射率分布.63 5 光折变波面平移全息干涉技术及其应用研究.74 5.1 光折变波面平移全息干涉.74 5.1.1 空间两分离点光源干涉形成的干涉图样.74 5.1.2 用光折变全息干涉实验波面平移干涉的原理及方法.77 5.2 采用波面平移全息干涉测量透明液体或光学材料的折射率.79 5.2.1 采用波面横向平移全息干涉.79 5.2.1-1 测量装置及测量原理.79 5.2.1-2 实验测量结果.84 5.4 采用光折变波面平移全息干涉测量三维位移.9
13、1 5.4.1 系统结构和测量方法.92 5.4.2 测量原理.93 5.4.3 实验结果与讨论.956. 纯扩散机制下光折变相移的观测方法及图像相减.108 6.2 纯扩散机制下光折变相移的观测法.109 6.2.2 实验原理及试验方法.113 6.2.3 试验方法及实验结果.117 6.3 基于纯扩散机制下光折变相移的图像相减.118 6.3.1 理论分析.118 6.3.2 试验方法及实验结果.120全文总结.145附录.147参考文献.148致谢.1491 引言1.1光折变全息干涉简介及研究现状全息干涉是光学干涉检测技术的重要内容，是现代检测计量的重要手段之一，它在科学研究、工业检测、
14、生物医疗及国防军事技术等领域具有广泛的应用。全息干涉基于光全息波前记录和再现的原理，与普通干涉相比，其理论和测量精度基本相同，只是获得相干光的方法不同普通干涉中获得相干光的方法虽然很多，但总的说来不外三大类：分振幅法、分波前法和分振动面法。光折变全息干涉是指采用光折变晶体材料作为全息记录介质的全息干涉技术。它利用光折变晶体材料的光折变效应实现全息记录和在现。光折变效应是指某些电光材料中的电子或空穴在空间调制光强或非均匀光强的辐照下再分布，引起材料折射率发生响应变化的现象。光折变晶体的优点和特点特别适合光全息存储和光全息干涉的研究及应用。目前，光折变全息干涉研究主要集中于以下几个方面：（1）结合
15、晶体特性和广播耦合理论对光折变全息干涉过程进行理论分析和参数优化设计。（2）基于光折变时间平均全息干涉，进行物体振动模式分析研究。（3）将光折变两次或多次曝光全息干涉与相位恢复检测技术相结合，进行漫射体面形、形变及位移测量研究。（4）基于光折变单次曝光、两次或多次曝光全息干涉，对相位物体及动态变化过程进行实时观测和定量分析。1.2 研究意义及目的实际应用要求全息干涉系统应具备以下性能：实时处理能力，操作方便，能快速定量的给出测量数据，所采用的记录介质能够重复使用。全息记录介质是全息干涉系统的关键器件，它是决定全息干涉系统的性能（如实时性、灵活性、所采用的光源等）及应用范围的主要因素。传统的银盐
16、记录介质具有感光灵敏度高、感光光谱范围宽、分辨率高和成本低等优点，但是它需要显影、定影等化学处理，需要精确复位调整且不能重复使用。重铬酸盐明胶具有良好的光学性质，散射噪声低、衍射效率高，但其感光灵敏度低、感光光谱范围窄，并且对环境的温湿度很敏感，稳定性差。相比之下光折变晶体作为全息记录介质则有明显优点。全息干涉测量与计量室一个可充分发挥光折变晶体特长的领域。铌酸锶钡晶体具有优良的非线性光学性能和相当大的光电系数，在不加外电场的情况下具有良好的光折变性能，被认为是最敏感的光折变全息记录介质之一。可以生长得到较大尺寸、较高光学质量的晶体。本文从实际出发，研究光折变全息干涉条纹的动态特性，优化实验系
17、统和试验参数；研究光折变全息干涉的新技术、新方法和新应用。选用心的光折变晶体，采用新的系统结构和技术，探索新的应用领域，进一步深化光折变全息干涉技术的研究是十分必要的，不仅具有重要的学术价值，而且具有广泛的应用前景。为光折变材料研究的发展与应用引发新的增长点。对深化光折变全息干涉技术研究、拓展其应用领域，具有重要的指导意义。1.3 研究内容及创新点 1.3.1 研究共作的主要内容基于全息干涉技术的优点和广泛的应用前景，基于光折变晶体优良的实时全息记录特性，针对目前光折变全息干涉研究中存在的问题，本论文主要从以下几个方面开展研究工作：（一）采用对红光敏感的掺铈铌酸锶钡（Ce：SBN）晶体作为全息
18、记录介质，采用低功率He-Ne激光器作为光源，结合晶体和光源特性，建立光折变全息干涉试验系统，来测量Ce：SBN晶体的全息记录特性。（二）深入研究光折变折射率相位光栅的动态特性对全息干涉的影响，主要包括干涉条纹衬比度的时间变化特性、试验参数选取和实验过程控制等。（三）结合晶体和光源特性以及所建立的试验系统，开展光折变全息干涉新技术、新方法和新应用的研究。（四）开展光折变全息干涉在光折变晶体自身参数或特性测量、在光学图像处理中的应用研究。 1.3.2 研究工作的创新点1、首次研究了光折变全息干涉条纹春必读的时间变化特性。分别对单次曝光和两次曝光进行记录分析导出其各自的关系。这些关系对光折变全息干
19、涉实验的实验参数选取和实验过程控制具有重要的指导意义。2、提出了光折变波面平移全息干涉新技术，并将该技术用于测量透明材料折射率和物体三维位移。提出了几句光折变波面平移全息干涉的可同时测量多个特侧物理量的新方法。3、提出了基于全息干涉技术和光折变光波耦合理论的观测纯扩散机制下光折变相移的新方法，应利用纯扩散机制光折变相移和全息干涉技术实现了光学图像相减。 2 光折变晶体全息记录与再现的物理机理与特性2.1 光折变晶体全息记录与再现的物理机理 光折变过程基于电光材料的光电导和电光性质、是发生在电光材料内部的一种复杂的光电过程，光折射率的变化依赖于电光张量和空间电荷场，有敏电光系数不仅与晶体材料本自
20、性质有关，还依赖于实验光路的几何配置；而空间电荷场主要依赖于光生载流子产生和迁移的微观机制。带输运模型认为：电光晶体内的杂质缺陷和空位，在晶体禁带带隙中形成中间能级，即构成施主和受主能级成为光激发载流于的主要来源。在适当波长的非均匀光辐照下，晶体内光辐照亮区的施主（受主）被电离释放出电子（空穴）。同时电子（空穴）从中间能级受激跃迁到导带（价带），并且在导带（价带）中，或因浓度梯度扩散，或在电场作用下漂移，或自光伏特教应而自由迁移；迁移的电子（空穴）可以被重新俘获，经过再激发、再迁移、再俘获，最终离开光辐照亮区，在暗区被电子空穴）陷阱俘获自此导致晶体内空间电荷的分离，在电离施主中心和俘获电荷之间
21、形成相应于光强分布的空问电荷场；这一空问电荷场再经过线性电光础应（泡克耳斯效应）在晶体内形成折射率的空间调制变化，即折射率训制的相位光栅。图2.1描述了光触发电子迁移造成的空间电荷密度变化的过程，其中VB、CB、N 、N + 分别表示晶体的禁带、导带、施主掺杂数密度和电离施主数密度。 图2.1光折变效应的带输运模型.在光辐照下，施主（N）中的电子被激发到导带(CB)，图中第1步:导带中的光电子因扩散、漂移或光伏效应而迁移，图中第2步;光电子被电离施主(N+)俘获，图中第3步.图中箭头分别表示激发、迁移和俘获.2.2 光折变晶体全息记录与再现的特性参数用光折变晶体作为记录介质进行全息存储、全息干
22、涉及光学图像处理等应用研究时，所侧重的材料特性主要有：光谱响应、响应时间与存储持久性、灵敏度、动态范围、散射噪声及晶体尺寸与光学质量、空间频率响应等。 2.2.1 光谱响应 为了提高全息存储的密度，所采用的激光波长越短越好，因为理论上光学体全息存储的极限为V/，V是存储材料的体积，是光波长，为此，人们正在大力研究开发新型深紫外固体倍频激光器.为了适应不同的应用需要，光折变晶体的光谱响应范围越宽越好。对于大多数光折变晶体，其光谱响应并不能覆盖从近红外到近紫外区域。因此，需要根据实际应用条件选择合适的晶体，或通过适当的掺杂或组元取代来拓宽晶体的光谱响应范围。 2.2.2 响应时间与存储时间 响应时
23、间是全息存储的重要特性参量，它表征了体全栅光栅写入和擦除的动态特征。一般情况下，响应时间短的晶体其存储时间也较短，这类晶体适合于实时信号处理、相干光放大和光学位相共扼;响应时间较长的晶体其存储时间也较长，这类晶体适合于光全息存储、全息干涉计量等对响应速度要求不高的应用研究。光全息存储，尤其是只读存储器要求长的存储持久性，在这种情况下可以采用固定(定影)技术，将电子的空间电荷图样转换成稳定的离子电荷图样。 2.2.3 灵敏度 在记录的初始阶段，单位体积内每吸收单位光能量所引起的晶体折射率改变，定义为光折变灵敏度Sn，即公式中,是吸收系数，W是入射光能量，它描述了晶体利用指定光能量来建立光折变光栅
24、的能力。已经证明，减少材料中空陷阱密度，可以改善灵敏度。全息记录材料的灵敏度的更实用的定义为，它是在mm厚的晶体中记录衍射效率为1%的光栅所需要的能量密度，单位为mJ/cm2。 2.2.4 动态范围（最大折射率改变） 最大折射率改变，指的是当光照时间与响应时间相比为足够长时所达到的折射率变化.给定这一指标，可以根据祸合波理论近似地确定晶体中光栅可能达到的最大衍射效率.它还决定了在给定体积内所能存储的全息图的数目。最大折射率调制度取决于材料参量，以及最大空间电荷场，后者又取决于施主密度和陷阱密度等材料参量。 2.2.5 散射噪声与晶体学质量噪声是目前限制光折变晶体材料应用的最主要因素。噪声大小取
25、决于晶体的光学质量，晶体尺寸越大越难保证其光学质量。晶体质量问题和噪声产生主要来源于晶体中的各种缺陷，如:生长过程中出现的点缺陷、生长条纹(晶体生长过程中引入的附加的非均匀折射率改变)和组分浓度梯度，以及铁电多畴态的存在。这些缺陷会引起物光图像畸变，同时也会引起参考光散射，并导致读出时的背景噪声。散射噪声放大是光折变晶体的本质性问题。 2.2.6 空间频率响应（空间分辨率）空间分辨率是光折变晶体的重要参数之一，代表材料分辨输入图像细节的能力。有多种定义方法.对于光全息等光学相干系统，常用的表征空间分辨率的方法是衍射法。空间分辨率定义为空间频率带宽，即材料所能记录的光强空间调制的最小周期。光折变晶体即使记录频率远低于截止频率，其调制传递函数(MTF)的形状也不是平的，在光栅间距非常小或非常大时，空间电荷场可能会受到特征场的限制。2.5 光折变晶体材料简介 光折变晶体材料可分为三类： 参考文献致 谢本论文是在王学文老师指导下完成的。从论文选题到课题难点的解决，王老师都给予了本人悉心的指导。 王老师的治学态度、专业造诣和敬业精神都使我受益匪浅。在此，我首先向王老师致以衷心的感谢!在课题完成过程中，还得到了宿舍同学的帮助，给我提供了很多思路与经验，对我深入理解课题的有关知识与方法起到了重要作用。在此，我对同学们也表示诚挚的谢意。最后，衷心感谢在百忙之中抽出时间审阅本论文的老师。