光折变全息干涉新技术及其应用研究

摘要

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，如：位移及形变测量、应变与应力分析、缺陷或损伤探测、振动模式可视化及测量、晶体和蛋白质生长过程监测、流体中密度场和热对流场的观察与测量、以及光学材料与器件的参数测量等。实际应用(尤其是工业及工程应用)要求全息干涉系统应具备以下性能：实时处理能力，能够重复使用，操作方便，能快速定量地给出测量数据。全息记录介质是决定全息干涉系统性能(如实时性、灵活性、所采用的光源、系统复杂程度及操作难易程度等)及其应用范围的主要因素。传统全息记录介质(如卤化银乳胶等)需要化学显影、定影处理，需要精确复位调整，无法做到实时处理，且不能重复使用。已有的一些实时记录材料也各有其局限性，例如：光导热塑材料的空间分辨率较低，不能连续多次曝光，高质量的胶片不易获得；光色材料的感光灵敏度较底，易疲劳。这些都限制了它们在全息干涉中的应用。
　　相比之下，光折变晶体作为全息干涉的记录介质则有其明显优点，如：可实时记录/读出和擦除、可无限制地重复使用、信息存储容量大、具有较高的灵敏度和分辨率等。在全息干涉中采用光折变晶体作为全息记录介质(光折变全息干涉)，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，使全息干涉技术更好地满足实用要求。在已有的关于光折变全息干涉研究的文献报导中，对光折变全息干涉的时间变化特性没有作系统深入的研究；在方法上以散斑干涉居多，在一些散斑干涉方法中还需附加空间光调制器及光学相关检测系统，使得装置复杂化而测量精度不高；在所用材料上，以铋硅族氧化物(BSO等)和LiNbO3晶体居多，受材料光谱特性、灵敏性及衍射效率等方面的限制，光源多采用大功率激光光源，有时需要外加电场，使得系统体积较大、成本较高；在结构设计及应用研究范围等方面还有很大局限性，没能充分体现光折变全息干涉的优点和特点。因此，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研究，系统地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

目录

中文摘要

ABSTRACT

1 引言

1.1 光折变全息干涉简介及研究现状

1.2 研究意义及目的

1.3 研究内容及创新

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究工作的创新点

参考文献

2 光折变全息记录与再现的物理机理与特性

2.1 光折变效应概述

2.2 光折变全息记录与再现的物理机理

2.2.1 带输运模型——光折变效应动力学方程

2.2.2 激发光生载流子的光强

2.2.3 光折变晶体内的空间电荷场

2.2.4 折射率相位光栅

2.3 光折变两波耦合与衍射效率

2.3.1 两波耦合

2.3.2 读出光的衍射效率

2.4 光折变晶体全息记录与再现的特性参数

2.4.1 光谱响应

2.4.2 响应时间与存储时间

2.4.3 灵敏度

2.4.4 动态范围

2.4.5 散射噪声及晶体光学质量

2.4.6 空间频率响应(空间分辨率)

2.5 光折变晶体材料简介

参考文献

3 掺铈铌酸锶钡(Ce：SBN)晶体及其全息记录特性

3.1 SBN晶体的结构

3.2 SBN晶体的生长、掺杂及极化

3.3 SBN晶体基本的物理性质、光学性质及光折变性质

3.4 Ce：SBN晶体全息记录特性测量

3.3.1 光谱响应

3.3.2 全息记录衍射效率

3.3.3 全息记录、擦除时间

3.5 本章小结

参考文献

4 光折变全息干涉及其应用研究

4.1 全息干涉的基本原理与方法

4.1.1 单次曝光全息干涉(实时全息干涉)

4.1.2 两次曝光全息干涉

4.2 光折变全息干涉的基本原理

4.2.1 单次曝光光折变全息干涉

4.2.2 两次曝光光折变全息干涉

4.3 光折变全息干涉条纹衬比度的时间变化特性

4.3.1 单次曝光全息干涉条纹衬比度及最佳观测时间

4.3.2 两次曝光全息干涉条纹衬比度及最佳曝光时间

4.4 光折变全息干涉实验装置及实验参数

4.5 用光折变全息干涉测量三维轴对称折射率分布

4.5.1 系统结构和测量原理

4.5.2 实验结果及数据处理

4.6 用光折变全息干涉测量物体的倾斜和面内位移

4.6.1 测量原理

4.6.2 实验测量装置和测量结果

4.7 本章小结

参考文献

5 光折变波面平移全息干涉技术及其应用研究

5.1 光折变波面平移全息干涉

5.1.1 空间两分离点光源干涉形成的干涉图样

5.1.2 用光折变全息干涉实现波面平移干涉的原理及方法

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

5.2.1 采用波面横向平移全息干涉

5.2.2 采用波面纵向平移全息干涉

5.2.3 波面平移干涉方法的误差

5.3 采用波面平移全息干涉同时测量光学楔形板的折射率和楔角

5.3.1 实验测量装置及测量过程

5.3.2 测量原理

5.3.3 实验测量结果及误差分析

5.4 采用光折变波面平移全息干涉测量三维位移

5.4.1 系统结构和测量方法

5.4.2 测量原理

5.4.3 实验结果与讨论

5.5 用光折变波面平移实现剪切全息干涉

5.5.1 引言

5.5.2 系统结构与理论分析

5.5.3 实验验证与结论

5.6 本章小结

参考文献

6 纯扩散机制下光折变相移的观测方法及图像相减

6.1 引言

6.2 纯扩散机制下光折变相移的观测方法

6.2.1 基本理论分析

6.2.2 实验原理及实验方法

6.2.3 实验方法及实验结果

6.3 基于纯扩散机制下光折变相移的图象相减

6.3.1 理论分析

6.3.2 实验方法及实验结果

6.4 本章小结

参考文献

7 基于光折变全息干涉的光学幅相转换及图像加密存储

7.1 引言

7.2 基于光折变全息干涉的光学幅相转换

7.2.1 基本思想和理论分析

7.2.2 计算机模拟结果

7.2.3 实验方法及实验结果

7.3 基于光折变全息干涉光学幅相转换的图像加密存储

7.3.1 基本思想和理论分析

7.3.2 计算机模拟

7.3.3 实验方法及实验结果

7.4 本章小结

参考文献

全文总结

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间获得的奖励及承担或参加的科研项目