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光折变全息干涉新技术及其应用研究
作 者: 王玉荣
导 师: 王青圃
学 校: 山东大学
专 业: 光学工程
关键词: 光折变全息干涉 全息干涉 光折变效应 光折变晶体 掺铈铌酸锶钡(Ce:SBN)晶体 条纹衬比度 光学测量 光学幅相转换 光折变相移测量 光学图像处理与加密存储
分类号: O438.1
类 型: 博士论文
年 份: 2005年
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内容摘要
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
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全文目录
中文摘要 8-11 ABSTRACT 11-15 1 引言 15-26 1.1 光折变全息干涉简介及研究现状 15-17 1.2 研究意义及目的 17-19 1.3 研究内容及创新 19-22 1.3.1 研究内容 19-21 1.3.2 研究工作的创新点 21-22 参考文献 22-26 2 光折变全息记录与再现的物理机理与特性 26-47 2.1 光折变效应概述 26-27 2.2 光折变全息记录与再现的物理机理 27-34 2.2.1 带输运模型——光折变效应动力学方程 28-30 2.2.2 激发光生载流子的光强 30-31 2.2.3 光折变晶体内的空间电荷场 31-33 2.2.4 折射率相位光栅 33-34 2.3 光折变两波耦合与衍射效率 34-39 2.3.1 两波耦合 34-38 2.3.2 读出光的衍射效率 38-39 2.4 光折变晶体全息记录与再现的特性参数 39-43 2.4.1 光谱响应 40 2.4.2 响应时间与存储时间 40-41 2.4.3 灵敏度 41-42 2.4.4 动态范围 42 2.4.5 散射噪声及晶体光学质量 42-43 2.4.6 空间频率响应(空间分辨率) 43 2.5 光折变晶体材料简介 43-44 参考文献 44-47 3 掺铈铌酸锶钡(Ce:SBN)晶体及其全息记录特性 47-56 3.1 SBN晶体的结构 47-48 3.2 SBN晶体的生长、掺杂及极化 48-49 3.3 SBN晶体基本的物理性质、光学性质及光折变性质 49-51 3.4 Ce:SBN晶体全息记录特性测量 51-54 3.3.1 光谱响应 51 3.3.2 全息记录衍射效率 51-54 3.3.3 全息记录、擦除时间 54 3.5 本章小结 54 参考文献 54-56 4 光折变全息干涉及其应用研究 56-88 4.1 全息干涉的基本原理与方法 56-61 4.1.1 单次曝光全息干涉(实时全息干涉) 57-59 4.1.2 两次曝光全息干涉 59-61 4.2 光折变全息干涉的基本原理 61-63 4.2.1 单次曝光光折变全息干涉 62-63 4.2.2 两次曝光光折变全息干涉 63 4.3 光折变全息干涉条纹衬比度的时间变化特性 63-75 4.3.1 单次曝光全息干涉条纹衬比度及最佳观测时间 65-73 4.3.2 两次曝光全息干涉条纹衬比度及最佳曝光时间 73-75 4.4 光折变全息干涉实验装置及实验参数 75-77 4.5 用光折变全息干涉测量三维轴对称折射率分布 77-81 4.5.1 系统结构和测量原理 77-78 4.5.2 实验结果及数据处理 78-81 4.6 用光折变全息干涉测量物体的倾斜和面内位移 81-85 4.6.1 测量原理 81-83 4.6.2 实验测量装置和测量结果 83-85 4.7 本章小结 85-86 参考文献 86-88 5 光折变波面平移全息干涉技术及其应用研究 88-122 5.1 光折变波面平移全息干涉 88-93 5.1.1 空间两分离点光源干涉形成的干涉图样 88-91 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 91-93 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 93-99 5.2.1 采用波面横向平移全息干涉 93-96 5.2.1.1 测量装置及测量原理 93-95 5.2.1.2 实验测量结果 95-96 5.2.2 采用波面纵向平移全息干涉 96-99 5.2.2.1 测量光路及测量原理 96-98 5.2.2.2 实验测量结果 98-99 5.2.3 波面平移干涉方法的误差 99 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 99-105 5.3.1 实验测量装置及测量过程 100-101 5.3.2 测量原理 101-103 5.3.3 实验测量结果及误差分析 103-105 5.4 采用光折变波面平移全息干涉测量三维位移 105-112 5.4.1 系统结构和测量方法 106-107 5.4.2 测量原理 107-109 5.4.3 实验结果与讨论 109-112 5.5 用光折变波面平移实现剪切全息干涉 112-118 5.5.1 引言 112-113 5.5.2 系统结构与理论分析 113-116 5.5.3 实验验证与结论 116-118 5.6 本章小结 118 参考文献 118-122 6 纯扩散机制下光折变相移的观测方法及图像相减 122-141 6.1 引言 122-123 6.2 纯扩散机制下光折变相移的观测方法 123-132 6.2.1 基本理论分析 123-127 6.2.2 实验原理及实验方法 127-131 6.2.3 实验方法及实验结果 131-132 6.3 基于纯扩散机制下光折变相移的图象相减 132-136 6.3.1 理论分析 132-134 6.3.2 实验方法及实验结果 134-136 6.4 本章小结 136-137 参考文献 137-141 7 基于光折变全息干涉的光学幅相转换及图像加密存储 141-159 7.1 引言 141-142 7.2 基于光折变全息干涉的光学幅相转换 142-148 7.2.1 基本思想和理论分析 142-145 7.2.2 计算机模拟结果 145-147 7.2.3 实验方法及实验结果 147-148 7.3 基于光折变全息干涉光学幅相转换的图像加密存储 148-155 7.3.1 基本思想和理论分析 148-151 7.3.2 计算机模拟 151-153 7.3.3 实验方法及实验结果 153-155 7.4 本章小结 155 参考文献 155-159 全文总结 159-163 致谢 163-164 攻读博士学位期间发表的论文 164-166 攻读博士学位期间获得的奖励及承担或参加的科研项目 166-167
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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 信息光学 > 全息光学
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