光学课件 位相全息

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(a) 利用氧化剂对用银盐干板记录的振幅型全息图进行处理; (b) 采用光折变材料,如光折变晶体、液晶、光聚合物等。
I(x,y)
处理
折射率型 ∆n(x,y)
3. 相位全息图的复振幅透过率 全息记录时的干涉条纹强度分布:
I ( x , y ) = R 2 + O 2 + R ∗O + RO ∗ = R 2 + O 2 + 2 R O cos ⎡⎣φo ( x , y ) − φr ( x , y )⎤⎦
此时,KC=KR, 布喇格条件自然得到 满足,则KD=KO, 在原物光方向再现 原物光波。
KC
d
2θ K
KD
KR
d
2θ K
KO
d R
λ

z
O
¾ 若再现光波与原参考波的入射角度相同、但波长不同
此时,KC与KR的方向相同, 但大小不同,则无KD能满足布喇格条 件,不能再现原物光波。设记录时波长为λ,再现波长为λ´。
偏移、聚散了
= (j)-1K|R|J-1(a) exp(j2φr) exp(-jφo).
的物光波;
取一级近似,J±1≈a/2= β|R||O|
) 位相全息图的特点: 位相全息图对光是透明的 光束通过时,位相分布发生变化而导致衍射作用的发
生,从而使记录在上面的 物信息 得以再现
) 位相全息图的优点 : 位相全息图的 衍射效率 相当高 重铬酸盐明胶、光致聚合物的 衍射效率 可高达100% 在全息技术中占有相当重要的地位
振态 (3)功率:
二、元件和设备
1、防震平台 2、反射镜(M) 3、扩束镜(SL) 4、针孔滤波器 ( F ) 5、光分束器(BS):连续型,阶跃型 6、透镜(L):球透镜、柱透镜、抛物面透镜、
仅当满足 布喇格条件 时,才能得到成功再现
记录:以平面波记录的透射体全息为例说明
x
Od
θ1
z
θ2
R
n
h 三维平面(曲面)族
x
等腰 三角形
KR
2θ K
KO
|KR|=|KO|= 2π /λ
d K= KO – KR , K 是体光栅矢量
|K|=2π /d z d= λ / 2sinθ,或 2dsinθ =λ
KR
d
2θ K
KO
λ´= λ
KC d
2θ K
KD
λ´> λ
KC

KD
λ´< λ
Kd
¾ 若再现光波与原参考波的波长相同、但入射角度不同
此时,KC与KR的大小相同, 但方向不同,则无KD能满足布喇格条 件,不能再现原物光波。
KR
d
2θ K
KO
λ´= λ
KC
d
K
KD λ´= λ
KC
d
K
KD λ´= λ
5.10 模压全息图
是一种全息图复制技术与印刷技术,类似于凹凸板印刷技术。 可使全息图大规模生产、商品化。
上世纪70年代末提出,80年代逐渐成熟、商品化, 美日欧。 American Banknote Holographic 公司首次为Visa公司和 MasterCard 公司生产的信用卡引入全息防伪技术.此后10多年 里,这种基于彩虹全息和像面全息的防伪技术,迅速得到应用, 如:货币、支票、卡证防伪,商品与商标防伪,及包装与装饰等 领域。并根据应用范围的不同,科研人员相继开发出衍射/干涉 光可变器件(Optical Variable Device, OVD)、光可变墨水等。 国内,86~87年开始,90年代迅速发展,一时多达上千家。 目前也有几十或近百家。
利用第一类贝塞尔函数的积分公式,可展成傅立叶级数:

∑ tH ( x, y) = K ( j)n Jn (a)exp( jnΦ) n = −∞
式中Jn(a)是第一类n阶贝塞尔函数。
¾当用单位振幅平面光波垂直照明时,衍射场中
0级:n=0, KJ0(a), +1级: n=1, jKJ1(a)exp(jΦ), -1级: n=-1, (j)-1KJ-1(a)exp(-jΦ].
近年来,随着高速个人计算机、高分辨率彩色激光打/复印 机、扫描仪和CCD技术发展和商品化,随着全息制作仪器设备 的成熟和价格降低,仿造全息防伪标识变得不再那么困难。单纯 的全息防伪面临严峻挑战,逐渐失去防伪作用。
因此必须寻求具有更高安全防伪性能的技术。
仅就模压全息图来说,制作过程大体分三个阶段:
(1)全息母板制作。浮雕型, 用光致抗蚀剂(光刻胶) (2)电铸金属模板制作。 (3)模压复制。
常用激光器性能一览表
激光器类别
主谱线波长(nm) 适用记录介质
氦-氖(He-Ne)激光器 氩离子(Ar+)激光器
632.8(红)
银盐明胶(天津 I 型) 光致聚合物(红敏)
514.5(绿) 488.0(蓝) 457.9(紫)
银盐明胶(天津Ⅲ型) 光刻胶
光致聚合物(蓝敏) 重铬酸盐明胶
氦-镉(Ha-Cd)激光器
(c) 翻铸工作板。先对头板进行钝化处理,再沉积电镀镍,制成 工作镍板。
(3) 模压复制(印刷)
模压机; 热塑性薄膜,如聚乙烯膜、聚酯膜等。 镀铝——反射观察;不镀铝——透射观察。
5.11 体全息(p147)
¾ “体积全息图”(有时称厚全息图)是指三维全息图, 振幅透过率函数形式为:t(x,y,z) 得考虑空间曲面对光的衍射作用,与介质厚度关系密切。
(1) 两平面波干涉、线性记录处理条件下得到的振幅型正余 弦光栅;
(2)两平面波干涉、线性记录处理条件下得到的相位型正余 弦光栅;
(3)两平面波干涉、非线性记录处理条件下得到的振幅型矩 形光栅;
(4)两平面波干涉、非线性记录处理条件下得到的相位型矩 形光栅;
二、影响全息图衍射效率的因素:
1、调制方式的影响:
φH ( x, y) = β I ( x, y), β 是比例系数
相位全息图的复振幅透过率:
tH ( x, y) = t0 exp[ jφH ( x, y)] = t0 exp[ jβ I( x, y)]
( ) { } =t0
exp
⎡ ⎢⎣
j
β
R2+ O2
⎤ ⎥⎦
exp
j2β R O cos⎡⎣φo ( x, y) − φr ( x, y)⎤⎦
一、定义:
衍射成像光波的光通量与再现时照明光的总光通量之比。 衍射效率越高,表示成像光波的光能量越大,全息再现像则 越明亮。用公式表示为:
衍射成像的光通量
η=
再现光的总光通量
¾ 通常情况下,全息图的衍射效率与记录方式、显定影条件 及方式、记录光波等多种条件有关,很难给出一个统一的表 达式。一般情况下,用理想情况下最简单的全息图的衍射效 率来说明。如:
¾ 当记录介质的厚度达到条纹间距的若干倍时,则在记录介质 内记录下的是干涉条纹的三维空间分布,形成体全息图。
h ≥ 10 nd 2
2πλ
d: 条纹周期, n:介质折射率, λ:记录光波长,h:介质厚度。
¾ 分为透射和反射息两种。
¾其再现与平面全息图有很大差别,体现出体效应: 角度选择性和波长选择性。
= K exp ( ja cos Φ)
( ) 其中:K
=
t0
exp
⎡ ⎢⎣

O2+
R2
⎤ ⎥⎦
பைடு நூலகம்
,
a = 2β O R ,
Φ = φo − φr
利用第一类贝塞尔函数的积分公式,可展成傅立叶级数:

∑ tH ( x, y) = K ( j)n Jn (a)exp( jnΦ) n = −∞
式中Jn(a)是第一类n阶贝塞尔函数。
441.6 (紫) 银盐明胶(天津Ⅲ型)
325.0 (紫外)
光刻胶
光致聚合物(蓝敏)
常用激光器性能一览表
激光器类别
主谱线波长(nm) 适用记录介质
半导体激光器 (LD)
640.0 (红) 532.0 (绿)
银盐明胶(天津 I 型) 光致聚合物(红敏)
银盐明胶(天津Ⅲ型) 光刻胶
光致聚合物(蓝敏)
氪离子(Kr+)激光器 337.0—356.0 (紫外) 光刻胶
¾ 若再现光波与原参考波的波长和入射角度均不同
此时,KC与KR的大小和方向均不同,只有在特定情况下才能满 足布喇格条件,才能再现原物光波。分两种情况。
λ´sinθ = λ sinθ´
KR
d
2θ K
KO
(1) λ´> λ 的情况
d
KC
2θ´
K
KD
θ´ > θ
再现光波与原参考波照完全相同的情况
(2) λ´< λ 的情况
红宝石激光器(脉冲) 694.3
红敏介质
Nd:YAG激光器
1.064 µm(倍频后:532.0nm)
钇铝石榴石:钕玻璃激光器
Nd: YVO4 激光器,钒酸钇
使用时主要关心激光器的几个参数:
(1)模式:单横模,TEM00,高斯分布, 空间相干性 单纵模,Lc↑, ∆λ↓, 时间相干性 (2)偏振态:线偏振,一般垂直于台面;可加半波片使其旋 转;加半波片、四分之一波片、偏振片改变偏
d
KC 2θ´
K
KD
θ´ < θ
透射型体积全息图 记录:
O
再现:
O’
R
观察
C=R
透射型体积全息图特点:
记录
物光和参考光在全息干板同侧
再现
照明光与观察者在全息图两侧
干涉条纹趋向: 垂直于全息图表面
敏感点
对角度特别敏感
反射型体积全息图
记录:
R
O
H C=R
观察
再现:
O’ H
反射型体积全息图特点:
Jn(a)与第n级衍射 光的振幅成正比。
¾当用原参考光波R(x,y)=|R|exp(jφr)照明时,衍射场中
0级:K|R|J0(a)exp(jφr), 直透光;
+1级: jK|R|J1(a)exp(jΦ)exp(jφr)= jK|R|J1(a)exp(jφo), 原物光波;
-1级:(j)-1K|R|J-1(a)exp(-jΦ)exp(jφr)
位相型高于振幅型
2、槽型的影响(透过率函数的类型):
正弦型低于矩形型和锯齿型
t(x,y)
t(x,y)
t(x,y)
x
x
x
各种全息图 衍射效率 理论最大值
全息图类 型
调制方式
余弦振幅
平面全息图 余弦相位 矩形振幅 矩形相位
衍射效率
0.063
0.339
0.101
0.404
全息图类 型
调制方式
衍射效率
体积透射型
(1) 全息母板制作——母全息图
一般依据彩虹或像面全息原理,用传统光学方法制作。 也可用计算机控制曝光,实现数字像素(点阵)记录。
¾记录材料:如光致抗蚀剂(光刻胶)等。 ¾光源:He-Gr Laser, 441.6nm; Ar+ Laser, 514nm、480nm. ¾采用实际物体、模型、图像透过率板,
5.9 相位型全息 1. 相位全息图的复振幅透过率: tH ( x, y) = t0 exp[ jφH ( x, y)]
2. 相位全息图分两种类型: (1)浮雕型:记录介质的厚度随曝光强度的变化而变化,
折射率不变。
∆h(x,y)∝τ I(x,y), ∆(x,y)=n ∆h(x,y), φH(x,y)=k n ∆h(x,y).
(a) 将银盐干板记录的振幅型全息图经漂白处理; (b) 采用光致抗蚀剂、光刻胶、光聚合物、光导热塑材料等。
I(x,y)
处理
表面浮雕型 ∆h(x,y)
(2)折射率:记录介质的折射率随曝光强度的变化而变化, 厚度不变。
∆n(x,y)∝τ I(x,y), ∆(x,y)= h ∆n(x,y), φH(x,y)=k h ∆n(x,y).
或由计算机产生图形图像。 ¾处理成浮雕型,或直接记录成浮雕型。
(2) 电铸金属模板制作(p146中部)
(a) 先对母板表面(光刻胶)金属化。有两种方法:真空镀膜 和化学沉积,多采用化学沉积法。在光刻胶表面形成一薄层 金属导电层。
(b) 电铸。用化学电镀的方法使金属层加厚,约0.1mm。在金属 层与光刻胶剥离后,金属表面上就具有了浮雕型条纹,也就 形成了金属头板。
余弦振幅 余弦相位
0.037
1.000
体积反射型
余弦振幅 余弦相位
0.072
1.000
全息实验装置
一、相干光源 —— 激光器 二、元件和设备 三、全息记录介质 四、全息实验光路 五、暗房技术
一、相干光源 —— 激 光 器 Coherent Sourse Laser
h优良的时间相干性 h优良的空间相干性
物光与参考光在介质内的夹角为2θ, θ=(θ1- θ2)/2
再现:以平面波再现为例说明
必须满足 布喇格条件 Bragg Condition
布喇格条件:
K= KD - KC
2dsinθ =λ
KC是再现光的波矢,KD是衍射再 现光的波矢。
再现光的波长、入射方向、条纹的 周期之间必须满足该条件。
¾ 若再现光波与原参考波照完全相同
记录
物光和参考光在全息干板两侧
再现 干涉条纹趋向 敏感点
照明光与观察者在全息图同侧 平行于全息图表面 对波长特别敏感
关于体全息的记录、再现,以及衍射效率、角度与波长选 择特性,其严格详细的讨论需要用耦合波理论,比较复杂。 同学们需要时可自己去学习。
5.12 全息图的衍射效率 Diffraction Efficiency
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