二次曝光法制作全息图的原理和方法.doc

二次曝光法制作全息图的原理方法及应用摘要 本文简单介绍了全息干涉计量术的基本理论，主要介绍了二次曝光全息干涉术的原理，给出了二次曝光法的典型记录光路和再现光路，简要介绍了二次曝光全息干涉术的应用研究。关键词： 全息干涉 二次曝光 再现光路1 引言当两束光波相干时，其干涉广场的分布（包括干涉条纹的形状、疏密及明暗分布）与两束光波的波面特性（振幅及相位）密切相关。全息技术就是利用光的干涉原理，将物体反射的特定光波波前以干涉条纹的形式记录下来，达到冻结物光波相位信息的目的，再利用光的衍射原理再现所记录的物光的波前，就能够得到物体的振幅（强度）和位相（包括位置、形状和色彩），因此被称为全息术。全息术不仅用于艺术三维显示，而且在光学测量和光信息处理中有着广泛的应用。光学全息术是由英国科学家D.Gabor为了提高电子显微镜的分辨率而发明的1,2。D.Gabor用高压汞灯作为光源，用透射物体的直射波作为参考光和物体的衍射波相干，得到了同轴全息图。当用相干光再现全息图时，显微镜下观察到了物体的再现像，这标志着全息术的诞生。但是由于当时没有足够强的相干辐射源，加之同轴全息所固有的两个相互干扰的孪生像以及记录过程中不可避免的存在的各种噪声，导致全息图的成像很差且只能记录透过率较高的透明物体，全息术的发展进入了休眠状态。直至60年代初由美国密执安大学雷达实验室进行的工作才使全息术重放光彩。该实验室从事综合孔径天线研究的E.N.Leith和J.Upatnieks几乎在Javen等人制成氦氖激光器的同时，对Gabor的技术做了划时代的改进，同时成功地进行了三维立体漫射物的记录和再现实验3,4。同时期（1962年），前苏联科学家Y.N.Denisyuk根据G.Lipp.mann的驻波天然彩色照相法提出了白光反射全息图。从此应用研究不断发展，许多科学工作者开始了他们自己的研究以探讨全息术的应用潜力及应用领域，如全息干涉测量、全息存储、全息光学元件、全息显微术、显示全息、计算全息等。其中，全息干涉计量术是全息术诞生以来最广泛地得到实际应用的一个领域。它是利用全息术的空间波前再现原理，非接触地进行对物体表面三维测量而获得信息。在具体方法上，全息干涉计量先后发展了实时全息干涉法、二次曝光全息干涉法、时间平均全息干涉法、双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法等等。与普通干涉相比，全息干涉的干涉理论和测量灵敏度与之基本相同，只是获得相干光的方法不同。普通干涉获得相干光的方法可总结为分振幅法和分波前法；而全息干涉的相干光波则是采用时间分割法获取的，其特点在于相干光束由同一光束系统产生，因而可以消除系统误差。二者的另一差别在于，经典干涉只能测量经过抛光的、几何形状简单的透明物体或反射面；全息干涉不仅可以测量透明物体，也可以测量不透明物体，并且其表面可以是复杂形状的散射体。此外，全息干涉术还可以通过表面的变化来检测物体内部的缺陷，即无损检测。2 二次曝光全息干涉原理及光路2.1二次曝光全息干涉原理所有干涉仪的工作原理都是比较两个或多个波面的形状。二次曝光法是将初始物光波面与变形以后的物光波面相比较。在记录过程中对一张全息干板作二次曝光，一次是记录初始物光波（标准波面）的全息图；一次是记录变化以后的物光波（变形波面）的全息图。这两张全息图记录在同一张干板上，记录时顺序也可以颠倒。当用照明光波再现时，可再现出两个物光波面，这两个波面是相干的，因而观察到的是她们之间的干涉条纹。通过干涉条纹的分布情况，可以了解波面的变化。二次曝光法的记录与再现光路如图1所示。在底片平面上，参考光波Rx,y=r0x,yexpirx,y，初始物光波Ox,y=O0x,yexpi0x,y，变形后的物光波Ox,y=O0x,yexpi0x,y。图1 二次曝光全息图的记录与再现假设两次曝光时间相同，则总的曝光光强为 Ix,y=O+R2+O+R2 = 2r02+O02+O0r0expi0-r+O0r0exp-i0-r+O0r0expi0-r+O0r0exp-i0-r在线性记录条件下，全息图的复振幅透过率正比于曝光光强tx,y=to+Ix,y假设用参考光波照明全息图，如图1（b），则在全息图的透射光波中，与原始物光波和变形物光波有关的分量波为Uix,y=O0r02expi0+O0r02expi0再现的原始物光波前和变形物光波前沿同一方向传播，产生干涉。这时干涉条纹的强度分布为Ii=Ccos0-0因为变形后的物光波前已经“冻结”在全息图中，在适当照明条件下就可以通过再现产生干涉条纹，从而给定量分析提供了很大的方便。2.2 几种典型光路图2是透明物体的二次曝光光路。用平行光照射物体，其透射光与参考光干涉产生全息图。一次曝光是初始状态的样品（或不放样品），另一次曝光时样品已发生变化（或放入样品）。图2 透明物体的二次曝光光路参考光R用平面光波或球面波均可。物体用平行光照明时，可以得到像面全息图，即全息干板上记录的是两个波面干涉的像图全息图。再现时，有两种观察方式，一种如图2（b）所示，用原来的参考光R照明再现，在小孔E处可观察到整个物面上的条纹；另一种是根据像面全息的特点，可以用白光直接观察，在合适的方向上可以看到干涉条纹。暗纹是黑色的，亮纹是彩色的，角度改变时，条纹的彩色也在变化，但条纹的位置不变。图3给出了另一种典型的二次曝光光路，即漫射光照明的二次曝光光路。通常用一块很薄的毛玻璃产生散射光，这样物体可以获得各种方向的照明。对于参考光同样可以用平面或球面光波。用这种方式所记录的二次曝光全息图，再现时，可在原来记录光路中（挡住物光）再现，也可以用一细激光束从与参考光相反的方向照明，再现的原始像光波是发散的，可投射到屏上观察。图3 漫射光照明的二次曝光光路3 二次曝光法的应用3.1 二次曝光法在平面物体的位移和变形测试方面的应用用全息干涉法测量不透明物体表面的变化和位移时，可采用如图4所示光路。图4 平面物体位移和变形的二次曝光光路对于平面物体的位移和形变测量可采用平行光垂直照明的方式，如图4（a）所示，第一次曝光时，物体处于自由状态；第二次曝光时，物体处于受力的状态，物体的位移是x的函数，记作Z=Zx=N2；再现像的干涉条纹如图4（b）所示，N为条纹数目。观察方法同前图2所述。3.2 二次曝光技术在光刻术方面的应用光刻术是把超小线条刻印到半导体薄片上来制作复杂电路的技术，目前这些半导体电路正促使信息爆炸。这一技术是今天经典光学设计和制造的需求量最大的应用之一。光刻技术的进展对半导体工业的显著增长也有一定的贡献。半导体技术从粗糙的单个晶体管到由百万个晶体管很快将是十亿个晶体管组成的微处理器和记忆芯片非同寻常的发展是一段令人神往的历史。1979年，常规智能把光刻限制到1m的分辨率，出现了1983年就被电子束成像系统所替代的情形，到1985年，这一估算修改为0.5m的最小分辨率，又出现了1993年被X射线光刻技术取代的情形。今天，用光刻进行0.25m生产刚刚开始，0.18m似乎也有可能。但光刻一直是芯片生产成本的限制因素。光学投影光刻术显示出适于完成这一任务。根据瑞利标准，分辨率是由成像光的波长（）和投影透镜的数值孔径（NA）决定：RNA其中一部隐含但是重要的假设是：像质在这种分辨率下几乎完美。此外，图像的场尺寸必须很大。因此，改善光学分辨率的挑战是显而易见的。随着二次曝光技术的不断发展，这一技术在改变光学分辨率上将有一定的应用前景。3.3 曝光技术在制作光纤光栅器件上的应用全息曝光法制作光纤光栅是人们早已采用的一种工艺，它首先通过分束器将光源分成两束等强光束，经过相同光程照射在光纤上形成强度周期性变化的干涉条纹，光纤折射率随光强周期性变化形成了光纤光栅，光栅周期T与入射波长uv，以及两干涉分束夹角满足关系式T=uv2sin。全息曝光法的主要优点是光栅制作周期调谐方便灵活，Bragg波长可通过改变入射光束间夹角很容易进行调节。利用曝光技术制成的光纤光栅的应用领域正在不断取得新的进展，一方面主要集中于光纤光栅传感器；另一方面则是在光纤通讯领域。随着光纤光栅制作性能的不断完善，将会导致光纤技术及其相关领域的又一次新的革命。3.4 二次曝光法测量温度场利用像面全息二次曝光法测量温度场，采用像面全息记录，可以使物光聚焦在像面上，能够提高物光强度和干涉条纹的对比度，且可以在白光下再现。采用二次曝光法，将像面全息的记录方式和二次曝光法结合起来，具有非接触、精度高和全场同时测量等优点，且不会影响原有温度场的分布，可广泛应用于温度场的测量之中。光学全息法用于温度场的测量，原理是温度的变化会引起空气折射率的变化，进而引起光程差的变化，产生干涉条纹。如果采用像面全息二次曝光法，使物光通过温度场（参考光不经过温度场），温度场的变化则会引起折射率变化，使物光光程发生变化。温度相同的地方折射率相同，光程也相同。因此，每一个干涉条纹就是一条等温线，得到的干涉条纹则是一系列等温线，它反映了温度场的分布。像面全息二次曝光法是将像面全息的记录方式和二次曝光的干涉方法结合起来的一种全息方法。对于漫射体的测量，反射光太弱，若以此作为物光波，很难满足干涉中物光强度和参考光强相差不大的条件，即使通过衰减参考光使其满足，也会严重影响干涉图的对比度和分辨率。采用像面全息可以增强物光波，满足干涉光束的强度要求，从而提高全息图的对比度。二次曝光法通过对比初始物光波面和变化后的物光波面，观察二者之间的干涉条纹分布，测量物光波的变化。因此将像面全息的记录方式和二次曝光的干涉方法结合起来，可以测量漫射体形变、位移、温度场的分布图5 二次曝光法测量温度场4 结论全息干涉技术在应力分析、位移与振动冲击的测量，温度、流量、表面粗糙度的测量以及工业无损检测等方面有着广泛的应用，其重要特点是非接触、全场测量、高的测量精度等。本文详细介绍了二次曝光法的基本原理，典型的记录和再现光路以及二次曝光法在众多领域中的应用。参考文献1. Gabor.D, Nature, 1948,161:7772. Gabor.D, Proc.Roy.Soe.(London), 1951, B64:449.3. Lerthen.E.N, UPainiekks.J, J.OPt.Soc. Am., 1962, 52:1123.4. Lerthen.E.N,