实时全息干涉实验方法的探讨.pdf

1999年 第 6期 实 验 室 研 究 与 探 索 LABORATORY RESEARCH AND EXPLORATION 45 实时全息干涉实验方法的探讨 梁华翰 王德忠 鲍 毅 童钧耕 上海交通大学物理系 上海市 200030 摘 要 介绍了激光全息实时干涉技术中的一些实验方法 专用装置及注意事项 有 效地将激光全息实时干涉技术应用于三维温度场的层析 CT 测试 并对在设计性实 验教学中如何培养学生的创新能力提出了一些看法 关键词 实时全息干涉 三维温度场 计算机层析 设计性实验 创新能力 Investigation on Experimental Method of Real time Holographic Interference Technique LIA NG Hua han WA NG De z hong BAO Yi TONG Jun geng Dept of Applied physics Shanghai Jiaotong Univ shanghai 200030 China Abstract In order to apply laser real time holograhic interference computed tomography technique to 3 dimension temperature field measurement some experimental methods special devices and related problems were demonstrated Moreover the necessity of introducing the technique into college physics experiment was delivered Some opinions on the problems in designing experiment teaching and innovation capability cultivation were presented Key words real time holographic interference 3 dimensional temperature field computed to mography designing experiment innovation capability 收稿日期 1999 04 29 基金来源 高校博士点基金资助课题 1 问题的提出 在近代光学检测技术中 实时全息干涉 技术在精密的微小位移 形变测量 透明介质 折射率分布和变化观测 乃至温度场 气态流 场的测量中 以其独特的优点 动态 实时 非 接触的全场观测 高灵敏度和光波波长数量 级的精度等 得到了公众的认可和肯定 但 测试实践中 又因它在光路稳定性及调整操 作上的高要求和复杂性而使这项技术的应用 与推广受到了限制 我们在多年全息干涉技术的实验教学实 践中 体会到如能找到一些解决这些难题的 简易办法 将实时全息干涉技术这一高新技 术引入 大学物理实验 课程 对于开拓学生 思维 培养学生素质和能力 具有积极的意 义 经过探索 我们总结了在物理实验中进行 实时全息干涉技术教学的一些经验 一年的 实践证明颇有成效 而且对于将素质教育溶 于整个实验教学过程 开展创新能力的培养 也颇有启示 2 实时全息干涉技术的方法 2 1 典型光路及实验装置 实时全息干涉图象的形成和实现 若以 检测加热圆柱的自然对流温度场为例 可采 用下述方法 即在图 1 所示的典型全息记录 光路中 首先对未加热的圆柱周围的均匀温 度场作参考曝光 记录到全息图 H 上 然后 将该次曝光的感光板原地显影 水洗 定影或 漂白处理 或将处理好的全息图 H 精确地 回复到原先曝光记录时准确的位置上 如果 没有失误 当被试验的圆柱加热升温时 只要 全息光路中的参考光束和物光束二者都照射 在已曝光并记录的全息图 H 上 再现出来被 记录的均匀温度场的物光束与现实试验段中 由热圆柱引起的自然对流温度场的物光束发 生干涉 观察者透过全息图 H 即可看到显示 和反映温度场中温度梯度变化的干涉条纹 以及干涉条纹簇分布与温度梯度之间的关 系 1 这些干涉条纹簇随温度分布的变化而 变化 并可用摄影机或 CCD 摄像机记录下 来 图 1 实时激光全息干涉技术的典型光路 M 分束板 M1 M2 全反射镜 L 空间滤波器 L0 物光准直镜 扩束镜 Lr 参考光场镜 扩束镜 T 测试段 H 全息感光干板 或在此处放置原地复位支架 SL光衰减器 SM毛玻璃漫射板 有关实时全息干涉技术的原理细节 可 参阅有关文献 1 2 这里只提供一些可供 借鉴的典型光路 允许同学继续进行适当的 变化和进行比较分析 和有关的专用装置 如 要观测无限宽条纹 参考曝光的全息干板显 影后应准确地以零点几个光波波长数量级的 精度 重新回到曝光的位置上 这就要求设计 一个能完成原地显影 水洗 定影处理的全息 干板架 如图 2 所示或制造一个能精密控制 和调整全息干板夹座方位的复位支架 如图 3 所示 供实验使用的试验对象 可采用一根内 部塞有 20W 内热式电烙铁芯的圆形紫铜柱 25mm 其上附有测温用的镍铬 镍硅 热电偶 或铜 康铜热电偶 该紫铜圆柱用调 压变压器控制加热电压以改变其试验工况温 度 其实际温度则用数字式热电偶温度计显 示 整个试验物体可用细金属丝水平悬挂在 全息光路试验段的空间 2 2 实验操作要领 1 按实时全息干涉技术的要求 如图 1 在全息防振台上布置实验光路 记录初始参 考曝光的全息图 被拍摄记录的可以是均匀 的有物场或均匀空场 物场 试验段 可用平 46 实验室研究与探索1999 年 第 6 期 图 2 原地显影全息干板架 注 支柱的直径为 20mm 而夹持全息感光干板的 横梁应能方便地进行高低调整并稳妥固定 盛显影 液定影液或清水的容器可用玻璃烧杯 最好是用有 机玻璃做成的能容纳实时全息参数曝光干板 H 的 扁平液槽 支柱 升降固定螺丝 全息干板 夹持横梁 干板夹紧螺丝 全息干板 垫高 木块 有机玻璃容器 盛显影液 定影液或水 铁底板 图 3 能精确复位的全息干板支架 注 B1 B2 B3为 3mm 的钢珠 k1 k2 k3为 3mm 不锈钢短柱 大透镜可调支架 固定底板螺丝 全息 干板 倾角 全息干板倾角调节螺丝 磁性底座 行光照明 也可用漫射光照明 只用于定性测 量 参考光束可以是平行光束 也可以是发 散光束 全息干板 H 可在试验物体的成像平 面上 也可是物光束射及的任何位置 光路调 整及参数选择应满足拍摄记录静物全息图的 要求 即 所有光路元件 装置 感光干板等 均应紧固稳妥地固定在防振台上 参考光 路和物光路的光程力求接近相等 光程差小 于 1cm 参考光与物光的光强比应适宜 最好在 4 1 6 1 全息曝光时间按照实验 室提供的经验参数 通常以硅光电池输出的 光电流定秒值 估计 2 进行实时全息干涉图的初始参考曝 光 试验段应是均匀温度场 室温 3 在暗室中或黄灯 Na 灯 下依次有 条理地进行原地显影 水洗定影和再水洗等 操作 动作必须轻缓 操作过程不能触及全息 感光干板和光路中任何光路元件 显影应以 该全息图的黑度达到或接近 0 4 0 5 为宜 为避免全息干板上的感光乳剂在定影时的不 均匀收缩 并获得最佳的再现衍射效率 显影 液可采用 CWC2 但需用 PBQ 对苯醌漂 白液 进行漂白的处理 不需定影 CWC2和 PBQ 的配方如下 CWC2显影液 邻苯二酚 10g 抗坏血酸 5g 无水亚硫酸钠 5g 尿素 50g 无水碳酸钠 30g 加水至 1000ml 使用时 20 下显影 2 分左右为宜 对苯醌漂白液 PBQ A 1 4 对位苯醌 2g 柠檬酸 15g B 溴化钾 50g 加水至 500ml A B 等量混合后使用 漂白时间以感光板变清白透明的时间再延长 一倍为宜 20 时约为 45秒 2 分 4 将已显影 定影或漂白处理后的全 息图 H 静置原位 待其自然干燥 5 遮去物光束 检查实时全息图记录 47 梁华翰等 实时全息干涉实验方法的探讨 的再现物光场 调整参考光路中的衰减光楔 一般是增大参考光 使再现出的物光场的 亮度接近实际物场的亮度 6 在物光束与参考光束同时入射观察 实时全息图时 向物场吹气 透过全息图 观 察物场中是否有实时全息干涉现象出现 如 记录过程和处理过程正确 顺利 则应在吹气 时实时观察到有干涉条纹出现或漂动的现 象 若再现物光场很弱 根本没有干涉条纹或 没有漂移变动现象 则说明实时全息图拍摄 失败 实验必须重新开始 7 如上述过程一切正常 则可有的放 矢地改变参考光束或物光束的投影方向 使 再现物场中呈现出特定走向的等间距的平行 条纹 条纹的走向和疏密由实验的要求确 定 此时 物场中只要有温度梯度存在或物 场有所变动 即可观察到从无限条纹图案到 有限条纹图案 图 4中给出的是以横向放置 的加热圆柱体 在自然对流状态下其周围发 生的温度场所形成的实时全息干涉条纹图 图中所示的各种条纹形态 显然与观测光路 的偏离初始状态的有关 从图中也可以看出 无限条纹与有限初始条纹之间的联系 对照 马赫 曾德干涉仪或迈克尔逊干涉仪中呈现 出的各种条纹形态 3 我们还可以得到不少 有益的启示 图 5 所提供的是一幅显示由二根不同温 度的被加热圆柱 它们竖直放置并隔开了一 段距离 在自然对流状态下以不同角度拍摄 的非对称温度场的实时有限全息干涉条纹簇 图 4 全息干涉条纹形状 分布的照片 图 6 显示的是用 586 微机和 CCD 摄像 机对图 5 所示的非对称三维温度场进行多方 向实时采集的 全息干涉 图 采集速 度为 40ms 幅 并运用计算机层析技术 CT 技 术 而获得的 3 D 非对称温度场的分布图 4 室温 10 0 样品 50 0 由此可见 将实时全息干涉技术与计算 机图像处理及 CT 术结合起来 将使实时全 息干涉技术成为一种有更宽广应用领域的近 代光学检测技术 3 培养创造能力的一些想法 将实时全息干涉技术作为研究课题 开 设设计性实验 若能再辅以本文所述的有关 实验方法和技术为后盾 我们认为是可行的 图 5 不同角度下非对称温度场的实时有限全息干涉条纹簇的照片 48 实验室研究与探索1999 年 第 6 期 图 6 用 CT 技术重建的三维非对称温度场的分布图 首先 鉴于实时全息干涉技术的实验要 求高 完成的难度又大 若学生在实验中不严 格地按照实验程序 未能有条不紊 一丝不苟 地去实施完成 必然是要失败的 这在我们开 设的实验中就经常碰到 对一个初涉科学实 验的低年级大学生 教师如能因势利导 循循 善诱 启发同学总结失败的教训 思考和分析 问题的症结所在 最后将会取得实时全息干 涉现象 这对学生科学素质的培养是有一定 积极意义的 进而也使我们体会到 只有在实 验中不断地克服困难 才能培养出扎实的科 学实验能力来 因此适当地在实验过程中设 置有一定难度而学生可以经过自身努力而解 决的问题 让同学在实验中碰一些钉子 走一 些弯路 是大有益处的 这可以鼓励他们能知 难而进 并对实验加深印象 其次 就创新能力的培养而言 由于实时 全息图的拍摄有多种光路和要求 再现观测 也有不同的方法 可让同学自己在实验中分 析对比 观测研究 这对于开拓学生的思路 促进学习的主动性和积极性 培养创造能力 也是颇有启发的 再如在教学实验中 同学发现摄录参考 全息图时 先放上未加热的物体待全息图形 成后 再加热物体而观测其自然对流的温度 场和先拍摄均匀空场 或是在试验段中放入 已加热的物体 再观测自然对流场 有许多共 同的地方 但也有差别 显然先拍摄空场会带 来许多方便 当然也存在一些不足 又如干涉 条纹除了在再现物光束场中可以呈现外 在 参考光束的光路中 同样也可以看到类似的 干涉条纹簇 它们是互补的 如何解释和分 析 如教师能及时启发引导 通过对照 比较 将会使学生获得