物理在工程中的应用专题p.ppt

2020 3 26 1 物理在工程中的应用专题 全息照相模压全息光盘光全息存储器 第一讲全息照相 全息照相概述实验仪器与光路全息照相的拍摄原理全息照相的观察原理全息照相的特点全息照相的种类全息技术的应用 1 全息照相概述 全息 是指物体发出光波的全部信息 既包括振幅或强度 也包括相位 普通照相使用透镜成像原理 底片上化学反应的强度直接由物体各处的明暗决定 即由入射光波的强度决定 全息照相不但记录了入射光波的强度 也记录了入射光波的相位 有关全息的原理在1947年就已由英国物理学家丹尼斯伽柏提出了 科学家本人也因此获得了诺贝尔奖 一个叫班顿的人后来又发现了更为简便使用白光还原影像的方法 从而使这项技术逐渐走向实用阶段 美国 国家地理杂志 第一次使用白色光全息片贴在封面时 销售量由一千万份增加到再版后的一千六百万份 这一技术后由美国传到欧洲和其它国家 广泛用于信用卡等仿伪技术 激光全息摄影技术也随之风靡全世界 实验仪器 防震台 He Ne激光器 分光镜 全反镜 扩束镜及可调支架 干版架 白屏 磁钢 软尺 被摄物 遮光开关 显影与定影药品用具及干版等 2 实验仪器与光路 图一 实验光路 He Ne激光器 定时阀 物体 干板架 全息平台 扩束器 反射镜 分束器 图二 3 全息照相的拍摄原理 激光光源的光分成两部分 直接照射到底片上的叫参考光 另一部分经物体表面散射的光也照射到照相底片 称为物光 参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉 底片记录的即是物光和参考光叠加后的干涉条纹的图像 全息照片不同于普通照片 其底片不显示物体的形象 而是干涉条纹叠加后的图像 冲洗时只是改变了不同部分的透光性 观察时 需利用与拍照时同频率的光的照射全息图 图四冲洗好的全息干板 注意 图中的圆圈并不是干涉条纹 而是因为各种原因造成的衍射条纹 全息照相的原理可用八个字来表述 干涉记录 衍射再现 物体像的再现过程是光的衍射全息照片相当于 光栅 1级衍射光是物体的像 其中一个是实像 一个是虚像 4 全息照相的观察原理 1 若要得到无畸变的实像 需要一束与参考光波共轭的再现光波照射全息图 观察全息照片的光路图如下 图五 2 在全息片上每一组干涉条纹都可看成一个光栅 当用再现光照射时 由无数组光栅的衍射波叠加而成的 1级衍射光波前进的方向正是记录时物光的入射方向 即形成了物光的实际再现光波 从而看到一个没有畸变的与原物完全一样的三维物体虚象 3 在用光照射底片时 在与原来物光对称方向的两束光 其光程差也为 光线汇聚将会形成一实像 5 全息照相的特点 全息照片衍射形成的立体虚像是一个真正立体的 当人眼换一个位置时 便可以看到物体的侧面像 即物体上原来被挡住的部分也可以看到 同一张底片上经过多次曝光后 可以重叠多个像 而且每个像又不受其他像的干扰 而单独地显示出来 全息照片易于复制 全息照相过程分记录 再现两步 它是以干涉 衍射等波动光学的规律为基础的 普通照相过程是以几何光学的规律为基础的 全息图所记录的是物体各点的全部光信息 包括振幅和相位 普通照相底片记录的仅是物体各点的光强 或振幅 全息照相过程中物体与底片之间是点面对应的关系 即每个物点所发射的光束直接落在记录介质整个平面上 反过来说 全息图中每一个局部都包含了物体各点的光信息 普通照相过程中物像之间是点点对应的关系 即一个物点对应像平面中的一个像点 全息照相与普通照相的比较 全息图能完全再现原物的波前 因而能观察到一幅非常逼真的立体图像 普通照相得到的只能是二维的平面图像 全息照相是干涉 因此要求光源有很高的相干性 光源的相干长度越大 波前上相干区越大 就能越有效地实现全息照相 普通照相只是像的强度记录 并不要求光源的相干性 用普通光源就可以了 6 全息照相的种类 菲涅尔全息照相 感光胶片与被摄物体相距有限远 物光不是平行光 如图所示 夫琅和费全息照相 在感光胶片与被摄物体之间放置一个透镜 使物光成平行光 又称为傅里叶全息照相 再现时 1都显现实像 在激光器与被摄物体之间放入一块乳白色玻璃 或其他透光散射板 使激光经散射后再照射到被摄物体上 这种照片的再现象用肉眼比较容易观察 散射全息照相 散射板 彩色全息照相 如果用红 蓝 绿三种颜色的激光同时照射被摄物体 并采用适当的光学系统和感光胶片 能获得彩色全息照片 目前还没有蓝色激光 体积全息照相 当感光乳胶片的厚度比物光和参考干涉条纹间距大很多时 必须考虑乳胶层厚度的作用 此时乳胶层记录的不再是平面的干涉图 而是一个立体的干涉图 也就是在乳胶层内形成了一系列的银平面 这些银平面的间距与入射光的波长及方向有关 这种全息照片又称为三维全息照片 可与晶体三维衍射类比 再现象满足布拉格反射 dsin k 如果白光照射 不同的波长在不同的角度满足上式 所以 转动观察可以看到不同颜色的象 Fish 为单色反射全息图 mask 为彩色反射全息图 全息图片 全息图片 这是一幅反射式全息照片 它是利用白光作照明光 再现三维立体形象的全息照片 反射全息图具有较高的衍射效率 再现像明亮 质感和立体感强 视差效果明显 用二步法拍摄的反射全息照片还可以使三维立体的部分形象图处于记录介质表面以外 全息显示模压全息全息光学元件全息干涉计量全息信息存储 7 全息技术的应用 在全息照相的基础上 全息技术还扩展到红外 微波 超声领域 进一步发展形成了全息干涉术 彩色全息 及彩虹全息和周视全息等新的全息技术 由于全息照相具有三维成像的特点 可重复记录 而且 每一小块全息底片都能再现物体的完整 其用途十分广泛 可广泛用于精密干涉计量 无损探伤 全息光弹性 微应变分析和振动分析等科学研究 利用全息干涉术研究燃气燃烧的过程 机械件的振动模式 蜂窝板结构的粘结质量和汽车轮胎皮下缺陷检查等已得到广泛应用 全息照相用作商品和信用卡的防伪标记已形成产业 正在发展的全息电视还将为人类带来一场新的视觉革命 第二讲模压全息 模压全息是20世纪70年代发展起来的一项全息显示技术 其实质是一种白光再现的全息图 白光再现全息图原理模压全息的制作模压全息的应用 1 白光再现全息图的原理 像面全息图当物体与记录介质之间的距离趋于零时 由再现光谱宽度引起的再现象的扩展也趋于零 可以用白光再现 但立体感不强 L0 物光 参考光 全息干板 L 白光 光栅色散 全息照片色散成像不清 X L 体积全息图三维光栅布拉格反射不同角度不同颜色的像 彩虹全息图再现时同时出现狭缝象 观察再现像时将受到狭缝像的限制 狭缝起到色散的作用 当用白光照射时 不同颜色的光形成的狭缝和物体的再现像的位置是不同的 因此 在不同位置将观察到不同颜色的像 颜色的排列顺序与波长相同 就如同彩虹一样 物光 参考光 2 模压全息的制作 激光摄制 平面照片像面全息立体显示彩虹全息 电成型全息干板清洗活化化学电镀Ni去离子水清洗电铸形成Ni板将Ni板从干板上剥离纯化Ni板Ni模板 干涉条纹 模压利用专用模压机在一定的压力和温度下 将Ni模板上的全息干涉条纹印刷到热性塑料薄膜上 全息材料 3 应用 防伪反光材料建筑装饰材料 迅猛发展的模压彩虹全息图 既可成为生动的卡通片 贺卡 立体邮票 也可以作为防伪标识出现在商标 证件卡 银行信用卡 甚至钞票上 装饰在书籍中的全息立体照片 以及礼品包装上闪耀的全息彩虹 使人们体会到21世纪印刷技术与包装技术的新飞跃 模压全息标识 由于它的三维层次感 并随观察角度而变化的彩虹效应 以及千变万化的防伪标记 再加上与其他高科技防伪手段的紧密结合 把新世纪的防伪技术推向了新的辉煌顶点 彩红全息照相机 作业 简述全息照相的拍摄原理和再现原理全息照片的特点白光再现全息图的原理 第三讲光盘 光盘简介只写型光盘单层膜光盘3层膜消光型光盘只读型光盘可擦写型光盘相变型可重复擦写光盘磁光型可重复擦写光盘 光盘存储材料光存储技术的发展 以光为笔 以感光片为纸的照片 以光为探头 以胶卷为长卷的电影 电视等 这些光存储的中大多采用的是可见光 多用化学物质的感光技术 而光盘存储是现代的高科技光电子技术 光盘上信息的写入与读出都是利用半导体激光器 探测器来完成 1光盘简介 光盘存储的密度 光盘存储可以是二维的面存储 也可以是三维的立体存储 存储密度依赖于写入信息的激光波长 面存储密度同波长的平方成反比 采用可见光作写入的光盘信息密度为107 108b cm2 因此现在大力发展蓝光激光器 体存储密度与波长的三次方成反比 光盘存储的原理 留声机是以金属唱针为探头 以唱片为基质 利用唱针在旋转的唱片上刻下不同划痕的纹路记录下声音 然后放唱片时 唱针在这些刻槽纹路上同唱片摩擦 提取记录下的信号 经放大后还原成能听到的声音 光盘与之相似 其所用探针为半导体激光器发出的一束激光 唱片为对光敏感的光盘 原始信息取样编号 编制成 0 1 的数码 半导体激光器调制激光信号 光脉冲数码信号 即光笔 光盘光敏材料 用光笔写下脉冲数码文字 刻制光盘 半导体激光器光盘半导体探测器光电信号放大解码处理器 复还信息 光盘信息写入原理 光盘信息读取原理 烧坑写入方式 即将带有调制信号的很强的激光聚焦在光盘上 将光盘表面烧出一连串长短不同的坑 制成带有大量信息的母盘 利用光敏的相变 光折射 光致偏振等物理效应来完成录制工作 在许多光敏材料中 光会引起相位 折射率 偏振状态的变化 将调制好的激光束照射到这些材料上 就会留下光强的强弱 有无 长短和偏振角度旋转等信息 也就是记录下音像等信号 利用这类方式记录的信息 可以利用一束没有调制信号的强光将所有信号抹去 激光束的斑点大小决定了光盘存储密度 光信息写入方式 2 只写型光盘2 1单层膜光盘 2 23层膜消光型光盘 3 只读型光盘将母盘进行一系列的工艺处理之后 制成压模 再利用压制工艺技术制成大量的光盘产品 功能材料作为信息存储材料的主要条件是 1 当外界微扰P调节到达一定的临界值Pc时 体系或分子可以从一种状态到达另一种状态 2 当外界微扰P分别处在从小到大高于Pc和从大到小低于Pc时 功能体系的性质应有不同的数值 即具有滞后效应 这种与样品状态历史有关的现象就起着记忆功能 3 功能体系在着两种状态之间的过度必须很明显 并且被很灵敏的检测 4 可擦写型光盘 4 1相变型可重复擦写光盘 Fe Ge Sb薄膜 相变结晶态大功率激光器缓冷急冷中功率激光器非结晶态 读信息时 用小功率激光器 非晶态的反射率比结晶态低 4 2磁光效应材料与记录原理 磁盘由在圆盘状基表面附着磁记录介质层构成 由于其高存储容量 随机存取容易 迅速等优点 已成为数字式记录 存储媒体的主要形式 光磁记录的原理磁光效应是基于光与物质的磁化 或磁场 相互作用 而使光学参数发生变化的现象 磁光效应材料 光盘磁光盘以光热磁原理进行记录 再生 属于可擦除重写型光存储器 即可通过光热磁 将不必要的信息擦除 并改写为必要的信息 目前所用的材料主要为锝 Tb 铁 钴等构成的非晶态合金膜 向多层膜方向发展 材料有 半导体GaAs 离子导体NaSiCoN 非线性光学材料LiNiO3 铁磁性材料Fe3O4 光电转换材料SrTiO3和热致变色材料Ag2HgI4 气体激光器 半导体激光器 光调制器 透镜 光束分离器 光检出器 随机反射镜 记录时 利用激光的高能量 再生 读取 时 利用激光反射信号的检出 克尔效应 记录原理 磁场强度对磁感应强度的磁滞回线显示 在小的固定的磁场强度Ho下 用激光进行局部加热 使其磁性质发生从铁磁性到顺磁性的热相变逆转 则在光盘中形成一种磁性区域处在相反磁性的背景中这就达到了写入的目的 记录与再生的原理 记录介质采用较大的矫顽力 垂直磁化膜 垂直磁化膜 记录位bit 记录或写入方式有 居里温度写入和补偿温度写入 弱磁场 使记录位磁化反转 居里温度写入 磁性膜中需要记录的部分被激光照射加热 温度上升到Tc以上 该部分变为非磁性 在其冷却过程中 受其周围基体反磁场作用 会发生磁化反转 如果通过线圈或永磁体外加磁场 则可实现磁化的完全反转 补偿温度写入 铁磁体垂直磁化膜的磁补偿温度应在室温附近 当这种铁磁体被激光加热到较高温度 该温度下对应的矫玩力比室温时的矫玩力要低的多 这样 在较弱的外磁场下即可容易地实现磁化反转 读出或再生原理 利用克尔磁光效应 在磁化表面两侧 两种偏振光具有不同的反射率 或法拉第效应 在磁化表面两侧 两种偏振光具有不同的折射率 达到光的读出 也可以冷却后将磁场反向逆转到 Ho而进行信号的擦除 利用克尔效应或法拉第效应读出 读出时激光不能使记录介质过热 其加热功率要比记录时的功率低 光电二极管 光磁记录介质应具备的特性 1 满足垂直磁化的条件 2 作为能稳定的保持微小磁畴结构的条件 3 再生灵敏度高 4 记录灵敏度高 5 低噪音 6 化学 结构等稳定 7 便于大面积均质成膜 光磁记录具有下述特征 1 记录密度高 107 1010bit cm2 2 可擦除重写 3 非接触式 从而可靠性高 4 随机存取 5 光盘可自动装卸 6 可用于多道记录及全息照相存储 TbFeCo磁光材料具有下列优势 1 在近红外能长期使用 2 可容易垂直磁化 3 非晶态结构 可避免晶界等造成的再生噪音 4 居里温度200度 与半导体激光功率可良好的对应 各种磁盘的结构示意图 基板铝合金 Mg Al 1 2mm 磁性层 磁性粉 粘结剂 添加剂 润滑剂 硬盘 碳保护膜 磁性膜 CoCr Ta 基板铝合金 Ti 电镀NiFe膜 垂直磁性膜硬盘通常采用各种溅射法 一般情况下还夹有一层Cr基地层 基板铝合金 SiO2保护膜 电镀磁性层 CoNiP NiP 电镀磁性膜硬盘 基板 如PET 基板 可挠性 如PET 基板 如PET 磁性层 磁性粉 粘结剂 添加剂 软盘 涂布型软盘 磁性层 CoNi O 磁性层 CoNi O Ti膜 倾斜蒸镀可挠性软盘 薄膜性磁盘 准二层膜垂直记录可挠性软盘 薄膜性磁盘 下一代光磁记录材料为提高高记录密度 采用短波长光 重点集中在在短波长区具有较大克尔旋转角的材料 主要为含有Nd及Pr的非晶态稀土 R Fe Co合金膜 Bi置换磁性石榴石 Pt Co多层膜 超晶格膜 磁性与非磁性界面效应 可以开发出新的性能和功能 超高密度信息记录的新技术 激光技术透镜聚焦超纳米加工及分析测