一種粒子場瞬態多幅全息照相裝置及方法

2023-08-05 18:18:36

專利名稱：一種粒子場瞬態多幅全息照相裝置及方法
技術領域：
本發明涉及全息照相領域，尤其是涉及一種粒子場瞬態多幅全息照相裝置及方法。
背景技術：
全息術早已用於粒子場及流體場的單幅拍攝，而且已經為這些領域做出了巨大貢獻。其非接觸、大視場、大景深及三維再現等特點使其在粒子場診斷領域具有獨特的優勢。採用全息術對粒子場進行檢測通常包括記錄、顯影與再現三個環節。記錄主要是指脈衝雷射同一脈衝分出的兩光束在記錄介質(全息幹板)表面形成的幹涉場引起全息幹板的光化學反應(曝光)，曝光後的全息幹板記錄了幹涉場的強度分布，這兩束光中一束帶有粒子場的信息(物光)，另一束不帶粒子場信息(參考光)。顯影主要是針對於滷化銀乳膠、重鉻酸鹽明膠、光致抗蝕劑這三類材料，顯影過程使未發生光化學反應的部分被清洗掉，使發生了光化學反應的部分保留下來。再現是指採用上述兩束光中的參考光以記錄時的角度照射顯影后的全息幹板，從而使物光以衍射光的形式被再現出來。利用該方法可以重現某一時刻粒子場的三維分布。如果需要記錄粒子場隨時間的演化過程就需要完成多幅全息圖的瞬態記錄。一種辦法是並列放置多張全息幹板，在每一個幹板對應的參考光與物光光路中放置超高速快門使這些全息幹板在不同時刻曝光。該方法使得每一張全息幹板具有不同的視角，因此再現出來的各個光場之間存在視場角度的偏差，不利於再現觀察。該方法中每一張全息幹板都需要一套相應的光路元件，因此當全息幹板數量上升時記錄裝置將變的十分複雜，不便於調試與維護且造價昂貴。另一種辦法是將全息幹板做成光碟形狀，使全息幹板以過光碟中心的法線為軸做高速旋轉，合理的調整旋轉速度就可以使每一次的曝光區域不同。由於目前常見的高速電機只能達幾萬轉每分鐘，因此將整張光碟記錄完所需要的時間在毫秒量級。在幹涉區面積恆定且光碟尺寸恆定的條件下該參數限制了時間解析度的進一步提高。該方法要求旋轉速度與脈衝雷射頻率之間的精確配合，這種精確配合在高速旋轉時變的困難。該方法還會由於光碟的旋轉，使記錄到的全息圖出現動態模糊。以光致聚合物材料為記錄介質的全息幹板，其記錄介質厚度可達幾百微米乃至更厚，用其記錄的全息圖被稱為體全息圖，體全息圖具有明顯的角度選擇特性。利用體全息圖的角度選擇特性，可以在記錄介質的同一體積區域記錄多幅全息圖，且每一幅全息圖可以被分別再現。以體全息圖角度選擇特性為基礎的一種多幅全息記錄技術被稱為角度復用技術，該技術在高密度數據存儲中已經被廣泛使用。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對上述現有粒子場瞬態多幅全息照相技術中光路調整困難、時間解析度低的問題，提出一種基於光致聚合物的粒子場瞬態多幅全息照相、裝置及方法。本發明通過同步控制器對粒子場出現在觀測區域時刻檢測，向相干光產生裝置及聲光偏轉器發送控制信號使得相干光產生裝置產生的兩路相干光，其中一路相干光經過物光調節裝置帶有粒子場信息並照射於全息幹板上，另一路相干光經過參考光調節裝置使得產生不同時刻角度不同的照射於全息幹板上的參考光，在全息幹板上物光與參考光形成幹涉，實現了簡單光路條件下的高時間解析度瞬態多幅全息照相，除此之外，還通過設置第二傳像裝置11用於將粒子場的圖像傳像至全息幹板12附近以提高全息幹板12的記錄效果。除此之外還通過設置第二偏振態調節裝置14用於調節經過光束分束裝置輸出的另一束相干光的偏振態，進而使經過第二偏振態調節裝置14的相干光與經過準直擴束裝置4的一束相干光具有相同的偏振態，除此之外還通過設置第一偏振態調節裝置2用於調整雷射器I產生脈衝信號的偏振態，當光束分束裝置3為格蘭稜鏡或偏振分光稜鏡時第一偏振態調節裝置2可用於調節光束分束裝置3分出的兩束光的功率比值；除此之外，還通過設置第三擴束準直裝置15用於提前放大雷射器I產生雷射光斑的光斑直徑，進而保護光束分束裝置3不會被高功率雷射脈衝損壞；此外還通過設置光學延遲裝置16用於對經過光束分·束裝置3產生的一路相干光的相位進行調節，使得經過光束分束裝置產生的兩束相干光相位一致，保證最終形成的物光與參考光能夠產生幹涉條紋。本發明採用的技術方案如下
一種粒子場瞬態多幅全息照相裝置包括相干光產生裝置、物光調節裝置、參考光調節裝置、同步控制裝置13、全息幹板12，相干光產生裝置，用於接收同步控制裝置13的觸發信號及產生雷射脈衝並將其分為兩束相干光；物光調節裝置，用於將相干光產生裝置產生的兩束相干光中的一束引入觀測區域9，使其為觀測區域9提供背光照明，該束光經過觀測區域9後成為物光；同步控制裝置13，用於分別給相干光產生裝置、參考光調節裝置提供控制信號；參考光調節裝置，用於調節相干光產生裝置產生的另一束相干光的角度和偏振態形成參考光，使得物光調節裝置調節的物光與參考光形成幹涉；全息幹板12，用於記錄物光和參考光形成的幹涉條紋。所述相干光產生裝置包括雷射器1，用於根據同步控制裝置13輸出的觸發信號產生雷射脈衝；光束分束裝置3(格蘭稜鏡或者偏振分光鏡),用於將雷射器I產生的脈衝信號分成兩束相干光分別輸入到物光調節裝置、參考光調節裝置，光束分束裝置3輸入到物光調節裝置的一路光與光束分束裝置3輸入到參考光調節裝置的另一路光功率比值為1:2 1:30。所述物光調節裝置包括第一擴束準直裝置4，用於將幹涉光產生裝置產生的一路相干光光斑直徑進行放大，其放大倍數為10 40倍；第二反射鏡8，用於將第一擴束準直裝置4的物光反射到觀測區域9，形成帶有觀測區域9中被觀測對象信息並照射於全息幹板的物光。所述物光調節裝置還包括第二傳像裝置11，所述第二傳像裝置11放置於觀測區域9與全息幹板之間，用於將經過觀測區域9形成帶有觀測區域9中被觀測對象信息的物光傳遞到全息幹板12，第二傳像裝置11包括第三透鏡、第四透鏡兩個透鏡，所述第三透鏡、第四透的焦距相等，所述第二傳像裝置11與全息幹板12的距離比所述第二傳像裝置11的後焦距長5_ 30mm或短5_ 30mm。所述參考光調節裝置包括第一反射鏡5，用於調節光束分束裝置3產生的另一路相干光的角度；聲光偏轉器6，用於根據同步控制裝置13輸出的控制信號產生控制頻率使經過聲光偏轉器6的相干光發生偏轉,聲光偏轉器6偏轉範圍為O 3. 2° ;第二擴束準直裝置7，用於將經過聲光偏轉器6發生角度偏轉的相干光光斑直徑放大，第一擴束準直裝置4和第二擴束準直裝置7擴束比值為1:2 5:1 ;第一傳像裝置10，用於將經過擴束準直裝置7放大的相干光傳至全息幹板12，第一傳像裝置10包括第一透鏡、第二透鏡兩個透鏡，所述第一透鏡、第二透的焦距相等，第一傳像裝置10距離聲光偏轉器6的距離等於傳像裝置10的前焦距，第一傳像裝置10距離全息幹板12的距離等於傳像裝置10的後焦距；其中參考光不發生偏轉時與物光的夾角為10° 30°，物光與光致聚合物全息幹板法線的夾角為 10° 30°。 所述同步控制裝置13包括光電探測裝置17，用於在粒子場進入觀測區域9之前檢測到粒子場的出現，並同時輸出探測信號給數字延時裝置19 ;數字延時裝置19，用於接收光電探測裝置的探測信號後，在設定的延時時間後給雷射器I以及給單片機18發出觸發信號；單片機18，用於在檢測到數字延時裝置19發送的觸發信號後，按照設定的時間間隔改變聲光偏轉器電源20的輸出驅動電壓頻率；聲光偏轉器電源20，用於在接收單片機18輸出的驅動電壓頻率控制信號後控制聲光偏轉器6的偏轉角度。一種粒子場瞬態多幅全息照相裝置，還包括第一偏振態調節裝置2、至少一個光學延遲裝置16、第三擴束準直裝置15，所述第一偏振態調節裝置2是半波片、補償器、偏振片或者法拉第旋光器，用於調整雷射器I產生脈衝信號的偏振態；第三擴束準直裝置15，用於將雷射器I發射的脈衝信號的光斑直徑進入放大，降低脈衝雷射由於高功率對光束分束裝置3的損傷；光學延遲裝置16，用於對經過光束分束裝置3產生的一路相干光的相位進行調節，使得經過光束分束裝置3產生的兩束相干光相位一致，所述光學延遲裝置16包括第三反射鏡21,用於對經過光束分束裝置3產生的一路相干光進行90°偏轉；直角稜鏡23,用於對經過第三反射鏡21的相干光進行180°偏轉；第四反射鏡22，用於對經過直角稜鏡23的相干光進行90°的偏轉。當光束分束裝置3是格蘭稜鏡時，所述參考光調節裝置還包括第二偏振態調節裝置14，用於調節經過光束分束裝置3產出的另一路相干光的偏振態，使得經過第二偏振態調節裝置14的一路相干光與經過準直擴束裝置4的一路相干光具有相同的偏振態，所述第二偏振態調節裝置14包括半波片、偏振片、補償器或者法拉第旋光器。一種粒子場瞬態多幅全息照相方法包括
步驟一同步控制裝置13檢測粒子場出現在觀測區域9的時刻，並觸發信號給相干光產生裝置，發送控制信號給聲光偏轉器6，；
步驟二 相干光產生裝置檢測到同步控制裝置13的觸發信號，產生兩路相干光，其中一路相干光經過物光調節裝置後形成帶有粒子場信息並照射於全息幹板上的物光，另一路相干光經過參考光調節裝置形成不同時刻不同角度偏轉的照射於全息幹板上的參考光，物光與參考光在全息幹板形成幹涉，進行記錄曝光。一種粒子場瞬態多幅全息照相方法，所述同步控制裝置13包括光電探測器17、數字延時裝置19、單片機18、聲光偏轉器電源20 ;所述相干光產生裝置包括雷射器I、光束分束裝置3 ;物光調節裝置包括第一擴束準直裝置4、第二反射鏡8 ;參考光調節裝置包括第一反射鏡5、聲光偏轉器6、第二擴束準直裝置7、第一傳像裝置10，具體包括步驟步驟一通過同步控制裝置13中光電檢測器17在粒子進入觀測區域9之前檢測到粒子場的出現，並同時給數字延時裝置發送探測信號；
步驟二 數字延時裝置19檢測到探測信號時，在設定的時間延時後發送觸發信號給雷射器I以及單片機18 ；
步驟三單片機18檢測到數字延時裝置19發送的觸發信號後，按照設定的時間間隔改變聲光偏轉器電源20的輸出驅動電壓 頻率,進而控制聲光偏轉器偏轉角度；
步驟四雷射器I檢測到數字延時裝置19的觸發信號，產生雷射脈衝；
步驟五雷射器I產生的雷射脈衝經過光束分束裝置3將其分成兩路相干光，其中一路相干光經過物光調節裝置形成物光，其中首選需要至少一個採用光學延遲裝置16進行位相的調節，再經過第二反射鏡8將其調節至觀測區域9，此時當粒子場進入觀測區域9時，經過第二反射鏡8反射的相干光正好穿過觀測區域9並攜帶了粒子場信息在全息幹板12上形成了帶有粒子場信息的物光。步驟六雷射器I產生的雷射脈衝經過光束分束裝置3將其分成兩路相干光，其中另一路相干光經過第一反射鏡5後再經過聲光偏轉器6調節，由於聲光偏轉器6在光束偏轉裝置電源20不同頻率控制下，產生不同角度偏轉的參考光，不同時刻不同角度偏轉的參考光照射於全息幹板12上，與之前形成的物光形成不同時刻不同圖樣的幹涉條紋，即形成了粒子場不同時刻的多幅全息照片。綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明的有益效果是
I)通過物光調節裝置、參考光調節裝置、同步控制裝置相干光產生裝置以及全息幹板，當同步控制裝置13在粒子進入觀測區域9之前檢測到粒子場的出現，並發送觸發信號給相干光產生裝置，發送控制信號給聲光偏轉器6 ;相干光產生裝置檢測到同步控制裝置13的觸發信號，產生兩路相干光，其中一路相干光經過物光調節裝置後形成帶有粒子場信息並照射於全息幹板上的物光，另一路相干光經過參考光調節裝置形成不同時刻不同角度偏轉的照射於全息幹板上的參考光，物光與參考光在全息幹板中形成幹涉，進行記錄曝光。實現粒子場在觀測區域9的瞬態多幅全息照相，彌補了現有技術瞬態多幅全息照相時間解析度低及光路複雜的不足。2)通過設置第二傳像裝置11用於將粒子場的圖像傳像至全息幹板12附近以提高全息幹板12的記錄效果。3)通過設置第二偏振態調節裝置14用於調節經過光束分束裝置輸出的另一束相干光的偏振態，進而使經過第二偏振態調節裝置14的相干光與經過準直擴束裝置4的一束相干光具有相同的偏振態，從而保證了物光與參考光能夠發生幹涉。4)通過設置第一偏振態調節裝置2用於調整雷射器I產生脈衝信號的偏振態，進而可與採用了格蘭稜鏡或偏振分光稜鏡的光束分束裝置3相配合，使光束分束裝置3所分得兩束光的功率比值易於調節。5)通過設置第三擴束準直裝置15用於提前放大雷射器I輸出雷射脈衝的光斑直徑，進而避免光束分束裝置3因為脈衝雷射的高功率而損傷。6)通過設置光學延遲裝置16使經過光束分束裝置3產生的一路相干光的相位調節變得簡單，保證最終形成的物光與參考光能夠產生幹涉條紋。


本發明將通過例子並參照附圖的方式說明，其中
圖I為本發明實施例一粒子場瞬態多幅全息照相裝置示意 圖2為本發明實施例二裝置示意 圖3為實施例一或實施例二同步控制裝置示意 圖4為光學延遲裝置示意圖。圖中
I-雷射器2-第一偏振態調節裝置3-光束分束裝置
4-第一擴束準直裝置5-第一反射鏡6-聲光偏轉器
7-第二擴束準直裝置8-第二反射鏡9-觀測區域
10-第一傳像裝置11-第二傳像裝置12-全息幹板
13-同步控制裝置14-第二偏振態調節裝置15-第三擴束準直裝置
16-光學延遲裝置17-光電探測裝置18-單片機
19-數字延時裝置20-聲光偏轉器電源21-第三反射鏡
22-第四反射鏡23-直角稜鏡。
具體實施例方式本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換。即，除非特別敘述，每個特徵只是一系列等效或類似特徵中的一個例子而已。一、本文相關說明
1.本設計記錄過程結束後就已經形成了全息圖，不需要在暗室進行顯影，只需在非相干白光光源(如白熾燈，太陽光等)下放置一段時間即可，「再現」過程與現有技術一致；
2.雷射器I為脈衝雷射器，產生的雷射波長為532nm，雷射脈衝的脈寬應小於10納秒，單脈衝能量最好高於20毫焦耳，光斑模式最好為單縱模，偏振態為線偏振，重複頻率應大於 IOOKHz ；
3.第一擴束準直裝置4和第二擴束準直裝置7擴束比值為1:2到5:1;其中擴束比指光斑直徑放大倍數；
4.脈衝雷射器的相干長度較短需要光學延遲裝置16使物光與參考光的光程差遠小於脈衝雷射器的相干長度，其中相干長度為雷射器的性能參數，該參數的單位為長度單位(如米、毫米等)。光程為光從A點傳播到B點所需的時間使光在真空中傳播的距離，單位同樣為長度單位。而光程差指兩束光沿不同路徑從A點到B點的光程的差值，單位依然為長度單位；
5.聲光偏轉器6與聲光偏轉器電源20的關係聲光偏轉器電源20能夠提供不同的驅動頻率，不同的驅動頻率可以引起聲光偏轉器6對通過它的光造成不同角度的偏轉，通過 改變驅動頻率就可以改變偏轉角，可引起的最大偏轉角稱為偏轉範圍。根據控制方式的不同聲光偏轉器電源可分別選取電壓控制振蕩器和數字頻率合成器兩種；
6.粒子場與觀測區域9與同步控制裝置13之間的關係粒子場往往產生於高速撞擊過程，因此粒子場也具有很高的運動速度，如此高的速度下判斷粒子場何時進入觀測區域非常重要，同步控制裝置13可以完成該判斷工作；
7.第一傳像裝置10包括第一透鏡、第二透鏡兩個透鏡，所述第一透鏡、第二透的焦距相等。第二傳像裝置11包括第三透鏡、第四透鏡，所述第三透鏡、第四透鏡焦距也相等。裝置11中兩個透鏡的焦距可以不與第一傳像裝置10中透鏡的焦距相等；
8.第一傳像裝置10，用於將經過擴束準直裝置7放大的相干光傳至全息幹板12，第一傳像裝置10距離聲光偏轉器後表面的距離等於第一傳像裝置10的前焦距，前焦距具體解釋了第一個透鏡位於第二擴束準直裝置7 —側，第二個透鏡位於全息幹板ー側，此時的前焦距指的是位於第二擴束準直裝置ー側第一透鏡的焦距；第一傳像裝置10距離全息幹板12的距離等於傳像裝置10的後焦距，後焦距具體解釋為第一個透鏡位於第二擴束準直裝置7 —側，第二個透鏡位於全息幹板ー側，此時的後焦距指的是位於全息幹板ー側第二透鏡的焦距；第二傳像裝置11用於將經過觀測區域9形成帶有觀測區域9中被觀測對象信息的物光傳遞到全息幹板12，所述第二傳像裝置11與被觀測區域中心的距離等於第二傳像裝置11的前焦距，前焦距具體解釋了第三個透鏡位於觀測區域9 ー側，第四個透鏡位於全息幹板ー側，此時的前焦距指的是位於觀測區域9 ー側第三透鏡的焦距；第二傳像裝置11與全息幹板12的距離比所述第二傳像裝置11的後焦距長5mm 30mm或短5mm 30mm,其中後焦距具體解釋是第二傳像裝置11第三個透鏡位於觀測區域9 ー側，第四個透鏡位於全息幹板ー側，其後焦距指的是位於全息幹板ー側第四透鏡的焦距；
9.全息幹板12採用光致聚合物全息幹板其記錄介質厚度為300//m。光致聚合物全息幹板具有在同一體積內記錄多幅全息圖的能力，該能力可為瞬態多幅全息照相提供一條實現途徑。其厚度是可以控制的。光致聚合物全息幹板12的詳細製作過程見專利(200410066746. 9)，所不同的是將其光敏劑調整為曙紅Y，最佳配方比例也與該專利不同，其最佳配方比例及實驗數據見文獻(雜誌名稱中國雷射；卷號36(4) :983-988。作者段曉亞，朱建華，魏濤，陳倩倩，魏乃科；名稱綠敏聚こ烯醇/丙烯醯胺體系光致聚合物的配方優化及全息存儲特性，其中第2部分給出配方比例，第3部分給出實驗數據)。為了使該光致聚合物全息幹板(12)在記錄時具有高的靈敏度可以先對全息幹板進行預曝光(非相干532nm光源下放置一段時間)，預曝光的時間根據幹板厚度及預曝光所使用光源強度會有所不同，可在實驗室條件下多次測定最佳預曝光時間；
10.單片機18，用於檢測到數字延時裝置19發送的觸發信號後，按照設定的時間間隔改變聲光偏轉器電源20的輸出驅動電壓值頻率；以數字頻率合成器為驅動電源的聲光偏轉器電源可接收外部控制信號(由USB或RS232傳輸)，進而改變驅動電源的輸出或驅動頻率，因此單片機只需在設定的時間間隔後給聲光偏轉器電源發出一條控制信號即可，由於單片機部分所要實現的功能簡單，常見的單片機(如STC單片機、PIC單片機、AVR單片機、EMC單片機及其它同類產品)都可以實現該功能。設雷射器的重複頻率為f，則時間間隔T
由(I)式給出Γ =フ(I)
11.數字延時裝置19，用於接收光電探測裝置的探測信號並在延時時間後給雷射器
(I)以及給單片機(18)發出觸發信號，數字延時裝置所需延時功能可以由DG535或其它同類產品實現；光電探測裝置的探測位置位於粒子場進入觀測區域的必經位置，粒子場的運
動速度為V，光電探測裝置的探測位置距觀測區域距離為S1,雷射從發出到進入觀測區域9
所經過的總光程(可用實際的長度來近似)為S2，雷射器從接收到觸發信號到發出雷射的響
應時間為h秒，光電探測裝置的探測信號傳到數字延時裝置19需要的時間為t2秒，觸發信
號從數字延時裝置19傳到雷射器I需要的時間為t3秒，光速為C，則延時時間τ由(2)式
,S1Sへ
給出·· T =(2)。ニ、工作原理本裝置檢測粒子場在觀測區域9出現的時刻，同時一束雷射通過觀測區域9並攜帶粒子場信息成為物光，並與經調節後的參考光在全息幹板上形成幹渉，並 且通過全息幹板12記錄參考光與攜帯粒子場信息的物光形成的幹渉條紋。實現對粒子場在觀測區域9中的瞬態多幅全息照相，彌補了現有技術瞬態多幅全息照相時間解析度低及光路複雜的不足。三、粒子場瞬態多幅全息照相裝置
實施例一，本裝置包括相干光產生裝置、物光調節裝置、參考光調節裝置、同步控制裝置13、全息幹板12。相干光產生裝置用於接收同步控制裝置13的觸發信號及產生雷射脈衝並將其分為兩束相干光；物光調節裝置用於將相干光產生裝置產生的兩束相干光中的一束引入觀測區域9，使其為觀測區域9提供背光照明，該束光經過觀測區域9後成為物光；同步控制裝置13用於分別給相干光產生裝置、參考光調節裝置提供控制信號；參考光調節裝置用於調節相干光產生裝置產生的另一束相干光的角度和偏振態形成參考光，使得物光調節裝置調節的物光與參考光能夠幹涉；全息幹板12用於記錄物光和參考光形成的幹渉條紋。實施例ニ，在實施例一基礎上，所述相干光產生裝置包括雷射器I、光束分束裝置3。雷射器1，用於根據同步控制裝置13輸出的控制信號產生雷射脈衝；光束分束裝置3，用於將雷射器I產生的脈衝信號分成兩束相干光分別輸入到物光調節裝置、參考光調節裝置，其中光束分束裝置3輸入到物光調節裝置的一路光與光束分束裝置3輸入到參考光調節裝置的另一路光功率比值為1:2 1:30。優選地，光束分束裝置3輸入到物光調節裝置的一路光與光束分束裝置3輸入到參考光調節裝置的另一路光功率比值為1:4。實施例三，在實施例一或ニ基礎上，物光調節裝置包括第一擴束準直裝置4、第二反射鏡8，其中第一擴束準直裝置4用於將幹涉光產生裝置產生的一路相干光光斑直徑進行放大；第二反射鏡8用於將第一擴束準直裝置4的物光反射到觀測區域9，形成帶有觀測區域9中被觀測對象信息並照射於全息幹板的物光。優選地，第一擴束準直裝置4放大倍數為10 40倍。實施例四，在實施例三基礎上，物光調節裝置還包括第二傳像裝置11，所述第二傳像裝置11放置於觀測區域9與全息幹板之間，用於將經過觀測區域9形成帶有觀測區域9中被觀測對象信息的物光傳遞到全息幹板12，所述第二傳像裝置11與全息幹板12的距離比所述第二傳像裝置11的後焦距長5mm 30mm或短5mm 30mm。優選地，第二傳像裝置11與全息幹板12的距離比所述第二傳像裝置11的後焦距短 5mm 30mmο
實施例五，在實施例一或四基礎上，參考光調節裝置包括第一反射鏡5、聲光偏轉器6、第二擴束準直裝置7、第一傳像裝置10，其中第一反射鏡5用於調節光束分束裝置3產生的另一路相干光的角度；聲光偏轉器6用於根據同步控制裝置13輸出的控制信號產生控制頻率使經過聲光偏轉器6的相干光發生偏轉,聲光偏轉器6偏轉範圍為O 3. 2° ;第二擴束準直裝置7用於將經過聲光偏轉器6發生角度偏轉的相干光光斑直徑放大，第一擴束準直裝置4和第二擴束準直裝置7擴束比值為1:2 5:1 ;第一傳像裝置10用於將經過擴束準直裝置7放大的相干光傳至全息幹板12，第一傳像裝置10距離全息幹板12的距離等於傳像裝置10的後焦距；其中參考光不發生偏轉時與物光的夾角為10° 30° ,物光與光致聚合物全息幹板法線的夾角為10° 30°。優選地，物光與光致聚合物全息幹板法線的夾角為20°，參考光不發生偏轉時與物光的夾角為20°，且物光與參考光在全息幹板法線的同一側。 優選地，第一擴束準直裝置4和第二擴束準直裝置7擴束比值為1:2。實施例六，在實施例一或五基礎上，同步控制裝置13包括光電探測器17，用於在粒子場進入觀測區域9之前檢測到粒子場的出現，並同時輸出探測信號給數字延時裝置
19;數字延時裝置19，用於接收光電探測裝置的探測信號並在設定的延時時間後給雷射器I以及給單片機18發出觸發信號；單片機18，用於在檢測到數字延時裝置19發送的觸發信號後，按照設定的時間間隔改變聲光偏轉器電源20的輸出驅動電壓頻率；聲光偏轉器電源20，用於在接收單片機18輸出的驅動電壓頻率控制信號後控制聲光偏轉器的偏轉角度。實施例七，如圖I所示，在實施例一或六基礎上，本裝置還包括偏振態調節裝置2，偏振態調節裝置2是半波片或者偏振片或者法拉第旋光器，用於調整雷射器I產生雷射脈衝的偏振態。實施例八，在實施例一或七基礎上，本裝置還包括第三擴束準直裝置15，用於將雷射器15發射的脈衝信號進行光斑直徑擴大，降低相干光由於高能量對光束分束裝置3的損傷；擴大範圍2 4倍。實施例九，在實施例一或八基礎上，本裝置還包括光學延遲裝置16，用於對經過光束分束裝置3產生的一路相干光的相位進行調節，使得經過光束分束裝置產生的兩束相干光相位一致，所述光學延遲裝置16包括第三反射鏡21、第四反射鏡22、直角稜鏡23，第三反射鏡21用於對經過光束分束裝置3產生的一路相干光進行90°偏轉；直角稜鏡23用於對經過第三反射鏡21的相干光進行180°的偏轉；第四反射鏡22用於對經過直角稜鏡23的相干光進行90°偏轉。實施例十在實施例一或九基礎上，當光束分束裝置3是格蘭稜鏡或偏振分光稜鏡時，所述參考光調節裝置還包括第二偏振態調節裝置14，用於調節經過光束分束裝置產出的另一路相干光的偏振態，使得經過第二偏振態調節裝置14的一路相干光與經過準直擴束裝置4的一路相干光具有相同的偏振態，所述第二偏振態調節裝置14可以為半波片、偏振片、補償器或者法拉第旋光器。優選實施例，如圖2所示，在實施例六基礎上，本裝置還包括偏振態調節裝置2、第三擴束準直裝置15、光學延遲裝置16，其中如圖4所示所述光學延遲裝置。粒子場瞬態多幅全息照相方法
四、粒子場瞬態多幅全息照相方法包括實施例一，粒子場瞬態多幅全息照相方法包括以下步驟
步驟ー同步控制裝置13檢測觀測區域9出現在觀測區域的時刻，並觸發信號給相干光產生裝置，發送控制信號給聲光偏轉器6 ；
步驟ニ 相干光產生裝置檢測到同步控制裝置13的觸發信號，產生兩路相干光，其中一路相干光經過物光調節裝置後形成帶有粒子場信息並照射於全息幹板上的物光，另一路相干光經過參考光調節裝置形成不同時刻角度連續變化的照射於全息幹板上的參考光，物光與參考光在全息幹板上形成幹渉，進行記錄曝光。實施例ニ，如圖3所示，粒子場瞬態多幅全息照相方法包括同步控制裝置13包括光電探測器17、數字延時裝置19、單片機18、聲光偏轉器電源20 ;所述相干光產生裝置包括雷射器I、光束分束裝置3 ;物光調節裝置包括第一擴束準直裝置4、第二反射鏡8 ;參考光調節裝置包括第一反射鏡5、聲光偏轉器6、第二擴束準直裝置7、第一傳像裝置10，以下步驟具體步驟為· 步驟ー通過同步控制裝置13中光電檢測器在粒子場進入觀測區域9之前檢測到粒子場的出現，並同時輸出探測信號給數字延時裝置19 ；
步驟ニ 數字延時裝置19檢測到探測信號時，在設定的時間間隔後發送觸發信號給雷射器I以及單片機18 ；
步驟三單片機18檢測到數字延時裝置19發送的觸發信號後，按照設定的時間間隔改變聲光偏轉器電源20的輸出驅動電壓頻率,進而控制聲光偏轉器偏轉角度；
步驟四雷射器I檢測到數字延時裝置19的觸發信號，產生雷射脈衝；
步驟五雷射器I產生的雷射脈衝經過光束分束裝置3將其分成兩路相干光，其中一路相干光經過物光調節裝置形成物光，其中首選需要採用光學延遲裝置16進行位相的調節，在經過第二反射鏡8將其調節至觀測區域9，此時當粒子場進入觀測區域9吋，同步控制裝置13的光電探測裝置能檢測到觀測區域9中粒子場出現的時刻，同時經過第二反射鏡8反射的相干光記錄了粒子場信息後在全息幹板12上形成了帶有粒子場信息的物光。步驟六雷射器I產生的雷射脈衝經過光束分束裝置3將其分成兩路相干光，其中另一路相干光經過第一反射鏡5後再經過聲光偏轉器6調節，由於聲光偏轉器6在光束偏轉裝置電源20不同頻率控制下，產生不同時刻不同角度偏轉的參考光，不同時刻不同角度偏轉的參考光照射於全息幹板上，與之前形成的物光形成不同時刻不同圖樣的幹渉條紋，即形成了粒子場不同時刻的多幅全息照片。實施例三，在實施例ニ基礎上，可通過第一偏振態調節裝置2對雷射器產生的雷射脈衝進行偏振態調節；
實施例四，在實施例一或三基礎上，當光束分束裝置3是格蘭稜鏡時，所述參考光調節裝置還包括第二偏振態調節裝置14，用於調節經過光束分束裝置產出的另一路相干光的偏振態，使得經過第二偏振態調節裝置14的一路相干光與經過準直擴束裝置4的一路相干光具有相同的偏振態，所述第二偏振態調節裝置14可以為半波片、偏振片、補償器或者法拉第旋光器。還可通過第二偏振態調節裝置14進行調節，第二偏振態調節裝置14用於對光束分束裝置3產生的另一路相干光偏振態進行調節；
實施例五，在實施例一或四基礎上，還可通過第二傳像裝置11進行調節，第二傳像裝置11放置於觀測區域9與全息幹板之間，用於將經過觀測區域9形成帶有觀測區域9中被觀測對象信息的物光傳遞到全息幹板12，所述第二傳像裝置11與全息幹板12的距離比所述第二傳像裝置11的後焦距長5mm 30mm或短5mm 30mm。實施例六，在實施例一或五基礎上，還可通過第一偏振態調節裝置2進行調節，第一偏振態調節裝置2是半波片、補償器、偏振片或者法拉第旋光器，用於調整雷射器I產生脈衝信號的偏振態。實施例七，在實施例一或五基礎上，還可通過第三擴束準直裝置15進行調節，第三擴束準直裝置15用於將雷射器I發射的雷射脈衝的光斑直徑進行擴大，降低相干光由於高能量對光束分束裝置3的損傷，擴大範圍2 4倍。實施例八，在實施例一或五基礎上，還可通過光學延遲裝置16進行調節，光學延遲裝置16用於對經過光束分束裝置3產生的一路相干光的相位進行調節，使得經過光束分束裝置產生的兩束相干光相位一致，如圖4所示，所述光學延遲裝置16包括第三反射鏡21，用於對經過光束分束裝置3產生的一路相干光進行90°偏轉；直角稜鏡23，用於對經過第 三反射鏡的相干光進行180°偏轉；第四反射鏡22，用於對經過直角稜鏡23的相干光進行90°的偏轉。實施例九，在實施例一或ニ基礎上，通過第一偏振態調節裝置2、第三擴束準直裝置15、光學延遲裝置16進行調節。本發明並不局限於前述的具體實施方式
。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權利要求
1.ー種粒子場瞬態多幅全息照相裝置，其特徵在於包括相干光產生裝置、物光調節裝置、參考光調節裝置、同步控制裝置、全息幹板， 相干光產生裝置，用於接收同步控制裝置的觸發信號及產生雷射脈衝並將其分為兩束相干光； 物光調節裝置，用於將相干光產生裝置產生的兩束相干光中的一束引入觀測區域，使其為觀測區域提供背光照明，該束光經過觀測區域後成為物光； 同步控制裝置，用於分別給相干光產生裝置、參考光調節裝置提供控制信號； 參考光調節裝置，用於調節相干光產生裝置產生的另一束相干光的角度和偏振態形成參考光，使得物光調節裝置調節的物光與參考光形成幹渉； 全息幹板，用於記錄物光和參考光形成的幹渉條紋。
2.根據權利要求I所述的ー種粒子場瞬態多幅全息照相裝置，其特徵在於所述相干光產生裝置包括 雷射器，用於根據同步控制裝置輸出的觸發信號產生雷射脈衝； 光束分束裝置，用於將雷射器產生的脈衝信號分成兩束相干光分別輸入到物光調節裝置、參考光調節裝置，光束分束裝置輸入到物光調節裝置的一路光與光束分束裝置輸入到參考光調節裝置的另一路光功率比值為1:2 1:30。
3.根據權利要求2所述的ー種粒子場瞬態多幅全息照相裝置，其特徵在於所述物光調節裝置包括 第一擴束準直裝置，用於將幹涉光產生裝置產生的一路相干光光斑直徑進行放大，其放大倍數為10 40倍； 第二反射鏡，用於將第一擴束準直裝置的物光反射到觀測區域9，形成帶有觀測區域中被觀測對象信息並照射於全息幹板的物光。
4.根據權利要求所述3的ー種粒子場瞬態多幅全息照相裝置，其特徵在於所述物光調節裝置還包括第二傳像裝置，所述第二傳像裝置放置於觀測區域與全息幹板之間，用於將經過觀測區域形成帶有觀測區域中被觀測對象信息的物光傳遞到全息幹板，第二傳像裝置包括第三透鏡、第四透鏡兩個透鏡，所述第三透鏡、第四透的焦距相等，所述第二傳像裝置與全息幹板的距離比所述第二傳像裝置的後焦距長5mm 30mm或短5mm 30mm。
5.根據權利要求4所述的ー種粒子場瞬態多幅全息照相裝置，其特徵在於所述參考光調節裝置包括 第一反射鏡，用於調節光束分束裝置產生的另一路相干光的角度； 聲光偏轉器，用於根據同步控制裝置輸出的控制信號產生控制頻率使經過聲光偏轉器的相干光發生偏轉，聲光偏轉器偏轉範圍為0 3. 2° ； 第二擴束準直裝置，用於將經過聲光偏轉器發生角度偏轉的相干光光斑直徑放大，第一擴束準直裝置和第二擴束準直裝置擴束比值為1:2 5:1 ; 第一傳像裝置，用於將經過擴束準直裝置放大的相干光傳至全息幹板，第一傳像裝置包括第一透鏡、第二透鏡兩個透鏡，所述第一透鏡、第二透的焦距相等，第一傳像裝置距離 聲光偏轉器的距離等於傳像裝置的前焦距，第一傳像裝置距離全息幹板的距離等於傳像裝置的後焦距；其中參考光不發生偏轉時與物光的夾角為10° 30° ,物光與全息幹板法線的夾角為10° 30°。
6.根據權利要求5所述的一種粒子場瞬態多幅全息照相裝置，其特徵在於所述同步控制裝置包括 光電探測裝置，用於在粒子場進入觀測區域之前檢測到粒子場的出現，並同時輸出探測信號給數字延時裝置； 數字延時裝置，用於接收光電探測裝置的探測信號後，在設定的延時時間後給雷射器以及給單片機發出觸發信號； 單片機，用於在檢測到數字延時裝置發送的觸發信號後，按照設定的時間間隔改變聲光偏轉器電源的輸出驅動電壓頻率； 聲光偏轉器電源，用於在接收單片機輸出的驅動電壓頻率控制信號後控制聲光偏轉器 的偏轉角度。
7.根據權利要求所述I至6之一所述的一種粒子場瞬態多幅全息照相裝置，其特徵在還包括第一偏振態調節裝置、至少一個光學延遲裝置、第三擴束準直裝置，所述第一偏振態調節裝置是半波片、補償器、偏振片或者法拉第旋光器，用於調整雷射器產生脈衝信號的偏振態；第三擴束準直裝置，用於將雷射器發射的脈衝信號的光斑直徑進入放大，降低脈衝雷射由於高功率對光束分束裝置的損傷；光學延遲裝置，用於對經過光束分束裝置產生的一路相干光的相位進行調節，使得經過光束分束裝置產生的兩束相干光相位一致，所述光學延遲裝置包括 第三反射鏡，用於對經過光束分束裝置產生的一路相干光進行90°偏轉； 直角稜鏡，用於對經過第三反射鏡的相干光進行180°偏轉； 第四反射鏡，用於對經過直角稜鏡的相干光進行90°的偏轉。
8.根據權利要求2或3之一所述的一種粒子場瞬態多幅全息照相裝置，其特徵在於當光束分束裝置是格蘭稜鏡時，所述參考光調節裝置還包括第二偏振態調節裝置，用於調節經過光束分束裝置產出的另一路相干光的偏振態，使得經過第二偏振態調節裝置的一路相干光與經過準直擴束裝置的一路相干光具有相同的偏振態，所述第二偏振態調節裝置包括半波片、偏振片、補償器或者法拉第旋光器。
9.根據權利要求所述I的一種粒子場瞬態多幅全息照相方法，其特徵在於包括 步驟一同步控制裝置檢測粒子場出現在觀測區域的時刻，並觸發信號給相干光產生裝置，發送控制信號給聲光偏轉器，； 步驟二 相干光產生裝置檢測到同步控制裝置的觸發信號，產生兩路相干光，其中一路相干光經過物光調節裝置後形成帶有粒子場信息並照射於全息幹板上的物光，另一路相干光經過參考光調節裝置形成不同時刻不同角度偏轉的照射於全息幹板上的參考光，物光與參考光在全息幹板形成幹涉，進行記錄曝光。
10.根據權利要求9所述一種粒子場瞬態多幅全息照相方法，其特徵在於所述同步控制裝置包括光電探測器、數字延時裝置、單片機、聲光偏轉器電源；所述相干光產生裝置包括雷射器、光束分束裝置；物光調節裝置包括第一擴束準直裝置、第二反射鏡；參考光調節裝置包括第一反射鏡、聲光偏轉器、第二擴束準直裝置、第一傳像裝置，具體包括步驟 步驟一通過同步控制裝置中光電檢測器在粒子進入觀測區域之前檢測到粒子場的出現，並同時給數字延時裝置發送探測信號； 步驟二 數字延時裝置檢測到探測信號時，在設定的時間延時後發送觸發信號給雷射器以及單片機； 步驟三單片機檢測到數字延時裝置發送的觸發信號後，按照設定的時間間隔改變聲 光偏轉器電源的輸出驅動電壓頻率，進而控制聲光偏轉器偏轉角度； 步驟四雷射器檢測到數字延時裝置的觸發信號，產生雷射脈衝； 步驟五雷射器產生的雷射脈衝經過光束分束裝置將其分成兩路相干光，其中一路相干光經過物光調節裝置形成物光，其中首選需要至少ー個採用光學延遲裝置進行位相的調節，再經過第二反射鏡將其調節至觀測區域，此時當粒子場進入觀測區域時，經過第二反射鏡反射的相干光正好穿過觀測區域並攜帶了粒子場信息在全息幹板上形成了帶有粒子場信息的物光； 步驟六雷射器產生的雷射脈衝經過光束分束裝置將其分成兩路相干光，其中另一路相干光經過第一反射鏡後再經過聲光偏轉器調節，由於聲光偏轉器在光束偏轉裝置電源不同頻率控制下，產生不同角度偏轉的參考光，不同時刻不同角度偏轉的參考光照射於全息幹板上，與之前形成的物光形成不同時刻不同圖樣的幹涉條紋，即形成了粒子場不同時刻的多幅全息照片。
全文摘要
本發明涉及全息照相領域，尤其涉及一種粒子場瞬態全息照相裝置及方法。本發明針對現有技術中粒子場瞬態全息照相無法進行多幅連續照相，提出一種基於光致聚合物的粒子場瞬態多幅全息照相裝置及方法。本裝置包括相干光產生裝置、物光調節裝置、參考光調節裝置、同步控制裝置、全息幹板等，本發明的方法通過同步控制裝置檢測粒子場並發送信號給相干光產生裝置和光束偏轉裝置，然後相干光產生裝置根據信號，產生兩路相干光，一路相干光經過物光調節裝置後形成帶有粒子場信息物光，另一路相干光經過參考光調節裝置形成參考光，物光與參考光在全息幹板形成幹涉條紋，由光致聚合物全息幹板進行記錄。本發明應用於全息照相領域。
文檔編號G01N21/45GK102735650SQ20121024001
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月12日 優先權日2012年7月12日
發明者劉振清, 葉雁, 朱鵬飛, 李作友, 李軍, 李澤仁, 羅振雄, 蒙建華, 趙宇, 魏明賓 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所