馮淑艷，劉成森，顧佳佳，王佳琦，王依妮，倪世超，張忻燁

（遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連116029）

1 引 言

在光學(xué)全息技術(shù)中，曝光時間內(nèi)必須保證拍攝系統(tǒng)的移動不超過干涉條紋間距的1／4，否則無法得到滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［1-3］.全息臺穩(wěn)定性研究在其生產(chǎn)過程及以后的使用中一直是人們關(guān)注的重要課題，所以對全息臺穩(wěn)定性的評價(jià)就顯得十分重要.

全息臺的穩(wěn)定性與固有頻率有關(guān)，固有頻率越低全息臺的穩(wěn)定性能越好，氣浮隔振光學(xué)平臺要比沙箱實(shí)驗(yàn)臺的防震效果更好.當(dāng)全息平臺受到外界干擾發(fā)生震動時參與干涉的2個光波面在接收平面處相對相位發(fā)生相應(yīng)變化，干涉條紋就發(fā)生了漂移，外界的震動越強(qiáng)相應(yīng)的波面發(fā)生的改變就越大，干涉條紋漂移的幅度就越大，所以通過干涉條紋漂移的幅度就可以反映全息臺的防震性能的好壞.我們通過空間光調(diào)制器連續(xù)依次移動π／2，π，3π／2的相位，將每個相位所對應(yīng)的干涉條紋的圖像用CCD連續(xù)采集，得到大量干涉條紋的圖像.將這些圖像用計(jì)算機(jī)程序畫出其相位隨時間分布的直方圖，然后利用計(jì)算機(jī)程序?qū)ζ溥M(jìn)行二次擬合以確定半高全寬，半高全寬越小的全息臺的穩(wěn)定性就越好.這種方法與其他實(shí)驗(yàn)中只是通過肉眼來觀察干涉條紋的漂移相比更加準(zhǔn)確和客觀.

2 實(shí)驗(yàn)原理

用計(jì)算機(jī)將光柵圖形輸入到空間光調(diào)制器上，當(dāng)光柵沿橫向依次移動1／4個周期、1／2個周期、3／2個周期時，其衍射光波頻譜的相位等于π／2，π和3π／2［4］.空間光調(diào)制器 LCD的分辨率是1 024×768，刷新頻率是60Hz，利用計(jì)算機(jī)將光柵圖形輸入到光調(diào)制器LCD上，由于空間光調(diào)制器的分辨率較高和移相準(zhǔn)確，可以通過電腦實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的移相.光路采用Mach-Zehnder干涉的方法，用計(jì)算機(jī)分別輸入2個相差一定相位的光柵圖形，用CCD采集相應(yīng)的干涉條紋圖像.圖1是光調(diào)制器上不同相位光柵所對應(yīng)的干涉條紋圖像，從中可以看出，圖1（b）的干涉條紋比圖1（a）的干涉條紋前移了1／4個周期，圖1（d）的干涉條紋比圖1（c）的干涉條紋前移了1／2個周期，剛好參考光的相位也分別改變了π／2和π，也就說明了我們所采用的光路移相較為準(zhǔn)確.

圖1 相移改變前后對應(yīng)得到的干涉條紋圖像

3 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 Mach-Zender干涉光路圖

圖2給出了空間光調(diào)制器作為移相器的實(shí)驗(yàn)光路圖，該光路用的是Mach-Zehnder干涉的方法［5］，激光器經(jīng)過擴(kuò)束和準(zhǔn)直發(fā)出的光是均勻的平面波，再經(jīng)過分束鏡BS1分為2束，即參考光和物光.參考光經(jīng)過空間光調(diào)制器SLM，在其上已經(jīng)用電腦輸入了光柵圖形，經(jīng)光柵衍射后在經(jīng)過傅里葉變換透鏡L1后在其后焦面上會看到0，±1級衍射譜［5］.只讓＋1級的衍射光通過縫PH，再經(jīng)過傅里葉透鏡L2，將L2的前焦面與L1的后焦面重合，重新得到均勻的平面光波，再經(jīng)平面鏡M2反射到分束鏡BS2上的反射部分的光與前面的物光經(jīng)M1反射到分束BS2上的透射的光疊加形成干涉條紋，用CCD接收.

用計(jì)算機(jī)編程模擬出相差一定相位的2個光柵圖形，如相位差為π／2，π，3π／2等.通過計(jì)算機(jī)連續(xù)交替地輸入到空間光調(diào)制器上，CCD接收到的干涉條紋也隨之發(fā)生移動，將CCD與電腦相連并利用編好的程序控制CCD的采集窗口來自動保存干涉條紋的圖像，根據(jù)空間光調(diào)制器的刷新頻率，將電腦交替反復(fù)輸入2個光柵的速度及對CCD窗口控制的自動采集速度相匹配，把干涉條紋的圖像自動的保存到指定的文件夾.以60幀／s的速度連續(xù)采集大量的干涉條紋圖像，將在相同相位的參考光得到的圖像放到一起，利用計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行處理畫出光波相位隨時間變化的直方圖并進(jìn)行二次擬合.圖3是沙箱實(shí)驗(yàn)臺得到的光波相位隨時間變化分布的直方圖和擬合圖像，同理圖4是氣浮隔振光學(xué)平臺得到的相應(yīng)的圖像，圖3和圖4每幅圖中的2組圖它們的參考光的相位依次相差π／2，π，3π／2.

圖3 沙箱實(shí)驗(yàn)臺上相位分布直方圖及擬合曲線

圖4 氣浮隔振光學(xué)平臺上相位分布直方圖及擬合曲線

由于在利用已經(jīng)編好的程序畫圖時橫縱坐標(biāo)都是采用自動設(shè)置，這樣不會丟失數(shù)據(jù)，但是比較起來會麻煩.利用編程得到擬合好的圖像后，分別算出擬合好的圖像最大縱坐標(biāo)值一半所對應(yīng)的2個橫坐標(biāo)值，將得的2個橫坐標(biāo)值做差，差值即為半高全寬，然后用同樣的方法算出每個擬合好的圖像的半高全寬.如表1所示.

表1 移相不同時不同的半高全寬

在實(shí)驗(yàn)中，對相同相位的參考光得到的干涉條紋采集了大量的圖像，盡管是在晚上較安靜時進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集速度也很快（所有的圖像在1～2min采集完成），但在采集的過程中外界震動引起的沖擊（如車輛的行駛、外界機(jī)械馬達(dá)的震動）將會使干涉條紋發(fā)生漂移，漂移幅度的大小也就反映了全息臺穩(wěn)定性能的好壞.

4 結(jié) 論

采用移相干涉技術(shù)并應(yīng)用了計(jì)算機(jī)編程對所得干涉條紋的圖像進(jìn)行處理，通過算出相差不同相位的2個實(shí)驗(yàn)臺的半高全寬可知2個實(shí)驗(yàn)臺的穩(wěn)定性，半高全寬越小全息的穩(wěn)定能就越好.氣浮隔振光學(xué)平臺比沙箱實(shí)驗(yàn)臺的半高全寬小得多，而且氣浮隔振光學(xué)平臺的半高全寬大多在0.3～0.4的附近變化，沙箱全息實(shí)驗(yàn)臺半高全寬大多在0.3～0.8附近變化，從而可知?dú)飧「粽窆鈱W(xué)平臺的穩(wěn)定性要比沙箱全息實(shí)驗(yàn)臺穩(wěn)定性好得多.從2個全息臺的相關(guān)參量可知全息臺的穩(wěn)定性與固有頻率有關(guān)，固有頻率越低全息臺的穩(wěn)定性能越好.通過此種方法不但可以檢驗(yàn)2個光學(xué)全息臺的穩(wěn)定性，還可以檢驗(yàn)同一個全息臺在全息技術(shù)中改進(jìn)方法前后［1］干涉條紋穩(wěn)定性是否有所改善.

［1］王朋朋，李小娟，葉伏秋.全息照相技術(shù)試驗(yàn)方法的改進(jìn)［J］.吉首大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30（1）：77.

［2］李愛云，朱筱瑋，周雪峰.全息平臺穩(wěn)定性的檢測［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，25（6）：572.

［3］佘劍敏，吳水生，殷海兵，等.測量不同的震動對全息照相實(shí)驗(yàn)的影響［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010，23（2）：23.

［4］劉青，蔡履中，王玉榮，等.利用空間光調(diào)制器作相移器的相移干涉術(shù)［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，40（4）：4.

［5］姜興興，孫欣，梁健，等.全息柱面光柵的設(shè)計(jì)及其在立體顯示技術(shù)的應(yīng)用［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（2）：38.

［6］呂乃光.傅里葉光學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：107-109.