激光全息照相(大物实验总结)讲解

第一篇：激光全息照相(大物实验总结)讲解

激光全息照相

摘要:全息的意义在于记录光波的全部信息。自从20世纪60年代激光出现以来,全息照相得到了全面的发展和广泛的应用。本文简述了全息照相的实验原理及实验技巧,并给出了其应用前景。

关键词:激光全息照相,原理,技巧,应用 引言

光是一种电磁波,它的全部信息包含:振幅(反映物体上各点发出的光的强弱,决定像的强度,位相(反映物体上各点在空间的相对位置,决定像的形状和频率(反映光的颜色。普通照相只记录了振幅,得到的是二维平面像,而全息照相在记录振幅信息的同时还记录了位相信息,即记录了光波的全部信息。因而这种照相称为全息照相。全息照相得到的是三维空间的立体像,它所依据的基本原理通常概括为“干涉记录,衍射再现”。全息摄影技术的应用十分广泛,目前,已应用于精密测量、无损探伤、指纹识别、高速摄影、全息显微术、信息处理和信息储存等许多领域。

1.全息照相术的起源

早在1948年.全息照相的奥秘由Denis Gabor所发现.它通过光的衍射使图象由平面变为立体.因而获得诺贝尔物理奖.1982年.美国加里福尼亚物理学家Steve Mc Grew 开发了从玻璃版转移到镍薄片上的操作方法。使得全息图能够以高速而低成本地压印在塑料薄膜上成为可能.八十年代中,Steve Mc Grew遇到了英国John Brown.他们合伙在英国建立了欧洲光压印公司(Light Impressions Europe。该公司在发展浮雕式全息照相工业起到了先锋作用.例如礼品业、时装业都采用了该公司的全息图标贴,作为市场促销的工具.1987年.该公司的乙烯基压敏胶全息图获得了促进应用全息图的Fasson奖.2.实验原理及技巧

物体上各点发出的光(或反射的光是电磁波,借助于它的频率、振幅和相位的不同,人们可以区分物体的颜色、明暗、形状和远近等。普通照相是通过透镜把物体成像在感光底片上,记录了物体的表面光强(光振动振幅的平方的分布,所以记录的只是光信号的强度,得到的只是物体的一个平面相。所谓“全息照相”就是把物体上发出的光信号的全部信息—-振幅和相位记录下来,并能完全再现被摄物光波的全部信息,从而再现物体的立体图像。全息照相分为两个部分:用干涉法记录光波全息图,称波前纪录;用全息图把原光波波前再现,称波前再现。

为拍出一张满意的全息照片拍摄系统必须具备以下要求:(1光源必须是相干光源。全息照相是根据光的干涉原理,因此要求光源必须具有很好的相干性。激光的出现,为全息照相提供了一个理想的光源。这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性。参考光和物光的光程差的影响。参考光和物光的光程差不能太大,不能大于所用激光的相干长度,否则两者不能相干,无法在全息干板上获得干涉条纹。(2全息照相系统要有稳定性,由于全息底片上记录的是干涉条纹,而且是又细又密的干涉条纹,所以在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊,甚至使干涉条纹无法记录。比如,拍摄过程中若底片位移一个微米,则条纹就分辨不清,为此,要求全息实验台是防震的。全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地固定在工作台面钢板上。另外,气流通过光路,声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化。因此,在曝光时应该禁止大声喧哗,不能随意走动,保证整个实验室绝对安静。

(3要有高分辨的记录介质,随夹角θ的增大,干涉条纹间距d将进一步减小,而普通照相感光底片的分辨率仅为每毫米100条,因此全息照相需要采用高分辨率的记录介质-全息感光片。这种感光片的分辨率可大于每毫米1000条,但感光敏感度不高,所需曝光时间比普通照相感光底片要长,而且它只对红光敏感,因此全息照相的全部操作过程都可在暗绿色灯光下进行。(4曝光时间的影响。如果曝光时间太短,底

板上条纹太浅甚至没有,复杂的衍射光栅无法形成,当然也就无法再现像。若曝光时间太长,底板可能太黑,光线的透过率降低。另外,曝光时间越长,保持系统稳定性越难,曝光时间内突然的躁声和振动会使拍摄失败。(5显影时间的影响。显影的程度是否适当对全息图质量影响很大。若显影时间太长,全息干板发黑,光线的透射率

降低,无法再现像;而显影时间太短,干板上条纹不能出现,无法形成复杂的衍射光栅,甚至是一块透明玻璃片,也无法再现像。

3全息照相术的应用

激光全息术在防伪方向的应用.全息图的色彩是通过光衍射而获得而不是依靠油墨.所以它不可能用一般的摄影术来复制,因而要仿冒全息图标贴是极端困难的.利用全息图防止仿冒的应用.最早用于高级的防仿冒市场.例如银行的信用卡,以后逐渐延伸到电脑软件、药品、化妆晶、食品、饮料、时装、礼品等都利用全息图标贴作为防仿冒的有力武器,对产品的真伪起到鉴别的作用。

压力容器进行无损探伤一直是国内外石油、化工等行业研究的重要内容.将激光全息照相技术用于压力容器无损探伤,是一个很有应用价值的尝试.尽管压力容器试验规范上还没有要求采用这种技术.但随着激光全息照相技术在各个工业领域的广泛应用.采用先进的激光全息干涉技术对压力容器进行无损探伤,具有越来越重要的应用价值。

指纹识别。全息照相是快速、准确识别指纹特征的最有效的方法。它利用相关匹配滤波片把指纹信息转换成光强变化。被检指纹若与指纹库中某一指纹完全一致,则产生最大光强;若不一致,则挡去一部分光而减弱光强。全息照相系统与电子计算机处理系统相比,有以下优点:a无需事先画出指纹的视频波;b允许多个库存指纹和潜指纹同时进行比较;c以较简单的光学装置代替复杂的数学运算过程。

常规照相对物证的保密性较差,拍出的底片在可见光下是可以判读的;而全息底片必须通过相干光源,在特殊的光路下才能观察到底片的内容。因此,全息底片具有良好的保密性能。常规照相底片如果破损(如撕破、断开,就无法进行补救,而全息底板即使破损,分开的底板仍包含全部信息。发布通辑令,就可以将已照好的全息底板分成多块,在各地同时发出,缩短寄送时间,加快通辑令的迅速传播。

常规显微照相为了提高显微镜的分辨本领,镜头的数值孔径尽量大一些,结果高分辨显微镜的景深必然很小,所以只能看到几乎是一个平面上的物,想看一个三维物

体就要多次调焦;而全息显微镜对立体物做出全息图,然后通过全息图显现物的三维像,解决了一般显微镜中分辨本领与景深的矛盾。根据全息照相的原理,在记录物体和显示物体影像时,可以不采用透镜,避免了像差影响而达到很小的衍射极限。全息照相的视野只与记录材料的分辨本领和尺寸有关,因而可以获得更大的视野。如果在拍摄和显示时,采用不同波长的激光器,可以实现图像放大。由于波长的不同,衍射角不同,这等于将全息图作了相应调整。

信息贮存。一般全息图的记录介质是感光乳剂,它通过受光乳剂的黑度来记录振幅分布;同样也可以用铌酸锂单晶来记录。在lcm3大小的这种单晶内,可以贮存1000幅全息图。这是因为在光的照射下,铌酸锂折射率的改变量正比于入射光强,而表现出的纯位相分布的多层性可以记录多层全息图的缘故,其记录的分辨本领可超过1600线/mm。可以证明,以全息图或傅立叶频谱的方式来贮存信息和恢复信息比用实像好。这种信息贮存方式也许就是人脑中贮存信息的方式,至少为研究这类问题提供了一个可能的模型。

结束语

激光全息照相实验的成功率问题一直困扰着我们,本文就提出了一些改进的技巧。虽然说全息照相还有种种的缺点,比如防伪方向正经受着其他技术的很大冲击,因此我们要不断的改进技术,挖掘其潜能。全息照相的应用潜力是还是十分巨大的,在未来,这一新技术将会在工业、医学、国防、公共安全等各个领域全面展开,产生显著的社会效益和经济效益。

参考文献

1.杨帆,杨宁.激光全息照相技术及其应用前景[J].中山大学学报,2008,25(2.2.代伟.全息照相实验技巧探讨[J].实验技术与管理.2007,24(8.3.大学物理实验教程(2-2.石油大学出版社.2008

第二篇：激光全息照相(大物实验总结)

激光全息照相

摘要：全息的意义在于记录光波的全部信息。自从20世纪60年代激光出现以来，全息照相得到了全面的发展和广泛的应用。本文简述了全息照相的实验原理及实验技巧，并给出了其应用前景。

关键词：激光全息照相，原理，技巧，应用 引言

光是一种电磁波，它的全部信息包含：振幅(反映物体上各点发出的光的强弱，决定像的强度)，位相(反映物体上各点在空间的相对位置，决定像的形状)和频率(反映光的颜色)。普通照相只记录了振幅，得到的是二维平面像，而全息照相在记录振幅信息的同时还记录了位相信息，即记录了光波的全部信息。因而这种照相称为全息照相。全息照相得到的是三维空间的立体像，它所依据的基本原理通常概括为“干涉记录，衍射再现”。全息摄影技术的应用十分广泛，目前，已应用于精密测量、无损探伤、指纹识别、高速摄影、全息显微术、信息处理和信息储存等许多领域。1.全息照相术的起源

早在1948年．全息照相的奥秘由Denis Gabor所发现．它通过光的衍射使图象由平面变为立体．因而获得诺贝尔物理奖．1982年．美国加里福尼亚物理学家Steve Mc Grew开发了从玻璃版转移到镍薄片上的操作方法。使得全息图能够以高速而低成本地压印在塑料薄膜上成为可能．八十年代中，Steve Mc Grew遇到了英国John Brown．他们合伙在英国建立了欧洲光压印公司(Light Impressions Europe)。该公司在发展浮雕式全息照相工业起到了先锋作用．例如礼品业、时装业都采用了该公司的全息图标贴，作为市场促销的工具．1987年．该公司的乙烯基压敏胶全息图获得了促进应用全息图的Fasson奖． 2.实验原理及技巧

物体上各点发出的光（或反射的光）是电磁波，借助于它的频率、振幅和相位的不同，人们可以区分物体的颜色、明暗、形状和远近等。普通照相是通过透镜把物体成像在感光底片上，记录了物体的表面光强（光振动振幅的平方）的分布，所以记录的只是光信号的强度，得到的只是物体的一个平面相。所谓“全息照相”就是把物体上发出的光信号的全部信息—-振幅和相位记录下来，并能完全再现被摄物光波的全部信息，从而再现物体的立体图像。全息照相分为两个部分：用干涉法记录光波全息图，称波前纪录；用全息图把原光波波前再现，称波前再现。

为拍出一张满意的全息照片拍摄系统必须具备以下要求：（1）光源必须是相干光源。全息照相是根据光的干涉原理，因此要求光源必须具有很好的相干性。激光的出现，为全息照相提供了一个理想的光源。这是因为激光具有很好的空间相干性和时间相干性。参考光和物光的光程差的影响。参考光和物光的光程差不能太大，不能大于所用激光的相干长度，否则两者不能相干，无法在全息干板上获得干涉条纹。（2）全息照相系统要有稳定性，由于全息底片上记录的是干涉条纹，而且是又细又密的干涉条纹，所以在照相过程中极小的干扰都会引起干涉条纹的模糊，甚至使干涉条纹无法记录。比如，拍摄过程中若底片位移一个微米，则条纹就分辨不清，为此，要求全息实验台是防震的。全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地固定在工作台面钢板上。另外，气流通过光路，声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化。因此，在曝光时应该禁止大声喧哗，不能随意走动，保证整个实验室绝对安静。

（3）要有高分辨的记录介质，随夹角θ的增大，干涉条纹间距d将进一步减小，而普通照相感光底片的分辨率仅为每毫米100条，因此全息照相需要采用高分辨率的记录介质-全息感光片。这种感光片的分辨率可大于每毫米1000条，但感光敏感度不高，所需曝光时间比普通照相感光底片要长，而且它只对红光敏感，因此全息照相的全部操作过程都可在暗绿色灯光下进行。（4）曝光时间的影响。如果曝光时间太短，底 板上条纹太浅甚至没有，复杂的衍射光栅无法形成，当然也就无法再现像。若曝光时间太长，底板可能太黑，光线的透过率降低。另外，曝光时间越长，保持系统稳定性越难，曝光时间内突然的躁声和振动会使拍摄失败。（5)显影时间的影响。显影的程度是否适当对全息图质量影响很大。若显影时间太长，全息干板发黑，光线的透射率降低，无法再现像；而显影时间太短，干板上条纹不能出现，无法形成复杂的衍射光栅，甚至是一块透明玻璃片，也无法再现像。

3全息照相术的应用

激光全息术在防伪方向的应用．全息图的色彩是通过光衍射而获得而不是依靠油墨．所以它不可能用一般的摄影术来复制，因而要仿冒全息图标贴是极端困难的．利用全息图防止仿冒的应用．最早用于高级的防仿冒市场．例如银行的信用卡，以后逐渐延伸到电脑软件、药品、化妆晶、食品、饮料、时装、礼品等都利用全息图标贴作为防仿冒的有力武器，对产品的真伪起到鉴别的作用。

压力容器进行无损探伤一直是国内外石油、化工等行业研究的重要内容 ．将激光全息照相技术用于压力容器无损探伤，是一个很有应用价值的尝试．尽管压力容器试验规范上还没有要求采用这种技术．但随着激光全息照相技术在各个工业领域的广泛应用．采用先进的激光全息干涉技术对压力容器进行无损探伤，具有越来越重要的应用价值。

指纹识别。全息照相是快速、准确识别指纹特征的最有效的方法。它利用相关匹配滤波片把指纹信息转换成光强变化。被检指纹若与指纹库中某一指纹完全一致，则产生最大光强；若不一致，则挡去一部分光而减弱光强。全息照相系统与电子计算机处理系统相比，有以下优点：a无需事先画出指纹的视频波；b允许多个库存指纹和潜指纹同时进行比较；c以较简单的光学装置代替复杂的数学运算过程。

常规照相对物证的保密性较差，拍出的底片在可见光下是可以判读的；而全息底片必须通过相干光源，在特殊的光路下才能观察到底片的内容。因此，全息底片具有良好的保密性能。常规照相底片如果破损(如撕破、断开)，就无法进行补救，而全息底板即使破损，分开的底板仍包含全部信息。发布通辑令，就可以将已照好的全息底板分成多块，在各地同时发出，缩短寄送时间，加快通辑令的迅速传播。

常规显微照相为了提高显微镜的分辨本领，镜头的数值孔径尽量大一些，结果高分辨显微镜的景深必然很小，所以只能看到几乎是一个平面上的物，想看一个三维物体就要多次调焦；而全息显微镜对立体物做出全息图，然后通过全息图显现物的三维像，解决了一般显微镜中分辨本领与景深的矛盾。根据全息照相的原理，在记录物体和显示物体影像时，可以不采用透镜，避免了像差影响而达到很小的衍射极限。全息照相的视野只与记录材料的分辨本领和尺寸有关，因而可以获得更大的视野。如果在拍摄和显示时，采用不同波长的激光器，可以实现图像放大。由于波长的不同，衍射角不同，这等于将全息图作了相应调整。

信息贮存。一般全息图的记录介质是感光乳剂，它通过受光乳剂的黑度来记录振

3幅分布；同样也可以用铌酸锂单晶来记录。在lcm大小的这种单晶内，可以贮存1000幅全息图。这是因为在光的照射下，铌酸锂折射率的改变量正比于入射光强，而表现出的纯位相分布的多层性可以记录多层全息图的缘故，其记录的分辨本领可超过1600线／mm。可以证明，以全息图或傅立叶频谱的方式来贮存信息和恢复信息比用实像好。这种信息贮存方式也许就是人脑中贮存信息的方式，至少为研究这类问题提供了一个可能的模型。结束语

激光全息照相实验的成功率问题一直困扰着我们，本文就提出了一些改进的技巧。虽然说全息照相还有种种的缺点，比如防伪方向正经受着其他技术的很大冲击，因此我们要不断的改进技术，挖掘其潜能。全息照相的应用潜力是还是十分巨大的，在未来，这一新技术将会在工业、医学、国防、公共安全等各个领域全面展开，产生显著的社会效益和经济效益。参考文献

1.杨帆,杨宁.激光全息照相技术及其应用前景[J].中山大学学报,2008,25(2).2.代伟.全息照相实验技巧探讨[J].实验技术与管理.2007,24(8).3.大学物理实验教程(2-2).石油大学出版社.2008

第三篇：全息照相大学物理实验总结

大学物理实验总结 ——全息照相个人心得

通过大学物理实验的课程学习，将物理理论与实践结合在一起，在这过程中能够发现很多的乐趣。实际的实验操作，使我对一些物理知识、现象有了更深入的认识，也激发起我对物理实验的兴趣和对物理现象探索的渴望。给我印象深刻的实验有很多，如迈克耳孙干涉仪测波长实验、衍射光栅实验、霍尔效应实验等。而全息照相立体效果十分有趣，是物理学中一道别样的风景。

全息照相的原理其实很简单，利用干涉方法记录了物体抵达摄影底片时光波的振幅与相位的全部信息。它记录的不是物体的几何信息，而是物光与另一束与之相干的参考光抵达照相底片的干涉条纹。所以，全息照片上一般看不到原物体的像，必须用原来的参考光照明，才能看到原物体的立体像，这被称为全息底片的再现。

从全息照相和普通照相对比中，我们可以很容易发现全息照相的特别之处。普通照相通常是通过照相机物镜成像，在感光底片平面上将物体发出的或它散射的光波（通常称为物光）的强度分布（即振幅分布）记录下来，由于底片上的感光物质只对光的强度有响应，对相位分布不起作用，所以在照相过程中把光波的相位分布这个重要的信息丢失了。因而，在所得到的照片中，物体的三维特征消失了。全息技术则完全不同，由全息术所产生的像是完全逼真的立体像（因为同时记录下了物光的强度分布和相位分布，即全部信息），当以不同的角度观察时，就象观察一个真实的物体一样，能够看到像的不同侧面，也能在不同的距离聚焦。

实验过程中使用到的仪器主要有：激光全息实验台，He-Ne激光器,光开关及曝光定时器;其它需要的是：分束镜一个，扩束镜两个，全反射镜两个，被摄物体及放置物体的底座，全息干版及底架以及暗室效果。

拍好全息照相除了掌握它的原理步骤外，还有很多的关键点值得我们注意：(1)具有一定功率的相干光源；具有稳定的操作平台；要有合适的光路；

（2）搭光路时要注意光斑是否均匀；物光和参考光在屏上要重叠，放置干版时要与该位置一致；

(3)搭好光路后要检查光程差是否接近零、物光和参考光的夹角是否适当（30°至50°）、以及物屏距离是否合适（10至15cm)、各元件间的距离尽可能拉大些；

(4)装底片时，药膜面不能装反；曝光时，不得走动，不能用手触摸光学元件的光学面,不要随意搬动和取下被摄物；激光器开启后，不要中途关闭、直到实验完毕。

（5）要获得最终的全息图，充分了解和学习感光底片的显影、定影、冲洗等有关摄影的暗室技术知识也是不可缺少的；显影时间2分钟左右，定影时间20分钟左右。定影后的底片应放在清水中冲洗2分钟。将全息照片放回原处，遮住物光，用参考光束照亮全息片，可观察到物体的像。

全息照片有很多奇妙的特点：片上的花纹与被摄物体无任何相似之处，在相干光束的照射下，物体图像却能如实重现。此外立体感很明显（三维再现性），如某些隐藏在物体背后的东西，只要把头偏移一下，也可以看到。视差效应很明显。全息图打碎后，只要任取一小片，照样可以用来重现物光波。甚至是，在同一张照片上，可以重叠数个不同的全息图。在记录时或改变物光与参考光之间的夹角，或改变物体的位置，或改变被摄的物体等等，一一曝光之后再进行显影与定影，再现时能一一重现各个不同的图像。

全息照相是六十年代发展起来的一种立体摄影和波阵面再现的新技术。由于全息照相能够把物体表面发出的全部信息记录下来，并能完全再现被摄物体光波的全部信息，因此，全息技术在生产实践和科学研究领域中有着广泛的应用。

除光学全息外，还发展了红外、微波和超声全息技术，这些全息技术在军事侦察和监视上有重要意义。

除用光波产生全息图外，已发展到可用计算机产生全息图。全息图用途很广，可作成各种薄膜型光学元件，如各种透镜、光栅、滤波器等，可在空间重叠，十分紧凑、轻巧，适合于宇宙飞行使用。使用全息图贮存资料，具有容量大、易提取、抗污损等优点。

全息照相的方法从光学领域推广到其他领域。如微波全息、声全息等得到很大发展，成功地应用在工业医疗等方面。地震波、电子波、X射线等方面的全息也正在深入研究中。全息图有极其广泛的应用。如用于研究火箭飞行的冲击波、飞机机翼蜂窝结构的无损检验等。现在不仅有激光全息，而且研究成功白光全息、彩虹全息，以及全景彩虹全息，使人们能看到景物的各个侧面。全息三维立体显示正在向全息彩色立体电视和电影的方向发展，甚至进入我们的日常生活，如产品商标，书籍装帧以及小工艺品等。

中学的物理学习一直在理论上，缺乏直观的认识和感受，而实验让我对理论认识更清晰、直观，也更加深刻。3D电影更是向大众展现了全息技术的特点和趣味。我相信随着不断地研究发现及创新，全息技术的道路会越来越宽广。2010年12月15日

第四篇：全息照相实验心得体会

全息照相实验心得体会

全息照相术是利用干涉和衍射的原理将物体发射的光波以干涉条纹的形式记录下来，再在一定的条件下再现，形成与原物体完全相似的空间像。由于它记录的是物体原来光波的全部信息（振幅和位相），像十分逼真并具有立体效果，所以叫全息照相。

根据记录和再现方式的不同，全息术可分为多种类型，如菲涅耳全息、像全息、彩虹全息、合成全息等等。我们所做的全息照相实验的原理是菲涅耳全息照相。菲涅耳全息的特点是记录平面位于物体衍射光场的菲涅耳衍射区，物光由物体直接照到底片上，而无需变换透镜或成像透镜。

实验原理见大学物理实验第三册实验3.5.1全息术。

如图（1）所示布置光路。分束板采用反射率为5%的平晶，扩束镜用40Χ显微镜。选择漫反射性比较好的物体作为拍摄三维全息照相的物体。调好光路，使参考光与物光束的光强比为2:1~10:1，放上全息干板曝光，曝光后经适当冲洗，就完成了。再现的方法是将干板放在原光路中，把分束镜换成全反射镜，拿走物体，向着干板后原物体所在的方向看去就可以看到与原物体相似的明亮的像。

n 实验体会 在做实验时要注意，布置光路时要调节光学元件的高低和位置使激光束的高低与台面平行，并使参、物光的光程基本相等,二者的光程差控制在3cm之内.还有为了保证记录是线性的，应使参考光光强大于物光光强，照射到全息干版上的参考光和物光光强之比以2∶1至5∶1为好,否则拍出来后再现时会很模糊。还要注意投射到干板上的物光与参考光之间的夹角要略小于45度,以便观察时避开直射强光,夹角可以在25~45度之间选择.再有就是要调节物体使其反射的最亮的部分落在干板上，否则也很难成功,我拍摄时就是由于没有注意到这一点所以第一次没有拍出来。拍摄时还要注意每一光学元件都不能有任何微小移动或振动,轻微的振动或气流扰动只要使光程差发生波长数量级的变化,条纹都会模糊不清,因此拍摄时不能乱动.曝光时间和冲洗时间也要把握好,曝光的时间在10秒左右,显影时间也不要过长,只要底片变灰了就行,千万不能变黑了,定影3分钟,所有的时间要严格掌握才能保证成功.还有冲洗时可以用紫光或绿光灯,但千万不要被红光照到,否则就前功尽弃了.n 实验扩展 l 物光扩展拍摄大体积物体三维的全息图----激光全息照相景深扩展方法之一

物体三维的全息照相是以干涉条纹的形式记录下物光波的信息，只有和参考光波干涉的物信息才能记录下来，没有和参考光干涉的物信息将损失掉。当被拍摄物体的尺寸大于激光器的相干长度是，从物体上各点漫射出的物光的光程和参考光的光程差就不会都小于激光器的相干长度，即并非物体上各个物点漫射出的物光波都能与参考光波相干叠加，而只有局部物点漫射的物光波才与参考光波相干涉形成全息图。全息图上只记录了这一部分物信息，再现时，就只能重现这一部分物光波，使再现像局部模糊甚至出现暗区。为了尽量减少丢失物体的信息，采用物光扩展的方法把物光分成两束或更多束，从不同方向分段照明物体。例如图（2）的双光束照明，有反射镜M5反射的光波充分照明被拍摄物体的左半部分，这一部分的各个物点漫反射的物光波的光程与参考光的光程差都小于激光器的相干长度，被拍摄物体的左半部分的全部信息都以干涉的形式记录下来了。同理由M3反射的光波充分照明被拍摄物的右半部分，右半部分的全部信息也都以干涉的形式记录下来。整个被拍摄物的全部信息完整地被记录而没有损失掉。再现时就不会出现局部模糊和暗区，得到清晰完整的再现像。

l 参考光扩展拍大景深物体组三维的全息图——激光全息照相景深扩展方法之二

在激光器的相干长度较短的情况下，具有较大景深的物体，其各个物点漫射的物光波与选定的参考光波的光程差常常不能都同时落在相干长度之内，对于那些不能满足相干条件的物点，需要选择另一束参考光，即对原来的参考光进行光程补偿，使补偿后的光程差重新落在相干长度之内。例如图（3），由BS2和M2、M3组成的三角形光路，使其中一部分参考光增大了光程。这一部分增大了光程的参考光R’’可与光程最长的那部分物光（O3上漫射来的光）相干涉，而不通过三角形光路的参考光与光程较短的那一部分物光（从O1、O2上漫射来的光）相干涉（O1、O2间距离小于激光器的相干长度）。这样，整个物体组的全部信息被记录下来了。

第五篇：激光测距论文讲解

激光测距及在军事上的应用 摘 要

激光技术这一高新技术，经过半个世纪的发展，从机理原理，实验手段到制造工艺都已逐步成熟，且先进的激光器不断研制成功，并凭借其高亮度、方向性强、单色性好、相干性好的显著特点，在工业、农业、医疗、军事等领域的应用已经是大显神威。而激光武器经过不断地开发和研究，目前已有了重大的进展：低功率激光武器已开始装备部队，高功率激光武器则在技术上已基本成熟，将在未来现代化战争或局部战争中发挥举足轻重的作用。

本文简要介绍了脉冲激光测距原理及常见的激光测距仪，并对它们在军事上的应用作了相应的介绍。

关键词：激光测距；激光测距仪； 军事应用

一、引言

激光测距是激光在军事上应用最早和最成熟的技术。自1960 年第一台激光器--红宝石激光器发明以来，便有人开始进行激光测距的研究。和微波测距等其它方法相比,激光测距具有更好的方向性和更高的测距精度,测程远,抗干扰能力强,隐蔽性好,因而得到广泛的应用。激光测距的研究还对雷达技术的发展起了很大的促进作用,因而在国民经济和国防建设中具有重要意义。根据所发射激光状态的不同,激光测距分为激光脉冲测距和连续波激光测距,后者根据起止时刻标识的不同又分为相应激光测距和调频激光测距。本文将介绍脉冲测距的最新技术发展。

二、脉冲激光测距原理

脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间极短,能量在时间上相对集中,瞬时功率很大(一般可达兆瓦)的特点,在有合作目标的情况下,脉冲激光测距可以达到极远的测程;在进行几公里的近程测距时,如果精度要求不高,即使不使用合作目标,只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射索取的反射信号,也可以进行测距。图1 脉冲飞行时间激光测距系统一个典型的脉冲飞行时间激光测距系统通常有以下五个部分组成:激光发射单元,一个或两个接收通道,时刻鉴别单元,时间间隔测量单元和处理控制单元。激光发射单元在t0 时刻发射一激光脉冲,其中一小部分功率直接进入接收通道1,经时刻鉴别单元产生起始(START)信号,开始时间间隔测量;其余功率从发射天线向目标发射出去,经距离R 到达目标后被反射;接收通道2 的光电探测器接收到返回脉冲,经放大后到达时刻鉴别单元,产生一终止(STOP)信号,终止时间间隔测量;时间间隔测量单元把所测得的结果t 输出到处理控制单元,最后得到距离R=ct/2。

[1]

三、激光测距在军事上的应用 3.1 激光测距光源

战术和战略用脉冲激光测距仪主要包括红宝石、Nd∶YAG、CO2、喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃等脉冲激光测距仪。3.3.1 红宝石脉冲激光测距仪

0.69μm 的红宝石脉冲激光测距仪是第一代军用激光测距仪，其结构简单，紧凑。因工作波长属近红外绿光，极易暴露目标，加上对人眼极不安全，目前除少数应用外已被淘汰。

3.1.2 Nd∶YAG 脉冲激光测距仪

Nd∶YAG 脉冲激光测距仪的主要优点是隐蔽性、电效率和脉冲重复工作频率大大优于红宝石激光测距仪，因而从60 年代后期开始广泛装备部队；主要缺点：①工作波长为1.06μm，相对说来较短，在大气中的衰减较大，不完全适合自然雾和战场烟幕等环境条件；② 1.06μm 波长被发射后经人眼聚焦进入视网膜，在很短的距离上若不加防护观察，可以使人眼永久致盲；③1.06μm 波长不与8~12μm 热成像系统兼容。而Nd∶YAG 脉冲激测距仪目前仍具有无法取代的独特优点。3.1.3 CO2 脉冲激光测距仪

CO2 脉冲激光测距仪是70 年代末和80 年代中期主要针对1.06μm 的Nd∶YAG 激光测距仪的缺点发展起来的新一代人眼安全激光测距仪。其主要优点有：①大气穿透能力优于Nd∶YAG 激光波长，能在较低能见度和战场烟幕等大气条件下工作；②能与8~12μm 波段内的典型热成像系统兼容并可共用接收光学系统和探测器，能有效实现热成像仪能探测到的绝大多数目标；③能实现对人眼安全。主要缺点是：①10.6μm 的CO2 激光波长极易被水分子(H2O)吸收衰减，在大气中含水蒸汽密度大的睛天和潮湿条件下，限制了它的最大测距能力，特别是雨天和目

标被雪覆盖时，目标呈现多镜面对称反射，对CO2 激光波长测距不利；③10.6 μm 的CO2 激光波长对战术目标的反射系数低于1.54、1.06 和0.69μm 的激光波长。

3.1.4 喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃脉冲激光测距仪

喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃脉冲激光测距仪也和CO2 一样发展于70 年代末和80年代中期，主要优点是：①大气穿透能力高于1.06μm 的Nd∶YAG 激光波长而低于CO2 激光波长；②对目标的反射系数和在睛天、高温度条件下测距时，其性能高于CO2 激光波长并与Nd∶YAG 激光波长相当；③对人眼的安全性高于CO2 激光波长。缺点是由于1.54μm 波长属中红外波段，不能与8~12μm 的热成像系统兼容，加上转换效率低、脉冲能量小和重复工作频率低(喇曼频移Nd∶[3][2] YAG 除外)等限制了它们的应用。3.2 脉冲激光测距在军事上的应用

脉冲激光测距仪作为军用装备器材，发展于60 年代初。经过30 多年的开发、研制和装备，目前国外已完成了“手持式、脚架式、潜望式、坦克、装甲、水面舰载、潜艇潜望、高炮、机载、机场测云、导弹和火箭发射、人造卫星、航天器载”等约十三大类400 多个品种和型号，其中装备量最大的是以Nd∶YAG 为器件的固体脉冲激光测距仪，其次是喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃以及CO2 脉冲激光测距仪。

3.2.1 轻型便携式脉冲激光测距仪

轻型便携式脉冲激光测距仪包括步兵和炮兵侦察用的手持式以及前沿侦察和前沿对空控制(FAC)双用途的激光测距仪—目标指示器。对上述用途的系统，要求机动灵活、重量轻、体积小、用电池组作电源、可靠性和维修性高以及单一产品的成本低等。主要技术性能：最大测程4~10km，测距精度±10m，重复频率为单次，束散角1~2mrad。值得关注的的是，由于上述激光测距仪及其系统常与其他友军密切配合作战且不带装甲部队大范围训练以及无合作目标、操作手不带防护目镜等，人眼安全极为重要。因此，这类脉冲激光测距仪已逐渐由装备Nd∶YAG 激光测距仪改为喇曼频移Nd∶YAG 和Er∶玻璃1.54μm 的人眼安全激光测距仪。

在现代战争中，由以前单一的步兵、炮兵独立作战发展到有步兵、炮兵和海军陆战队组成的特种部队联合作战，武器系统也由单一的地炮、高炮逐渐采用多功能综合高技术。因此激光测距仪也由单一测距功能的便携式、手持式发展到激光测距、红外瞄准的昼夜观测仪以及激光测距、目标指示、红外瞄准的激光红外目标指示器等。

3.2.2 地面车载脉冲激光测距仪

地面车载脉冲激光测距仪包括坦克、步兵战车(IFV)、火控、对空防御、火炮或导弹制导火控以及目前发展的地面车载激光测距仪—目标指示器等。其主要技术性能：最大测程4~10km，测距精度±5~10m，目标分辨约20m，重复频率0.1~1Hz，束散角0.4~1mrad。激光测距仪在坦克火控系统中的应用是提供弹道轨迹的超仰角修正信息和因逆风或目标移动引起的方位角校正信息以及距离信息。步兵战车主要是使用激光测距仪去测量目标是否在反坦克导弹的距离内，其次用于枪炮火控和对目标的分选。为了做到激光测距仪完全有效地对任何能探测到的目标测距以及通过火控系统全天候被动探测、识别和分选，这些系统还应包括：瞄准光学系统、电视摄像机和红外热成像仪(FLIR)等。这是目前非常迫切需要的但不可能通过任何单一功能和单一波长激光测距仪能完全满足的系统。据外刊报 道，美国休斯公司采用喇曼频移Nd∶YAG 激光测距、电视摄像和红外成像组成的坦克、装甲车激光测距仪系统是目前最新型的设备。但是这种系统若采用1.06μm 的Nd∶YAG 激光测距，尽管在测距仪上装上衰减滤光片，对合作目标测距训练时已基本达到人眼安全要求，而经论证后的坦克和步兵作战的操作人员及指挥、作战人员应采取人眼安全措施，或者采用人眼安全的1.54μm 激光波长测距，从根本上实现对人眼安全的要求。3.2.3 对空火炮和导弹防御脉冲激光测距仪

对空防御的脉冲激光测距仪以及采用了自保护措施的步兵战车对空防御脉冲激光测距仪均应按火控系统和作战系统的要求工作，在距离和距离速率以内对空中高速机动目标提供稳定的跟踪信息和距离信息，以对抗武装直升机、隐身飞机和巡航导弹、反辐射导弹的威胁。这就要求激光测距仪提供比较高的数据率(高的激光脉冲速率)和相当高的距离精度，如最大测程为4~20km，测距精度为

2.5~5m，重复频率为6~20Hz，束散角为0.5~2.5mrad 等。然而，若其交战距离相当远(约达20km 以上)，这么远的距离实际对抗出现在不模糊的大气条件下，仅要求激光测距仪的灵敏度比坦克测距仪稍高一些；若在某些高湿度季节或某些高温度气象区域内，由于很强的H2O 分子吸收，限制了长波长(如10.6μm 的CO2)脉冲激光测距仪最大测距能力的发挥，此时，应采用1.06μm 的Nd∶YAG 脉冲激光测距仪，或者采用喇曼频移Nd∶YAG 及Er∶玻璃(1.54μm)的脉冲激光测距。

3.2.4 机载脉冲激光测距仪

机载脉冲激光测距仪可以用来装备武装直升机的导弹指令制导和装备固定翼飞机，用于封锁支援的光电飞行器等目标以及拦截飞机和导弹的攻击。这些典型应用一般采用1.06μm的Nd∶YAG 激光测距仪并具有激光测距和目标指示的能力，或者采用1.54μm 波长的人眼安全喇曼频移Nd∶YAG 脉冲激光测距仪_目标指示器等，以保护机载系统完成作战任务或主动攻击空中的光电目标。机载脉冲

激光测距仪的主要技术性能：测程远(用于武装直升机为4~10km，用于固定翼飞机为10~20kM)、测距精度高(用于武装直升机为±5~10m，用于固定翼飞机为±1~10m)、重复频率高(用于武装直升机为4Hz，用于固定翼飞机为5~20Hz)、束散角小(用于武装直升机为0.4~1mrad，用于固定翼飞机为0.1~0.5mrad)，同时机载设备应体积小、重量轻并要与航空指示器共用。因此，激光器必须使用高效循环液体作冷却器，以适应高的运转速率要求，否则要采用气体或混合气体升压冷却。

3.2.5 舰载脉冲激光测距仪

舰载脉冲激光测距仪的发展在轻型便携式、车载和对空防御激光测距仪之后，它包括水面舰载和潜艇潜望两大类。水面舰载脉冲激光测距仪在技术性能指标方面与车载火控和对空防御激光测距仪相同，在环境使用方面要适应舰载海[4] 空、海面以及海上盐雾的荷刻要求，而在体积、重量、电效率、维护保养能力和成本等方面的要求又不苛刻。因此，目前大量用来装备常规火控和对空防御的海军舰只，如掩护(无声雷达)舰载飞机回收和与红外热成像、电视等组成跟踪系统，全天候监视和跟踪空中目标等独特的舰上应用正在出现，其应用前景相当广泛 [5]。

四、结束语

激光武器不但反应速度快，而且杀伤命中率特别高，几乎是100%，因为激光 武器以光束攻击目标，可以不考虑射击提前量，而且目标的机动性也不会影响激光器的性能。所以，激光武器的杀伤率就非常高，一旦锁住目标，就能将其摧毁或破坏。另一个重要优点是单发成本相当低，每发仅1000 ~ 3000 美元。因此，用激光武器来对付在全世界扩散的“ 廉价低空飞行器“ 大有好处。使用战区高空防御武器或其它昂贵的反导系统来对付近程火箭，其代价也太高。所以，发展激光防空武器就成了必然趋势。[6] 参考文献

［1］ 李适民.激光器件原理与设计［M］ 国防工业出版社 1998 ［2］ 陈家璧，彭润玲.激光原理及应用[M] 电子工业出版社 2008 ［3］ 梅遂生，王戎瑞.光电子技术[M] 国防工业出版社 2008 ［4］ 陈娅冰等.激光武器新技术及应用［ J］.激光与光电子学进展，2003：12－16 ［5］ 王乐．激光在现代军事中的应用[J]．光机电信息.2002，(6)：23—24 ［6］ 赵江，徐世录.激光武器的现状与发展趋势[J] 2005:67-70