专利名称：一种粒子场瞬态多幅全息照相装置及方法
技术领域：
本发明涉及全息照相领域，尤其是涉及一种粒子场瞬态多幅全息照相装置及方法。
背景技术：
全息术早已用于粒子场及流体场的单幅拍摄，而且已经为这些领域做出了巨大贡献。其非接触、大视场、大景深及三维再现等特点使其在粒子场诊断领域具有独特的优势。采用全息术对粒子场进行检测通常包括记录、显影与再现三个环节。记录主要是指脉冲激光同一脉冲分出的两光束在记录介质(全息干板)表面形成的干涉场引起全息干板的光化学反应(曝光)，曝光后的全息干板记录了干涉场的强度分布，这两束光中一束带有粒子场的信息(物光)，另一束不带粒子场信息(参考光)。显影主要是针对于卤化银乳胶、重铬酸盐明胶、光致抗蚀剂这三类材料，显影过程使未发生光化学反应的部分被清洗掉，使发生了光化学反应的部分保留下来。再现是指采用上述两束光中的参考光以记录时的角度照射显影后的全息干板，从而使物光以衍射光的形式被再现出来。利用该方法可以重现某一时刻粒子场的三维分布。如果需要记录粒子场随时间的演化过程就需要完成多幅全息图的瞬态记录。一种办法是并列放置多张全息干板，在每一个干板对应的参考光与物光光路中放置超高速快门使这些全息干板在不同时刻曝光。该方法使得每一张全息干板具有不同的视角，因此再现出来的各个光场之间存在视场角度的偏差，不利于再现观察。该方法中每一张全息干板都需要一套相应的光路元件，因此当全息干板数量上升时记录装置将变的十分复杂，不便于调试与维护且造价昂贵。另一种办法是将全息干板做成光盘形状，使全息干板以过光盘中心的法线为轴做高速旋转，合理的调整旋转速度就可以使每一次的曝光区域不同。由于目前常见的高速电机只能达几万转每分钟，因此将整张光盘记录完所需要的时间在毫秒量级。在干涉区面积恒定且光盘尺寸恒定的条件下该参数限制了时间分辨率的进一步提高。该方法要求旋转速度与脉冲激光频率之间的精确配合，这种精确配合在高速旋转时变的困难。该方法还会由于光盘的旋转，使记录到的全息图出现动态模糊。以光致聚合物材料为记录介质的全息干板，其记录介质厚度可达几百微米乃至更厚，用其记录的全息图被称为体全息图，体全息图具有明显的角度选择特性。利用体全息图的角度选择特性，可以在记录介质的同一体积区域记录多幅全息图，且每一幅全息图可以被分别再现。以体全息图角度选择特性为基础的一种多幅全息记录技术被称为角度复用技术，该技术在高密度数据存储中已经被广泛使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有粒子场瞬态多幅全息照相技术中光路调整困难、时间分辨率低的问题，提出一种基于光致聚合物的粒子场瞬态多幅全息照相、装置及方法。本发明通过同步控制器对粒子场出现在观测区域时刻检测，向相干光产生装置及声光偏转器发送控制信号使得相干光产生装置产生的两路相干光，其中一路相干光经过物光调节装置带有粒子场信息并照射于全息干板上，另一路相干光经过参考光调节装置使得产生不同时刻角度不同的照射于全息干板上的参考光，在全息干板上物光与参考光形成干涉，实现了简单光路条件下的高时间分辨率瞬态多幅全息照相，除此之外，还通过设置第二传像装置11用于将粒子场的图像传像至全息干板12附近以提高全息干板12的记录效果。除此之外还通过设置第二偏振态调节装置14用于调节经过光束分束装置输出的另一束相干光的偏振态，进而使经过第二偏振态调节装置14的相干光与经过准直扩束装置4的一束相干光具有相同的偏振态，除此之外还通过设置第一偏振态调节装置2用于调整激光器I产生脉冲信号的偏振态，当光束分束装置3为格兰棱镜或偏振分光棱镜时第一偏振态调节装置2可用于调节光束分束装置3分出的两束光的功率比值；除此之外，还通过设置第三扩束准直装置15用于提前放大激光器I产生激光光斑的光斑直径，进而保护光束分束装置3不会被高功率激光脉冲损坏；此外还通过设置光学延迟装置16用于对经过光束分·束装置3产生的一路相干光的相位进行调节，使得经过光束分束装置产生的两束相干光相位一致，保证最终形成的物光与参考光能够产生干涉条纹。本发明采用的技术方案如下
一种粒子场瞬态多幅全息照相装置包括相干光产生装置、物光调节装置、参考光调节装置、同步控制装置13、全息干板12，相干光产生装置，用于接收同步控制装置13的触发信号及产生激光脉冲并将其分为两束相干光；物光调节装置，用于将相干光产生装置产生的两束相干光中的一束引入观测区域9，使其为观测区域9提供背光照明，该束光经过观测区域9后成为物光；同步控制装置13，用于分别给相干光产生装置、参考光调节装置提供控制信号；参考光调节装置，用于调节相干光产生装置产生的另一束相干光的角度和偏振态形成参考光，使得物光调节装置调节的物光与参考光形成干涉；全息干板12，用于记录物光和参考光形成的干涉条纹。所述相干光产生装置包括激光器1，用于根据同步控制装置13输出的触发信号产生激光脉冲；光束分束装置3(格兰棱镜或者偏振分光镜),用于将激光器I产生的脉冲信号分成两束相干光分别输入到物光调节装置、参考光调节装置，光束分束装置3输入到物光调节装置的一路光与光束分束装置3输入到参考光调节装置的另一路光功率比值为1:2 1:30。所述物光调节装置包括第一扩束准直装置4，用于将干涉光产生装置产生的一路相干光光斑直径进行放大，其放大倍数为10 40倍；第二反射镜8，用于将第一扩束准直装置4的物光反射到观测区域9，形成带有观测区域9中被观测对象信息并照射于全息干板的物光。所述物光调节装置还包括第二传像装置11，所述第二传像装置11放置于观测区域9与全息干板之间，用于将经过观测区域9形成带有观测区域9中被观测对象信息的物光传递到全息干板12，第二传像装置11包括第三透镜、第四透镜两个透镜，所述第三透镜、第四透的焦距相等，所述第二传像装置11与全息干板12的距离比所述第二传像装置11的后焦距长5_ 30mm或短5_ 30mm。所述参考光调节装置包括第一反射镜5，用于调节光束分束装置3产生的另一路相干光的角度；声光偏转器6，用于根据同步控制装置13输出的控制信号产生控制频率使经过声光偏转器6的相干光发生偏转,声光偏转器6偏转范围为O 3. 2° ;第二扩束准直装置7，用于将经过声光偏转器6发生角度偏转的相干光光斑直径放大，第一扩束准直装置4和第二扩束准直装置7扩束比值为1:2 5:1 ;第一传像装置10，用于将经过扩束准直装置7放大的相干光传至全息干板12，第一传像装置10包括第一透镜、第二透镜两个透镜，所述第一透镜、第二透的焦距相等，第一传像装置10距离声光偏转器6的距离等于传像装置10的前焦距，第一传像装置10距离全息干板12的距离等于传像装置10的后焦距；其中参考光不发生偏转时与物光的夹角为10° 30°，物光与光致聚合物全息干板法线的夹角为 10° 30°。 所述同步控制装置13包括光电探测装置17，用于在粒子场进入观测区域9之前检测到粒子场的出现，并同时输出探测信号给数字延时装置19 ;数字延时装置19，用于接收光电探测装置的探测信号后，在设定的延时时间后给激光器I以及给单片机18发出触发信号；单片机18，用于在检测到数字延时装置19发送的触发信号后，按照设定的时间间隔改变声光偏转器电源20的输出驱动电压频率；声光偏转器电源20，用于在接收单片机18输出的驱动电压频率控制信号后控制声光偏转器6的偏转角度。一种粒子场瞬态多幅全息照相装置，还包括第一偏振态调节装置2、至少一个光学延迟装置16、第三扩束准直装置15，所述第一偏振态调节装置2是半波片、补偿器、偏振片或者法拉第旋光器，用于调整激光器I产生脉冲信号的偏振态；第三扩束准直装置15，用于将激光器I发射的脉冲信号的光斑直径进入放大，降低脉冲激光由于高功率对光束分束装置3的损伤；光学延迟装置16，用于对经过光束分束装置3产生的一路相干光的相位进行调节，使得经过光束分束装置3产生的两束相干光相位一致，所述光学延迟装置16包括第三反射镜21,用于对经过光束分束装置3产生的一路相干光进行90°偏转；直角棱镜23,用于对经过第三反射镜21的相干光进行180°偏转；第四反射镜22，用于对经过直角棱镜23的相干光进行90°的偏转。当光束分束装置3是格兰棱镜时，所述参考光调节装置还包括第二偏振态调节装置14，用于调节经过光束分束装置3产出的另一路相干光的偏振态，使得经过第二偏振态调节装置14的一路相干光与经过准直扩束装置4的一路相干光具有相同的偏振态，所述第二偏振态调节装置14包括半波片、偏振片、补偿器或者法拉第旋光器。一种粒子场瞬态多幅全息照相方法包括
步骤一同步控制装置13检测粒子场出现在观测区域9的时刻，并触发信号给相干光产生装置，发送控制信号给声光偏转器6，；
步骤二 相干光产生装置检测到同步控制装置13的触发信号，产生两路相干光，其中一路相干光经过物光调节装置后形成带有粒子场信息并照射于全息干板上的物光，另一路相干光经过参考光调节装置形成不同时刻不同角度偏转的照射于全息干板上的参考光，物光与参考光在全息干板形成干涉，进行记录曝光。一种粒子场瞬态多幅全息照相方法，所述同步控制装置13包括光电探测器17、数字延时装置19、单片机18、声光偏转器电源20 ;所述相干光产生装置包括激光器I、光束分束装置3 ;物光调节装置包括第一扩束准直装置4、第二反射镜8 ;参考光调节装置包括第一反射镜5、声光偏转器6、第二扩束准直装置7、第一传像装置10，具体包括步骤步骤一通过同步控制装置13中光电检测器17在粒子进入观测区域9之前检测到粒子场的出现，并同时给数字延时装置发送探测信号；
步骤二 数字延时装置19检测到探测信号时，在设定的时间延时后发送触发信号给激光器I以及单片机18 ；
步骤三单片机18检测到数字延时装置19发送的触发信号后，按照设定的时间间隔改变声光偏转器电源20的输出驱动电压 频率,进而控制声光偏转器偏转角度；
步骤四激光器I检测到数字延时装置19的触发信号，产生激光脉冲；
步骤五激光器I产生的激光脉冲经过光束分束装置3将其分成两路相干光，其中一路相干光经过物光调节装置形成物光，其中首选需要至少一个采用光学延迟装置16进行位相的调节，再经过第二反射镜8将其调节至观测区域9，此时当粒子场进入观测区域9时，经过第二反射镜8反射的相干光正好穿过观测区域9并携带了粒子场信息在全息干板12上形成了带有粒子场信息的物光。步骤六激光器I产生的激光脉冲经过光束分束装置3将其分成两路相干光，其中另一路相干光经过第一反射镜5后再经过声光偏转器6调节，由于声光偏转器6在光束偏转装置电源20不同频率控制下，产生不同角度偏转的参考光，不同时刻不同角度偏转的参考光照射于全息干板12上，与之前形成的物光形成不同时刻不同图样的干涉条纹，即形成了粒子场不同时刻的多幅全息照片。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是
I)通过物光调节装置、参考光调节装置、同步控制装置相干光产生装置以及全息干板，当同步控制装置13在粒子进入观测区域9之前检测到粒子场的出现，并发送触发信号给相干光产生装置，发送控制信号给声光偏转器6 ;相干光产生装置检测到同步控制装置13的触发信号，产生两路相干光，其中一路相干光经过物光调节装置后形成带有粒子场信息并照射于全息干板上的物光，另一路相干光经过参考光调节装置形成不同时刻不同角度偏转的照射于全息干板上的参考光，物光与参考光在全息干板中形成干涉，进行记录曝光。实现粒子场在观测区域9的瞬态多幅全息照相，弥补了现有技术瞬态多幅全息照相时间分辨率低及光路复杂的不足。2)通过设置第二传像装置11用于将粒子场的图像传像至全息干板12附近以提高全息干板12的记录效果。3)通过设置第二偏振态调节装置14用于调节经过光束分束装置输出的另一束相干光的偏振态，进而使经过第二偏振态调节装置14的相干光与经过准直扩束装置4的一束相干光具有相同的偏振态，从而保证了物光与参考光能够发生干涉。4)通过设置第一偏振态调节装置2用于调整激光器I产生脉冲信号的偏振态，进而可与采用了格兰棱镜或偏振分光棱镜的光束分束装置3相配合，使光束分束装置3所分得两束光的功率比值易于调节。5)通过设置第三扩束准直装置15用于提前放大激光器I输出激光脉冲的光斑直径，进而避免光束分束装置3因为脉冲激光的高功率而损伤。6)通过设置光学延迟装置16使经过光束分束装置3产生的一路相干光的相位调节变得简单，保证最终形成的物光与参考光能够产生干涉条纹。
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中
图I为本发明实施例一粒子场瞬态多幅全息照相装置示意 图2为本发明实施例二装置示意 图3为实施例一或实施例二同步控制装置示意 图4为光学延迟装置示意图。图中
I-激光器2-第一偏振态调节装置3-光束分束装置
4-第一扩束准直装置5-第一反射镜6-声光偏转器
7-第二扩束准直装置8-第二反射镜9-观测区域
10-第一传像装置11-第二传像装置12-全息干板
13-同步控制装置14-第二偏振态调节装置15-第三扩束准直装置
16-光学延迟装置17-光电探测装置18-单片机
19-数字延时装置20-声光偏转器电源21-第三反射镜
22-第四反射镜23-直角棱镜。
具体实施例方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。一、本文相关说明
1.本设计记录过程结束后就已经形成了全息图，不需要在暗室进行显影，只需在非相干白光光源(如白炽灯，太阳光等)下放置一段时间即可，“再现”过程与现有技术一致；
2.激光器I为脉冲激光器，产生的激光波长为532nm，激光脉冲的脉宽应小于10纳秒，单脉冲能量最好高于20毫焦耳，光斑模式最好为单纵模，偏振态为线偏振，重复频率应大于 IOOKHz ；
3.第一扩束准直装置4和第二扩束准直装置7扩束比值为1:2到5:1;其中扩束比指光斑直径放大倍数；
4.脉冲激光器的相干长度较短需要光学延迟装置16使物光与参考光的光程差远小于脉冲激光器的相干长度，其中相干长度为激光器的性能参数，该参数的单位为长度单位(如米、毫米等)。光程为光从A点传播到B点所需的时间使光在真空中传播的距离，单位同样为长度单位。而光程差指两束光沿不同路径从A点到B点的光程的差值，单位依然为长度单位；
5.声光偏转器6与声光偏转器电源20的关系声光偏转器电源20能够提供不同的驱动频率，不同的驱动频率可以引起声光偏转器6对通过它的光造成不同角度的偏转，通过 改变驱动频率就可以改变偏转角，可引起的最大偏转角称为偏转范围。根据控制方式的不同声光偏转器电源可分别选取电压控制振荡器和数字频率合成器两种；
6.粒子场与观测区域9与同步控制装置13之间的关系粒子场往往产生于高速撞击过程，因此粒子场也具有很高的运动速度，如此高的速度下判断粒子场何时进入观测区域非常重要，同步控制装置13可以完成该判断工作；
7.第一传像装置10包括第一透镜、第二透镜两个透镜，所述第一透镜、第二透的焦距相等。第二传像装置11包括第三透镜、第四透镜，所述第三透镜、第四透镜焦距也相等。装置11中两个透镜的焦距可以不与第一传像装置10中透镜的焦距相等；
8.第一传像装置10，用于将经过扩束准直装置7放大的相干光传至全息干板12，第一传像装置10距离声光偏转器后表面的距离等于第一传像装置10的前焦距，前焦距具体解释了第一个透镜位于第二扩束准直装置7 —侧，第二个透镜位于全息干板ー侧，此时的前焦距指的是位于第二扩束准直装置ー侧第一透镜的焦距；第一传像装置10距离全息干板12的距离等于传像装置10的后焦距，后焦距具体解释为第一个透镜位于第二扩束准直装置7 —侧，第二个透镜位于全息干板ー侧，此时的后焦距指的是位于全息干板ー侧第二透镜的焦距；第二传像装置11用于将经过观测区域9形成带有观测区域9中被观测对象信息的物光传递到全息干板12，所述第二传像装置11与被观测区域中心的距离等于第二传像装置11的前焦距，前焦距具体解释了第三个透镜位于观测区域9 ー侧，第四个透镜位于全息干板ー侧，此时的前焦距指的是位于观测区域9 ー侧第三透镜的焦距；第二传像装置11与全息干板12的距离比所述第二传像装置11的后焦距长5mm 30mm或短5mm 30mm,其中后焦距具体解释是第二传像装置11第三个透镜位于观测区域9 ー侧，第四个透镜位于全息干板ー侧，其后焦距指的是位于全息干板ー侧第四透镜的焦距；
9.全息干板12采用光致聚合物全息干板其记录介质厚度为300//m。光致聚合物全息干板具有在同一体积内记录多幅全息图的能力，该能力可为瞬态多幅全息照相提供一条实现途径。其厚度是可以控制的。光致聚合物全息干板12的详细制作过程见专利(200410066746. 9)，所不同的是将其光敏剂调整为曙红Y，最佳配方比例也与该专利不同，其最佳配方比例及实验数据见文献(杂志名称中国激光；卷号36(4) :983-988。作者段晓亚，朱建华，魏涛，陈倩倩，魏乃科；名称绿敏聚こ烯醇/丙烯酰胺体系光致聚合物的配方优化及全息存储特性，其中第2部分给出配方比例，第3部分给出实验数据)。为了使该光致聚合物全息干板(12)在记录时具有高的灵敏度可以先对全息干板进行预曝光(非相干532nm光源下放置一段时间)，预曝光的时间根据干板厚度及预曝光所使用光源強度会有所不同，可在实验室条件下多次測定最佳预曝光时间；
10.单片机18，用于检测到数字延时装置19发送的触发信号后，按照设定的时间间隔改变声光偏转器电源20的输出驱动电压值频率；以数字频率合成器为驱动电源的声光偏转器电源可接收外部控制信号(由USB或RS232传输)，进而改变驱动电源的输出或驱动频率，因此单片机只需在设定的时间间隔后给声光偏转器电源发出一条控制信号即可，由于单片机部分所要实现的功能简单，常见的单片机(如STC单片机、PIC单片机、AVR单片机、EMC单片机及其它同类产品)都可以实现该功能。设激光器的重复频率为f，则时间间隔T
由(I)式给出Γ =フ(I)
11.数字延时装置19，用于接收光电探测装置的探測信号并在延时时间后给激光器
(I)以及给单片机(18)发出触发信号，数字延时装置所需延时功能可以由DG535或其它同类产品实现；光电探测装置的探測位置位于粒子场进入观测区域的必经位置，粒子场的运
动速度为V，光电探测装置的探測位置距观测区域距离为S1,激光从发出到进入观测区域9
所经过的总光程(可用实际的长度来近似)为S2，激光器从接收到触发信号到发出激光的响
应时间为h秒，光电探测装置的探測信号传到数字延时装置19需要的时间为t2秒，触发信
号从数字延时装置19传到激光器I需要的时间为t3秒，光速为C，则延时时间τ由(2)式
,S1Sへ
给出·· T =(2)。ニ、工作原理本装置检测粒子场在观测区域9出现的时刻，同时一束激光通过观测区域9并携带粒子场信息成为物光，并与经调节后的參考光在全息干板上形成干渉，并 且通过全息干板12记录參考光与携帯粒子场信息的物光形成的干渉条纹。实现对粒子场在观测区域9中的瞬态多幅全息照相，弥补了现有技术瞬态多幅全息照相时间分辨率低及光路复杂的不足。三、粒子场瞬态多幅全息照相装置
实施例一，本装置包括相干光产生装置、物光调节装置、參考光调节装置、同步控制装置13、全息干板12。相干光产生装置用于接收同步控制装置13的触发信号及产生激光脉冲并将其分为两束相干光；物光调节装置用于将相干光产生装置产生的两束相干光中的一束引入观测区域9，使其为观测区域9提供背光照明，该束光经过观测区域9后成为物光；同步控制装置13用于分别给相干光产生装置、參考光调节装置提供控制信号；參考光调节装置用于调节相干光产生装置产生的另一束相干光的角度和偏振态形成參考光，使得物光调节装置调节的物光与參考光能够干涉；全息干板12用于记录物光和參考光形成的干渉条纹。实施例ニ，在实施例一基础上，所述相干光产生装置包括激光器I、光束分束装置3。激光器1，用于根据同步控制装置13输出的控制信号产生激光脉冲；光束分束装置3，用于将激光器I产生的脉冲信号分成两束相干光分别输入到物光调节装置、參考光调节装置，其中光束分束装置3输入到物光调节装置的一路光与光束分束装置3输入到參考光调节装置的另一路光功率比值为1:2 1:30。优选地，光束分束装置3输入到物光调节装置的一路光与光束分束装置3输入到參考光调节装置的另一路光功率比值为1:4。实施例三，在实施例一或ニ基础上，物光调节装置包括第一扩束准直装置4、第二反射镜8，其中第一扩束准直装置4用于将干涉光产生装置产生的一路相干光光斑直径进行放大；第二反射镜8用于将第一扩束准直装置4的物光反射到观测区域9，形成带有观测区域9中被观测对象信息并照射于全息干板的物光。优选地，第一扩束准直装置4放大倍数为10 40倍。实施例四，在实施例三基础上，物光调节装置还包括第二传像装置11，所述第二传像装置11放置于观测区域9与全息干板之间，用于将经过观测区域9形成带有观测区域9中被观测对象信息的物光传递到全息干板12，所述第二传像装置11与全息干板12的距离比所述第二传像装置11的后焦距长5mm 30mm或短5mm 30mm。优选地，第二传像装置11与全息干板12的距离比所述第二传像装置11的后焦距短 5mm 30mmο
实施例五，在实施例一或四基础上，參考光调节装置包括第一反射镜5、声光偏转器6、第二扩束准直装置7、第一传像装置10，其中第一反射镜5用于调节光束分束装置3产生的另一路相干光的角度；声光偏转器6用于根据同步控制装置13输出的控制信号产生控制频率使经过声光偏转器6的相干光发生偏转,声光偏转器6偏转范围为O 3. 2° ;第二扩束准直装置7用于将经过声光偏转器6发生角度偏转的相干光光斑直径放大，第一扩束准直装置4和第二扩束准直装置7扩束比值为1:2 5:1 ;第一传像装置10用于将经过扩束准直装置7放大的相干光传至全息干板12，第一传像装置10距离全息干板12的距离等于传像装置10的后焦距；其中參考光不发生偏转时与物光的夹角为10° 30° ,物光与光致聚合物全息干板法线的夹角为10° 30°。优选地，物光与光致聚合物全息干板法线的夹角为20°，參考光不发生偏转时与物光的夹角为20°，且物光与參考光在全息干板法线的同一侧。 优选地，第一扩束准直装置4和第二扩束准直装置7扩束比值为1:2。实施例六，在实施例一或五基础上，同步控制装置13包括光电探测器17，用于在粒子场进入观测区域9之前检测到粒子场的出现，并同时输出探測信号给数字延时装置
19;数字延时装置19，用于接收光电探测装置的探測信号并在设定的延时时间后给激光器I以及给单片机18发出触发信号；单片机18，用于在检测到数字延时装置19发送的触发信号后，按照设定的时间间隔改变声光偏转器电源20的输出驱动电压频率；声光偏转器电源20，用于在接收单片机18输出的驱动电压频率控制信号后控制声光偏转器的偏转角度。实施例七，如图I所示，在实施例一或六基础上，本装置还包括偏振态调节装置2，偏振态调节装置2是半波片或者偏振片或者法拉第旋光器，用于调整激光器I产生激光脉冲的偏振态。实施例八，在实施例一或七基础上，本装置还包括第三扩束准直装置15，用于将激光器15发射的脉冲信号进行光斑直径扩大，降低相干光由于高能量对光束分束装置3的损伤；扩大范围2 4倍。实施例九，在实施例一或八基础上，本装置还包括光学延迟装置16，用于对经过光束分束装置3产生的一路相干光的相位进行调节，使得经过光束分束装置产生的两束相干光相位一致，所述光学延迟装置16包括第三反射镜21、第四反射镜22、直角棱镜23，第三反射镜21用于对经过光束分束装置3产生的一路相干光进行90°偏转；直角棱镜23用于对经过第三反射镜21的相干光进行180°的偏转；第四反射镜22用于对经过直角棱镜23的相干光进行90°偏转。实施例十在实施例一或九基础上，当光束分束装置3是格兰棱镜或偏振分光棱镜时，所述參考光调节装置还包括第二偏振态调节装置14，用于调节经过光束分束装置产出的另一路相干光的偏振态，使得经过第二偏振态调节装置14的一路相干光与经过准直扩束装置4的一路相干光具有相同的偏振态，所述第二偏振态调节装置14可以为半波片、偏振片、补偿器或者法拉第旋光器。优选实施例，如图2所示，在实施例六基础上，本装置还包括偏振态调节装置2、第三扩束准直装置15、光学延迟装置16，其中如图4所示所述光学延迟装置。粒子场瞬态多幅全息照相方法
四、粒子场瞬态多幅全息照相方法包括实施例一，粒子场瞬态多幅全息照相方法包括以下步骤
步骤ー同步控制装置13检测观测区域9出现在观测区域的时刻，并触发信号给相干光产生装置，发送控制信号给声光偏转器6 ；
步骤ニ 相干光产生装置检测到同步控制装置13的触发信号，产生两路相干光，其中一路相干光经过物光调节装置后形成带有粒子场信息并照射于全息干板上的物光，另一路相干光经过參考光调节装置形成不同时刻角度连续变化的照射于全息干板上的參考光，物光与參考光在全息干板上形成干渉，进行记录曝光。实施例ニ，如图3所示，粒子场瞬态多幅全息照相方法包括同步控制装置13包括光电探测器17、数字延时装置19、单片机18、声光偏转器电源20 ;所述相干光产生装置包括激光器I、光束分束装置3 ;物光调节装置包括第一扩束准直装置4、第二反射镜8 ;參考光调节装置包括第一反射镜5、声光偏转器6、第二扩束准直装置7、第一传像装置10，以下步骤具体步骤为· 步骤ー通过同步控制装置13中光电检测器在粒子场进入观测区域9之前检测到粒子场的出现，并同时输出探測信号给数字延时装置19 ；
步骤ニ 数字延时装置19检测到探測信号时，在设定的时间间隔后发送触发信号给激光器I以及单片机18 ；
步骤三单片机18检测到数字延时装置19发送的触发信号后，按照设定的时间间隔改变声光偏转器电源20的输出驱动电压频率,进而控制声光偏转器偏转角度；
步骤四激光器I检测到数字延时装置19的触发信号，产生激光脉冲；
步骤五激光器I产生的激光脉冲经过光束分束装置3将其分成两路相干光，其中一路相干光经过物光调节装置形成物光，其中首选需要采用光学延迟装置16进行位相的调节，在经过第二反射镜8将其调节至观测区域9，此时当粒子场进入观测区域9吋，同步控制装置13的光电探测装置能检测到观测区域9中粒子场出现的时刻，同时经过第二反射镜8反射的相干光记录了粒子场信息后在全息干板12上形成了带有粒子场信息的物光。步骤六激光器I产生的激光脉冲经过光束分束装置3将其分成两路相干光，其中另一路相干光经过第一反射镜5后再经过声光偏转器6调节，由于声光偏转器6在光束偏转装置电源20不同频率控制下，产生不同时刻不同角度偏转的參考光，不同时刻不同角度偏转的參考光照射于全息干板上，与之前形成的物光形成不同时刻不同图样的干渉条纹，即形成了粒子场不同时刻的多幅全息照片。实施例三，在实施例ニ基础上，可通过第一偏振态调节装置2对激光器产生的激光脉冲进行偏振态调节；
实施例四，在实施例一或三基础上，当光束分束装置3是格兰棱镜时，所述參考光调节装置还包括第二偏振态调节装置14，用于调节经过光束分束装置产出的另一路相干光的偏振态，使得经过第二偏振态调节装置14的一路相干光与经过准直扩束装置4的一路相干光具有相同的偏振态，所述第二偏振态调节装置14可以为半波片、偏振片、补偿器或者法拉第旋光器。还可通过第二偏振态调节装置14进行调节，第二偏振态调节装置14用于对光束分束装置3产生的另一路相干光偏振态进行调节；
实施例五，在实施例一或四基础上，还可通过第二传像装置11进行调节，第二传像装置11放置于观测区域9与全息干板之间，用于将经过观测区域9形成带有观测区域9中被观测对象信息的物光传递到全息干板12，所述第二传像装置11与全息干板12的距离比所述第二传像装置11的后焦距长5mm 30mm或短5mm 30mm。实施例六，在实施例一或五基础上，还可通过第一偏振态调节装置2进行调节，第一偏振态调节装置2是半波片、补偿器、偏振片或者法拉第旋光器，用于调整激光器I产生脉冲信号的偏振态。实施例七，在实施例一或五基础上，还可通过第三扩束准直装置15进行调节，第三扩束准直装置15用于将激光器I发射的激光脉冲的光斑直径进行扩大，降低相干光由于高能量对光束分束装置3的损伤，扩大范围2 4倍。实施例八，在实施例一或五基础上，还可通过光学延迟装置16进行调节，光学延迟装置16用于对经过光束分束装置3产生的一路相干光的相位进行调节，使得经过光束分束装置产生的两束相干光相位一致，如图4所示，所述光学延迟装置16包括第三反射镜21，用于对经过光束分束装置3产生的一路相干光进行90°偏转；直角棱镜23，用于对经过第 三反射镜的相干光进行180°偏转；第四反射镜22，用于对经过直角棱镜23的相干光进行90°的偏转。实施例九，在实施例一或ニ基础上，通过第一偏振态调节装置2、第三扩束准直装置15、光学延迟装置16进行调节。本发明并不局限于前述的具体实施方式
。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
权利要求
1.ー种粒子场瞬态多幅全息照相装置，其特征在于包括相干光产生装置、物光调节装置、參考光调节装置、同步控制装置、全息干板， 相干光产生装置，用于接收同步控制装置的触发信号及产生激光脉冲并将其分为两束相干光； 物光调节装置，用于将相干光产生装置产生的两束相干光中的一束引入观测区域，使其为观测区域提供背光照明，该束光经过观测区域后成为物光； 同步控制装置，用于分别给相干光产生装置、參考光调节装置提供控制信号； 參考光调节装置，用于调节相干光产生装置产生的另一束相干光的角度和偏振态形成參考光，使得物光调节装置调节的物光与參考光形成干渉； 全息干板，用于记录物光和參考光形成的干渉条纹。
2.根据权利要求I所述的ー种粒子场瞬态多幅全息照相装置，其特征在于所述相干光产生装置包括 激光器，用于根据同步控制装置输出的触发信号产生激光脉冲； 光束分束装置，用于将激光器产生的脉冲信号分成两束相干光分别输入到物光调节装置、參考光调节装置，光束分束装置输入到物光调节装置的一路光与光束分束装置输入到參考光调节装置的另一路光功率比值为1:2 1:30。
3.根据权利要求2所述的ー种粒子场瞬态多幅全息照相装置，其特征在于所述物光调节装置包括 第一扩束准直装置，用于将干涉光产生装置产生的一路相干光光斑直径进行放大，其放大倍数为10 40倍； 第二反射镜，用于将第一扩束准直装置的物光反射到观测区域9，形成带有观测区域中被观测对象信息并照射于全息干板的物光。
4.根据权利要求所述3的ー种粒子场瞬态多幅全息照相装置，其特征在于所述物光调节装置还包括第二传像装置，所述第二传像装置放置于观测区域与全息干板之间，用于将经过观测区域形成带有观测区域中被观测对象信息的物光传递到全息干板，第二传像装置包括第三透镜、第四透镜两个透镜，所述第三透镜、第四透的焦距相等，所述第二传像装置与全息干板的距离比所述第二传像装置的后焦距长5mm 30mm或短5mm 30mm。
5.根据权利要求4所述的ー种粒子场瞬态多幅全息照相装置，其特征在于所述參考光调节装置包括 第一反射镜，用于调节光束分束装置产生的另一路相干光的角度； 声光偏转器，用于根据同步控制装置输出的控制信号产生控制频率使经过声光偏转器的相干光发生偏转，声光偏转器偏转范围为0 3. 2° ； 第二扩束准直装置，用于将经过声光偏转器发生角度偏转的相干光光斑直径放大，第一扩束准直装置和第二扩束准直装置扩束比值为1:2 5:1 ; 第一传像装置，用于将经过扩束准直装置放大的相干光传至全息干板，第一传像装置包括第一透镜、第二透镜两个透镜，所述第一透镜、第二透的焦距相等，第一传像装置距离 声光偏转器的距离等于传像装置的前焦距，第一传像装置距离全息干板的距离等于传像装置的后焦距；其中參考光不发生偏转时与物光的夹角为10° 30° ,物光与全息干板法线的夹角为10° 30°。
6.根据权利要求5所述的一种粒子场瞬态多幅全息照相装置，其特征在于所述同步控制装置包括 光电探测装置，用于在粒子场进入观测区域之前检测到粒子场的出现，并同时输出探测信号给数字延时装置； 数字延时装置，用于接收光电探测装置的探测信号后，在设定的延时时间后给激光器以及给单片机发出触发信号； 单片机，用于在检测到数字延时装置发送的触发信号后，按照设定的时间间隔改变声光偏转器电源的输出驱动电压频率； 声光偏转器电源，用于在接收单片机输出的驱动电压频率控制信号后控制声光偏转器 的偏转角度。
7.根据权利要求所述I至6之一所述的一种粒子场瞬态多幅全息照相装置，其特征在还包括第一偏振态调节装置、至少一个光学延迟装置、第三扩束准直装置，所述第一偏振态调节装置是半波片、补偿器、偏振片或者法拉第旋光器，用于调整激光器产生脉冲信号的偏振态；第三扩束准直装置，用于将激光器发射的脉冲信号的光斑直径进入放大，降低脉冲激光由于高功率对光束分束装置的损伤；光学延迟装置，用于对经过光束分束装置产生的一路相干光的相位进行调节，使得经过光束分束装置产生的两束相干光相位一致，所述光学延迟装置包括 第三反射镜，用于对经过光束分束装置产生的一路相干光进行90°偏转； 直角棱镜，用于对经过第三反射镜的相干光进行180°偏转； 第四反射镜，用于对经过直角棱镜的相干光进行90°的偏转。
8.根据权利要求2或3之一所述的一种粒子场瞬态多幅全息照相装置，其特征在于当光束分束装置是格兰棱镜时，所述参考光调节装置还包括第二偏振态调节装置，用于调节经过光束分束装置产出的另一路相干光的偏振态，使得经过第二偏振态调节装置的一路相干光与经过准直扩束装置的一路相干光具有相同的偏振态，所述第二偏振态调节装置包括半波片、偏振片、补偿器或者法拉第旋光器。
9.根据权利要求所述I的一种粒子场瞬态多幅全息照相方法，其特征在于包括 步骤一同步控制装置检测粒子场出现在观测区域的时刻，并触发信号给相干光产生装置，发送控制信号给声光偏转器，； 步骤二 相干光产生装置检测到同步控制装置的触发信号，产生两路相干光，其中一路相干光经过物光调节装置后形成带有粒子场信息并照射于全息干板上的物光，另一路相干光经过参考光调节装置形成不同时刻不同角度偏转的照射于全息干板上的参考光，物光与参考光在全息干板形成干涉，进行记录曝光。
10.根据权利要求9所述一种粒子场瞬态多幅全息照相方法，其特征在于所述同步控制装置包括光电探测器、数字延时装置、单片机、声光偏转器电源；所述相干光产生装置包括激光器、光束分束装置；物光调节装置包括第一扩束准直装置、第二反射镜；参考光调节装置包括第一反射镜、声光偏转器、第二扩束准直装置、第一传像装置，具体包括步骤 步骤一通过同步控制装置中光电检测器在粒子进入观测区域之前检测到粒子场的出现，并同时给数字延时装置发送探测信号； 步骤二 数字延时装置检测到探测信号时，在设定的时间延时后发送触发信号给激光器以及单片机； 步骤三单片机检测到数字延时装置发送的触发信号后，按照设定的时间间隔改变声 光偏转器电源的输出驱动电压频率，进而控制声光偏转器偏转角度； 步骤四激光器检测到数字延时装置的触发信号，产生激光脉冲； 步骤五激光器产生的激光脉冲经过光束分束装置将其分成两路相干光，其中一路相干光经过物光调节装置形成物光，其中首选需要至少ー个采用光学延迟装置进行位相的调节，再经过第二反射镜将其调节至观测区域，此时当粒子场进入观测区域时，经过第二反射镜反射的相干光正好穿过观测区域并携带了粒子场信息在全息干板上形成了带有粒子场信息的物光； 步骤六激光器产生的激光脉冲经过光束分束装置将其分成两路相干光，其中另一路相干光经过第一反射镜后再经过声光偏转器调节，由于声光偏转器在光束偏转装置电源不同频率控制下，产生不同角度偏转的參考光，不同时刻不同角度偏转的參考光照射于全息干板上，与之前形成的物光形成不同时刻不同图样的干涉条纹，即形成了粒子场不同时刻的多幅全息照片。
全文摘要
本发明涉及全息照相领域，尤其涉及一种粒子场瞬态全息照相装置及方法。本发明针对现有技术中粒子场瞬态全息照相无法进行多幅连续照相，提出一种基于光致聚合物的粒子场瞬态多幅全息照相装置及方法。本装置包括相干光产生装置、物光调节装置、参考光调节装置、同步控制装置、全息干板等，本发明的方法通过同步控制装置检测粒子场并发送信号给相干光产生装置和光束偏转装置，然后相干光产生装置根据信号，产生两路相干光，一路相干光经过物光调节装置后形成带有粒子场信息物光，另一路相干光经过参考光调节装置形成参考光，物光与参考光在全息干板形成干涉条纹，由光致聚合物全息干板进行记录。本发明应用于全息照相领域。
文档编号G01N21/45GK102735650SQ20121024001
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者刘振清, 叶雁, 朱鹏飞, 李作友, 李军, 李泽仁, 罗振雄, 蒙建华, 赵宇, 魏明宾 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所