全息光学在光束扫描等领域的应用全息光学在光束扫描等领域的应用 孙秀冬 （哈尔滨工业大学物理系 哈尔滨 150001） 摘 要：摘 要：全息术的独特功能使它成为一种极富价值的科学手段，全息术的原理已渗透到各个领 域，其中全息光学元件是全息术的一个重要应用。它基于光的干涉和衍射等原理，可以高质量地实 现普通光学元件的功能，且具有体积小、重量轻等优点。但全息光学元件最重要的优势还在于其所 具有的可设计性以及实现全新光学功能的可能性。本文介绍了全息光学元件的特点及其在光束扫描 及探测等领域的实际应用。 关键词：关键词：全息光学元件；衍射；光束扫描；探测 1. 引 言 1. 引 言 全息术作为一种崭新的成像概念，由于激光光源的出现而渗透到科学技术的各个领域。在上个 世纪90年代，衍射光学即已成为光学领域的前沿课题。进入21世纪，由于全息术的研究与计算机技 术、光电子技术以及非线性光学技术紧密结合，随着计算技术和微细加工技术的进步，全息术的发 展开始了一个新的阶段。全息光学元件(HOE)（包括二元光学元件）的设计和制造取得了重大突破， 应用范围也在日渐扩大，并在与当代前沿科学研究的结合和应用中，取得了一系列突破性的进展， 尤其引人注意的是全息光学元件在军事上的成功应用。 依据光束的反射和折射原理，通过透镜、棱镜和反射镜的有机组合来设计和实现各种光学功能， 这样构成的传统光学仪器通常称为折射反射性光学元件。传统光学元件结构简单，便于机械加工， 但这些元件对称性高，所以能够实现的功能受到一定限制，通常仅能获得几种简单形式的光波波面， 对于非球面以及非对称波面的元件则存在着制作难度大、成本高等问题，有些甚至是不可能实现的。 随着全息概念的提出，以及激光器的发明带来的全息图制作及应用的进展，人们利用这些新型的全 息元件可以方便地控制光路并实现多种光学功能，从而使得全息术的应用已不仅仅限于最初的电子 显微镜领域和光波波段， 而是扩展到微波、 无线电波以及声波等诸多领域。 这类衍射型光学元件（比 如全息光学元件）获得方便，具有丰富的功能。尤其是激光技术、计算机设计及微电子加工技术的 成熟与发展，各种新型的加工制作方法已经能够制作高质量和多功能的衍射光学元件，使得具有较 高衍射效率的全息光学元件具有新的生命力。全息光学元件不仅与普通透镜一样具有成像功能，而 且在某些光学特性方面有着普通光学仪器无法媲美的优越性，特别是以其能够灵活控制波前，集多 功能于一体和可复制的优良特性使光学系统及器件向轻型化、微型化和集成化发展。例如利用衍射 光学元件可以实现灵巧形光束扫描、波面校正、光束整形、激光束无衍射传输、光纤耦合、波分复 用等；美、英、意、德等国研制的全息光学显示器取代了战斗机上的光学瞄准器，还有采用全息技 术的头盔夜视仪，以及全息望远镜等相继问世。本文将通过两个例子介绍全息光学元件的应用。 2. 全息光学元件在光束扫描中的应用2. 全息光学元件在光束扫描中的应用 衍射光学元件是利用光波的衍射原理对光波传播方向进行偏折的光学元件，当光投射到衍射光 学元件表面时，光波相位受到调制，从而可实现各种联合光学功能。由于衍射表面可以提供任意的 波面补偿像差，减少所需的折射元件数量，所以衍射元件具有体积小、重量轻、便于大量复制等优 点，且能在不增加系统体积的情况下提高系统的光学性能。 在激光探测与成像系统中，系统发射激光束并收集目标散射光并分析其强度、时间延迟以及相 位信息，从而获得关于目标的信息。激光探测 与成像系统可以测量目标的距离、 速度、 旋转、 化学组成与组分以及表面温度、压力等等。而 这类系统既可在地面工作，亦可在飞机、航天 器、 舰船等环境下工作， 这就要求系统在尺寸、 重量、效率和造价等方面具有一定竞争力。大 多数的激光成像系统需要大范围内的信息探 测，因而对光束扫描系统的要求比较高。而全 息扫描是随着全息技术的发展而逐步发展起来 的一种低惯量扫描, 易于实现二维扫描。 为了研究在激光雷达系统中利用全息光学 元件代替传统光学元件的可行性而设计的全息机载旋转激光雷达(HARLIE)，是一个创新性的紧凑型 激光雷达。它采用了全息光学元件(HOE)作为扫描望远镜. 可实现锥形扫描函数，为实验测量提供独 特的监测视场，如图 1 所示。 在这个系统中， 大口径 （1m 直径） 望远镜的扫描技术是星载激光雷达探测系统的主要关键技术， 它不仅使雷达系统的设计复杂化，而且也使其受到一定限制。采用全息光学元件的雷达望远镜使得 扫描大为简化，在不牺牲性能的条件下减小了系统的体积和重量。所设计的扫描平台使得 HARLIE 系统在其原有的圆锥形扫描的基础上还能够实现半球形扫描。全息光学扫描器 HOE 的视场为一与 HOE 表面法线成 45角的柱状光束，这束光经 HOE 传输并经光纤光学系统聚焦耦合到探测器。当 平台绕天顶角轴线旋转时，全息扫描元件也在连续扫描，这样系统即可接收到整个半球范围内的信 息。扫描平台的最大旋转速率约为 60 RPM，瞄准分辨率为 100rad。 HARLIE发射器所采用的体相位全息光学元件(HOE)是两层高质量浮法玻璃与重铬酸盐明胶形 成的三明治结构，该系统验证了全息光学技术在1064波长下的紧凑型扫描激光雷达系统中的应用。 HOE能够承受高激光功率和能量，对大多数直接探测系统来讲具有足够好的光学质量，总效率足以 与传统接收机抗衡。其尺寸和重量却只有相同性能反射光学扫描系统的大约一半大小。 作为大气后散射激光雷达探测系统，HARLIE 也可以用于机载直接测风雷达的概念性研究。目 图图 1 全息机载旋转激光雷达全息机载旋转激光雷达(HARLIE)系统系统 图图 2 利用透射全息光学元件实现圆锥形利用透射全息光学元件实现圆锥形 图图 3 共口径多元全息扫描望远镜共口径多元全息扫描望远镜 扫描的示意图扫描的示意图 系统示意图系统示意图 images Multiplexed (5) HOES Fields of view a bc d e a e bc d 前基于该项技术的雷达系统已经投入大气科学研究中，随后开发的无移动部件的全息扫描装置与先 前的扫描器相比，重量更轻，结构更为紧凑，也更可靠。所谓的共口径多元全息扫描望远镜系统集 合了多个全息光学元件于一体，每个全息元件可通过特定的角度选择性而确定，各自具有不同的视 场和焦距，如图 3 所示。 3. 全息光学元件将光环转换成点阵进行探测全息光学元件将光环转换成点阵进行探测 在大多数情况下，衍射光学元件都设计为 多个局域功能区的组合， 每个功能区完成不同 的任务，类似于一个集成电路。事实上，许多 衍射光学元件就是利用微电子加工技术制成 的。 利用衍射光学元件整形光束或使光束能量 分布发生改变可以有无数种形式， 甚至可以实 现传统光学不可能实现的光学变换。 全息光学元件是衍射光学家族的一员，本 质上，全息光学元件就是全息衍射光学元件， 它利用各种波前的叠加形成干涉图样并记录 在能将光强分布转换成相位分布的介质中， 这 种相位变化既可以发生在介质表面也可能发 生在介质内。与衍射光学元件相比，全息光学元件的典型空间频率通常更高，可达到的物理尺寸更 大。 当主动光雷达系统探测来自运动物体的回波时，通常会发生多普勒频移。为获得物体的运动速 度信息，接收系统必须能够分辨多普勒频移信号。例如在可见光波段，对于典型的风速，多普勒移 动约在 510 nm 量级，因此常常采用 Fabry-Perot 干涉仪（FPI）作为探测器。 NASA设计的新型全息光学元件提供一种简单、 廉价的探测方案。 设计的HOE元件将Fabry-Perot 输出的圆形条纹图样转换成一系列的点像，这样在像平面上放置单个固体探测器或者线形阵列探测 器，即可实现 FPI 输出的有效探测。 该全息光学元件看起来像是一个环带盘状物， 但与环带盘不同的是HOE 的每一个环面都起到一 个独立的偏心透镜的作用。全息光学元件HOE本身作为场镜，元件上的每一个环与FPI输出的干涉圆 环相对应，而全息图则将来自每个环面的所有光线聚焦到特定的离轴像点上，而不是干涉图样的中 心 (如图4所示)。 全息图的每一环面就是一个简单的离轴聚焦衍射光学元件， 每一个环都具有相同的 焦距，亦即所有的焦点位于平行于全息图的同一平面上。 4. 结束语结束语 事实上，全息光学元件所能实现的功能往往只受到设计者想象能力的限制，虽然衍射光学元件 并非万能的，尽管衍射元件在制作时比简单的折射元件都廉价得多，质量也好得多，但衍射元件最 重要的优势还在于他们所固有的不同性能以及实现全新光学功能的可能性。 除了上述介绍的两个具体应用，大口径全息光学元件常被应用于激光雷达系统以简化其机械结 构、降低系统重量；此外，全息光学元件还可能在微透镜阵列、激光共振腔、光学分束器、相差校 正、光互连等多个领域获得实际应用。相信随着衍射光学基本理论、衍射光学元件制作技术和衍射 光学与传统的折射反射光学有效结合等方面的深入研究，衍射光学技术定会在更广泛的领域获得实 际应用。 图图 4 来自不同环面的光束成像于不同的离轴像点处来自不同环面的光束成像于不同的离轴像点处 Diffractive circle to point converter Fabry-perot finges receivers Hoe with each annulus having aqual area