全息照相讲稿(写预习报告用)_全息照相预习

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长沙理工大学备课纸

漫反射全息照片的摄制

窦柳明

人们所以能够看到物体，是由于物体上的各点发出的光(或反射的光)作为一种信号被人的眼睛接收并引起感觉的结果。光是一种电磁波，借助于物体上各点发出的电磁波的频率、振幅以及相位的不同，人们可以区别物体的颜色、明暗、位置、大小、形状和远近等等。

通常的照相方法是通过透镜把物体在感光胶片平面上所成像的照度分布记录下来，所以记录的只是光信号的强度。所谓“全息照相”，就是要把物体上发出的光信号的全部信息，即光波的振幅和相位全部记录下来。再利用适当的方法，就能得到物体的立体图像。

早在1948年，英国科学家盖伯(D.Gabor)为了提高电子显微镜的分辨本领而提出了全息原理，并开始了全息照相的研究工作。可是在50年代里这方面工作的进展相当缓慢。1960年以后，出现了激光，由于它具有良好的相干性和高强度，为全息照相提供了十分理想的光源，促进了全息术的发展，使之成为科学技术上一个崭新的领域。现在，全息术在干涉计量、无损检测、信息存储与处理、遥感技术、生物医学和国防科研等领域中获得了极为广泛的应用。盖伯也因发明全息术在1971年获得诺贝尔物理学奖。【实验目的】

1．了解全息照相的记录和再现原理； 2．掌握漫反射全息照片的摄制方法； 3．加深对全息照相的主要特点的理解。

【实验仪器】

全息实验台，He-Ne激光器，分束镜，反射镜，扩束镜，载物台，底片夹，全息干版，显影及定影器材等。【实验原理】

1．全息图的记录

全息照相与普通照相完全不同，它可以不用透镜或其他成像装置，而是利用光的干涉和衍射原理来记录和再现物体的光波，是一种完全新型独特的照相技术。

如图1所示，激光器射出的激光束通过分光板分成两束，一束经透镜扩束后照射到被摄物体上，再经物体表面反射(或透射)后照射到感光底片H(全息干版)上，这部分光叫物光。另一束经反射镜改变光路，再由透镜扩大后直接投射到全息干版上，这部分光称为参考光。由于激光是相干光，物光和参考光在全息底片上叠加，形成干涉条纹。因为从被摄物体上各点反射出来的物光，在振幅上和相位上都不相同，所以底片上各处的干涉条纹也

不相同。强度不同使条纹明暗程度不同，相位不同使条纹的密度、形状不同。因此，被摄物体反射光中的全部信息都以不同明暗程度和不同疏密分布的干涉条纹形式记录下来，经显影、定影等处理后，就得到一张全息照片。这种全息照片和普通照片截然不同，一般在全息照片上只有通过高倍显微镜才能看到明暗程度不同、疏密程度不同的干涉条纹，见图2，而看不到象普通照片那样所记录的物体的像。由于干涉条纹密度很高，所以要求记录介质有较高的分辨率，通常达1000条线／毫米以上，故不能用普通照相底片拍摄全息图。长沙理工大学备课纸

图1全息照相光路

2．全息图的再现

要看到被摄物体的像，必须用一束同参考光的波长和传播方向完全相同的光束照射全息照片，这束光叫再现光。这样在原先拍摄时放置物体的方向上就能看到与原物形象完全一样的立体虚像，参看图3。除了这个虚像之外，在全息照片观察者一侧还会形成一个实像。这两个像相当于光栅所产生的在零级两侧的两个衍射波所成的像。通过全息照片去看物体的像，犹如从窗口去观察原来物体一样，当人们移动眼睛从不同角度观察时，就好象面对原物一样可以看到它不同侧面的形象，甚至在某个角度被物遮住的东西也可以在另一角度看到它。更有趣的是，如果取全息照片的一个碎片，通过这一小块仍能看到整片记录的全部形象。

3．全息照相原理的数学描述

下面对全息照相原理作一简单的数学描述。设全息底片所在平面为xy平面，物光在底片上的振动表达式为

图2 全息图

EO(x,y)AO(x,y)costO(x,y)

(1)参考光为

ER(x,y)AR(x,y)costR(x,y)

(2)长沙理工大学备课纸

为方便起见，采用复数形式表示，写成EO(x,y)AO(x,y)eiO(x,y)eit

ER(x,y)AR(x,y)eiR(x,y)eit

对于相干波的叠加，真正起作用的是振幅和相位，常用复振幅来表示，即省去时间相位因子eit，剩和参考光复振幅分别为

图3 全息图的再现

下的部分既含振幅，又含随空间变化的相位，把它称为复振幅。于是，在底片上任一点物光O(x,y)AO(x,y)eiO(x,y)

(3)R(x,y)AR(x,y)eiR(x,y)

(4)

相干叠加后的合成光场为

H(x,y)O(x,y)R(x,y)

(5)干涉条纹的光强为

IHH*[OR][O*R*]

(6)

式中H*为H的共轭复数。为使关系式简洁，各量中的x,y均省略。将上式展开得

22IAOARAOARei(OR)AOARei(OR)

经简化后上式可简写为

22IAOAR2AOARcos(OR)

(7)

这正是干涉条纹光强的表达式。上式表明，光强I(x,y)包含了物光波的全部信息(振幅和相位)。采用适当的两光波强度比，感光底片经曝光并进行线性冲洗后，就得到一张全息照片(或称全息图)。

假定用照明光R(x,y)照射全息图，设再现光在全息图上的复振幅为

R(x,y)AR(x,y)eiR(x,y)

如把全息照片看作衍射屏，则透过全息照片后衍射波的复振幅为

U(x,y)R(x,y)t(x,y)

(8)

式中t(x,y)为全息照片的复振幅透射率，对于经线性处理的全息照片，复振幅透射率与曝光时的光强成线性关系，即

t(x,y)t0I(x,y)

(9)长沙理工大学备课纸

于是，透过全息照片后衍射波的复振幅

U(x,y)R(x,y)t0I(x,y)

将I(x,y)值代入得

URt0(OR)(O*R*)2(t0AOAR)RRR*ORRO*

(10)

U0U1U122式中第一项U0除了系数(t0AOAR)外，与再现光相同，为零级衍射波，代表照明光的透射波，形成一个背景象，从物光重现的角度来看，可以不予考虑。

第二项U1为1级衍射波，当再现光和参考光完全相同时，即ARARA，RR，则1级衍射波在全息照片上的复振幅为

U1RR*OARARei(RR)OA2O

与原物光只差一个常数因子，实现了原物光的再现。观察者将在原物体所在位置上看到逼真的立体虚像，在不同的角度看到物体不同的侧面。

第三项U1为1级衍射波，当再现光是参考光时，则1级衍射波在全息照片上的复振幅为

U1RRO*ARARei(RR)OA2ei2RO*

与原物光的共轭波O*(x,y)除相差一个常数因子外，还多一个位相因子ei2R，表示衍射波会聚于以全息照片为对称面的原物体的对称位置上，观察者将在此位置上看到一个实像，在实像中的那些细节与虚像是相反的。

4．对拍摄系统的技术要求

为了成功地获得全息图，对拍摄系统有一定的技术要求，主要是：

(1)全息实验台的防震性能要好。在全息照相时，物光和参考光相干涉形成的干涉条纹密度达每毫米近千条或更高，如果物光波和参考光波稍有抖动，就会造成干涉图样模糊不清。因此要求全息平台有很好的抗振性能，同时采取一些必要的减振措施，如在平台支座上加减振器、充气轮胎、沙箱等。对全息台上的光学元件需进行仔细检查，看是否牢固。在曝光过程中身体任何部位都不要触及全息台，避免高声谈话，更不要在室内随意走动、开关门、窗等，以确保干涉条纹无漂移。

(2)要有好的相干光源。一般采用He-Ne激光器作为光源，同时要求物光波和参考光波的光程尽量相等，光程差尽量小，以保证物光波和参考光波具有良好的相干性。

(3)物光和参考光的光强比要合适。一般选择IO/IR1/4~1/10为宜；两者间的夹角30°左右，不宜超过40°，因为夹角越大，干涉条纹间距越小，条纹越密，对全息底片分辨率的要求也越高。【实验内容】

1． 检查全息台的稳定性

用光学元件在全息台上布置成一迈克耳逊干涉仪的光路，以检查全息台的防震性能，如果在远大于曝光所需的时间内，屏上干涉圆环的“涌出”或“陷入”少于四分之一个环时，全息台可以使用，否则还要调节全息台。

2．全息照相光路调整

按图1所示光路安排各光学元件，并作如下调整：①使各元件基本等高；②在底片架上长沙理工大学备课纸

夹一块白屏，使参考光均匀照在白屏上、入射光均匀照亮被摄物体，且其漫反射光能照射到白屏上，调节两束光夹角约为30°；③使物光和参考光的光程大致相等，可分别挡住物光和参考光调节其光强比约1∶4～1∶10，两光束有足够大的重叠区；④所有光学元件必须通过磁钢与平台保持稳定。

3．全息图的记录

拿下白屏，关掉激光器(或在输出镜前用一挡光板挡住光束)，在底片夹上装夹全息干版，注意使底片的药膜面对着物光和参考光，稍等片刻(约1～2 min)，待系统稳定后，根据实验室提供的参考曝光时间（5秒钟左右），打开激光器(或移开挡光板)进行曝光。然后关闭激光器，取下底片待处理(注意切勿再使底片曝光)。4．照相底片的冲洗

在照相暗室中，按暗室操作技术规定进行显影(3分钟)、停显、定影（10分钟）、水洗及冷风干燥等处理后，即制成了全息图。

5．全息图的再现观察

用经扩束后的激光沿原参考光入射方向照明全息图（药膜面对着光），透过底片并朝着放置原物位置方向进行观察，可看到一个清晰、立体的原物虚像，体会全息照相的体视性。

用未经扩束的激光沿原参考光入射方向照射全息图（全息照片光面对着光），在全息照片后用白屏可接收到实像。

【注意事项】

1．为保证全息照片的质量，各光学元件应保持清洁。若光学元件表面被污染或有灰尘，应按实验室规定方法处理，切忌用手、手帕或纸片等擦拭；

2．绝对不能用眼睛直视未经扩束的激光束，以免造成视网膜永久损伤；

【思考题】

1．拍摄一张高质量的全息图应注意哪些问题? 2．为什么物光和参考光的光程要大致相等? 3．全息照相与普通照相有什么区别?

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