全息照相講義

全息照相實驗設計性實驗講義中的圖是示意圖，每個同學都可以自行設計干涉光路，文字所述條件搭建光路即可一、引言全息術——利用光的干涉和衍射原理，將物體發(fā)射的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來，并在一定的條件下使其再現，形成原物體逼真的立體像。由于記錄了物體的全部信息（振幅和相位），因此稱為全息術或全息照相。英國科學家丹尼斯?加伯（DennisGabor）在1948年為提高電子顯微鏡的分辨率，在布喇格（Bragg）和澤尼克（Zernike）工作的基礎上提出全息術。全息術需要高度相干性和高強度的光源，所以，直到I960年激光出現，以及1962年利思（Leith）和厄帕特尼克斯（Vptnieks）提出離軸全息圖以后，全息術的研究才進入一個新的階段，相繼出現了多種全息方法，開辟了全息應用的新領域，成為光學的一個重要分支。全息術發(fā)展到現在可以分為四代：第一代是用水銀燈記錄同軸全息圖，這是全息術的萌芽時期，其主要問題是再現像和共軛像不能分離，以及沒有好的相干光源；第二代是用激光記錄、激光再現，以及離軸全息圖，把原始像和共軛像分離；第三代是激光記錄白光再現的全息術，主要有反射全息、象全息、彩虹全息及合成全息，使全息術在顯示方面顯出其優(yōu)越性；第四代即當前所致力的方向，是企圖利用白光記錄全息圖，已初步作了一些工作。二、 實驗目的了解全息照相的基本原理和實驗裝置；初步掌握全息照相的方法，拍攝一幅漫反射三維全息照片；學會全息片的再現觀察，了解全息像的特點。三、 實驗原理全息照相分兩步：波前記錄和波前再現。波前記錄是將物體出射的光波（物光）與另一光束（參考光）相干涉，用照相的方法將干涉條紋記錄下來，稱為全息圖或全息照片。明暗相間的干涉條紋成像使全息圖具有光柵狀結構，當用原參考光照射全息圖時，光通過全息圖后發(fā)生衍射，其衍射光波能重建原物體光波，在照片后面原物體放置的位置上將有物體的再現三維像，即像與物有相同的景深。全息圖的記錄

圖1全息圖的記錄拍攝全息圖必須建立干涉光路，以圖1為例。激光器輸出的光束用分束器（1）分為兩束，反射的一束經全反鏡（6）反射到全息底片（5）上作為參考光；透射的一束經全反鏡（2圖1全息圖的記錄設X-Y平面為干涉場中照相底版所在平面，物光波O和參考光波R均為平面波，它們的復振幅(復矢量)分布為:1）（2）E=E(x,y)=e(x,y)exp仏(x,y)1）（2）ooooE=E(x,y)=e(x,y)exp仏(x,y)]rrrrE、E干涉疊加后的合振幅分布為orE=E(x,y)=E(x,y)+E(x,y) (3)or合振動的強度分布為4）I=I(x,y)=|E(x,y)|2=EE*4）上式中E與E*量是共軛復數，所以I(x,y)=EE*+EE*+E*E+EE* (5)oorroror為了便于分析，上式可改寫成光強形式I(x,y)=e2+e2+2eecos(Q—Q) (6)ororor由此式可知，e2+e2是基本恒定的，它是xy平面上的平均光強，是“直流”項；or2eecos（Q—Q）是隨坐標變化的，是“交流”項。后者攜帶著O光和R光的振幅和位相信oror息，因而是信息項，它的光強在xy平面上按坐標周期性地變化，形成干涉條紋。在參考光與物光的干涉場中的全息底片經曝光、顯影和定影處理以后，就將物光的全部信息（振幅和相位）以干涉條紋的形式記錄下來，這就是波前記錄過程。記錄介質及曝光條件（1） 負性干版的工口￡曲線記錄介質有銀鹽乳膠、光致腐蝕劑等多種記錄介質，比較常用的是負性乳膠干版，其振幅透過率T與曝光量胡勺關系在一定范圍內大致是線性關系的，如圖2,可表達為

7)圖2孚L膠的工十特性曲線T=T+p87)圖2孚L膠的工十特性曲線o其中，T,卩是常數，卩vO是負片?？梢娫谝欢ǚ秓圍內，振幅透過率和曝光量是線性關系。將感光干版放在xy平面上，它的感光量￡=I(x,y)t落在線性區(qū)如式(7),再經顯影定影處理后，xy平面上的光強分布I(x,y)就轉變成了干版上的振幅透過率分布t(x,y)，從而得到物體光波的全息圖。將￡=I(x,y)t代入式(7)中，則全息圖的振幅透過率分布為TOC\o"1-5"\h\zT(x,y)=k+PtEE*+PtE*E (8)oror式中k=T+pt\E2+pt\E2=T+pte2+pte2，可知k近似為常數。則(8)式改寫為o o r o o rT(x,y)=k+2Pteecos?—Q) (9)oror可見，全息圖的振幅透過率也是按坐標周期性變化的，即全息圖就是一塊刻紋光柵。當物體有一定大小時，底片處的光強分布極其復雜，它是一系列空間頻率大小不同、方向不同強度也不同的干涉條紋的疊加，所得到的全息圖實際是一種較復雜的光柵結構。底片的曝光量引起全息干版曝光的光強I可表示為E10)=I+1+2；ttcos?-e)10)TOC\o"1-5"\h\zr or or式中I和I分別代表入射到干版上的物光束與參考光束的強度，(e—e)為兩光束的位相差。or ro當(e—e)為0或n時，I取極值ro E11)每種全息干版都有自己的T^￡曲線，根據式(11)可以估計I/1的值，對于我們所使or用的底片來說，I/I的值一般為1/3~1/6。or在拍攝反射全息圖的光路設計中，應考慮到物體漫反射造成的光損失，所以物體應放置在靠近底片的位置上，獲得較集中的光束。物光束與參考光束的夾角干涉條紋的間距為10-3mm數量級或更小，每毫米將有上千條干涉條紋。普通感光干版幾十條至幾百條記錄條紋的質量是不能滿足要求的，所以，全息照相只能使用特制的高分辨率感光版。干版的分辨率將決定物光束與參考光束之間夾角的極限值，因為條紋密度是此夾角的函數。干涉條紋間距可用布喇格衍射公式決定2dsin。二九 （12）其中d是衍射條紋間隔，0是入射角。干版的分辨率所允許的物光束與參考光束夾角的極限值為20u九/d二九N （13）式中，N二1/d是每毫米內的條紋數，稱為空間頻率。據式（13）,若20二30。時，誤差約為2%。如果夾角0大，條紋間距就小，成像不易，這就對工作臺的穩(wěn)定性要較高。但是夾角大時也有優(yōu)勢：再現視野較大，從不同角度可看到被攝物體的各個側面，較能體現全息照相的特點。我們實驗中使用的是天津全息I型干版，其靈敏波長峰值是6300A。通常取物光與參考光夾角為30O能得到滿意的結果。（4） 光程差與穩(wěn)定性條件在拍攝全息圖時，物光和參考光的光程差△等于零最理想當物光和參考光在底片上任一點相遇時，光強度I僅依賴于兩束光的光程差△。當1A=d—d=kh（式中的k為整數）時，光強度I最大，得亮條紋；當A=d-d—（k+三）九21212時，光強度I最小，得暗條紋。而干涉條紋的調制度定義為I-1M=-max min （14）I+Imaxmin當M二1時，調制度最好。舉一個簡單的理想化的例子說：當I=I時，據（10）式可得0rI =41，I=0，貝0（14）式得M二1，此時干涉條紋最清晰，再現時衍射效果最好。max0min而M與光程差4以及激光管模數n是奇數還是偶數有關。若激光管長為L,而L在200-300mm之間時可以認為是單縱模，n=1。因此計算出△=0時，干涉條紋在奇數或偶數時M都為1，調制度最好。當然△=2kL時也可得到同樣的結果。但在光路調節(jié)中，后者較麻煩，一般不用。所以，我們采用△=0這個光程差。實際上，在調節(jié)光路中，不能嚴格達到光程差為零，只要△V1cm時，即可拍出很好的全息照片。

ii.對穩(wěn)定性的要求ii.對穩(wěn)定性的要求全息片所記錄的是參考光束和物光束之間的干涉條紋，這些干涉條紋十分細密，拍攝全息照片時，極小的擾動都會導致干涉模糊，甚至使干涉條紋完全不能記錄下來。簡單的理論推導和實驗證明，景物在曝光時間內移動/8就足以使干涉條紋模糊不清。所以，為了成功地記錄干涉條紋，曝光期間，元件之間的相對位移應小于條紋間距的幾分之一。為此，在照相過程中，光源、光路中各光學元件和底片都必須固定在一個性能良好的隔震臺上，稱為全息臺。此外，空間、聲波和溫度的變化也會引起元件的震動，或者使空氣的流動密度不均勻而導致光程變化，因此，曝光期間應避免大聲喧嘩、敲門、吹風等，更不能碰到隔震臺?？s短曝光時間也有利于減少外界震動的影響。使用脈沖激光器甚至可以拍攝運動物體的全息照片。但是減少曝光時間往往受到光源強度和底片靈敏度的限制，同時需要考慮被攝物體的反射率、相對距離和幾何位置等等因素。全息照相有以下幾個特點：（1）三維立體像——記錄的是光波的全部信息，即振幅與相位同時記錄在全息片上；（2）全息照片可以分割——因為任一小部分全息圖記錄的干涉圖象是由物體所有點漫射來的光與參考光相干涉而成的，所以打碎的全息照片仍能再現出原被攝物體的全部形象。（3）全息圖的亮度隨入射光強弱而變化——再現光愈強，像的亮度愈大，反之就暗。（4）一張全息片可以多次曝光——可以轉動底片角度拍攝多次，再現時作同樣轉動，不同角度會出現不同圖像，也可以不轉動底片而改變被拍物的狀態(tài)進行多次曝光，再現時可觀察到狀態(tài)的變化情況。四、 設計性實驗任務書：1、實驗準備（1） 學習波動光學、激光技術、光信息技術，在預習報告中闡述實驗原理。（2） 知道全息照相必須滿足的光路設計條件及其原因并在預習報告中一一列舉（3） 確定自己準備采用的全息照相類型，自行設計二個以上拍攝光路，如實驗室已提供的光學鏡頭不能滿足，可在實驗前至少兩天提出增加實驗材料。2、 實驗操作和任務（1） 向教師展示光路設計并聽取意見，如有不合理處及時調整。（2） 擺設實驗光路并證明光路滿足全息相干涉條件和物質條件。（3） 拍攝全息照片并再現。（4） 根據